以激光向量技術(shù)進(jìn)行三維空間定位誤差測量與補(bǔ)償
近年來柒汉，光動公司已經(jīng)發(fā)展出針對包含三項(xiàng)位移誤差、六項(xiàng)直線度誤差及三項(xiàng)垂直度誤差空間誤差的激光向量測量技術(shù)谨跌，整個測量僅需幾小時否抛，取代了傳統(tǒng)測量需耗費(fèi)幾天的時間。使用激光向量測量技術(shù)吊烫，已經(jīng)于亞崴配載Fanuc 18M控制器型號為FV-1000的立式加工中心上測得其空間定位誤差言酪。在沒有任何補(bǔ)償條件下，空間誤差為110mm谍钝，在節(jié)距誤差補(bǔ)償條件下败饵，空間誤差為95mm，而在空間補(bǔ)償條件下椭徙，空間誤差則為12.5mm熊过，整個改善了900%，關(guān)于此項(xiàng)技術(shù)的操作原理征乳、硬件架構(gòu)胖真、資料采集與處理及一些測試結(jié)果將在本篇文章中做討論。
I. 簡介
CNC機(jī)床可由包含直線位移誤差律姨、直線度誤差振峻、角度誤差及彈性誤差的空間定位準(zhǔn)確度來測得CNC機(jī)床的性能或準(zhǔn)確度。然而這些誤差的測量相當(dāng)復(fù)雜且耗時择份，針對這些原因扣孟，一些國際標(biāo)準(zhǔn)如ISO 230-6及ASME B5.54[1]建議以體對角線位移測量來作空間性能的快速檢驗(yàn)，這是因?yàn)轶w對角線對于所有的誤差組成相當(dāng)靈敏荣赶，因此當(dāng)誤差超過規(guī)范凤价，就沒有足夠的資料能夠來鑒別誤差源及作補(bǔ)償。
近年來拔创，由光動公司所發(fā)展出新的激光向量技術(shù)[2,3]利诺，可利用激光位移量尺（LDDM）針對這些包含三項(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做測量伏蚊。使用這項(xiàng)激光向量測量技術(shù)立轧，已在亞崴型號為FV-1000的立式切削中心測量得到相關(guān)數(shù)據(jù)。
II. 體對角線位移測量
體對角線位移測量方式被建議用來作機(jī)器定位及幾何準(zhǔn)確度的快速檢驗(yàn)躏吊。簡單來說氛改，類似于激光直線位移測量，取代了激光光束在軸向的指向，而是作體對角線方向的指向臊癞，固定反射鏡在主軸上辐逝，并沿著體對角線方向移動主軸，從零點(diǎn)位置開始绣嫉，并使三軸沿著對角線方向以增量同動到新的位置黄惭，則位移誤差可被測得。沿著對角線任一位置的準(zhǔn)確度是依據(jù)三軸的定位準(zhǔn)確度來決定普计，這準(zhǔn)確度包含直線度誤差祟俯、角度誤差及垂直度誤差。因此體對角線位移測量是一種機(jī)器驗(yàn)證的良好方法迂唤，但并沒有足夠的信息可以來鑒別誤差源五妹。
III. 向量或分段對角線測量
新的向量測量方法或分段對角線測量方法不同于傳統(tǒng)的方法，因?yàn)楦鬏S的是分開移動的革惊，且定位誤差是在每次X軸辞皇、Y軸及Z軸各自移動后采集，基于這個理由骏卿，可采集到三倍多的資料符焊，同時定位誤差因?yàn)楦鬏S各自移動，可分離出來姻僧，這些采集到的資料可當(dāng)作各軸沿著對角線位移的投影來作處理规丽。
一般的體對角線位移測量，標(biāo)靶軌跡是直線撇贺，并且以角方鏡來作標(biāo)靶嘁捷，因此只能容許較小的側(cè)向位移。向量方法显熏，變成分別沿著X軸、Y軸及Z軸作移動晒屎，重復(fù)這些動作直到對角線的相對端點(diǎn)喘蟆。激光干涉儀是單光束激光，并以平面鏡當(dāng)作標(biāo)靶鼓鲁，注意到當(dāng)以平面鏡當(dāng)作標(biāo)靶時蕴轨，當(dāng)移動平行平面鏡時，激光光束并不會被遮斷及改變與光源的距離骇吭，所以測量不會受到影響橙弱。因此可測量激光方向的移動及容許較大的標(biāo)靶側(cè)向移動。
IV. 亞崴機(jī)器上的測量
測量在亞崴型號FV-1000的立式切削中心上進(jìn)行咱取，F(xiàn)V-1000是針對高速模具加工所設(shè)計(jì)傻椿，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)姆歹。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肤狞，門柱鎖在床臺頂部以確保最佳準(zhǔn)確度的調(diào)校與垂直度京拣，并可符合最大的剛性。機(jī)器工作空間是1050mm乘上600mm乘上540mm货瘫，控制器為Fanuc 18M帜猩。
V. 激光向量方法、測量與補(bǔ)償
1. 激光測量系統(tǒng)
激光校驗(yàn)系統(tǒng)為激光都普勒位移量尺（LDDM）鬓灼，由美國光動公司所制造朦阶，型號為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瘪吭，此系統(tǒng)具調(diào)整鏡杰翰，容易操控激光光束到對角線方向。
在機(jī)器移動部的標(biāo)靶為一75×100mm的平面鏡常枢，空氣溫度及壓力可被測得并可補(bǔ)償機(jī)器的熱膨脹久规，自動資料采集，誤差分析及自動產(chǎn)生補(bǔ)償表旗扑，這些皆在光動公司LDDM版本2.50的窗口軟件上執(zhí)行蹦骑。
2.架設(shè)與調(diào)校
應(yīng)用激光向量方法，機(jī)器可沿著四條體對角線進(jìn)行測量臀防，激光頭固定于機(jī)器床臺上眠菇，并使用調(diào)整鏡來調(diào)校激光光束使其平行對角線，平面鏡則固定于主軸上袱衷，并使其表面與激光光束垂直捎废，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)到相對端點(diǎn)移動致燥。
圖1 亞崴立式切削中心外觀及激光在床臺與平面鏡在主軸上的分段對角線測量架設(shè)照片
3. 空間誤差資料采集與分析
測量資料會由LDDM的窗口軟件在每次機(jī)器停止或各單軸移動后自動采集登疗，誤差資料由LDDM軟件分析，而每一軸的誤差會自動計(jì)算嫌蚤，應(yīng)用這些誤差亦可自動產(chǎn)生誤差補(bǔ)償表辐益，在此次試驗(yàn)中，機(jī)器不具任何誤差補(bǔ)償脱吱、具節(jié)距誤差補(bǔ)償智政、具空間誤差補(bǔ)償?shù)倪@幾筆測量資料皆會被采集到。
4. 測量結(jié)果
機(jī)器在不具任何補(bǔ)償時的體對角線位移誤差如圖2所示苦频，其中對角線的方向以對角線的正向或反向增量表示清截。
圖2 不具任何補(bǔ)償?shù)乃臈l體對角線位移誤差，總誤差為110mm
機(jī)器在不具任何補(bǔ)償時所測得的最大對角線位移誤差為110mm梧杠，同樣地弧蜒，機(jī)器在具節(jié)距誤差補(bǔ)償時的體對角線位移誤差如圖3所示，在此其最大位移誤差為95mm，改善率為15%峭跺，而機(jī)器在具空間誤差補(bǔ)償時的體對角線位移誤差如圖4所示装芬，其最大位移誤差為12.5mm，改善率為900%新罗。
圖3 具節(jié)距誤差補(bǔ)償?shù)乃臈l體對角線位移誤差援栗，總誤差為95mm，只有較小的改善
圖4 具空間誤差補(bǔ)償?shù)乃臈l體對角線位移誤差训奢，總誤差為12.5mm帘惜，改善了900%。
VI. 討論與總結(jié)
總結(jié)前面所述饼暑，我們已在亞崴的立式切削中心上完成向量測量與空間補(bǔ)償稳析，亞崴的立式切削中心的空間定位準(zhǔn)確度可獲得改善超過900%，在此可注意到如果只作節(jié)距誤差補(bǔ)償弓叛，則僅改善15%彰居，因此只作節(jié)距誤差補(bǔ)償是不足夠的，能夠同時補(bǔ)償節(jié)距誤差及直線度誤差是相對重要的撰筷。
此外激光向量測量僅需2到4小時陈惰，大大取代了一般激光干涉儀需要20到40小時去測量的時間，激光架設(shè)相當(dāng)簡單毕籽，并且資料可自動采集抬闯，數(shù)據(jù)處理與補(bǔ)償文件產(chǎn)生皆為自動，排除手動操作并減少誤差关筒，因此毋需經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師溶握，機(jī)器操作者在接受訓(xùn)練后即可操作激光校驗(yàn)及校驗(yàn)。
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