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開(kāi)發(fā)低成本接觸觸發(fā)探測(cè)器的數(shù)控車床 馬塞洛德?tīng)枒?zhàn)爭(zhēng) a 雷吉納爾多 特謝拉 科埃略 b a 工程圣卡洛斯 歐盟經(jīng)濟(jì)社會(huì)委員會(huì) USP 的冼星海大馬路工人 Sancarlense400 CEP13566 590 圣保羅卡洛斯 SP 巴西的學(xué)校 b 工程圣卡洛斯 歐盟經(jīng)濟(jì)社會(huì)委員會(huì) USP 的冼星海大馬路工人 Sancarlense400 CEP13566 590 圣保羅卡洛斯 SP 巴西的學(xué)校 2006 年 4 月 18 日網(wǎng)上可查詢 摘要 數(shù)控機(jī)床使用觸發(fā)式測(cè)頭已成為世界標(biāo)準(zhǔn) 主要是由于減少了機(jī)器設(shè)置時(shí) 間 以促進(jìn)工件精度在機(jī)測(cè)量的能力 然而 一些障礙仍然需要調(diào)換 如測(cè)量 程序編程困難 這些設(shè)備的成本高和技術(shù)文獻(xiàn)的數(shù)量較少有關(guān)此主題 這項(xiàng)工 作提出的觸發(fā)式測(cè)頭對(duì)車間的應(yīng)用 討論時(shí)下用來(lái)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)的技術(shù)審查 基于簡(jiǎn)單的電接觸的新接觸觸發(fā)探頭模型被提出 與所需要的特性和成本低 要用于 CNC 車床 探針在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)示出 0 003 毫米 3 秒或 99 73 置信區(qū)間 一個(gè)可重復(fù)性 這些特征似乎是非常媲美于工業(yè)車床應(yīng)用中最需要 的 關(guān)鍵詞 尺寸質(zhì)量監(jiān)測(cè)和控制 接觸觸發(fā)探頭 在機(jī)測(cè)量系統(tǒng) CNC 車床 簡(jiǎn)介 如今 在制造系統(tǒng)發(fā)展最困難的挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)的全維管理 創(chuàng)建統(tǒng) 計(jì)數(shù)據(jù)分析和部分到零件的控制 這種融合可以通過(guò)使用通常被稱為連接到數(shù) 控機(jī)床觸發(fā)式測(cè)頭設(shè)備來(lái)達(dá)到 這些設(shè)備是用于基于項(xiàng)目的規(guī)格 閉環(huán)過(guò)程控 制 部件的尺寸控制 制造 刀具補(bǔ)償 快速設(shè)置 過(guò)程的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)采集和更 多的測(cè)量和校準(zhǔn) 它是在目前的制造系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)非常重要的是要使用這些功能 使得可 能部分對(duì)部分檢驗(yàn)控制 如果必要的 這保證了尺寸誤差立即檢測(cè) 減少?gòu)U料 避免了一整批片都刮掉并降低成本 由于零件返工 為了幫助維控上車削操作 這項(xiàng)工作開(kāi)始引入觸發(fā)式探頭的特點(diǎn) 用于產(chǎn) 生 觸發(fā)信號(hào) 技術(shù) 在此之后 本文提出了一種簡(jiǎn)單和低成本的無(wú)線觸發(fā)式 測(cè)頭的基礎(chǔ)上 直接電接觸的原則 原型是一起提交的重復(fù)性和準(zhǔn)確性的研究 1 觸發(fā)式測(cè)頭 第一個(gè)觸發(fā)式測(cè)頭的發(fā)明是為了解決一個(gè)具體的檢查要求 但繼續(xù)改造的 設(shè)計(jì)和革命性的制造組件的過(guò)程后檢驗(yàn)使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) CMM 的 在 20 世 紀(jì) 70 年代末 幾乎所有主要的 CMM 制造商在世界上采用雷尼紹 探頭 后來(lái) 由于數(shù)控進(jìn)展 包括測(cè)量功能和直線光柵尺在其軸 使用這種裝置 傳到機(jī)床 在那里他們成為了自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng) 使得企業(yè) 從汽車到航空航天 提供精密零件的重要組成部分 減少?gòu)U料和最大限度地提高工作效率 大衛(wèi) 麥克默特里開(kāi)發(fā)的觸發(fā)式測(cè)頭技術(shù)在 1972 年的問(wèn)題出現(xiàn)在勞斯萊斯 公司 在那里他是引擎設(shè)計(jì)的副總 當(dāng)時(shí) 他正面臨著測(cè)量一些復(fù)雜的管路 只有毫米直徑 6 對(duì)協(xié)和使用奧林巴斯引擎的問(wèn)題 該管道必須適合精確扎實(shí) 座架之間 但難度來(lái)衡量他們 一旦他們被制造 發(fā)現(xiàn)該溶液是觸發(fā)式探頭 TTP 它使用了一個(gè)簡(jiǎn)單的原則 以確定探針和部件之間的接觸 以進(jìn)行測(cè) 量 1973 年 大衛(wèi) 麥克默特里注冊(cè)了一家名為雷尼紹早期成為計(jì)量和光譜 解決方案的領(lǐng)先供應(yīng)商 制造商和研究人員在世界各地 雷尼紹 1 由于公 司使用的專利機(jī)制 由打算加入這個(gè)市場(chǎng)上的其他公司需要開(kāi)發(fā)其他技術(shù) 3 觸發(fā)式測(cè)頭主要特點(diǎn) 獨(dú)立使用的技術(shù) 其原理是基于電信號(hào)此刻探頭的尖端接觸要測(cè)量的部分 的產(chǎn)生 或中斷 該信號(hào) 一般稱為觸發(fā)信號(hào) 被發(fā)送到把它轉(zhuǎn)換到由數(shù)控 或 CMM 的被讀出的接口 在該機(jī)器接收到觸發(fā)信號(hào)的那一刻 它會(huì)立即凍結(jié) 并保存為計(jì)算和報(bào)告生成軸值 見(jiàn)圖例如 1 圖 1 連接到數(shù)控機(jī)床的測(cè)量系統(tǒng) 紅外線 無(wú)線電頻率或簡(jiǎn)單的電線電纜 從 TTP 到探頭接口觸發(fā)信號(hào)傳輸 可以采用三種基本不同的通信技術(shù)來(lái)建立 紅外通信用于標(biāo)準(zhǔn)車床和銑床傳統(tǒng) 的應(yīng)用 這種技術(shù)提供了高可靠性 高傳輸速度率 低噪音干擾和低實(shí)施成本 這是接近萬(wàn)無(wú)一失的系統(tǒng) 除非探頭和接收器都出視覺(jué)接觸的 作為探針深工 件內(nèi)孔或其他凹陷內(nèi)時(shí) 對(duì)于這些情況和應(yīng)用中 射頻系統(tǒng)建議 工具及制 造 2 電線電纜通訊用于它們被安裝并固定在機(jī)床工作臺(tái)刀具調(diào)整器的探針 4 探測(cè)循環(huán)和編程 據(jù)現(xiàn)代機(jī)加工在線 3 少數(shù)專業(yè)人士會(huì)提出異議探測(cè)超速零件設(shè)置 設(shè)置 刀具補(bǔ)償和執(zhí)行過(guò)程中的檢驗(yàn) 至少在理論上的優(yōu)點(diǎn) 在實(shí)踐中 然而 探測(cè) 器系統(tǒng)經(jīng)常被看作是難于使用和昂貴 購(gòu)買 其結(jié)果是 他們已經(jīng)成為在高生 產(chǎn)環(huán)境主要由有經(jīng)驗(yàn)的程序員的工具 為了使探測(cè)有效 更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的范圍廣泛的用戶 一些主要領(lǐng)導(dǎo)的 CNC 的 制造商 如發(fā)那科 海德漢 大隈 辛辛那提米拉克龍公司和西門(mén)子 都包括 在其數(shù)控軟件 專門(mén)開(kāi)發(fā)的圖形用戶友好界面用于探測(cè)的 Heidenhain TNC 控制 系列 例如 能夠自動(dòng)地或手動(dòng)地通過(guò)三維測(cè)量 使檢查的功能 如檢查孔的 尺寸精度 確定飼料進(jìn)行精加工 檢查工件的幾何形狀 并確定從公差偏差 確定工件前加工和掃描三維表面 另外 探測(cè)循環(huán)正在廣泛開(kāi)發(fā)和可以由單個(gè) 線的信息來(lái)激活 Zhou 等人 4 今天的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床提供精度和可重復(fù)性接近以前的水平僅在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 此外 技術(shù)的進(jìn)步使這些機(jī)器容易維護(hù) 測(cè)試和校準(zhǔn)技術(shù) 現(xiàn)已啟用的商店 以確保其機(jī)床的精度和健康 伸縮式球桿儀是由幾乎所有的商店很容易負(fù)擔(dān)得 起的 一個(gè)藏書(shū)豐富的工具箱中也應(yīng)包含電子水平還是不錯(cuò)的一套精密機(jī)床的 水平 植物和大商店越來(lái)越多維護(hù)自己的激光干涉儀和電子水平 而租賃設(shè)備 和診斷服務(wù)可購(gòu)到各種來(lái)源的小商店 現(xiàn)代機(jī)加工在線 5 另外 根據(jù)現(xiàn)代機(jī)加工在線 6 CNC 機(jī)器 在一般情況下 非常準(zhǔn)確 非 常重復(fù) 他們媲美同等規(guī)模的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的精度和可重復(fù)性 隨著在 CNC 檢 查過(guò)程中的一些照顧 導(dǎo)致測(cè)量誤差和錯(cuò)誤切割之間相互依存的因素可以被最 小化 5 技術(shù)用于生成所述觸發(fā)信號(hào) 根據(jù)沉和月亮 7 有當(dāng)探針尖端接觸所述工件不產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào) 探針將繼 續(xù)走向和探頭尖端和工件之間的力會(huì)增加 從而引起的物理量 例如 電阻 以達(dá)到一個(gè)閾值設(shè)置 當(dāng)物理的數(shù)量超過(guò)在感測(cè)系統(tǒng)中的閾限的觸發(fā)信號(hào)生成 的 觸摸瞬間和觸發(fā)時(shí)刻之間的移動(dòng)距離被稱為探針的預(yù)行程 主要是由彎曲 筆軸的偏轉(zhuǎn) 它占大多數(shù)探針錯(cuò)誤 基本上有用于生成所述觸發(fā)信號(hào)四種不同的原則 電觸點(diǎn) 運(yùn)動(dòng)接觸 發(fā)光 激光干涉 變形 應(yīng)變計(jì) 并利用壓電效應(yīng) 5 1 運(yùn)動(dòng)接觸 目前 這是最常用的觸發(fā)式測(cè)頭廣泛 由大衛(wèi) 麥克默特里開(kāi)發(fā)的 這個(gè) 原理徹底改變了使用的坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 根據(jù)圖 2 它是基于三個(gè)小的圓柱形件即保持就座于其他六個(gè)氣缸 球而 引起的彈簧作用的壓力 限制其自由度直到觸針被帶到與該工件接觸的運(yùn)動(dòng)重 新座位機(jī)構(gòu) 電流通常流經(jīng)三個(gè)席位串聯(lián) 當(dāng)探頭端部移動(dòng)離開(kāi)其穩(wěn)定位置 一個(gè)或多個(gè)座椅接觸場(chǎng)所及阻力的增加立即電子檢測(cè) Mayer 等人 8 和里德 9 測(cè)量完成后 當(dāng)探頭尖端移動(dòng)從片背面 探頭彈簧迫使機(jī)構(gòu)回到初始穩(wěn)定位置 重新建立的標(biāo)準(zhǔn)電阻 圖 2 運(yùn)動(dòng)觸發(fā)式測(cè)頭的工作原理 模具和生產(chǎn) 2 5 1 1 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì) 從由該系統(tǒng)提供的主要優(yōu)點(diǎn) 這是杰出的 該系統(tǒng)的簡(jiǎn)單性 電氣 機(jī)械 組件的堅(jiān)固性 廣泛和研究原理 5 1 2 系統(tǒng)的缺點(diǎn) 由于電氣 機(jī)械裝配 運(yùn)動(dòng)探測(cè)器易受其電接點(diǎn)的消耗和腐蝕 此外 這種探頭的主要典型特征是相關(guān)的預(yù)行程變化 因?yàn)橛|針之前彎曲 觸發(fā)是探針預(yù)行程的主要成分 該特性根據(jù)在觸摸方向的變化而變化 里德 10 這種行為發(fā)生由于這樣的事實(shí) 在三個(gè) V 型塊 由 120 角隔開(kāi) 內(nèi)部機(jī)構(gòu)的 座位使所需要的力 以產(chǎn)生 觸發(fā)信號(hào) 根據(jù)該接近的方向 以改變 Kim 和 Chung 11 Miguel 等 12 也說(shuō) 必要的動(dòng)力 打開(kāi)電接觸一個(gè)取決于即將到來(lái)的 速度 據(jù)沉和月亮 7 同樣的觸發(fā)式測(cè)頭型號(hào)可能會(huì)表現(xiàn)出不同的預(yù)行程變化的 行為 由于制造和組裝過(guò)程中的微小變化 累積誤差使用觸筆更長(zhǎng)大于 30mm 由于這樣的事實(shí) 所必需的接觸力 生 成 觸發(fā)信號(hào) 時(shí)發(fā)生彎曲的觸針和該偏轉(zhuǎn)正比于它的長(zhǎng)度 如果相對(duì)于其他系統(tǒng) 提供類似的好處 這些設(shè)備的購(gòu)置成本是比較高的 該設(shè)備是眾所周知的 而他們生產(chǎn)的品牌有非常高的質(zhì)量有關(guān) 5 2 應(yīng)變計(jì) 應(yīng)變計(jì)用類比信息從產(chǎn)生在觸筆觸碰部的電阻變化導(dǎo)出探針交易 以進(jìn)行 測(cè)量 使用這種技術(shù)作為數(shù)字交換機(jī) 它是必要的電的信號(hào)調(diào)節(jié)和處理 建立從 其中的 觸發(fā)信號(hào) 時(shí)所產(chǎn)生的限制 5 2 1 優(yōu)勢(shì) 一個(gè)這種技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是 預(yù)行程變化比運(yùn)動(dòng)學(xué)探針因?yàn)橛|針的變形本 身負(fù)責(zé) trigging 事件要低得多 由于這個(gè)原因 這種探針是非常準(zhǔn)確和使得有 可能使用觸筆只要 200 毫米 圖 3 圖 3 預(yù)行程變化 比較運(yùn)動(dòng)探針 TP20 與應(yīng)變計(jì)探針 TP800 的性能 Renishaw 的 1 探頭采用固體電子學(xué) 提供了長(zhǎng)壽命和低磨損 根據(jù)模 擬信號(hào)的校準(zhǔn) 這些系統(tǒng)能夠檢測(cè) 0 2 N 接觸力 5 2 2 缺點(diǎn) 與這些探頭有關(guān)的缺點(diǎn)依靠高收購(gòu)成本 極其先進(jìn)的電子設(shè)備 使得它非 常微妙的設(shè)備和事實(shí) 也有極少數(shù)的文獻(xiàn)和信息專接近這些系統(tǒng) 5 3 激光 這些探頭操作使用光電開(kāi)關(guān)的傳感器 透鏡系統(tǒng)匯聚 LED 發(fā)出的光束并聚 焦在差動(dòng)光電池上 當(dāng)觸針偏轉(zhuǎn) 差分光電管產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào) 約翰的 Heidenhain 博士 13 5 3 1 優(yōu)勢(shì) 如果與其他設(shè)備提供類似的性能之一的這些設(shè)備的主要優(yōu)點(diǎn)是與它的成本 相對(duì)低的 5 3 2 缺點(diǎn) 有對(duì)差分光電點(diǎn)所在的平行光發(fā)生 并產(chǎn)生了 觸發(fā)信號(hào) 首先改變 針尖和被測(cè)定 將需要的部分之間的力偏轉(zhuǎn)的內(nèi)部機(jī)構(gòu) 類似于什么情況與有 關(guān)到它的電觸點(diǎn)的開(kāi) 運(yùn)動(dòng)探測(cè) 由于這個(gè)原因 這兩個(gè)系統(tǒng)呈現(xiàn)類似預(yù)行 程變化特性 表現(xiàn)出對(duì)方向的方法的準(zhǔn)確性依賴于部分進(jìn)行測(cè)量和兩個(gè)系統(tǒng)都 沒(méi)有指示要使用觸筆長(zhǎng)于 30 毫米 5 4 壓電式傳感器 壓電探針基于用于該壓電晶體的兩個(gè)面之間產(chǎn)生 當(dāng)它被按下時(shí)的電勢(shì)差 的原理 使用此物理原理 有可能設(shè)計(jì)出能夠產(chǎn)生從在探頭觸針到達(dá)部分的瞬 間所產(chǎn)生的電位 觸發(fā)信號(hào) 探針 5 4 1 優(yōu)勢(shì) 他們是非常準(zhǔn)確和重復(fù)的系統(tǒng) 像應(yīng)變計(jì)探頭 預(yù)行程變化比運(yùn)動(dòng)學(xué)探針 低得多 這是可能的校準(zhǔn)系統(tǒng)是敏感的力在 0 2 N 的順序 5 4 2 缺點(diǎn) 他們可能是一些低頻噪聲的碰撞一樣敏感 啟動(dòng)電機(jī) 主軸高加速 減速 機(jī)械振動(dòng)等 基于簡(jiǎn)單的電接觸 6 關(guān)于模型的這項(xiàng)工作的目的是利用基本的和 眾所周知的技術(shù) 設(shè)計(jì)和制造成本低 堅(jiān)固耐用和準(zhǔn)確的觸發(fā)式測(cè)頭能夠測(cè)量 數(shù)控車床外徑 為此 精確的機(jī)械加工的零件和裝配的設(shè)計(jì)和應(yīng)用開(kāi)發(fā)一種能 夠在大觸發(fā)式探針的應(yīng)用中使用的系統(tǒng) 6 1 該系統(tǒng) 所提出的設(shè)備的工作原理是由上閉觸筆 接地 和內(nèi)部目標(biāo) 正極 之間 的電接觸 在這個(gè)特殊的時(shí)刻 觸發(fā)信號(hào) 并且由無(wú)線電 無(wú)線 發(fā)送到 探頭的接口 就可以負(fù)責(zé)發(fā)送一個(gè) 24 伏的直流到 CNC 的適當(dāng)?shù)妮斎?由于這樣 的事實(shí) 該滑架將繼續(xù)由慣性后的 觸發(fā)信號(hào) 發(fā)生移動(dòng)時(shí) 目標(biāo)應(yīng)該有一個(gè) 缺點(diǎn)機(jī)制能夠吸附該移動(dòng) 確保其表面完整性 圖 4 圖 4 在測(cè)量過(guò)程中的缺陷機(jī)制動(dòng)態(tài)行為 因此 開(kāi)發(fā)了觸發(fā)式探頭的可重復(fù)性是直接與缺點(diǎn)系統(tǒng)觸發(fā)事件發(fā)生之后 精確座椅返回到其原始位置的能力有關(guān) 如果其缺點(diǎn)系統(tǒng)不能正常工作 會(huì)出 現(xiàn)在測(cè)量和測(cè)定的下一個(gè)部分的直徑后探頭的長(zhǎng)度的預(yù)置的變化將表現(xiàn)為比實(shí) 際的不同 出于這個(gè)原因 其缺點(diǎn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)都非常小心 保證了系統(tǒng)良好的 性能 探針被設(shè)計(jì)為在 VDI 刀柄使用的 根據(jù) DIN 69880 和 VDI 3425 標(biāo)準(zhǔn) 6 2 系統(tǒng)重復(fù)性和再現(xiàn)性 R R 用于測(cè)試的觸發(fā)式測(cè)頭數(shù)控車床是一種 INDEX TRAUB 模型 GU600 22 千 瓦的功率 數(shù)控系統(tǒng)是西門(mén)子 810D 能夠提供實(shí)驗(yàn)所需的測(cè)量功能 確定總系 統(tǒng)的 R R 探針 機(jī)床 實(shí)驗(yàn)完成采取其一部分的直徑是預(yù)先加工和規(guī)范化 在此之后 車削操作是使用硬質(zhì)合金刀具 VBMT160404UC6010 制成 切割 0 010 毫米從部件的直徑 采取一切必要的照顧與切削參數(shù) 以減少在過(guò)程中 的工具磨損 該器件然后檢查使用觸發(fā)式測(cè)頭的發(fā)展 連續(xù)探測(cè) 60 次在同一地點(diǎn) 還提 供了手動(dòng)測(cè)量是在使用普通的千分點(diǎn) 這些數(shù)據(jù)被保存在 CNC 和下載到 PC 的 轉(zhuǎn)動(dòng)操作和連續(xù)測(cè)量步驟重復(fù)五次 從而獲得相對(duì)于直徑的每一個(gè) 圖 5 的 五個(gè)數(shù)據(jù)樣本 圖 5 例證的實(shí)驗(yàn)過(guò)程的用于確定所述探針的 R R 和探針檢查部的照片 7 結(jié)論 數(shù)控機(jī)床的使用觸發(fā)式測(cè)頭已成為一個(gè)世界性的必要性 然而 一些障礙 仍然需要被轉(zhuǎn)置 像在測(cè)量例程編程困難 準(zhǔn)備技術(shù)員低數(shù)量和有關(guān)此主題的 技術(shù)文獻(xiàn)和這些設(shè)備的高的購(gòu)置成本 這個(gè)場(chǎng)景使用的中小型企業(yè)幾乎不可能 準(zhǔn)確地對(duì)他們來(lái)說(shuō) 這對(duì)付小批量配套 其中過(guò)程控制容易超出范圍的工具 這項(xiàng)工作是表示基于內(nèi)部交換機(jī)上的一個(gè)無(wú)線觸發(fā)式探頭模型 與所需要 的特性和成本低 在數(shù)控車床中使用的開(kāi)發(fā)的可行性 盡管探針簡(jiǎn)單起見(jiàn) 在 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的結(jié)果顯示了 0 003 毫米 3 秒或 99 73 置信區(qū)間 一個(gè)可重復(fù) 性 這些特點(diǎn)是高兼容大部分用于工業(yè)車床應(yīng)用的需求 該探測(cè)器將繼續(xù)發(fā)展 使得其在測(cè)量和改進(jìn)其無(wú)線功能三個(gè)方向提供將采取 湖 南 科 技 大 學(xué) 英文文獻(xiàn)翻譯 學(xué) 生 姓 名 文 華 學(xué) 院 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè) 及 班 級(jí) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化五班 學(xué) 號(hào) 1103010522 指 導(dǎo) 教 師 萬(wàn) 林 林 2015 年 5 月 27 日