以激光向量技術(shù)進(jìn)行三維空間定位誤差測(cè)量與補(bǔ)償
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I. 簡(jiǎn)介
CNC機(jī)床可由包含直線位移誤差、直線度誤差、角度誤差及彈性誤差的空間定位準(zhǔn)確度來(lái)測(cè)得CNC機(jī)床的性能或準(zhǔn)確度。然而這些誤差的測(cè)量相當(dāng)復(fù)雜且耗時(shí)，針對(duì)這些原因，一些國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)如ISO 230-6及ASME B5.54[1]建議以體對(duì)角線位移測(cè)量來(lái)作空間性能的快速檢驗(yàn)，這是因?yàn)轶w對(duì)角線對(duì)于所有的誤差組成相當(dāng)靈敏，因此當(dāng)誤差超過(guò)規(guī)范，就沒(méi)有足夠的資料能夠來(lái)鑒別誤差源及作補(bǔ)償。
近年來(lái)，由光動(dòng)公司所發(fā)展出新的激光向量技術(shù)[2,3]，可利用激光位移量尺（LDDM）針對(duì)這些包含三項(xiàng)位移誤差、六項(xiàng)直線度與三項(xiàng)垂直度誤差的空間誤差來(lái)做測(cè)量。使用這項(xiàng)激光向量測(cè)量技術(shù)，已在亞崴型號(hào)為FV-1000的立式切削中心測(cè)量得到相關(guān)數(shù)據(jù)。
II. 體對(duì)角線位移測(cè)量
體對(duì)角線位移測(cè)量方式被建議用來(lái)作機(jī)器定位及幾何準(zhǔn)確度的快速檢驗(yàn)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，類似于激光直線位移測(cè)量，取代了激光光束在軸向的指向，而是作體對(duì)角線方向的指向，固定反射鏡在主軸上，并沿著體對(duì)角線方向移動(dòng)主軸，從零點(diǎn)位置開(kāi)始，并使三軸沿著對(duì)角線方向以增量同動(dòng)到新的位置，則位移誤差可被測(cè)得。沿著對(duì)角線任一位置的準(zhǔn)確度是依據(jù)三軸的定位準(zhǔn)確度來(lái)決定，這準(zhǔn)確度包含直線度誤差、角度誤差及垂直度誤差。因此體對(duì)角線位移測(cè)量是一種機(jī)器驗(yàn)證的良好方法，但并沒(méi)有足夠的信息可以來(lái)鑒別誤差源。
III. 向量或分段對(duì)角線測(cè)量
新的向量測(cè)量方法或分段對(duì)角線測(cè)量方法不同于傳統(tǒng)的方法，因?yàn)楦鬏S的是分開(kāi)移動(dòng)的，且定位誤差是在每次X軸、Y軸及Z軸各自移動(dòng)后采集，基于這個(gè)理由，可采集到三倍多的資料，同時(shí)定位誤差因?yàn)楦鬏S各自移動(dòng)，可分離出來(lái)，這些采集到的資料可當(dāng)作各軸沿著對(duì)角線位移的投影來(lái)作處理。
一般的體對(duì)角線位移測(cè)量，標(biāo)靶軌跡是直線，并且以角方鏡來(lái)作標(biāo)靶，因此只能容許較小的側(cè)向位移。向量方法，變成分別沿著X軸、Y軸及Z軸作移動(dòng)，重復(fù)這些動(dòng)作直到對(duì)角線的相對(duì)端點(diǎn)。激光干涉儀是單光束激光，并以平面鏡當(dāng)作標(biāo)靶，注意到當(dāng)以平面鏡當(dāng)作標(biāo)靶時(shí)，當(dāng)移動(dòng)平行平面鏡時(shí)，激光光束并不會(huì)被遮斷及改變與光源的距離，所以測(cè)量不會(huì)受到影響。因此可測(cè)量激光方向的移動(dòng)及容許較大的標(biāo)靶側(cè)向移動(dòng)。
IV. 亞崴機(jī)器上的測(cè)量
測(cè)量在亞崴型號(hào)FV-1000的立式切削中心上進(jìn)行，F(xiàn)V-1000是針對(duì)高速模具加工所設(shè)計(jì)，具強(qiáng)化肋的厚鋼鐵結(jié)構(gòu)，提供機(jī)器較佳的剛性及防止任何可能影響切削準(zhǔn)確度的彎曲或扭轉(zhuǎn)。門柱是一體成形鑄造可以符合較大的切削性能及吸收振動(dòng)，門柱鎖在床臺(tái)頂部以確保最佳準(zhǔn)確度的調(diào)校與垂直度，并可符合最大的剛性。機(jī)器工作空間是1050mm乘上600mm乘上540mm，控制器為Fanuc 18M。
V. 激光向量方法、測(cè)量與補(bǔ)償
1. 激光測(cè)量系統(tǒng)
激光校驗(yàn)系統(tǒng)為激光都普勒位移量尺（LDDM），由美國(guó)光動(dòng)公司所制造，型號(hào)為MCV-500。它是新一代應(yīng)用都普勒效應(yīng)的單光束激光干涉儀，此系統(tǒng)具調(diào)整鏡，容易操控激光光束到對(duì)角線方向。
在機(jī)器移動(dòng)部的標(biāo)靶為一75×100mm的平面鏡，空氣溫度及壓力可被測(cè)得并可補(bǔ)償機(jī)器的熱膨脹，自動(dòng)資料采集，誤差分析及自動(dòng)產(chǎn)生補(bǔ)償表，這些皆在光動(dòng)公司LDDM版本2.50的窗口軟件上執(zhí)行。
2.架設(shè)與調(diào)校
應(yīng)用激光向量方法，機(jī)器可沿著四條體對(duì)角線進(jìn)行測(cè)量，激光頭固定于機(jī)器床臺(tái)上，并使用調(diào)整鏡來(lái)調(diào)校激光光束使其平行對(duì)角線，平面鏡則固定于主軸上，并使其表面與激光光束垂直，如圖1所示，機(jī)器可設(shè)計(jì)工件程序使主軸由起始端點(diǎn)到相對(duì)端點(diǎn)移動(dòng)。
亞崴立式切削中心外觀及激光在床臺(tái)與平面鏡在主軸上的分段對(duì)角線測(cè)量架設(shè)照片
測(cè)量資料會(huì)由LDDM的窗口軟件在每次機(jī)器停止或各單軸移動(dòng)后自動(dòng)采集，誤差資料由LDDM軟件分析，而每一軸的誤差會(huì)自動(dòng)計(jì)算，應(yīng)用這些誤差亦可自動(dòng)產(chǎn)生誤差補(bǔ)償表，在此次試驗(yàn)中，機(jī)器不具任何誤差補(bǔ)償、具節(jié)距誤差補(bǔ)償、具空間誤差補(bǔ)償?shù)倪@幾筆測(cè)量資料皆會(huì)被采集到。
4. 測(cè)量結(jié)果
機(jī)器在不具任何補(bǔ)償時(shí)的體對(duì)角線位移誤差如圖2所示，其中對(duì)角線的方向以對(duì)角線的正向或反向增量表示。
不具任何補(bǔ)償?shù)乃臈l體對(duì)角線位移誤差，總誤差為110mm
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評(píng)論