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開發(fā)低成本接觸觸發(fā)探測(cè)器的數(shù)控車床
馬塞洛德爾戰(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?；诤?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子，都包括在其數(shù)控軟件，專門開發(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，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“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?；诤?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)控車床中使用的開發(fā)的可行性。盡管探針簡(jiǎn)單起見，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。