多軸的幾何誤差校準機器使用陣列激光干涉儀

多軸的幾何誤差校準機器使用陣列激光干涉儀,幾何,誤差,校準,機器,使用,陣列,激光,干涉儀 附錄一：  精密工程 23(1999)243 – 252 多軸的幾何誤差校準機器使用陣列激光干涉儀 機械工程系、國家中正 University160 San-Hsing,Ming-Hsiung,Chia-Yi,621,臺灣,中華民國收到 1999 年 4 月 27 日,接受了 1999 年 3 月 17 日 摘要 體積誤差補償已經(jīng)證明定位精度的有效方法增強的多軸機[1 - 6]。盡管如此,一個體積誤差補償?shù)挠行杂媱澑叨纫蕾囉谝粋€校準方法能給的足夠和可靠的信息體積錯誤或機器的幾何誤差。另一個主要要求校準方法是必須進行校準盡快。它也需要校準應該包括的功能校準覆蓋所有的整體體積定位錯誤工作容積測量和參數(shù)校準,每個試機時軸的幾何誤差元素測量和計量框架。受歡迎的功能校準技術工件檢驗和可伸縮的球棒方法(7 - 12)因為特殊的簡單的設置。這些方法是特別受歡迎的驗收測試的整體體積和定期檢查錯誤多軸機器。提出的運動學模型機器上的一些假設數(shù)學形式的幾何誤差,測量可以進一步分析確定體積錯誤參數(shù)錯誤幫助機器診斷。然而,對這些校準方法是困難的足夠的覆蓋所有密度的測量位置工作卷時專用的診斷高頻組件或局部幾何誤差的問題。由于數(shù)據(jù)不足的密度測量,這些方法只能給一般幾何級錯誤。此外,因為校準數(shù)據(jù)的所有幾何錯誤,參數(shù)誤差估計的體積定位數(shù)據(jù)體積誤差時變得困難由一個特大的幾何級錯誤抑制其他較小幾何誤差元素。準確性和可靠性的估計幾何錯誤可能時也可議的機器可重復性測量體積定位錯誤產生足夠大的噪音。激光干涉儀系統(tǒng),如從惠普或英國,阿美是最流行的參數(shù)標定技術。傳統(tǒng)的激光干涉儀系統(tǒng)是一個專門的參數(shù)校準儀,只有 1 在校準機器允許軸移動。在一個設置,它只直接和幾何誤差的措施的所有其他幾何錯誤排除測量數(shù)據(jù)。因為從其他噪音的影響幾何誤差和其他機器避免軸激光干涉儀系統(tǒng)被認為是最可靠和準確的參數(shù)校準工具。它還提供足夠的密度測量的想象詳細的幾何誤差的特性。一個主要的問題激光干涉儀的系統(tǒng)是相當大的保健和時間視和對齊每次測量前需要的任務。考慮這一事實,一個設置,激光干涉儀系統(tǒng)只能測量 1 錯誤組 件,它使校準的多軸機成為一個漫長的,費時的過程。加快校準過程中,一些作品使用激光三角測量原理同時測量多個幾何誤差動軸(13、14),但準確性不如干涉儀技術。一個重要的功能不由激光干涉儀系統(tǒng)和多錯誤的測量系統(tǒng)是能夠做一個對角線位移測量(即功能測量表示“狀態(tài)”)同時在多個機器軸移動。對角位移測量被認為是一個更好的,更直接的方式實現(xiàn)多軸機的整體體積的準確性。的最近開發(fā)的激光球棒[15]是故意設計來克服上述問題。激光球棒使用一個可伸縮的組裝維護激光束與反光鏡移動。以其多時間范圍比傳統(tǒng)的伸縮運動激光球球酒吧,酒吧可以很容易地做一個對角線位移測量在一定程度的運動的范圍內。機器的整體體積的準確性由該系統(tǒng)快速檢查。激光球棒也確定幾何錯誤(包括直洛克、輥傾斜和偏航)測量定位數(shù)據(jù)使用三邊測量原理[16]。不同的是工件檢驗或球桿儀方法,沒有數(shù)學形成所需的幾何錯誤的假設三邊測量原理。在測量過程中,三邊測量方法只涉及 1 軸運動。通過避免噪音從其他機器軸,激光球酒吧是一個非常準確和可靠的參數(shù)校準工具。激光球的主要問題酒吧是它的運動范圍,限制了可伸縮的裝配,可能不是足夠大的對于某些應用程序。傳統(tǒng)的激光干涉儀系統(tǒng)仍然是被認為是最準確和可靠的工具幾何誤差校準。它的一些問題得到改進的新版本。例如,DISTAX 從東京 Seimitsu 使用光纖連接消除激光路徑激光頭之間的對齊和光學干涉儀。HP5529A 從惠普現(xiàn)在對角位移測量的能力,雖然手動對齊的視神經(jīng)和激光路徑復雜和對角線困難的。這項工作將報告一個陣列激光干涉儀系統(tǒng)的開發(fā)和應用數(shù)控多軸校準的機器。的商業(yè)激光系統(tǒng)完全兼容干涉儀系統(tǒng),同時消除困難和耗時的光學設置和調整的過程在位移測量。系統(tǒng)的能力一個對角線測量光學自動對準。多軸機床的整體體積誤差快速檢查陣列對角線測量。一個應用程序的所有的系統(tǒng) 21 幾何錯誤的機器可以使用硬件快速計算的位移測量一些確定的工作容積的對角線。輔助電子水平的方法校準的輥垂直軸也提出了的概念和實驗結果以下部分系統(tǒng)介紹了。 2. 陣列激光干涉儀的原理 2.1. 系統(tǒng)布局和原理 陣列激光干涉儀系統(tǒng)實現(xiàn) HP5529A 激光干涉儀系統(tǒng)惠普。圖 1 顯示的配置陣列系統(tǒng)中演示了一個加工中心。陣列系統(tǒng)包括一個激光頭,干涉儀光學,反光鏡 光學,光纖束,橫向影響光電探測器和計算機接口。的光纖束由點光源有限公司是開發(fā)的用于連接激光頭和干涉儀。光從激光源傳輸?shù)礁缮鎯x一個模式和偏振保持光纖。激光從反光鏡是接收機的美聯(lián)儲突變型多模光纖。使用光纖束激光路徑消除必要的對齊方式激光頭與干涉儀。因為之間的距離干涉儀光學和反光鏡光學測量期間不同,是一個在線策略需要監(jiān)控這兩個之間的一致性條件光學。這是通過使用光電探測器橫向的影響檢測激光束反射的位置反光鏡。如圖 2 所示,激光反射光從反光鏡被分束器的分裂干涉儀。雖然分束器上的增透膜的一邊,殘留的反映光仍在干涉儀的底部找到。一個附加橫向影響光電探測器對干涉儀用來測量現(xiàn)場的殘光。在一個對角線測量圖 1 所示,干涉儀和反光鏡程序沿著對角線。如果激光路徑編程斜對齊行,側向位移 D 垂直的方向激光干涉儀光學和之間的路徑會被發(fā)現(xiàn)反光鏡視神經(jīng)。這種側向位移將使返回激光束轉變級的 2 d 所示圖 3。在對角位移測量,電腦不斷監(jiān)控打光檢測器的信號和編碼器。信息的打光檢測器,對齊條件可以確定激光路徑。個人電腦然后計算新機器能使坐標激光路徑保持一致。這臺新機器坐標標準數(shù)控代碼格式,發(fā)送到數(shù)控控制器通過 RS232 接口電纜。CNC 控制器執(zhí)行數(shù)控指揮和調整的坐標干涉儀和反光鏡上的激光點光電探測器總是在相同的位置。更新的速度坐標可以超過 50 赫茲。我們通常更新機器坐標在每個 0.5 毫米運動步進機軸的旅行速度 400 毫米/分鐘。 圖 2-1 圖 2-2 圖 2-3 圖 2-4 2.2. 系統(tǒng)評價 由于反射涂層的強度，殘余的光線投射到光電探測器非常低。它可能是激光點信號的信噪比不是嗎好。一個測試進行檢查的地位穩(wěn)定造成的激光點檢測背景光噪聲,空氣氣流和溫度效應。圖 4 顯示了實驗結果,激光的位置偏差小于 0.01 毫米。這意味著對齊視覺條件可以控制幾個數(shù)萬微米。大多數(shù)被認為是足夠好的應用程序。與傳統(tǒng)激光干涉儀系統(tǒng)使用手動對齊很難實現(xiàn)這一目標的水平。比較系統(tǒng)的準確性與原 HP5529A 系統(tǒng),x 軸的線性位移誤差加工中心的測量和比較。這是測量 3 次在很短的時間內來消除環(huán)境影響。測試結果(見圖。5)顯示,發(fā)達系統(tǒng)相同或略比 HP5529A 重復性的類別。這是可能是因為之間的光纖傳輸激光源和干涉儀光學已經(jīng)消除了空氣動蕩惡化的激光性能。展示 3 d 對角線測量提出了圖 6。一個應用程序對角線測量的體積多軸機床的精度評價。由于光纖會在測量了,光纖電纜的搖擺效果非常重要。圖 7(a)展示了 y 軸位移誤差的測量結果用不同的機器進料速度(300 毫米/分鐘,1000 毫米/分鐘,3000 毫米/分鐘和 6000 毫米/ 分鐘)一個過剩干涉儀 h 5 120 毫米的距離視神經(jīng)。在這種情況下,測試結果是非常接近的時候進料速度低于 3000 毫米/分鐘。然而,正如圖所示。7(b),增加了視覺的過剩時,陣列激光干涉儀的穩(wěn)定性壞的。這表明,在這個實現(xiàn)中,纖維的錯誤 由于振動和搖擺不定的影響,可能在座影響實驗數(shù)據(jù)。然而,相關的錯誤與光纖可以消除與適當?shù)脑O計干涉儀系統(tǒng),如使用的技術激光球棒。 圖 2-5 3. 幾何誤差校準 陣列激光干涉儀系統(tǒng)的一個應用程序是,所有的 21 個幾何錯誤的多軸機可以快速從對角線測量校準提出了裁定。[17]。它已經(jīng)被證明了幾何誤差的硬件機器可以通過測量位移確定錯誤在 22 行機器工作容積。因為只參與擬議中的位移測量參數(shù)標定方法,光學設置角度,商業(yè)的直線度和垂直度的測量激光系統(tǒng)可以消除。另一個優(yōu)勢是,21 年多軸機床的幾何誤差可以很快校準中使用該系統(tǒng) 1 小時縮減了幾天的時間使用傳統(tǒng)的激光干涉儀系統(tǒng)。 圖 6 3.1. 傾斜和偏航校準 傾斜和偏航運動軸可以校準沿著 2 線平行于軸位移測量運動,但在適當?shù)木嚯x正交方向。不需要知道機器的運動模型和假設的數(shù)學形式的傾斜和偏航。更大的之間的偏移量這兩行,一個可以測量分辨率越好。然而,我們必須記住,這也可以增加由于擺動和振動噪聲的效果光纖。圖 8 顯示了測量的結果球場使用修改后的系統(tǒng)和 HP5529A 系統(tǒng)。這 2 行之間的距離 h 5 200 毫米。 圖 7 圖 8 3.2. 方形度和校準 假設 3 地方坐標系統(tǒng) B,C,D 分配和固定在 3 移動幻燈片。同樣,一個全球坐標系統(tǒng)分配給這臺機器基礎。然后,反光鏡的位置矢量和干涉儀分別放在主軸和工方形可以從位移測量校準 2 對角線的飛機,如圖 9 所示?；镜南敕ㄊ?如果存在于一個方形錯誤機軸,AB 線的位移不同的線位移的 CD。然而,這是理想的情況下當視神經(jīng)可以在設置條件,只是由于位移不同一絲不茍的錯誤。在一些機器配置,視神經(jīng)設置必須改變?yōu)榱送瓿蓪蔷€測量。例如,在加工中心圖 10 所示,干涉儀必須設置在不同工作表上的位置測量直線 AB 和行 CD。在這種情況下,位移的區(qū)別這兩個對角線的結合平直度、偏航和一絲不茍的 2 臺機器軸。因此,機器必 須的運動學模型為了確定已知的方形錯誤測量數(shù)據(jù)。來源于的運動學模型齊次坐標變換方法文獻[18]中所述。配置和坐標系統(tǒng)加工中心的研究工作進行描述圖件表,可以轉化為全球協(xié)調使用相應的齊次坐標變換矩陣。派生的運動學模型的加工中心是由 [方程式。(1)-(3)] (1) (2) (6) 從公式(7)我們可以確定如果方形錯誤幾何誤差方程的右邊是已知的。在這些錯誤條件,線性位移和偏航已經(jīng)從以前的步驟。直線度誤差可以校準在下一節(jié)描述的方法。進行一個測試衡量 XY 軸的垂直度誤差對使用提出的方法。XY 軸的垂直度誤差發(fā)現(xiàn)是 3.5 ,類似于 2.6 的結果。直線度誤差和方形可以校準同時位移測 量的 3 斜線的一架飛機,圖 12 所示。這個方法提及了文獻 17,它必須是一個重要組成部分對角位移,因為的線性位移線平行于機軸沒有組件的機軸的直線度。簡單的計算,最好是選擇一個數(shù)量的測量時間間隔等于 3(),其中 n 是一個正整數(shù)。計算過程包括一系列的方程,必須解決確定訂單。圖 13 顯示了使用該方法校準平直度。似乎是價值類似結果由一個直尺工件。然而,它是還發(fā)現(xiàn),計算過程可能產生噪聲累積計算。圖 14 顯示了仿真結果使用 0.3 - 2 mm 和 mm 噪音水平。結果顯示計算過程非常敏感由于機器可重復性噪聲水平。通常,大多數(shù)機床的直線度誤差是相同的級,甚至小于位置可重復性。因此,對角線的噪音水平位移數(shù)據(jù)可以在同一比的大小或更大平直度校準。這是不合理的估計一個參數(shù)從一個數(shù)據(jù)集噪音大非參數(shù)的值。盡管我們可以減少噪音水平位移的測量使用平均技術,仍然是不確定性的結果很大的噪音傳播問題。該方法在裁判。文獻[17]需要 3()的迭代步驟來計算斜的直線度誤差位移測量。在迭代的每一步計算,前一步的噪音或不確定性參與并將其添加到下一步。因此,迭代計算后的最終結果的不確定性將成為一個值是 3()時間機器的位置不確定性。我們可以改善的不確定性和通過使用平均直線度精度校準技術降低噪聲水平位移測量。對于每一個對角線,我們測量相同行 m 倍,然后平均測量。在這情況下,平直度的不確定性將成為一個值 3()/ m 的機器的位置可重復性。 圖 14 圖 15 3.3. 輥校準 輥校準可以通過測量附加 3 斜線分開 3 的對角線正交的直線度校準距離方向,如圖 15 所示。這種方法也提出了文獻[17]及其計算過程類似平直度計算。然而,同樣的問題累積計算噪音被發(fā)現(xiàn)計算。此外,問題是惡化的事實輥的計算錯誤必須使用所有的以前校準幾何錯誤如瀝青、偏航、平直度、一絲不茍。噪聲嵌入在前面的校準步驟這些幾何誤差會累積成卷校準。因此,提出方法是非常敏感的測量機器噪音和可重復性。 3.4. 輥垂直軸的校正 由于噪聲傳播問題,精度輥校準用文獻[17]中提出的方法如果對角線測量中 的噪聲是有爭議造成很大的不確定性。幸運的是,很容易測量水平輥的使用一個電子的水平。然而,從歷史上看,垂直軸的滾的機器計量更加困難完成的目標。主要問題是只有噪聲傳播問題。因此,我們提出一種標定方法對使用電子水平和對角線垂直軸位移測量的幫助下,電子水平,噪聲傳播的問題能夠解決。噪聲傳播的基本原因文獻[17]它使用一個迭代過程來確定,與此同時,2 機的軸校準。然而,如果 2 的第 1 卷機軸之前所知,另一個軸的直接從對角位移測量不確定的迭代計算。所示圖 16(a)和(b)兩對角線之間的位移差異,是平行的,但分開一些距離,從卷角的錯誤結果機軸。因此,如果卷 1 軸第一,然后可以確定另一個軸的滾的對角線測量。通過測量對角線位移的垂直面 XZ 或 YZ,等我們可以使用電子水準儀測量的水平 軸和使用對角線位移測量來計算垂直軸的滾。這解決了噪聲傳播問題,但缺點是一個輔助電子水準儀是必需的。為了驗證該方法,我們將使用 XY 軸作為一個例子,因為結果可以相比從電子水平。以同樣的方式平直度校準的問題,視神經(jīng)設置必須改變?yōu)榱送瓿蓪蔷€測量。在這種情況下,位移的區(qū)別這兩個對角線的結合 2 的音高和輥機軸。因此,機器必須是已知的運動學模型從測量數(shù)據(jù)確定輥。假設AB 線的體積誤差方程式(4)和(5)。 、 圖 17 4. 結論 一個陣列激光干涉儀系統(tǒng)機床校準已經(jīng)證明。該系統(tǒng)完全兼容商業(yè)激光干涉儀系統(tǒng),但消除了困難和耗時位移測量的光學校準過程。系統(tǒng)也是一個對角線位移的能力多軸數(shù)控機床自動測量視神經(jīng)對齊。工作也證明了幾何誤差多軸機可以快速校準的陣列對角線測量能力。21 幾何誤差可以通過測量位移誤差以及 22 行機器工作傳統(tǒng)的激光干涉儀系統(tǒng),只需要 1 小時提出系統(tǒng)完成幾何校準的機器硬件。。因此,直線度誤差估計的精度和可靠性從位移測量變得可疑的當機器可重復性產生足夠大的噪音在位移測量。改進的一種方法平直度校準使用的可靠性和準確性平均技術來降低噪音水平位移測量。輥的校準方法垂直軸也提出并演示了這項工作。一個垂直的滾動軸可以確定通過測量對角線垂直平面的位移時輥的水平軸預先確定的由電子水平。 參考（略）