防止機(jī)床在容積定位中產(chǎn)生誤差,對(duì)精確地加工外形輪廓和其他的3D表面而言是非常關(guān)鍵的。
許多加工車間都認(rèn)為3軸精度與3D精度的概念是完全相同的。但實(shí)際的情況是:3軸精度只代表1D尺寸精度,因?yàn)樗皇钦f(shuō)明了每一個(gè)軸上的線性測(cè)量值的公差。而3D精度是指每一個(gè)軸的線性測(cè)量值和X、Y、Z軸相互之間的關(guān)系,也就是指一個(gè)特定工作區(qū)立方體內(nèi),每一個(gè)軸相互之間的平直度和垂直度的關(guān)系。
校準(zhǔn)3軸精度相對(duì)比較簡(jiǎn)單,對(duì)鑒別和解決絲杠/滾珠絲杠節(jié)距誤差或磨損一類的問題是非常有用的。而校準(zhǔn)3D精度相對(duì)比較復(fù)雜,但沒有必要花費(fèi)更多的時(shí)間。然而,在切削輪廓表面和加工由3DCAD軟件設(shè)計(jì)的3D零件時(shí),這是保證機(jī)床整體性能的最好方法。對(duì)于加工車間而言,了解何時(shí)如何進(jìn)行這些不同的校準(zhǔn)是十分重要的,因?yàn)槊恳环N校準(zhǔn)會(huì)為機(jī)床的性能提供不同的信息。
在深入了解3軸與3D校準(zhǔn)的區(qū)別前,首先要明白大部分機(jī)床的定位系統(tǒng)是根據(jù)迪卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)確定的,而三坐標(biāo)各軸之間是互相垂直的,它利用坐標(biāo)軸上的一系列點(diǎn)來(lái)代表3D物體或物體特性,因此了解這一點(diǎn)是很有幫助的。
圍繞3軸和3D校準(zhǔn)問題所造成的很多概念的混亂與其術(shù)語(yǔ)有關(guān)。如果一個(gè)加工車間只是沿著3軸上的每一個(gè)軸校準(zhǔn)線性位移,那么就可以考慮將它確認(rèn)為3軸校準(zhǔn)。然而,這三個(gè)軸并不是為3D精度而校準(zhǔn)的,因?yàn)榫€性位移并不認(rèn)為各軸之間是相互垂直的。
根據(jù)剛體的幾何形狀,它是以某一特定基準(zhǔn)框架的一個(gè)軸所形成的90°角來(lái)確定其位置,而特定機(jī)床上3軸的每一個(gè)軸都允許存在6個(gè)誤差,總計(jì)18個(gè)誤差。這6個(gè)誤差包括3個(gè)線性誤差以及節(jié)距誤差、偏離誤差和滾動(dòng)角度誤差。再考慮到3個(gè)潛在的垂直度誤差,使3軸機(jī)床的剛體總誤差數(shù)可能達(dá)到21個(gè)之多。當(dāng)沿著每一個(gè)軸校準(zhǔn)位移誤差時(shí),只能確定3個(gè)誤差,留下其余的18個(gè)誤差無(wú)法確定。
3軸線性校準(zhǔn)
沿著CNC數(shù)控機(jī)床某一個(gè)軸的線性位移可采用一種以激光多普勒位移計(jì)量技術(shù)(LDDM)為基礎(chǔ)的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。這個(gè)系統(tǒng)只需要兩個(gè)光學(xué)元件,并將它們暫時(shí)安裝到機(jī)床上或坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上。這樣就會(huì)使系統(tǒng)的調(diào)試設(shè)置和激光束的校正相對(duì)比較容易和快速。在這個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中使用的激光器符合標(biāo)準(zhǔn)化跟蹤要求,具有穩(wěn)定的檢測(cè)特性,其檢查穩(wěn)定性優(yōu)于0.1ppm,精度達(dá)1.0ppm,分辨率達(dá)1微英寸。
激光器讀數(shù)頭安裝在床身或工作臺(tái)之上,其回射器(也可稱作光靶)安裝在主軸上。經(jīng)微調(diào)后的激光束與軸線平行。操作員沿著軸線編制測(cè)量用的增量級(jí)程序,裝有回射器的主軸在其原來(lái)的位置上啟動(dòng)。然后該系統(tǒng)開始將回射器移動(dòng)到每一個(gè)規(guī)定的增量級(jí)位置上,并將測(cè)量值記錄下來(lái)。增量級(jí)定位和數(shù)據(jù)捕捉可自動(dòng)或通過手工方式完成。
這種工藝通過對(duì)測(cè)量刻度與校準(zhǔn)系統(tǒng)的測(cè)量位置進(jìn)行比較,就可以知道它們之間所存在的偏差。然后利用這些偏差來(lái)計(jì)算和制作一個(gè)補(bǔ)償表格。在某些情況下,可將它稱之為單一線性修正系數(shù)的應(yīng)用表格。其他的人則要求采用增量級(jí)節(jié)距修正系數(shù)。也就是說(shuō),在某些特定區(qū)域可能會(huì)產(chǎn)生誤差,但不會(huì)均勻地分布在軸線上。
依靠線性校準(zhǔn)可假設(shè)惟一可能的誤差為絲杠/滾珠絲杠和熱膨脹誤差。沿著3軸線上的線性校準(zhǔn)來(lái)保證3D零件的精度是不合適的。很多年以前,德國(guó)和國(guó)際的標(biāo)準(zhǔn)制訂機(jī)構(gòu)已經(jīng)意識(shí)到了這點(diǎn),于是就引進(jìn)了ASMEB5.54和ISO230-6機(jī)床性能測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。
3D校準(zhǔn)
由ASMEB5.54和ISO230-6標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生了兩種不同的3D(容積)校準(zhǔn)方法,一種叫“立方體對(duì)角線位移測(cè)量法”;另一種獨(dú)特的方法叫做“順序步驟式對(duì)角線測(cè)量法”。多年來(lái),由ASMEB5.54和ISO230-6標(biāo)準(zhǔn)確定的立方體對(duì)角線測(cè)量法為檢測(cè)容積誤差提供了一個(gè)快速的測(cè)量方法,并且獲得了很好的結(jié)果。由于其所涉及的測(cè)量相對(duì)比較簡(jiǎn)單,而且測(cè)量速度也比較快,因此其成本費(fèi)用很低,機(jī)床的停產(chǎn)時(shí)間也非常少。
立方體對(duì)角線位移測(cè)量法是采用一種激光校準(zhǔn)系統(tǒng),對(duì)機(jī)床的容積定位精度進(jìn)行測(cè)量。激光器安裝在機(jī)床的床身之上,其回射器安裝在機(jī)床的主軸上,用于反射激光的光束,這一光束按照機(jī)床的對(duì)角線對(duì)準(zhǔn)調(diào)節(jié)。
當(dāng)激光器的光束沿著立方體對(duì)角線方向發(fā)射時(shí),回射器開始沿著立方體對(duì)角線,并按照操作員規(guī)定
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