用激光檢測系統評定和修正CNC機床
發布時間：2022-04-01瀏覽次數：990返回列表
用激光檢測系統評定和修正CNC機床
當制造的工件超出允許的公差，或者雖然沒有超出公差，但已接近公差的大值時，此時就應在檢查工件的加工過程中去發現問題的根源。 在排除了由刀具磨損、工件編程差錯、夾具變化和原材料等問題的可能性后，余下的就是要確定CNC機床是否是引起問題的根源。首先要明確的是，刀具是否按照工件的編程命令移動到正確位置。例如裝在一臺三軸加工中心上的刀具被編程到一系列的X、Y、Z的坐標位置。因為機床是三軸的，所以每一個軸都必須被檢測。
當對單個坐標軸進行評定時，核心的問題是工作的復雜性。每一個坐標軸都可能有六項誤差：線位移的位置誤差、在垂直于軸的兩個正交方向上的直線度誤差以及俯仰、偏轉和滾動三個角度誤差。此外，還需要另外的裝置去檢測機床三個坐標軸之間的相互垂直度。因此，對于一臺具有三個坐標軸的機床就具有21項可能的誤差源。
機床測量
長期以來，對機床的測量都使用步距規、直尺、方鐵和指示表。使用這些工具進行檢測，則要求有技術、經驗豐富的檢測人員，即使這樣，也難免產生大的計算誤差。由于每測量一項誤差需要一個單獨的測量裝置，要完成21項誤差測量，時間就成了大的障礙。由于生產和時間的制約，往往限制了被檢測的誤差項目數，生產車間常常只試圖確定和修正主要誤差源而不對機床進行全面檢測。例如常用的診斷工具可伸縮球桿尺，它對于確定動態誤差和提供相對的坐標軸運動信息十分有效，還能測量回程間隙、爬行、標尺失配和伺服滯后誤差，但它不能提供除了坐標軸正交性以外的機床其它幾何要素的可靠測量。
使用激光干涉儀來考核機床可消除使用其它方法測量機床坐標軸時所出現的各種問題。激光干涉儀被看作是長度測量和確立線位移精度的標準。使用一些專用的光學組件，能測量兩個正交方向的直線度和三個角度誤差中的兩個誤差：俯仰誤差和偏轉誤差。
為滿足機床運動測量的需要，開發出了各種激光測量系統。雖然可應用許多不同的測量系統，但大多數依賴于三種測量方案之一，以達到相同的測量結果。一種方案是測量工作空間的對角線，其精度取決于被考核機床的重復性，但這種方法不能提供各軸的單獨誤差，而這些誤差有助于確定也許需進行的適當的機械修正(如垂直度的修正)。另外兩個方案主要著重于機床坐標軸的直接測量。在用一些系統測量一個坐標軸的同時由其它系統測量另外的坐標軸。后一個例子是API(Automated Precision Inc)的6維激光測量系統。它能同時測量一個坐標軸的5項或6項誤差，這可減少80%的測量時間。此外，在測量這些誤差的同時還提供其相互間的關系。
在用API系統測試以后，經分析結果表明，也許一個坐標軸比其它兩個軸的精度低得多。通常，利用這個信息足以確定哪個坐標軸需要進行修正。如果單個坐標軸的各項誤差都小于要加工的工件誤差，但操作者還是應該確定機床是否能加工合格的工件，因為誤差會按幾何合成而增大(以三維角度合成)，所以就必須要了解一個軸的誤差如何在另外兩個軸上產生影響。比較典型的是在CNC機床上Y軸重疊于X軸上的情況發生。如果X軸在Y軸的方向上有直線度誤差，測該誤差就疊加(相加或相減)到Y軸的線位移誤差上，而在測量過程中，不可能發現這些誤差，因為測量時在某一時刻只移動一個軸。再有，要分析評定21項誤差的每一個可能的疊加影響是非常復雜的。
誤差模態分析軟件使得這種分析工作變得非常容易。軟件能提供一個空間誤差圖形，提示出在機床有效工作空間的每一處所測量到的21個單項誤差的綜合作用結果。軟件可方便地確定機床是否有能力加工某一公差范圍內的工件。
修正步驟
一旦確定CNC數控機床是工件公差變化的原因，則必須修正機床誤差。為了確定有效的修正方法，必須評定機床的重復性。重復性是機床穩定性的度量，機床刀具根據其穩定性移動到某一命令位置。例如刀具接收到一個命令要移到X=5，Y=5和Z=0，但是它四次每次都移到X=4.950，Y=4.950和Z=0，則該機床是一臺高度穩定的機床，但不是一臺的機床。當一臺機床重復某一個誤差，或帶有一點點變化，則可方便地用調整命令的位置來修正誤差。
在這個例子中，操作者可命令刀具到X=5.050，此時刀具會非常接近地在X軸上到達期望的位置。對某一臺機床而言，僅依靠調節命令位置來改變程序，并不是好的一種校正方法。因此，目前許多的控制器允許調節編碼器的位置軟件來修正這些誤差，這就是通常所說的“節距補償”，因為移動坐標軸的常用方法是用馬達驅動絲杠螺母傳動副。位置由編碼器中光學圓盤上的計數脈沖來確定，編碼器每轉一圈能發出大量脈沖，編碼器轉一轉，機床移動一個螺距。
如果一個誤差重復，則可通過控制器來修正；如果一個誤差不重復或變化超過了期望的公差值，則必須對機床的機械系統或電氣部分進行修理。
大多數的機床控制器能給操作者提供調整線位移位置的能力，以修正行程誤差——即節距誤差。此外，許多新的控制器能提供在兩個正交方向的直線度修正和坐標正交性的修正，有些控制器具有修正所有21項誤差的能力。
誤差修正常常是基于三維網格方式，它們是機床有效空間的一組點位。對網格中的每一個特定的X、Y和Z的點，給一個修正值。對每一個點，將21個單項誤差綜合成一個修正值就需要建立誤差模型和進行計算，它們常常超出了機床操作技術人員的能力。現在可提供3維誤差模型和修正軟件以及這些網格。
如果一個控制器不能補償機床的所有誤差并且單獨的線位移補償不能提供期望的結果，其修正仍然可以實現，只要變換由標尺(編碼器)系統提供給控制器的信息即可。這需要使用第二個控制器來實現，第二個控制器將會變換提供給基于誤差模型分析軟件的機床原來控制器的機床標尺信息，不管怎樣所得到的結果是相同的。
用激光系統來評定CNC機床可以作快速和綜合的分析，這些工作若用其它方法來做，將很耗費時間且又不經濟。用誤差模型軟件分析數據降低了處理過程的復雜性，并可不斷生產出合格工件。
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