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CNC工具機幾何精度偵測設備開發設計

摘要"

CNC工具機在組裝、應用與加工時,工件成品之精度部分來自於機台之水平精度,且機台水平量測大多數是在機台架設完畢後或是每日開工前,而水平校正完畢後常常因為外部振動(例如:地震、強烈撞擊…等)導致水平產生變化,且過大的載重也會造成水平的誤差,間接影響機台精度而最終導致加工件加工品質不佳,嚴重的水平誤差則會導致機台壽命減損以致於機台產生永久變形。本研究主要針對次問題開發出了一套可長時間線上監控水平誤差並補償之智能化系統,其主要功能如下:
1.自動檢測工具機之水平狀況,並將誤差數據化讓使用者方便觀察出目前機台之水平狀況,降低人為誤差的產生。
2.自動判斷誤差功能,藉由軟體可自動判斷水平是否超出使用者所預期的範圍外,如超出範圍則提醒使用者。
以往對於工具機之工作平台變形補分僅只能做分析而無法進行量測,故本研究針對此問題設計開發出一套可智能化之水平量測設備與機械補償結構,其創新性在於設備與軟體可多功能使用及即時誤差補償之結構設計與應用上,以往的水平誤差皆由人工方式進行補償,而本系統所開發之技術則可以做到智能化監測與補償來有效的提升加工產品的品質。
其重點在於廣泛運用本國製造商所生產之商品,故本系統所使用之機構(例如:機械平台、線性滑軌、滾珠導螺桿…等)與控制單元(例如:PLC、控制器與伺服馬達、MCU…等)皆是運用本國之國產設備,好處為可自由設定並更改內部參數及設定來更有效的給使用者操作,更可大幅降低工具機之生產成本,提升本國工具機產業之競爭力。

關鍵詞:工具機、幾何水平誤差、補償結構、國產控制器

幾何誤差與設備開發原理

工具機精度與誤差

近代CNC工具機其加工精度與性能不斷提高,而角度誤差與水平誤差相關精度息息相關,一般造成角度與水平誤差主要原因為結構變形、地基與外部受力(地震、工件安置偏位)等所產生,如此會造成加工精度劣化,因此解決相關問題必須開發量測設備。在ISO 230-1國際標準規範當中就有清楚定義誤差且完整說明誤差來源,指出X/Y/Z軸運動時其線性動作之角度與水平誤差形式,臥式機台其中X軸運動時的角度與水平誤差有三個,包含與主軸線互相垂直的XY平面(節距,ECX)、與ZX平面(偏搖,EBX)、與主軸線平行的YZ平面(滾動,EAX),如圖所示。立式機台其中X軸運動時的角度與水平誤差有三個,與主軸線動作平行的ZX平面(節距,EBX)、與於水平XY平面(偏搖,ECX)、與主軸線互相垂直的YZ平面(滾動,EAX)。如圖1與圖2、表1所示
因此在立式與臥式工具機就有角度與水平誤差形式,在不同的軸向運動則會有不同的角度誤差,主要與水平誤差相互關連,角度與水平誤差之分類由表一所列,而目前水平儀都在廠內組裝、精度調校與廠外安裝機台時進行應用,當結構變形與外部受力時常常無法即時監測其變形與誤差,本研究所開發設備即可長時間進行監測。
具機水平產生誤差對幾何精度所造成的影響可如圖3所示,當機台水平誤差產生時會導致機台傾斜造成機台平行度與垂直度誤差產生,致使整機空間精度不良,過大的水平誤差產生時會使機台造成結構的變形,使機台產生震動及精度壽命降低等影響,且在加工時其幾何精度造成劣化如圖4所示,工具機水平誤差會對工具機垂直度造成影響,在實際工件上進行孔位置加工或量測時,工具機滑軌面上若有輕微的幾何誤差,加上誤差放大的關係距離基準點越遠的距離誤差就越大,越大的加工件就會有越大的誤差,因此只要輕微水平誤差就可以造成極大的幾何誤差,且加工距離越遠誤差越明顯。
元件與結構變形模式

線軌之方式進行支撐及作動,而可由文獻[3]中看出一般在分析時會將導軌與滑塊間之滾珠視為彈性體,如圖5所示,並可由圖6得知當我們施加之壓力越大時其變形量也越大,故當工具機在切削或擺放載重時,平台會向下擠壓,並且因滾珠為彈性體而產生彈性變形,又因施加力或重量不平均之關係導致滾珠之彈性變形也會有所不同,最終平台會向一方傾斜而造成水平誤差之產生。
在文獻[2] H. Schwenke等人有提到如果視一台工具機為具有非剛體之行為,其會因內部應力與外部應力產生位置誤差與載重誤差,而在某些情況下,載重和工件的擺放位置、移動工作台時、靜態加工與量測力時在有限剛性的結構上對於機械的精度有著顯著的影響。例如:如圖7所示,假設工具機工作台上擺放一載重,再將載重位置由中間移至最末端時會產生結構變形,而此結構變形則會導致機台幾何精度與空間精度的不良,但一般載重對於加工精度的影響是大多數人所忽略的一個重要因素。
且可由力流線趨勢看出其綠色之力流線長度遠大於藍色力流線之長度,由此即可得知當載重產生時其結構會往力流線較短的一方傾斜。...更多內容,請見《機械新刊》雜誌

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