מכוון לבעיות של זיהוי שגיאות גיאומטריות ודוגמניות של מכונות CNC של אינטרפרומטר הלייזר הקיים, תהליך פעולה מורכב ויעילות דוגמנות נמוכה, מוצעת שיטת זיהוי שגיאות גיאומטרית חדשה ומידול של כלי מכונות CNC. באמצעות שיטת המדידה של מסלול הקשת בת שלוש המטוסים והמוט כדי למדוד את השגיאה, נקבע מודל הזיהוי בין קריאת מוט הכדור לבין השגיאות הגיאומטריות המתאימות בכל מישור של כלי המכונה, זיהוי השגיאה הגיאומטרית התממש והשגיאה המקיפה נקבעה חיזוי של כלי המכונה. דֶגֶם. במקביל, אינטרפרומטר לייזר משמש להקמת מכשיר ניסיוני להשוואה למדידת השגיאה הגיאומטרית בפועל של כלי המכונה. נתוני השגיאה הגיאומטרית שזוהו על ידי הכדור והטעות הנמדדת על ידי אינטרפרומטר הלייזר מוחלפים בהתאמה במודל חיזוי השגיאות המקיף של כלי המכונה לצורך השוואה ואימות. ניתן לראות מתוצאות ההשוואה כי ההבדל בין מודל השגיאה המקיף של כלי המכונה שהוקם על ידי שתי השיטות הוא 3.0μm, שיכול לענות על הדרישות של פיצוי שגיאות מכונה.

מערכת המדידה במכונה של כלי מכונת CNC מורכבת מגוף כלי המכונה ומחטירה. החללית מייצרת אות טריגר ומפעילה את מכשיר קריאת הקואורדינטות התלת-ממדי של כלי המכונה לבצע קריאות למימוש מדידת הקואורדינטות התלת-ממדית של הנקודה הנמדדת. אם הדיוק של מערכת המדידה לא משתפר, המדידה מתבצעת ישירות על ידי השילוב של מכונת הכלי והחיישן, שאינו עומד בדרישה שדיוק מערכת המדידה חייב להיות גבוה פי שלושה מהדיוק של החלק הנמדד. לכן, יש להשתמש בשיטת הפרדת השגיאות למדידת השגיאות הגיאומטריות של כלי המכונה. הקמת מודל לחיזוי שגיאות מקיף בדיוק רב לפיצוי שגיאות מדידה [1]. נכון לעכשיו, שיטות זיהוי השגיאות הגיאומטריות של כלי CNC מכילות בעיקר אינטרפרומטרים לייזר בתדר כפול, מוטות כדורים, סורגי מטוס וציוד אחר [2].

יש להחליף את קבוצת העדשות האופטיות עבור כל שגיאה הנמדדת על ידי אינטרפרומטר הלייזר, והנתיב האופטי אינו קל להתאמה, היעילות נמוכה והרכיבים האופטיים יקרים [3]. מוט הכדור יכול להפריד ולזהות 21 שגיאות גיאומטריות כולל שגיאת זווית הגלגול [4-5] על ידי מדידת מסלול הקשת הקונבנציונאלי בן שלוש המטוסים, אך ישנה בעיה של דיוק הזיהוי.

בשנים האחרונות חוקרים בבית ובחו"ל הציעו שיטות רבות לזיהוי טעויות מרחביות המבוססות על מוטות כדורים, בעיקר לזיהוי שגיאות של צירים סיבוביים של מכונות [6-9], אך המחקר בנושא זיהוי שגיאות בציר לינארי חסר השוואה מלאה של תוצאות ניסוי. ואימות [10]. לצורך מידול שגיאות מקיף של כלי מכונה, רובם משתמשים באינטרפרומטר לייזר כדי למדוד כל שגיאה בודדת, ולאחר מכן משתמשים בשיטה דיפרנציאלית, בתיאוריה של מערכת מרובת גופים ובשיטות אחרות לבניית מודל חיזוי שגיאות מקיף [11-13], אך השתמשו במוט כדורי למדוד ולזהות את הטעות הגיאומטרית ישנם מעט מחקרים על הקמת מודל שגיאות מקיף של כלי מכונה [14].

על מנת לשפר את הדיוק של זיהוי השגיאות הגיאומטריות המבוססות על הכדור והדיוק המקיף של דוגמאות השגיאות, מאמר זה מאמץ את שיטת מסלול הקשת בת שלוש המטוסים של הכדור כדי לבסס את הקשר בין קריאות הכדור לבין השגיאות הגיאומטריות בכל מישור של כלי מכונת ה- CNC. דגם, זיהוי ערכי שגיאה גיאומטריים שונים ולאחר מכן השתמש בנתוני הזיהוי כדי לבנות מודל חיזוי שגיאות מקיף של כלי מכונה ולבצע ניסויי אימות השוואתיים.

1. שיטת זיהוי שגיאות גיאומטריות עבור כלי מכונה CNC

1.1 מקורות לשגיאות גיאומטריות של כלי מכונות CNC

מאמר זה לוקח את מרכז העיבוד האנכי XYTZ כאובייקט המחקר. כפי שמוצג בתרשים 1, כאשר חלקי כלי המכונה של כלי מכונת CNC תלת-ציר נעים לאורך ציר Y, ​​יש בסך הכל 6 שגיאות גיאומטריות, ובסך הכל 18 טעויות גיאומטריות הקשורות למיקום נוצרות על ידי שלושת הצירים . בסך הכל יש 21 שגיאות גיאומטריות ל -3 טעויות האנכיות בין 3 הצירים האנכיים העליונים.

1.2, עקרון העבודה של מוט הכדור

במאמר זה, שיטת המדידה של מסלול הקשת והמטוס המשולש משמשת למדידת השגיאה [15]. התרשים הסכימטי של עקרון המדידה של מוט הכדור מוצג באיור. הפוך את הקואורדינטות המרכזיות של הכדור המדויק שנספג על בסיס ההרכבה של שולחן העבודה להיות O (0, 0, 0), וקואורדינטות המרכז של הכדור המדויק שנספג על מוט הרכבת הציר הוא P (x, y, z) , כאשר שולחן העבודה הוא באופן תיאורטי במהלך אינטרפולציה מעגלית, הקואורדינטות המרכזיות של הכדור המדויק שנספג על הציר הופכות ל- P ′ (x ′, y ′, z ′) בשל השגיאה הגיאומטרית של כלי המכונה. תן ל- Δx, Δy ו- Δz להיות ההבדל בין נקודה P לנקודה P ', בהתאמה. המרכיב של שגיאת הזמן בכיוון X, Y ו- Z.

בשל השגיאה הגיאומטרית, ניתן לבטא את האורך בפועל של הכדור

(R+Δr)2=(x+Δx)2+(y+Δy)2+(z+Δz)2(1)

בנוסחה: Δx, Δy, Δz נמצאים כולם ברמת המיקרון, תוך התעלמות מהמונח הריבועי, ניתן לחשב את שינוי האורך בפועל של הכדור.

Δr = 1r (Δx × x+Δy × y+Δz × z) (2)

בנוסחה: Δr הוא קריאת הכדור, כלומר השינוי באורך המועדון. נוסחה זו היא הבסיס התיאורטי של מוט הכדורים למדידת הטעויות הגיאומטריות של כלי CNC, שממנה ניתן להפיק את מודל הפרדת השגיאות של כלי CNC.

שיטת מדידת מסלול הקשת בת שלוש המטוסים מתבצעת על שלושת המישורים האורתוגונליים של כלי המכונה CNC. כאשר מוט הכדור מזהה במישור XY, ציר כלי המכונה מפסיק לנוע בכיוון Z. התקן את הכדור אופקית. מוט הכדור לוקח את מרכז הכדור המדויק הנתמך על התמיכה בצד השולחן כמרכז הסיבוב, ומשלים את הזנת האינטרפולציה בקשת ברדיוס של r לפי פקודת CNC, בכיוון השעון ונגד כיוון השעון, אחת כל אחת, באותו אופן, כאשר מזהים במטוס YZ ובמטוס ZX, כיוון הציר X ו- Y מפסיקים לזוז. ביניהם, מדידת הקשת 360 ° (מסלול יתר 45 °) מתבצעת במישור XY, ומדידת הקשת של 220 ° (מעבר 2 °) מתבצעת במישור ZX ובמטוס YZ בהתאמה [16]. בשלב זה, השינוי באורך ה- Δr של המועדון הוא השגיאה המקיפה במטוס, ולאחר מכן החלף את נתוני הזיהוי של מוט הכדור למודל הזיהוי בין קריאת מוט הכדור שנקבעה בשיטת זיהוי השגיאות הגיאומטריות לבין השגיאות הגיאומטריות המתאימות. בכל מישור של כלי המכונה להשגת זיהוי שגיאות גיאומטריות.

1.3. שיטת זיהוי שגיאות גיאומטריות

מטריצת הטרנספורמציה הומוגנית של קואורדינטות 4 × 4 HTM (מטריצת טרנספורמציה הומוגנית) משמשת לזיהוי רכיבי השגיאה הגיאומטרית של כלי מכונות CNC.

ניתן לכתוב את ה- HTM של ציר Y כ

טרנס (y) = 1000010ym00100001 (3)

תוך התעלמות ממונחים מסדר גבוה יותר, ניתן לכתוב את ה- HTM של השגיאה הגיאומטרית בציר Y כ

E(y)=1-εz(y)εy(y)δx(y)εz(y)1-εx(y)δy(y)-εy(y)εx(y)1δz(y)0001(4)

על פי הנוסחאות (3) ו- (4), ניתן להשיג את ה- HTM של מערכת הקואורדינטות של מיטת המכונה מציר R עד Y כולל את השגיאות הגיאומטריות

RTT=Trans(y)×E(y)=1-εz(y)εy(y)δx(y)εz(y)1-εx(y)δy(y)+ym-εy(y)εx(y ) 1δz(y)0001(5)

באמצעות אותה שיטה, אתה יכול לבסס את ציר Y וציר X, ציר X וחתיכת עבודה W, ציר Z RZT, ציר S וציר Z, HTM בין הכלי T לציר S, באופן דומה, כלי T הוא יחסית ל- מיטת המכונה ניתן להביע את ה- HTM של R כדלקמן, והם משמשים לבניית כל המודל הקינמטי של כלי המכונה.

RwT = RYT · YXT · XwT · TW (6)

RTT = RZT · ZST · STT · Tt (7)

איפה: וקטור קואורדינטות המיקום של נקודת העיבוד התיאורטי של חומר העבודה TW במערכת קואורדינטות העבודה, ו- Tt הוא וקטור קואורדינטות המיקום של קצה הכלי של כלי המכונה במערכת קואורדינטות הכלי T.

על פי משוואות (6) ו- (7), ההבדל בין שתי המטריצות הללו הוא מטריצת הטעות של התזוזה היחסית בין חומר העבודה לקצה הכלי, כלומר מטריצת השגיאה הגיאומטרית של כלי המכונה מוצגת במשוואה (8).

WTT = RTT-RWT (8)

בתהליך הפתרון שלו, המונח הריבועי והמונחים מסדר גבוה נמחקים על מנת להשיג מודל שגיאות גיאומטרי פשוט של כלי ה- CNC הנע לאורך צירי הקואורדינטות X, Y ו- Z, אשר מוחלפים בהתאמה למשוואה (2 ), ולאחר מכן סדרה של פשטות בחישוב מתקבלת משוואה עם 12 מקדמים. כפי שמוצג במשוואה (9), מקדמים אלה קשורים לחריגה Δr של אורך הכדור.

Δr=1rxdxz(zr)2-z·γx, z+2d·dxz(zr2)-Xw+YW2dyx(xr2)+2dxy(yr2)-ZW2dzx(xr2)+eyy(yr)-x-dxx(xr)- dxy(yr)2+ydyz(zr)2-z·γy, z-2d·dyz(zr2)-XW2dxy(yr2)+2dyx(xr2)-YW+ZWexx(xr)+2dzy(yr2)-2x·dxy (Yr2)-dyx(xr)2+x·γx,yy-dyy(yr)+zz+dzz(zr)+d+XWeyy(yr)+2dzx(xr2)-YW2dzy(yr2)+exx(xr)- ZW+x·eyy(yr)-dzx(xr)2-dzy(yr)2(9)

היכן: dxx, dyy, dzz, dyx, dzx, dzy, dxy, dxz, dyz, exx, eyy, ezz הם מספרים לא ידועים; γx, z, γy, z, γx, y הן שלוש שגיאות אנכיות, הנקבעות על ידי המועדון המכשיר מודד; x, y, z, Δr הם ערך הקואורדינטות התיאורטי וערך השגיאה הרדיאלי של כל נקודת מדידה בהתאמה; r הוא רדיוס המדידה. רק מקדמים אלה נדרשים לחישוב ערכי שגיאה גיאומטריים שונים במיקומים שונים.

2. מודל חיזוי שגיאות מקיף של כלי מכונות CNC

מודל השגיאות המקיף שנקבע על פי העיקרון של טרנספורמציה קואורדינטות הומוגנית [17], בהתחשב בעובדה שערך שגיאת זווית הגלגול תלת ציר הוא קטן מאוד ויש לו השפעה קטנה על השגיאה הכוללת של מערכת המדידה על מכונת CNC במכונה, כך שמתעלמים מההשפעה של שגיאת זווית הגלגול. לאחר מכן ניתן לפשט את המודל כ

Δx = -δx (x) -δx (y)+δx (z) -yεz (x) -zεy (x) -zγx, z+yγx, yΔy = -δy (x) -δy (y)+δy (z )+zεx (y) -zγy, zΔz = -δz (x) -δz (y)+δz (z) (10)

היכן: δx (x) היא שגיאת המיקום של ציר ה- X, δy (x), δz (x) הן שגיאות הישרות של כיווני Y ו- Z כאשר ציר ה- X נע, εz (x), εy (x) הם ציר ה- X בהתאמה שגיאת זווית הפיה וזווית המגרש; γx, y, γy, z, γx, z הם טעויות הניצב בין ציר ה- X לציר ה- Y, ​​בין ציר ה- Y לבין ציר ה- Z, ובין ציר ה- X לציר ה- Z, בהתאמה. .

הקמת מודל לחיזוי שגיאות מקיף עבור כלי מכונות CNC לפי נוסחה (10)

E (x, y, z) = Δx2+Δy2+Δz2 (11)

3. ניסוי אימות השוואתי

באמצעות מרכז העיבוד האנכי תלת-ציר Shenyang Machine Tool כאובייקט איסוף הנתונים, מוט הכדור QW850 של Renishaw ומדדי לייזר XL-20 שימשו למדידת אותו מכונה. משיכות שלוש הצירים של XYZ של כלי המכונה הן 80 מ"מ, 800 מ"מ ו -500 מ"מ בהתאמה. הכדור והאינטרפרומטר בלייזר המשמשים בניסוי יש רזולוציות של 540 מיקרומטר ו -0.1 ננומטר בהתאמה. הרכב המכשיר הניסיוני מוצג באיור.

3.1. עיצוב תכנית ניסיונית

הרזולוציה של מוט הכדור QW20 היא 0.1 מיקרומטר, ואורך המוט הוא 100 מ"מ, כלומר שטח המדידה הוא 200 מ"מ × 200 מ"מ × 200 מ"מ. שיטת מסלול הקשת בת שלוש המטוסים של הכדור משמשת למדידת כלי המכונה במישור XY, מטוס YZ ומישור ZX. השגיאה הגיאומטרית המשולבת. התקן את מוט הכדור QW20 על שולחן העבודה ומדוד מתחת למצב ללא עומס של כלי המכונה, כך שהציר של כלי המכונה יבצע תנועות אינטרפולציה ברדיוס של 100 מ"מ בכל מטוס במהירות של 480 מ"מ לדקה, עם כיוון השעון ו נגד כיוון השעון. פעם אחת כל אחת, 1 מדידות בסך הכל לכל מטוס, והערך הממוצע משמש כערך הסופי שזוהה על ידי הכדור כדי להפחית שגיאות אקראיות.

קח כל שגיאה גיאומטרית אחת של כלי המכונה כדוגמה לאימות מודל. אינטרפרומטר הלייזר משמש לזיהוי כל שגיאה אחת באותה מיקום זיהוי של הכדור. הנתונים נאספים פעם אחת במרווח של 5 מ"מ, וכל נקודת מדידה נמדדת שלוש פעמים בכיוון אחד. איור 4 (ב) מציג את תרשים הבדיקה באתר של אינטרפרומטר הלייזר.

3.2. זיהוי שגיאות גיאומטריות ואימות אפקט דוגמנות

על מנת לאמת את נכונות תוצאות זיהוי השגיאות הגיאומטריות לעיל, לקיחת שגיאת המיקום של ציר ה- X של כלי המכונה ושגיאת הישרות של ציר ה- X בציר ה- X כדוגמאות, השגיאה הגיאומטרית בפועל של כלי המכונה תימדד באמצעות נתוני השגיאה הגיאומטרית שזוהו על ידי הכדור והאינטרפרומטר לייזר לשם השוואה, שתי הקימורים באיור מייצגים את ערך השגיאה המחושב על ידי תוצאת הזיהוי של שיטה זו, ושתי קבוצות הנקודות הבודדות מייצגות את הערך הממוצע של מדידת הלייזר. ערך. אינטרפרומטר הלייזר מודד את השגיאה הגיאומטרית של כל בורג כדור בציר ליניארי, ודיוק המדידה גבוה. בשל הפגמים של כלי המכונה, שגיאת המיקום X הנמדדת על ידי אינטרפרומטר הלייזר אינה רציפה, וישנן קפיצות וירידות גדולות, בעוד הכדור מזהה השיטה אינה יכולה לחזות את הפגמים של כלי המכונה עצמו, והיא מראה קימורים חלקים. לכן, התוצאות המתקבלות על ידי אינטרפרומטר הלייזר באיור משתנות יותר מהתוצאות המתקבלות בשיטת הזיהוי של הכדור.

ערך השגיאה הגיאומטרית שזוהה על ידי מוט הכדור הוא בעצם זהה לערך השגיאה הגיאומטרית המתאימה שזוהה על ידי אינטרפרומטר הלייזר. למעט הטעות הגסה, הסטייה בין השניים נמוכה מ -2.7 מיקרומטר, והסטייה הממוצעת היא 1.5 מיקרומטר בלבד. זה מאמת את נכונות זיהוי השגיאות הגיאומטריות של כלי המכונה CNC.

על מנת לאמת עוד יותר את השפעת זיהוי השגיאות הגיאומטריות של כלי ה- CNC, נתוני השגיאה הגיאומטרית שזוהו על ידי הכדור והטעות שנמדדה על ידי אינטרפרומטר הלייזר הוחלפו במודל חיזוי השגיאות המקיף של כלי המכונה לצורך השוואה ואימות. . החלפת שני הנתונים למשוואה (11) בהתאמה כדי לקבל את ערך חיזוי השגיאות המקיף E (x, y, z) של כלי המכונה המתאימים ל- CNC. לנוחות ההתבוננות, קח את קואורדינטות החלל של הנקודה באלכסון של טווח שטח המדידה של 200 מ"מ × 200 מ"מ × 200 מ"מ (X, y, z) נתוני חיזוי, כאשר x = y = z = i, 0≤i≤ 200, ובמקביל, אל תכלול את חלק הנתונים למעט השגיאה הגסה הנגרמת על ידי הפגמים של כלי המכונה באלכסון ושגיאת החיזוי השוואת התוצאות מוצגת באיור 6.

מגמת השינוי של שתי תוצאות החיזוי היא זהה בעצם, הסטייה בין השניים היא מתחת ל 3.0 מיקרומטר, והסטייה הממוצעת היא 1.5 מיקרומטר בלבד, מה שמאמת את נכונות שיטת זיהוי השגיאות והדוגמנות של השגיאות הגיאומטריות של מכונת CNC.

סיכום 4

• (1) כדי שמכונת הבקרה המספרית תשתמש במטריצת הטרנספורמציה ההומוגנית של הקואורדינטות כדי לנתח את מודל השגיאה הגיאומטרית הקשורה למיקום, נקבעת משוואת הזיהוי בין מקדם השגיאה שיש לזהות לבין ערך השגיאה הרדיאלי הנמדד על ידי הכדור. מתבצעת זיהוי ודוגמאות של שגיאות גיאומטריות של כלי מכונות CNC המבוססים על מוט.
• (2) הטעויות הגיאומטריות שזוהו על ידי הכדור מוחלפות במודל חיזוי השגיאות המקיף שהוקם, והושווה לתוצאות מודל השגיאות המקיף של אינטרפרומטר הלייזר. התוצאות מראות כי שיטת זיהוי השגיאות והמידול הגיאומטרי של מכונת ה- CNC היא בעלת דיוק גבוה, שגיאת הזיהוי המרבית היא 3.0μm והעלות נמוכה, גוזלת זמן וקל לתפעול.

קישור למאמר זה: בניית שיטות זיהוי ושגיאות גיאומטריות עבור כלי מכונות CNC בהתבסס על עקרון העבודה של הכדור

הצהרה מחודשת: אם אין הוראות מיוחדות, כל המאמרים באתר זה מקוריים. אנא ציין את המקור להדפסה חוזרת: https: //www.cncmachiningptj.com/，thanks！

PTJ® מספק מגוון רחב של דיוק מותאם אישית עיבוד cnc סין services.ISO 9001: 2015 ו- AS-9100 מוסמכים. דיוק מהיר 3, 4 ו -5 צירים עיבוד CNC שירותים כולל כרסום, מתכת לפי מפרט הלקוח, מסוגלים לחלקים מתכתיים ופלסטיים במכונה עם סובלנות +/- 0.005 מ"מ. שירותים משניים כוללים CNC וטחינה שחיקה, חיתוך לייזר,הִתעַמְלוּת,למות הליהוק, מתכת ו הַטבָּעָה. מתן אבות טיפוס, הפקות ייצור מלאות, תמיכה טכנית ובדיקה מלאה רכב, תעופה וחלל, עובש ומתקן, תאורת led,רפואי, אופניים, וצרכנים אלקטרוניקה תעשיות. אספקה ​​בזמן. ספר לנו קצת על תקציב הפרויקט שלך וזמן המסירה הצפוי. אנו אסטרטגיה איתך לספק את השירותים המשתלמים ביותר שיעזרו לך להגיע ליעד שלך, ברוך הבא לפנות אלינו ( sales@pintejin.com ) ישירות לפרויקט החדש שלך.