范光照臺灣大學：機械工程學研究所王海Wang, HaiHaiWang2007-11-282018-06-282007-11-282018-06-282004http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/61465CNC工具機精度檢測的方法，在ISO 230規範中已有明確的記載，而採用的量測儀器幾乎都是屬於一維的量測尺度，例如：雷射干涉儀、階規或量表等。對於二維的動態循圓檢測，在ISO 230-4規範中有記載檢測的方法，某些特定儀器因此被發展出來，例如：雙球桿系統以及最近被發展的雷射球桿系統，雖然這些儀器具有CNC工具機二維誤差的檢測能力，但是他們能然只是對單一尺度軸向具敏感性而已。 CNC工具機的精度評估，傳統以來一值都是遵守 ISO 230的規範，不同的誤差種類評估需要不同的量測儀器配合，這些使用到的儀器或感測器包括：雷射干涉儀以及各種光學鏡組、直規、電子水平儀以及雙球桿系統等，所以，當評估 CNC 工具機整體精度時，必須更換不同的量測設備，造成工具機精度評估過程非常耗時。另外，對於多軸運動型態的工具機，因為主軸可以傾擺角度，整個工具機誤差校正的過程更形艱困。 本研究提出一套量測方式新構想，他整合了雷射球桿系統與雷射追蹤系統的優點，可以用來即時量測任何空間中運動機構的三維座標位置，它是以球座標參數量測空間中運動機構位置。系統包括了一組精密的雷射線性量測裝置，被架設在線性滑軌尾端，用來量測滑座的線性位移量，而滑軌機構被架設在具有兩個角度自由旋轉而且互相垂直的基座上，每一個旋轉軸安裝雷射旋轉角度編碼器，所以當工具機主軸端的球窩磁力座被主軸驅動移動時，便可以拖曳追蹤球桿上的標準球，球桿系統上的三個感測器便可以即時記錄標準球球心的座標位置資訊，並且將球座標參數轉換成卡式座標參數。 本系統的主要目的在於量測主軸上刀具相對於工具機工作台的位移量，不論被檢測的工具機屬於卡式座標系統抑或是並聯型多軸工具機型式。在本研究中，對三維雷射追蹤球桿系統的機構設計進行了詳細的探討，並且辨識出所有的機構組裝誤差，分析其誤差量大小與方向，最後進行量測機構運動學分析與誤差補償，因而可以進一步提升整體量測系統的精度。在實際應用的實驗驗證方面，對工具機進行不同種類誤差量測，例如：線性誤差、直線度誤差、動態循圓誤差以及體積誤差等，並與不同的商用量測儀器進行量測結果比較，差異都在2μm以內 。不管被檢測的工具機是屬於卡氏座標系統或是並聯型多軸工具機，都可以簡單省時地使用本研究所提出的三維雷射追蹤球桿系統進行精度檢測。Techniques for performing accuracy testing of CNC machine tools can be found in many standards, such as the ISO 230. Most of the existing linear measurement instruments are one dimensional, such as the laser interferometer or step gauge. For the circular test of 2D motion, as specified in the ISO 230-4, some instruments have been developed, such as the, double ball bar (DBB), Contisure, and the latest laser ball bar (LBB). Although these instruments are capable of 2-axis error measurements, they are still sensitive to one dimension only. Conventional techniques for assessing machine tool accuracy conforming to ISO-230 specifications should adopt a variety of precision instruments, such as laser interferometer and optics, straightedge, electronic level, double ball bar, etc. It is a time-consuming process when changing different equipment for different accuracies. For multi-axis machines, where the spindle can swing, the error calibration is more difficult. A novel design, which integrates the merits of LBB and LTS (laser tracking system) is proposed in this research for the three dimensional measurements of moving object in real time phase. This system is based on the spherical coordinate principle containing only one precision Laser linear measurement device and two precision Laser rotary encoders in the gimbals base with a precision linear guide for slider motion. Such a system can be dragged by any 3D moving target with a magnetic head and freely moved in the space. Three sensors simultaneously record the ball positions and transform into the Cartesian coordinate in real time. It aims to measure the tool position relative to the worktable at any working point no matter the inspected machine is of 3D Cartesian type or parallel type multi-axis machines. The design of the instrument is discussed and the errors attributes are analyzed to enhance its accuracy. Practical applications will be addressed with respect to different error measurements, such as linear errors, circular errors, volumetric errors, and to different types of machine tools, such as Cartesian type and parallel type. The measuring result is compared to a commercial instrument, the maximum difference is around 2μm. All can be done simply with the developed 3D LBB system.誌 謝 I 摘 要 II Abstract IV 目錄 VI 圖表目錄 Ⅸ 主要符號表 ⅩⅢ 第一章 緒論 1 1-1 研究動機與目的 1 1-2 工具機的精度檢測規範與方法 2 1-3 相關論文回顧 11 1-4 論文結構概述 20 第二章 量測系統設備與感測器誤差分析 22 2-1 前言 22 2-2 量測系統設備 22 2-3 都普勒效應的位移量測 23 2-4 雷射量測的誤差來源 27 2-5 雷射都普勒尺的誤差分析 29 2-5-1 系統誤差 29 2-5-2 量測環境所引起的誤差 30 2-5-3 安裝不佳所引起的誤差 30 2-6 反射鏡型式與位移分析 31 2-7 雷射角度編碼器及訊號處理 32 2-7-1 光柵繞射式角度編碼器 32 2-7-2 角度編碼器之訊號處理(Subdivision) 33 第三章 新型追蹤球桿系統機構設計與精度校正 35 3-1 三維雷射追蹤球桿系統機構設計 35 3-2 座標量測 38 3-3 三維雷射追蹤球桿系統誤差源種類與誤差分析 38 3-3-1 精密微型滑軌直度誤差 39 3-3-2 機構組裝誤差 43 3-4 齊次轉換矩陣作機構組裝誤差修正 50 3-5 雷射追蹤球桿系統整體的精度校正 54 3-5-1 R軸的校正方法 55 3-5-2 ψ軸的校正方法 56 3-5-3 θ軸的校正方法 59 3-6 新型三維雷射追蹤球桿的總體精度結果 61 第四章 串並聯工具機之運動分析 62 4-1 前言 62 4-2 串並聯機台結構 63 4-3 串並聯工具機機構運動學合成 64 4-4 逆向運動學分析 69 第五章 串並聯工具機機構誤差分析模型與機構參數對運動參數之靈敏度 分析 71 5-1 前言 71 5-2 串並聯工具機機構誤差分析模型建立 73 5-2-1 應用微分方法推導誤差模型 73 5-2-2 約束方程式 77 5-3 機構組裝誤差對運動精度之靈敏度分析 79 5-4 靈敏度分析數據結果 86 第六章 追蹤球桿系統於各型工具機之校正應用 92 6-1 前言 92 6-2 串並聯工具機空間運動精度檢測方法 93 6-3 串並聯工具機空間運動精度量測結果 96 6-4 卡氏座標CNC工具機軸定位與直線度精度檢測 99 6-5 卡氏座標CNC工具機空間體積誤差檢測 103 6-6 卡氏座標CNC工具機動態特性誤差檢測 105 第七章 串並聯工具機機構組裝誤差之辨識 108 7-1 前言 108 7-2 並聯機台機構誤差辨識模型 108 7-3 辨識之量測方法與步驟 112 7-3-1 主軸平台的位置與方向量測 112 7-3-2 進給滑座的位移量測 114 7-4 誤差辨識策略與程序 116 7-5 量測數據處理結果 118 第八章 結論與展望 122 8-1結論 122 8-2未來展望 124 參考文獻 1261203115 bytesapplication/pdfen-US三維雷射追蹤球桿二維循圓測試精度評估體積誤差3D laser ball barvolumetric errors2D circular testaccuracy assessmentthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/61465/1/ntu-93-D88522011-1.pdf