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数控机床探针误差的机械模型

摘要  

数控机床探针不仅用于加工前设置工件和加工时的控制，还用于确定机床的体积误差。所以我们不仅要了解整个机器测量系统的误差，还要知道分离于机器的探头误差。这篇论文提出了一个数控机床探头误差的理论模型，它考虑到机床探头作为整个圆上的传感器和无线通信这一特殊的功能。文中还使用RMP60, MP700和IRP32.00-MINI这三种探头在机床外移动加工品的方法验证描述的模型。将实验得到的触发半径值与使用理论模型计算出的值进行比较，得到结果的符合率高达92%。

关键词：探头;误差模型；机械工具；机上测量；坐标测量

目录

摘要 1

1 介绍 1

2. 数控机床探针性能的理论模型 3

3. 用于测试CNC机床探头的设置 9

4. 已知模型参数的减少和确定 11

5.数控机床探头实验验证理论模型 12

6.总结 16

参考文献 17

 

1 介绍

数控机床的触摸触发探头安装在工具上，并可以在数控机床工具上使用类似坐标测量机的方法测量。探针的主要应用是一个自动工件设置装置。探针还可以在加工期间或加工后对零件进行尺寸控制，并确定机床的运动误差。使用探针时数控机床测量的精度会影响机床加工零件的质量。为了验证一个完整的由探针组成的测量系统是否满足使用者所需的精度，使用间接的方法根据探针在机床上的使用情况用材料测量仪测量。ISO 230-10标准介绍了便携式燃料转移装置，3D和便携式燃料转移装置、二维参数来自球和环规的机器测量误差。一个25毫米主球机测量用于确定预行程的变化—空间误差，系统误差–雷尼绍探针。在150 mm圆环规测量的基础上，确定了其垂直于平面的探针误差。此外，在机上测量的测量环的结果被用来确定系统探头的误差。在相同的测试领域的测量采用2种不同的探针–M & H TX / RX 40和Renishaw omp400–探针的误差导致了数据的偏差。这种方法可以确定的机床测量系统的误差，但不能将探针误差从机床误差中分离出来。然而，许多应用程序需要了解探头误差的特点。在这些应用程序的示例中，机床运动误差的确定建立在机床工件测量的基础上。上述方法是通过使用一个额外的2球比例尺实现扩展的。机床误差类似的测定方法是使用另一个工件用3方案描述的方法测量。同样的应用程序也提出了这个问题。对于这个应用程序，各种类别的主工件都在机床上测量。据推测，得到的偏差是由机器的运动误差引起的。但是，如果不能分开探头的误差和机床的误差，探头的误差将和机床有关，这就是机床外探头误差正在被研究的原因。数控机床的探针的测量精度可以增加误差的数字补偿。它的应用需要一个探针误差映射并运用理论模型实现。

探头误差特性取决于所使用的传感器类型。一种3点运动传感器常运用于数控机床和坐标测量机的探针中。这种类型的传感器与三臂移动元件靠弹簧压在三点的支持。每一个点都靠间断的电路支持。当与移动元件连接的触针倾斜或移动时，电路就会打开。用三点运动传感器探头误差的特点是误差三角形，最高达到几十微米。探头与应变计传感器没有这个缺陷。在这种类型的转换器中，触针尖端与被测表面的接触由位于转换器和触针的移动元件之间的应变计检测到。

然而，所有这些模型都不能验证机器的探针误差，特别是没有操作模型适用于这一种运动传感器。此外，数控机床的探头使用无线通信，从而导致探头和机床控制器之间的触发信号存在延迟。本文的三种最流行数控机床探头提出了一种误差模型。这个模型在一个专门的实验装置中进行了实验验证。


图 1 （a）1点运动换能器方案; （b）应变传感器方案; （c）1点运动传感器方案。 SG - 应变计

图 2 三点运动传感器的方案和作用在其运动元件上的力和力矩

图 12 对于选定的b角度值，MP700应变计探针的实验和理论值的比较

总结

数控机床通常使用3点运动探头，应变计探头和1点运动探头。本文介绍了三种流行传感器类型的误差模型。然后，使用新的测试设置验证了这个实验开发的理论模型。对于所有测试类型的探针，实现了理论模型和实验测试结果的高度一致性。例如，对于m＆h IRP32.00-MINI 1点运动探头，R2参数为70.82％，定义为模型和实验值之间的差异的平均绝对误差值不超过3.2μm。该值比触发半径r =88.2μm的平均值低28倍，是测试探头的触发半径变化Vr =26.7μm的8倍。

基于以下探头的测试结果：雷尼绍RMP60 3点运动探针和MP700应变计探头得出结论，理论模型预测的特征形状对应于实验获得的特性，平均绝对误差值的模型分别为0.6μm和0.4μm。这些值分别是触发半径r =35.7μm和12.5μm的平均值的59倍和31倍，分别是触发半径变化Vr =16.4μm和2.2μm的27倍和5.5倍测试探针。

开发的模型可用于预测数字机床探头的数字补偿误差。 此外，模型中包含的特定变量对CNC机床探针误差值的影响的知识对于设计阶段的探针制造商以及在选择测量系统的配置阶段的探头用户可能是有用的， 包括触控笔的选择和触发力的设定。

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