Что не относится к характеристикам компьютера надежность прямолинейность скорость точность

Обновлено: 04.07.2024

Методы компенсации ошибок широко применяются для повышения точности многоосевых станков. Однако из-за отсутствия надежной аппаратуры для прямых и суммарных измерений все методы компенсации основаны на автономных измерениях каждой составляющей ошибки в отдельности. Результаты этих измерений носят статический характер и могут отражать только условия на момент измерения. Эти результаты не являются репрезентативными для реальных рабочих условий из-за помех от деформаций нагрузки, тепловых деформаций и динамических возмущений. Настоящий подход предполагает разработку новой системы измерения, способной динамически оценивать ошибки в соответствии с шестью степенями свободы. Разработанная система позволяет генерировать полезные данные, охватывающие все состояния машины независимо от условий эксплуатации. Полученные измерения можно использовать для оценки производительности машины, калибровки и компенсации ошибок в реальном времени. Эта система способна выполнять динамические измерения, отражающие общую точность станка, без длительного и дорогостоящего анализа вклада различных источников ошибок. Наконец, система демонстрирует совместимые метрологические характеристики с высокоточными приложениями.

1. Введение

Демонстрируется вклад станков в развитие нескольких отраслей промышленности. Однако в последние десятилетия экономическая среда вынудила отрасль к новым стандартам производительности с точки зрения качества, производительности, затрат и времени производства. Эти рыночные ограничения развивались намного быстрее, чем производительность существующих машин. Технология, стоящая за этими машинами, основана на концепциях, созданных несколько десятилетий назад, и практически исчерпала их потенциал. Эта относительная стагнация объясняется тем, что технологические разработки в этом секторе больше мотивированы потребностями пользователей, чем инициативами производителя. Эта ситуация подчеркивает необходимость разработки стратегий реагирования на эти новые вызовы путем повышения производительности машин и перевода их на более высокий уровень технологий [1–3].

Потеря точности станков происходит из-за геометрических несовершенств механической конструкции станка или следует за модификацией этой конструкции под действием статических, термических и динамических нагрузок. Даже если некоторые из этих несовершенств могут быть уменьшены за счет усовершенствования конструкции машины, тем не менее, полностью устранить их последствия трудно. Технологические ограничения и затраты, связанные с этим решением, привели к введению концепции компенсации ошибок [4–8]. Однако применяемые методы компенсации подразумевают необходимость измерения в типичных условиях эксплуатации и окружающей среды всех компонентов ошибки, прежде чем объединять их с помощью математических моделей для последующего формирования данных, необходимых для внесения поправки в режиме реального времени. 9, 10]. Такой шаг хотя и позволяет исправить большую часть систематической ошибки, но не позволяет оценить случайные составляющие ошибки. Кроме того, несколько других ограничений в значительной степени ограничивают потенциал этого подхода. Среди этих ограничений: (i) важность сроков и затрат, необходимых для дистанционного измерения погрешностей в различных условиях эксплуатации; (ii) сложность охвата всех источников ошибок, которые могут повлиять на точность машины; (iii) необходимость проведения периодической калибровки машины, геометрия которой подвергается постоянным изменениям из-за износа, усталости и других статических и динамических воздействий; (iv) ошибки оцениваются в статических условиях, при этом изменения, которым они подвергаются в динамических условиях, не учитываются; (v) ошибки измеряются индивидуально, а механизмы взаимодействия между различными источниками ошибок не учитываются. Чтобы обойти эти ограничения, становится необходимым разработать динамический и комплексный подход к измерению, способный оценивать в режиме реального времени отдельные компоненты ошибок, связанные с геометрическими, тепловыми и динамическими эффектами. Этот шаг позволяет обеспечить надежное представление состояния машины для надежной и эффективной адаптивной компенсации [11–16].

Целью данной статьи является разработка системы измерения в режиме реального времени для одновременного определения всех компонентов объемной погрешности в многоосевых станках. Действительно, самые последние достижения в приборостроении сделали возможной разработку методов измерения производительности как с точки зрения точности, так и с точки зрения скорости и стоимости.Прототип способен отслеживать и количественно определять компоненты ошибки, возникающие при движении вдоль главной оси. Предлагаемый подход, основанный на структуре оптоэлектроники, позволяет одновременно оценивать погрешности по 5 из 6 степеней свободы каждой головки станка, независимо от условий работы. Кроме того, такой подход позволяет существенно упростить процедуры калибровки и оценки метрологических характеристик станков. По сравнению с эталонными методами измерения этот подход имеет ряд существенных преимуществ с точки зрения точности, скорости и стоимости обработки.

2. Конфигурация системы измерения

Недавние достижения в области приборостроения сделали возможной разработку новых мощных методов измерения. Подход к измерениям, предложенный в ходе этого исследования, частично основан на этих инновациях, объединяя оптические и электронные компоненты для создания высокоточной системы измерения. Схема измерительного устройства представлена на рис. 1. Базовая конфигурация состоит из двух частей: неподвижной пластины, являющейся эталоном измерения, и подвижной пластины, непосредственно прикрепленной к подвижному механизму. Неподвижная часть поддерживает источник гелий-неонового лазера, три полуотражающих зеркала и три фотодетектора. Подвижная часть состоит из ретрорефлектора и 3-х плоских зеркал. Опорный луч, генерируемый Ne-He лазерным источником, делится на 3 отдельных луча. Первый проецируется на плоское зеркало ФМ₁, а затем отражается на фотоприемник ФД₁. Второй пучок проецируется на ретрорефлектор RR и затем направляется на фотоприемник PD₂. Третий пучок отражается на фотоприемник PD₃ с помощью 2 плоских зеркал FM₂ и FM₃. Любое отклонение подвижной пластины от эталона вызовет изменения положения луча на фотодетекторах. Эти изменения получаются исходя из выходных сигналов фотодетекторов, подключенных к электронной схеме для кондиционирования и предварительной обработки. Компьютер используется для сбора, обработки и использования различных сигналов.

Гелий-неоновый лазер представляет собой недорогое решение с хорошей повторяемостью. Сепараторы неполяризованного лазерного луча предотвращают поляризацию падающего луча. Их низкое поглощение позволяет этим диэлектрическим прокладкам разделять лучи на 50%. Они изготовлены из подложки с высокой точностью, имеющей коэффициент теплового расширения порядка 7,10 -6° C -1 , чтобы свести к минимуму искажение длины волны. Более того, наклон подложки позволяет избежать возможного обратного отражения на лазер. Датчики положения выполнены из кремниевых фотодиодов в монокристалле с счетверенным электродом. Совместимые с маломощными лазерными лучами и другими инфракрасными лучами, они позволяют получать точную информацию о линейном позиционировании луча как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях.

Важно учитывать принцип степеней свободы. В линейной связи перемещение по известной оси приводит к ликвидации 5 из 6 степеней свободы подвижной части по сравнению с направляющей опорой. Движение в направлении оставшейся степени свободы точно контролируется с помощью подходящего управляющего устройства. Линейное перемещение подвижной части вдоль определенной оси предполагает отклонения по трем направлениям: трем поступательным движениям (ошибки позиционирования и прямолинейности) и трем поворотам (рыскание, тангаж и крен). Следовательно, три луча, полученные от основного луча, должны быть совмещены в направлении оси движения, чтобы рассматриваемые лучи были приняты фотоприемниками. Принцип и метод расчета положения каждого луча на фотоприемнике представлены на рисунке 2. Положение луча рассчитывается по фототокам от напряжений

<р>. Позиции по горизонтали (

) плоскости рассчитываются, начиная с этих съездов по заранее установленным соотношениям

На фотоприемник ФД₁ поступает луч, отраженный плоским зеркалом ФМ₁, с его положениями (

, ) чувствителен к рысканью и тангажу соответственно. На эти показания не влияет линейное положение зеркала. Позиции (

, ) фотоприемника PD₂, принимающего луч, отраженный ретрорефлектором RR, чувствительны к ошибкам прямолинейности в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Положение луча отражается двумя плоскими зеркалами FM₂ и FM₃ (ориентированными под углом 45°) и представлено позициями (

) на фотоприемнике ФД₃. Это представляет собой кумулятивный эффект угловых ошибок (тангажа и крена), а также прямолинейности в горизонтальной плоскости.На основе размерной и геометрической конфигурации измерительной системы и взаимодействия данных с фотодетекторов были установлены некоторые арифметические соотношения для расчета различных ошибок. Таким образом, для каждого относительного перемещения между двумя пластинами (подвижной и эталонной пластинами) доступны шесть координат для оценки пяти компонентов ошибки. В качестве критерия проверки можно использовать избыточное измерение. В случае станка полученные таким образом измерения отражают реальное положение инструмента относительно детали и позволяют оценить отклонения, которые он претерпевает по сравнению с его запрограммированной траекторией. Эти отклонения могут быть вызваны геометрическими, статическими, тепловыми и динамическими источниками. После того как позиции и рассчитаны для PD₂, отклонение в горизонтальном плане рассматривается как ошибка горизонтальной прямолинейности, а любое отклонение в вертикальном плане считается ошибкой вертикальной прямолинейности

Два угловых компонента

и зависят от поворота вокруг двух горизонтальной и вертикальной осей. Любое вращение цели относительно оси x и оси z будет переведено в рыскание и тангаж с использованием тригонометрических соотношений

Ошибка вращения зависит от поворота вокруг осей y и z. Угол поворота вокруг оси y, которая считается осью движения, определяется тригонометрическим соотношением

Измерители формы и контура — это специальные устройства, в которых используются высокоточные датчики непрерывного контакта с различными щупами для получения геометрии мелких деталей, таких как радиусы скруглений и фаски, или для измерения круглости, цилиндричности и других геометрических допусков. (Источник: Q- ПЛЮС лаборатории)

Размер измеряемых объектов. Вы можете поместить лопасть турбовентилятора в машину, чтобы проанализировать ее контуры, но вы не можете сделать то же самое со всем самолетом. Оборудование для контроля размеров также можно использовать для определения таких показателей, как расстояние между отверстиями под болты, но только в том случае, если вы используете зонд, достаточно маленький, чтобы войти в отверстия. Знание размеров всех объектов, которые вы собираетесь измерять, поможет вам правильно выбрать оборудование и аксессуары для контроля размеров.

Форма измеряемых объектов. Объекты, имеющие внутреннюю геометрию, требуют других методов измерения, чем те, у которых ее нет. Возможно, вам потребуется приобрести аксессуары для внутренних измерений или использовать специальное оборудование, предназначенное для этой цели.

Форма объекта также может повлиять на тип приобретаемого вами оборудования. Например, если вам нужно измерить форму небольшой винтовой резьбы, вам понадобится либо контактный датчик с достаточно маленьким наконечником (как правило, острым лезвием, как у контурного индикатора), чтобы охватить всю геометрию, либо бесконтактный оптический датчик. с достаточным увеличением.

Скорость. Вам нужно получить немедленные результаты контроля качества «годен/не годен» (атрибут), как только объекты сходят с производственной линии? Или вам нужны переменные результаты с более полными данными, которые позволяют понять, насколько объект не прошел проверку и, возможно, почему?

Конечно, существует множество других сценариев, но, как и в случае с другими факторами, понимание ваших требований поможет вам сделать правильный выбор. Если вам не нужны результаты в режиме реального времени, вы часто можете получить всю необходимую информацию с помощью менее дорогого оборудования.

Автоматически или вручную. Некоторые приложения — обычно связанные с контролем качества — требуют, чтобы оборудование для контроля размеров работало автоматически. Например, измерения толщины стенок деталей, сходящих с конвейера, могут предоставить производителям информацию о прохождении/непрохождении испытания в режиме реального времени. Другие приложения, такие как измерение резьбы, требуют ручного управления для достижения желаемых результатов.

Простота использования. Многие типы оборудования для контроля размеров требуют программирования или других специальных навыков для правильной работы, таких как векторные измерения. В то время как обучение может дать многие из необходимых навыков, некоторое оборудование требует специалиста. Если у вас еще нет или вы не собираетесь нанимать специализированный персонал для работы с оборудованием, вы можете счесть необходимым поручить некоторые или все ваши потребности в проверке размеров квалифицированному поставщику.

Как узнать, какое оборудование лучше всего подойдет для конкретного приложения?

Здесь знания и опыт имеют первостепенное значение. Достаточно сложно просто сделать возможным измерение определенных размеров, не говоря уже о том, чтобы сделать измерения возможными. Для каждого мыслимого объекта, от наноразмерной поверхности до ракетного двигателя, существует множество возможностей измерения. Существует также несколько способов выполнения каждого метода измерения, а также несколько устройств и производителей, из которых можно выбирать.

При инвестировании в оборудование для контроля размеров основной целью является поиск устройства или системы, которые:

Позволяет проводить проверку правильно, точно и точно.

Позволяет провести проверку как можно быстрее.

Выполняет необходимые функции.

Надежен и имеет долгий срок службы.

Легко эксплуатировать и обслуживать.

Соответствует бюджету.

Типы оборудования для контроля размеров

Системы машинного зрения аналогичны оптическим компараторам, но вместо этого эффективно проецируют изображения прямо на экран, в то время как камера со сменными объективами и/или оптическим зумом передает изображения на дисплей. (Источник: Q-PLUS Labs)

Существует три основных типа оборудования для контроля размеров: прецизионные ручные инструменты, системы контактных датчиков и системы бесконтактных датчиков.

Точные ручные инструменты. Портативные и, как правило, простые в использовании, точные ручные инструменты часто способны предоставить всю необходимую информацию. Некоторые из преимуществ использования ручных инструментов включают такие факторы, как относительная низкая стоимость и высокая портативность.

Однако к недостаткам ручных инструментов относятся низкая скорость получения показаний, их относительная неточность по сравнению со специализированными системами и трудности с получением хорошей повторяемости и воспроизводимости среди разных пользователей по сравнению с автоматизированными системами. Вот некоторые из наиболее распространенных ручных инструментов для контроля размеров:

Датчики внутреннего и внутреннего диаметра измеряют внутренний диаметр объекта, либо указывая отклонение от заданного стандарта, либо предоставляя фактические измерения.

Измерители измеряют внутреннюю и внешнюю сторону, глубину, длину или шаг с помощью различных технологий. Некоторые типы также можно использовать для сравнения или переноса размеров с одного объекта на другой или для точной отметки измерения.

Фиксированные датчики предназначены для быстрого сравнения определенных атрибутов с заданным стандартом. Они могут измерять толщину, длину, углы, зубья шестерни, радиус, размер валика и ряд других параметров.

Микрометры используются для точного измерения размеров и могут использовать механические, цифровые, циферблатные, линейные и лазерные технологии. Микрометры можно использовать для измерения толщины, длины, глубины, внутреннего диаметра, внешнего диаметра, высоты, округлости или отверстия объекта.

Угломеры и угломеры измеряют угол между двумя поверхностями. Они могут быть фиксированными или переменными в зависимости от предполагаемого использования и могут быть предназначены для выполнения других функций, таких как одновременные измерения глубины.

Индикаторы и компараторы усиливают движение прецизионного шпинделя или датчика и отображают результаты на циферблате, цифровом дисплее или колонке. Для различных приложений доступны различные уровни точности.

Аэрометрические приборы используют изменения давления и расхода для измерения таких параметров, как толщина, глубина, внутренний диаметр, внешний диаметр, отверстие, конусность и округлость.

Контроллеры-пробки и калибры-кольца обеспечивают оценку годен/не годен для отверстий и отверстий, а также валов и штифтов, соответственно, на основе заданных допусков на размеры. Простой калибр-пробка может сделать одну замечательную вещь, которую не могут сделать усовершенствованные КИМ с непрерывным контактом: гарантировать, что ни одна противоположная точка, показанная вдоль отверстия или отверстия, не будет меньшего размера. Поскольку отверстие или отверстие теоретически имеют бесконечное количество диаметрально противоположных точек, КИМ может замерять точки в течение длительного времени, но по-прежнему лишь приблизительно соответствует результирующему размеру.

Резьбовые пробки и калибры качественно измеряют и/или проверяют размер резьбы, шаг, форму, геометрию или другие параметры.

Линейки и линейки используются для измерения длины и, как измерительная лента или линейка, имеют плоскую градуированную поверхность.

Контактные сенсорные системы. Для некоторых приложений для контроля размеров лучший способ получить измерения — это использовать датчик, который вступает в контакт с объектом. Хотя усилия зондирования могут быть очень небольшими, контактные датчики лучше всего работают, когда объект жесткий, а не податливый или хрупкий. Они также часто используются, когда поверхность объекта не поддается оптическим датчикам, таким как сканеры структурированного света, потому что она отражающая или слишком темная. К основным категориям систем контактных датчиков для контроля размеров относятся следующие:

Координатно-измерительные машины (КИМ) – это механические системы, использующие контактный измерительный датчик и преобразователь для преобразования физических измерений поверхности в электрические сигналы, которые можно обрабатывать и анализировать с помощью метрологического программного обеспечения. КИМ варьируются от простых XYZ-считывателей с использованием жестких датчиков до полностью автоматизированных систем с шарнирно-сочлененными непрерывными контактными датчиками, которые могут выполнять проверки на основе моделей САПР.

Шарнирные рычаги – это еще один тип КИМ, в котором вместо линейных шкал используются поворотные энкодеры на нескольких осях вращения для определения положения в пространстве жесткого датчика или сенсорного датчика (лазерные линейные датчики также являются распространенным аксессуаром). Такие системы являются ручными по своей природе, но они портативны и могут охватывать или углубляться в геометрию способом, который не может быть выполнен с помощью обычной КИМ.

Измерители формы и контура – это специализированные устройства, в которых используются высокоточные датчики постоянного контакта с различными щупами для получения геометрии мелких деталей, например радиусов скруглений и фасок, или для измерения круглости, цилиндричности и других геометрических допусков.

Оптические КИМ – это менее известный, но все более распространенный гибрид бесконтактной и контактной технологий, используемый для сбора данных измерений в труднодоступных местах. Портативное устройство передает данные по беспроводной сети и позволяет оператору перемещать как деталь, так и сканер в процессе измерения. Используя стереооптику для сканирования объекта, оптическая КИМ использует 2-3 камеры для отслеживания либо пассивных световозвращающих, либо активных целей в пространстве. Этот процесс позволяет реконструировать объекты в 3D с помощью отражателей устройства.

Бесконтактные оптические датчики. Во многих случаях измеряемый объект не может или не должен касаться контактного щупа или любой другой части измерительного устройства. В случаях, когда объект мягкий, эластичный, очень маленький или хрупкий, наиболее подходящим может быть оборудование для оптического контроля.

Оптические компараторы. Оптические компараторы используют свет, проецируемый на экран, для получения увеличенного силуэта или тени интересующего объекта. Измерения можно производить, поворачивая оси стола для получения ширины и высоты. Физические наложения обычно используются для сложных форм и быстрых проверок. Современные системы могут использовать обнаружение границ оптоволокна, автоматизированное перемещение и измерение и даже цифровые наложения.

Системы технического зрения. Системы машинного зрения аналогичны оптическим компараторам, но вместо этого эффективно проецируют изображения непосредственно на экран, в то время как камера со сменными объективами и/или оптическим зумом передает изображения на дисплей. Большинство систем имеют обнаружение границ и другие сложные возможности. Автоматизация с помощью компьютера и контроллера является обычным явлением, а некоторые системы даже оснащены несколькими датчиками, включая лазерные и сенсорные датчики.

3D-сканеры. 3D-сканеры используют лазеры или структурированный свет для получения трехмерной информации о геометрии данного объекта. Помимо измерения объектов и преобразования их в цифровые изображения, 3D-сканеры также можно использовать для обратного проектирования и других приложений.

3D-лазерные сканеры. Лазер в виде одной точки, линии или всего поля зрения проецируется на поверхность объекта, а камера фиксирует отражение. Каждая точка поверхности триангулируется, измеряется и записывается для получения трехмерной визуализации формы и размеров поверхности объекта.

Сканеры структурированного света. Иногда их также называют сканерами белого или синего света. Эти устройства используют свет от галогенных или светодиодных ламп для проецирования рисунка пикселей на объект. Пиксели искажаются поверхностью объекта при просмотре одной или несколькими камерами, расположенными под углом по отношению к световому проектору, и измерения светового рисунка можно использовать для реконструкции 3D-изображения.

Сканеры дальности. Сканеры дальности используют времяпролетный лазерный дальномер на основе технологии LiDAR для измерения расстояния между лазером и поверхностью объекта. Лазерный дальномер посылает импульс света на объект и измеряет время, необходимое для возвращения отражения, чтобы рассчитать расстояние до каждой точки на поверхности. Точечные измерения выполняются путем наведения устройства на объект и использования ряда зеркал для перенаправления света от лазера на различные участки объекта. Хотя этот процесс может показаться громоздким, типичные времяпролетные лазерные 3D-сканеры могут собирать от 10 000 до 100 000 точек в секунду, что намного быстрее (хотя и менее точно), чем контактные датчики.

Трехмерные бесконтактные профилометры поверхности (также известные как наносканеры). С появлением нанотехнологий и растущим спросом на микропроизводство потребность в возможности точного измерения очень маленьких объектов и геометрии увеличила потребность в микроанализе. Эта технология использует диапазоны от конфокальной лазерной микроскопии до интерферометрической оптической профилометрии в белом свете. Как правило, обработка поверхности требует высочайшей точности в метрологии размеров. В дополнение к чистоте поверхности в 2D и 3D, теперь можно охарактеризовать и проверить очень маленькую геометрию. Соответствующие характеристики включают плоскостность, износ, текстуру, резкость и другие условия, которые могут повлиять на функциональность, но в противном случае могут не отображаться в наборе данных обычных метрологических измерений.

Обзор

Проверка размеров полезна не только при настройке производственной линии и контроле качества. Производство (и многое другое) может значительно выиграть от измерения размеров на всех этапах разработки продукта, начиная от исследований и создания прототипов и заканчивая проверкой первого изделия и изучением возможностей, производственным контролем и окончательным контролем готового продукта. Производственный процесс полон потенциальных ловушек, особенно когда вы пытаетесь разработать новый продукт в сжатые сроки.

Понимание того, что требуется для интеграции контроля размеров в ваш процесс обеспечения качества, независимо от того, выполняется ли оно собственными силами или с использованием аутсорсинга в аккредитованной измерительной лаборатории, принесет пользу и поможет вашему производственному процессу работать более эффективно. Цель, которая может быть измерена и правильно измерена, имеет наилучшие шансы на достижение.

Эта статья была написана Майком Никером, президентом Q-PLUS Labs, Ирвин, Калифорния. Для получения дополнительной информации нажмите здесь .

Читайте также: