外文翻譯--數(shù)控機(jī)床的核心及動(dòng)力測(cè)量值的幾何誤差

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯</p><p>　　系　　部： 機(jī)械工程系 </p><p>　　專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學(xué) 號(hào)：

2、 </p><p>　　外文出處： Proceedings of SPIE Vol. 4222 (2000) ? 0277-786X! </p><p>　　附 件： 1.外文資料譯文；2.外文原文。 </p><p>　　附件1：外文資料翻譯譯文</p>

3、;<p>　　數(shù)控機(jī)床的核心及動(dòng)力測(cè)量值的幾何誤差</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　在這篇論文中，介紹了一個(gè)用于測(cè)量數(shù)控機(jī)床上所有動(dòng)力學(xué)方面幾何誤差的系統(tǒng)，并且給出了一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了一些靜態(tài)與動(dòng)態(tài)誤差特性間的重要差異。通過關(guān)于在動(dòng)態(tài)信號(hào)運(yùn)動(dòng)或暫停時(shí)的分析，會(huì)發(fā)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床上一些錯(cuò)誤的方法。另外，用這個(gè)系統(tǒng)任何

4、一種形態(tài)的輪廓誤差可以被直接地測(cè)量而不需要用到一個(gè)球型金屬塊或者別的什么裝置，它可以提供一個(gè)簡(jiǎn)單而又實(shí)用的估計(jì)數(shù)控機(jī)床輪廓誤差的方法。</p><p>　　關(guān)鍵詞：機(jī)床用具度量衡 幾何誤差 動(dòng)態(tài)測(cè)量</p><p><b>　　1．序言</b></p><p>　　在過去的幾年中，機(jī)床的校準(zhǔn)對(duì)于機(jī)床的制造方和使用方來說變得愈加重要，每個(gè)國(guó)家

5、都有它承認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)去評(píng)估數(shù)控機(jī)床的性能[1~3]。然而，在這些標(biāo)準(zhǔn)中幾乎所有的幾何誤差都是在靜態(tài)或類似靜態(tài)的情形下被測(cè)量出的。換句話說，機(jī)器的軸被移動(dòng)到特定的位置，停止轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候被測(cè)量記錄的。這個(gè)過程明顯很耗費(fèi)時(shí)間，也可能很耗費(fèi)勞力?，F(xiàn)今很多如惠普5529A激光測(cè)量系統(tǒng)和雷尼紹激光干涉系統(tǒng)的現(xiàn)代化測(cè)量系統(tǒng)提高了校準(zhǔn)效率。這些校準(zhǔn)包括自動(dòng)收集信息，自動(dòng)調(diào)調(diào)整校準(zhǔn)部分程序和機(jī)械補(bǔ)償參數(shù)。這些工具可以簡(jiǎn)化校準(zhǔn)過程，費(fèi)較小的勞力。但是他們也不能克

6、服只能在靜態(tài)情況下測(cè)量的限制。很長(zhǎng)的測(cè)量周期加購(gòu)買測(cè)量器械的花費(fèi)使得整個(gè)校準(zhǔn)過程異常昂貴。如果機(jī)械很大而且可能出現(xiàn)誤差的地方又多的話將會(huì)花費(fèi)更多。眾所周知，一臺(tái)三軸機(jī)床有21處可能出現(xiàn)幾何誤差的地方需要測(cè)量。另外，當(dāng)數(shù)控機(jī)床在工作狀態(tài)加工零件時(shí)，機(jī)床的靜態(tài)幾何誤差并不是表現(xiàn)出來的那么正確。機(jī)床是由機(jī)械部分、電部分和數(shù)字化部分等組成，每個(gè)組成部分都在一定的條件下起作用，比如速度，加速度，摩擦力，牽引力，能量變化等。所有因素都影響機(jī)床的正常

7、工作狀態(tài)，并且機(jī)床的動(dòng)力傳輸都假定在靜態(tài)狀態(tài)</p><p>　　因此，有必要評(píng)估機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能并且去研究精確地測(cè)量機(jī)床動(dòng)態(tài)幾何誤差</p><p><b>　　2．動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)</b></p><p>　　為了評(píng)估機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能，一個(gè)比較研究被正式納入從兩個(gè)基本調(diào)查中得出的結(jié)果。首先，機(jī)床的靜態(tài)

8、 幾何誤差由惠普激光干涉儀測(cè)量。其次，同一臺(tái)機(jī)床的動(dòng)態(tài)幾何誤差由house-built數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時(shí)</p><p>　　圖1 機(jī)床的動(dòng)態(tài)幾何測(cè)量工作示意圖 采集，高轉(zhuǎn)速，基于時(shí)間的測(cè)量，來比較編碼器讀數(shù)與激光干涉儀讀數(shù)。圖1顯示了機(jī)床的動(dòng)態(tài)幾何測(cè)量誤差的相關(guān)機(jī)構(gòu)[4]。在這一動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)中，使用Zygo Axiom 2

9、/20激光干涉儀，因?yàn)樗梢栽试S數(shù)控機(jī)床的工作臺(tái)或軸的移動(dòng)速度達(dá)到1 .8m/min ，它是惠普激光系統(tǒng)的5倍速度。同時(shí)，house-built數(shù)據(jù)收集和處理系統(tǒng)被使用。它主要由一個(gè)Ariel DSP的接口卡與全局總線+數(shù)字接口和l6M的隨機(jī)存儲(chǔ)器，house-built控制電子，和一個(gè)使用C和Visual Basic軟件的PC接口組成。在機(jī)床動(dòng)態(tài)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)中，模型Monarch 45數(shù)控銑床加工中心被用作對(duì)象的測(cè)試。在開始測(cè)量前，當(dāng)M

10、onarch數(shù)控銑床加工中心通電并處于一個(gè)靜態(tài)的情況下，整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始收集數(shù)據(jù)。測(cè)量出的背景噪聲代表了測(cè)量系統(tǒng)本身的誤差和主軸的振動(dòng)。許多實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)機(jī)床已適當(dāng)調(diào)整過后，最大誤差小于0.5微米。</p><p>　　3 .實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論</p><p>　　3.1靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量值的對(duì)比</p><p>　　靜態(tài)測(cè)量，使用惠普5528激光干涉儀，三套的雙向測(cè)量是

11、采取為每個(gè)線性軸間隔50毫米。這些通過所有測(cè)量均在同一點(diǎn)的數(shù)據(jù)作為靜態(tài)測(cè)量的結(jié)果并為參照來和動(dòng)態(tài)測(cè)量的結(jié)果作比較。對(duì)于動(dòng)態(tài)測(cè)量，選擇不同的原料來找出是否一些動(dòng)態(tài)幾何誤差與工作臺(tái)的移動(dòng)速度有關(guān)系。在下面的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中，在工作臺(tái)以一個(gè)穩(wěn)定的速度移動(dòng)后收集數(shù)據(jù)，以便消除工作臺(tái)加速度的影響。事實(shí)上，</p><p>　　圖2 動(dòng)態(tài)與靜態(tài)線性位移測(cè)量值的比較 加速度會(huì)產(chǎn)生巨大的動(dòng)態(tài)誤差，尤其是當(dāng)有一個(gè)更大的Abbe偏移

12、和一個(gè)更大的加速度。圖通常表明一些顯著性差異靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差的線性位移。圖2表明了一些靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差直線位移的差異。</p><p><b>　　3.2噪聲測(cè)量 </b></p><p>　　一個(gè)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)測(cè)量最明顯的區(qū)別是動(dòng)態(tài)測(cè)量比靜態(tài)測(cè)量有更大的隨機(jī)變化，尤其是在圖2所示測(cè)量直線位移誤差。這些隨機(jī)變化可稱為測(cè)量噪聲。噪音是由數(shù)控機(jī)床上許多不同種類的誤差引起的

13、，如滾珠絲杠和螺母節(jié)距誤差，編碼器讀數(shù)誤差，工作臺(tái)傾斜引起的Abbe誤差，激光測(cè)量系統(tǒng)誤差，主軸振動(dòng)等。它可被視為一個(gè)反映了機(jī)床動(dòng)態(tài)特性的參數(shù)。在我們的實(shí)驗(yàn)中，在這臺(tái)機(jī)床上以不同運(yùn)動(dòng)速度，從100mm/mim至4000mm/mim，做同樣的實(shí)驗(yàn)，這超過了獲得一個(gè)高定位精度的正常速度。通過所有這些實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)測(cè)量噪聲與機(jī)床的進(jìn)給速度幾乎沒有任何關(guān)系。通過FFT分析，如圖3所示，我們發(fā)現(xiàn)測(cè)量噪聲的空間頻率約2.84毫米，這個(gè)現(xiàn)象可以進(jìn)一步

14、驗(yàn)證圖3a是圖2的一部分。它可以得出結(jié)論， 滾珠絲杠或螺母可能是測(cè)量噪聲主要來源。</p><p>　　a .動(dòng)態(tài)測(cè)量噪聲 b.測(cè)量噪聲的FFT分析</p><p>　　圖3 動(dòng)態(tài)測(cè)量噪聲和FFT分析</p><p><b>　　3.3跳動(dòng)誤差</b></p><p&

15、gt;　　當(dāng)工作臺(tái)以一定的速度沿著x軸從0毫米位置至100毫米的位置， 停止移動(dòng)一到兩秒鐘，然后回到0毫米的位置。以不同的速度重復(fù)幾次這個(gè)過程，我們反復(fù)觀察到約2微米的跳動(dòng)誤差。從這些實(shí)驗(yàn)中，也觀測(cè)到跳動(dòng)誤差與工作臺(tái)的移動(dòng)速度幾乎沒有任何關(guān)系。這個(gè)誤差是工作臺(tái)初始角度重新調(diào)整的動(dòng)力引起的。當(dāng)工作臺(tái)前后移動(dòng)時(shí)，角度和直線測(cè)量的結(jié)果也顯示一個(gè)在水平方向上的跳動(dòng)誤差。正因?yàn)閷?dǎo)軌之間存在間隙，特別是在水平方向，動(dòng)力方向引起工作臺(tái)傾向相反的方向傾

16、斜，產(chǎn)生Abbe跳動(dòng)誤差。 </p><p><b>　　3.4輪廓誤差</b></p><p>　　圖4. 用這個(gè)系統(tǒng)得到的輪廓誤差 眾所周知，循環(huán)試驗(yàn)提供了一個(gè)快速和高效的方式來測(cè)量機(jī)床沿圓形輪廓的輪廓精度。圓形輪廓提供一個(gè)最好的檢查輪廓的表現(xiàn)，當(dāng)機(jī)床沿圓形軌跡加工時(shí)每根軸上都有一個(gè)正弦加速度，速度和位置的變化。因此，在所有的評(píng)估數(shù)控機(jī)床的標(biāo)準(zhǔn)中，圓

17、形輪廓測(cè)試是一個(gè)關(guān)鍵組成部分。球型金屬塊被廣泛使用于這項(xiàng)測(cè)試。還有圓形擋板，十字網(wǎng)格編碼器等其他設(shè)備和工具。在這里，我們使用我們的發(fā)展動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，用x和y編碼器讀數(shù)作為時(shí)間函數(shù)，來獲得任何形狀的輪廓誤差。</p><p>　　3.5數(shù)控機(jī)床的不完整運(yùn)動(dòng)</p><p>　　當(dāng)工作臺(tái)是移動(dòng)到一個(gè)理想的位置，例如，不作任何停頓地移動(dòng)到x軸100mm位置然后返回，實(shí)際上工作臺(tái)并沒有達(dá)到100m

18、m點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)還表明，工作臺(tái)的移動(dòng)速度越來越高，實(shí)際位置和理想的位置之間的偏移量也隨之變得越來越大。停頓幾毫秒時(shí)間的控制模式可使工作臺(tái)移動(dòng)到理想的位置。</p><p><b>　　4.結(jié)束語</b></p><p>　　使用商用激光干涉儀系統(tǒng)和house-built數(shù)據(jù)收集和處理系統(tǒng)，成功地檢測(cè)出了機(jī)床的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)幾何誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了一些靜態(tài)和動(dòng)態(tài)誤差特性的重大差異

19、。隨著對(duì)機(jī)床誤差而導(dǎo)致的測(cè)量噪聲改進(jìn)，，其他一些誤差被觀測(cè)出來，比如因?yàn)閿?shù)控機(jī)床軸來回移動(dòng)而產(chǎn)生的跳動(dòng)誤差，因此有必要對(duì)數(shù)控機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行測(cè)量和評(píng)估。</p><p><b>　　附件2：外文原文：</b></p><p>　　Quick and dynamic measurements of geometric errors of CNC machines<

20、;/p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　In this paper, a system that is used to measure dynamically all kinds of geometric errors of CNC machines is introduced, and some experiment results a

21、re given. The experiment results showed some significant differences between the static and dynamic error characteristics. Through analyses of the dynamic signals in both time and space fields, some error resources of th

22、e CNC machines can be found. In addition, any shape of contouring errors can be directly measured by this system without using a b</p><p>　　Key Words： Machine Tool Metrology, Geometric Errors, and Dynamic

23、Measurement</p><p>　　1. INTRODUCTION</p><p>　　Calibration of machine tools has become increasingly important for both machine tool builders and users over the past few years, and each country ha

24、s its own standard to evaluate the performance of CNC machines [13]? However, in these standards almost all the geometric errors are measured when CNC machines are in a static state or a quasi-static state. That is, the

25、machine axis is moved to target positions, stopped and a measurement recorded. This process is obviously very time-consuming, and ma</p><p>　　In Process Control and Inspection for Industry, Shulian Zhang, We

26、i Gao, Editors, Proceedings of SPIE Vol. 4222 (2000) ? 0277-786X!OO/$1 5.00</p><p>　　performance. So it is necessary to evaluate the dynamic performance of machine tools and to study the methods of measuring

27、 the dynamic geometric errors of machine tools for precision applications.</p><p>　　2. DYNAMIC MEASUREMENT SYSTEM</p><p>　　In order to evaluate the dynamic performance of machine tools, a compar

28、ative study is formalized incorporating the results from two basic inquiries. First, static geometric errors of the machine tool are ascertained using a Hewlett Packard laser interferometer. Second, dynamic geometric err

29、ors of the same machine tool are measured by using a house-built data acquisition system capable of simultaneous, high-speed, time-based measurements in order to compare encoder readings with laser interferome</p>

30、<p>　　3. EXPERIMENT RESULTS AND DISCUSSIONS</p><p>　　3.1 Comparison between static and dynamic measurements</p><p>　　For the static measurements, three sets of bi-directional measurements

31、are taken for each linear axis at an interval of 50mm by using the HP 5528 A laser interferometer. The data through averaging all measurements at the same point is used as the result for the static measurement and as a r

32、eference to compare with the dynamic measurement results. For the dynamic measurements, different feed rates are chosen to find out whether or not some dynamic geometric errors have a relationship with the spe</p>

33、<p>　　3.2 Measurement Noise </p><p>　　One of the most obvious differences between dynamic and static measurement is that dynamic measurement has much larger random variations than static measurement, e

34、specially in the measurement of linear displacement errors shown in Fig.2. These random variations may be called measurement noise. The noise is produced by many different kinds of errors in CNC machines, such as, the p

35、itch errors of the ballscrew and the nut, encoder reading errors, Abbe error variations caused by the table tilt, las</p><p>　　3.3 Jump Errors</p><p>　　When the table is moving along the x-axis

36、at a certain speed from 0mm position to 100mm position, it stops for one or two seconds and then is traveling back to 0mm position. This procedure with different moving speeds is repeated several times and an obvious jum

37、p error of about two micrometers is observed repeatedly. From these experiments, it is also observed that the jump error has nearly nothing to do with the speed of the moving table. This error is mainly caused by the ini

38、tial table angular</p><p>　　3.4 Contouring errors</p><p>　　It is well known that circular tests provide a rapid and efficient way of measuring a machine tool's contouring accuracy along a ci

39、rcular contour. Circular contours provide one of the best checks for contouring performance in that as a machine is traversing with multiple axes along a circular trajectory each axis goes through sinusoidal acceleratio

40、n, velocity, and position changes. So in all standards for evaluating CNC machines, circular contour test is a key part. A Ball bar is widely used fo</p><p>　　3.5 The imperfect movement of CNC machines</p

41、><p>　　When the table is driven to a desired position, for example, to the 100mm position along the x direction and then back without a dwell time, the table actually does not reach the point of 100mm. The expe

42、riments also showed that offset between the actual position and the ideal position get bigger when the speed of moving table is getting higher. A control mode of dwell time with a few mil-seconds can make the table be in

43、 the desired position. </p><p>　　4. CONCLUSIONS</p><p>　　Static and dynamic machine tool geometric errors were performed using a commercially available laser interferometer system and a house-bu

44、ilt data collecting and processing system. The experiment results showed some significant differences between the static and dynamic error characteristics. Along with the expected increase in measurement noise, which res