Μετρολογία εργαλειομηχανών

Μετρολογία εργαλειομηχανών Συμβολομετρία Σφάλματα θέσης Ευθύτητα επιπεδότητα Γωνιακά σφάλματα Κινηματικά σφάλματα Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών

Άδεια Χρήσης Το παρόν υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons και δημιουργήθηκε στο πλαίσιο του Έργου των Ανοικτών Ακαδημαϊκών Μαθημάτων από την Μονάδα Υλοποίησης του ΕΜΠ. Για υλικό που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς. Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ

Μετρολογία εργαλειομηχανών - γενικά Σκοπός η μέτρηση της ακρίβειας εργαλειομηχανών ώστε να είναι γνωστή η ικανότητα επίτευξης ανοχών τεμαχίου να είναι δυνατή η αντιστάθμιση των σφαλμάτων (CNC) Το σφάλμα του οργάνου μέτρησης πρέπει να είναι τουλάχιστον μιάς τάξης μεγέθους μικρότερο από το μετρούμενο σφάλμα Δύο κύρια είδη μετρήσεων μήκους γωνίας Τα άλλα είδη μετρήσεων ανάγονται στα δύο κύρια ευθύτητα, επιπεδότητα, καθετότητα Όργανα μέτρησης Συμβατικά Laser Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 2

Συμβολόμετρo Michelson I Μέτρηση μήκους σα πολλαπλάσιο του μήκους κύματος φωτός Laser λ μιάς συχνότητας δέσμη laser προσπίπτει σε ημι-επαργυρωμένο κάτοπτρο αυτό δρά ως διαχωριστής της προσπίπτουσας δέσμης. το ένα τμήμα (δέσμη μέτρησης) συνεχίζει προς κινητό κάτοπτρο, του οποίου η μετατόπιση πρέπει να μετρηθεί. το άλλο τμήμα (δέσμη αναφοράς) ανακλάται κατά 90 μοίρες προς σταθερό κάτοπτρο. οι δέσμες μέτρησης και αναφοράς συμβάλλουν στο D Όταν οι δυό δέσμες είναι σε φάση η ένταση φωτός είναι max Όταν οι δύο δέσμες έχουν διαφορά φάσης π η ένταση είναι 0 Κύκλος έντασης max-0-max: κροσσός = λ/2 μετατόπισης Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 3

Συμβολόμετρο Michelson ΙΙ Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 4

Μέτρηση κροσσών Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 5

Συμβολόμετρο Michelson IΙI Mετράει μετατόπιση και όχι απόλυτη θέση. Η μέτρηση λαμβάνεται κατά τη διάρκεια της κίνησης του κινητού κατόπτρου. Eίναι πολύ ευαίσθητο σε σφάλματα ευθυγράμμισης των δεσμών (κατόπτρων), αστάθειες της πηγής laser ατμοσφαιρικές συνθήκες λ=φ(πίεση, θερμοκρασία, υγρασία). Σύγχρονες παραλλαγές χρησιμοποιούν πηγή laser HeNe Μετράται πόσες φορές διέρχεται η κυματομορφή της έντασης από το 0 (με ηλεκτρονική διάταξη Schmidt), δηλ. η ανάλυση είναι ¼ λ. Με προσθήκη ενός ακόμη διαχωριστή δέσμης μετά τη συμβολή και καθυστέρηση φάσης της μιάς από υπο-δέσμης κατά 90 μοίρες είναι δυνατός ο προσδιορισμός της κατεύθυνσης κίνησης. Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 6

Συμβολόμετρο δύο συχνοτήτων Ι Μετράει διαφορά φάσης των δεσμών μέτρησης και αναφοράς. Η δέσμη αναφοράς έχει συχνότητα f2 και η δέσμη μέτρησης f1 Ορίζεται ένα σήμα «παρεμβολής» με συχνότητα f2-f1, εάν δεν υπάρχει μετατόπιση του κινητού κατόπτρου. f2-( f1±δf1), εάν υπάρχει μετατόπιση, ±Δf1 ανάλογα με την κατεύθυνση της μετατόπισης (Doppler) Η γνωστή συχνότητα της δέσμης αναφοράς, συγκρίνεται με τη άγνωστη συχνότητα της δέσμη μέτρησης περιοδικά Τα σημεία αλλαγής φάσης από αρνητική σε θετική της δέσμης αναφοράς χρησιμοποιούνται για τον ορισμό κύκλων αναφοράς. Οι διαφορές φάσης της δέσμης μέτρησης από ένα κύκλο αναφοράς στον επόμενο προστίθενται δείχνουν μία αντίστοιχη μεταβολή συχνότητας Doppler αυτή συνδέεται με τη μετατόπιση του κινητού κατόπτρου. Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 7

Συμβολόμετρο δύο συχνοτήτων ΙΙ Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 8

Μέτρηση φάσης Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 9

Συμβολόμετρο δύο συχνοτήτων ΙΙ Μετράει και υπο-πολλαπλάσια του λ μέσω παρεμβολής στη σχέση μετατόπισης Δf Eίναι απαραίτητη αντιστάθμιση στις ατμοσφαιρικές συνθήκες που αλλάζουν το λ. Σφάλμα 1 ppm (δηλ. 0.0001%) λαμβάνεται από μεταβολή της θερμοκρασίας κατά 1 C ή της υγρασίας κατά 30% ή της πίεσης κατά 2.5 mmhg. Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 10

Μέτρηση θέσης γραμμικού άξονα Γ.Βοσνιάκος-2009 Μετρολογία εργαλειομηχανών 11

Γ.Βοσνιάκος-2009 Μετρολογία εργαλειομηχανών 12

Διαδικασία μέτρησης θέσης Το κινητό κάτοπτρο τοποθετείται στον άξονα. Σφάλμα θέσης άξονα (διαφορετικό σε κάθε σημείο) = πραγματική απόσταση (μέτρηση με συμβολόμετρο) ονομαστική απόσταση (δίνεται από το πρόγραμμα CNC). Συστηματικό σφάλμα : συνδέεται με συγκεκριμένες κατασκευαστικές ατέλειες της μηχανής ή του συστήματος ελέγχου. Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 13

... Tυχαίο σφάλμα αναφέρεται στην επαναληψιμότητα της μηχανής. Διάγραμμα σφάλματος κατά μήκος του άξονα. Μπορεί να εισαχθεί στη μνήμη της μονάδας ελέγχου CNC Aντιστάθμιση κατά τον υπολογισμό των εντολών κίνησης πχ εάν στην θέση 132000 (μm) το σφάλμα είναι -35 μm η αντισταθμισμένη θέση θα είναι 132035 (μm). Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 14

Διαδικασία προσδιορισμού σφάλματος θέσης επιλέγονται οι θέσεις μέτρησης κατα μήκος του άξονα τυχαία κατανομή σημείων για μέτρηση και περιοδικού σφάλματος Καλύτερα : συμπληρωματικές μετρήσεις σε διάστημα 1-2 κύκλων μετράται το σφάλμα με τουλάχιστον 5 μετρήσεις ανά θέση προς τις δύο κατευθύνσεις προσέγγισης του άξονα για τον προσδιορισμό του σφάλματος υστέρησης το συστηματικό σφάλμα είναι η μέση τιμή σε κάθε θέση μέτρησης. το τυχαίο σφάλμα καθορίζεται στατιστικά σαν το εύρος μ±3σ (99.73% βεβαιότητα). περιοδικό σφάλμα προκύπτει από εκκεντρότητα αξονικού ρουλεμάν κοχλία κίνησης του άξονα εκκεντρότητα του αναλυτή ως προς τον κοχλία κίνησης σφάλμα των ηλεκτρονικών παρεμβολής της κλίμακας μέτρησης Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 15

Προοδευτικό και περιοδικό σφάλμα θέσης Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 16

Σφάλμα Abb στη μέτρηση σφάλματος θέσης προκύπτει όταν η κλίμακα μέτρησης απέχει (είναι παράλληλα μετατοπισμένη) από τον άξονα μέτρησης. τυπική περίπτωση ύπαρξης τέτοιου σφάλματος αποτελεί το παχύμετρο. το σημείο πρόσπτωσης της δέσμης συμβολομέτρου στο κινητό κάτοπτρο συνήθως απέχει από το άξονα πχ κατά το πάχος του τραπεζιού της εργαλειομηχανής συν το ύψος του κατόπτρου) εάν η τροχιά των γλιστρών δεν είναι ευθεία προστίθεται σφάλμα μέτρησης τύπου Abbé λόγω γωνιακής μετατόπισης του κατόπτρου στις θέσεις μέτρησης. Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 17

Μέτρηση σφάλματος ευθύτητας με συμβολόμετρο Σταθερό πρίσμα Wollaston διαφορετικοί συντελεστές ανάκλασης δίνουν διαφορετική οπτική διαδρομή για διαφορετικά πολωμένες δέσμες φωτός (συχνότητες) Συνεργαζόμενο κινητό κάτοπτρο γωνιακού τύπου Μετατρέπεται η μετατόπιση κάθετα στην κύρια κίνηση σε διαφορά οπτικών διαδρομών των δύο δεσμών Η ακρίβεια μέτρησης εξαρτάται από την ακρίβεια κατασκευής των πρισμάτων (επιπεδότητα, γωνία κλπ). Είναι δυνατή επίσης η μέτρηση καθετότητας με την παραπάνω διάταξη με χρήση οπτικού τετραγώνου. Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 18

Σφάλμα ευθύτητας Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 19

Γωνιακό σφάλμα μικρές γωνιακές αποκλίσεις περί το μηδέν πχ κατά την κίνηση εργαλειοφορείου Yaw Pitch Roll μεγάλες γωνιακές κινήσεις πχ στην περίπτωση διαιρέτη «σφάλμα περιστροφής» κλίσεις Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 20

Yaw-Pitch-Roll Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 21

Μεγάλες γωνιακές κινήσεις Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 22

Μέτρηση yaw-pitch με συμβολόμετρο διπλό γωνιακό πρίσμα Η δέσμη συχνοτήτων f1 και f2 δίνει δύο παράλληλες δέσμες αντίστοιχων συχνοτήτων η κάθε μια ανακλάται στο αντίστοιχο γωνιακό πρίσμα και οδηγείται πίσω στο σημείο συμβολής Εάν το διπλό πρίσμα έχει κινηθεί γωνιακά η οπτική διαδρομή των δύο δεσμών διαφέρει ή μεταβάλλονται οι συχνότητες τους Ακρίβεια μετρήσεων της τάξης του 0.1. Εναλλακτική της μέτρησης με autocollimator. Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 23

Μέτρηση μικρών γωνιών με συμβολόμετρο Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 24

Μέτρηση yaw-pitch με τηλεσκόπιο (autocollimator) Δέσμη φωτός ανακλάται από επίπεδο κάτοπτρο και η απόκλιση του ειδώλου συσχετίζεται με τη γωνία στροφής του κατόπτρου. Φωτιζόμενο σταυρόνημα στο επίπεδο εστίασης σύστημα παρατήρησης με μικρόμετρο για μέτρηση της μετατόπισης. η ανακλώμενη δέσμη σχηματίζει το είδωλο του σταυρονήματος στο ίδιο επίπεδο εστίασης Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 25

... ακρίβεια μέτρησης της τάξης του 0.1 μέγιστη απόσταση μετρήσεων : τυπικά 30 μέτρα. πιθανό σφάλμα από μη επιπεδότητα κατόπτρου παραλλαγές : φωτοηλεκτρική διάταξη για την ρύθμιση της εικόνας σερβο-μηχανισμός για αυτόματη ευθυγράμμιση στάδιο εξόδου για σύνδεση με Η/Υ. φώς από πηγή laser με δυνατότητα ταυτόχρονης μέτρησης σε 2 άξονες. Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 26

autocollimator Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 27

Ευθυγράμμιση - επιπεδότητα κατόπτρου Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 28

Autocollimators Η επιπεδότητα του κατόπτρου ανάκλασης παίζει σημαντικό ρόλο όταν η ευθυγράμμιση του autocollimator με τον άξονα της κίνησης του κατόπτρου δεν είναι καλή. Το autocollimator μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση ευθύτητας των ολισθητήρων μιάς εργαλειομηχανής H καθετότητα ελέγχεται με χρήση οπτικού τετραγώνου για τη στροφή της προσπίπτουσας δέσμης κατά 90. Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 29

Μέτρηση σφάλματος περιστροφής με autocollimator Χρησιμοποιείται οπτικό πολύγωνο ακριβείας (συνήθως 12γωνο) Τοποθετείται στο κέντρο του τραπεζιού. Το τραπέζι περιστρέφεται με βήμα ίσο με τη γωνία του πολυγώνου Η δέσμη του autocollimator προσπίπτει κάθετα σε κάθε πλευρά. Η απόκλιση της ανακλώμενης δέσμης δίνει το σφάλμα Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 30

... Το σφάλμα γωνίας του πολυγώνου πρέπει να ληφθεί επίσης υπόψη. Η επιπεδότητα της κάθε πλευράς του πολυγώνου επηρρεάζει εάν υπάρχει εκκεντρότητα μεταξύ κάθετου άξονα του πολυγώνου και άξονα του τραπεζιού. Ο βασικός περιορισμός είναι ότι το βήμα περιστροφής υπαγορεύεται από τον αριθμό πλευρών του πολυγώνου. Πολύγωνα με 72 πλευρές είναι πιό πρακτικά αλλά ακριβά. Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 31

Μέτρηση σφάλματος περιστροφής Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 32

Μέτρηση pitch & roll με ηλεκτρονική στάθμη αρχή λειτουργίας αυτή του εκκρεμούς κάθε απόκλιση του εκκρεμούς από την κατακόρυφο, λόγω κλίσης του «περιβλήματος» γίνεται αντιληπτή ως αλλαγή χωρητικότητας (πυκνωτή). Ακρίβεια 0.1. το σύστημα απόσβεσης εξασφαλίζει χρόνο ηρεμίας μεταξύ μετρήσεων μικρότερο του 1 sec, πράγμα που επιτρέπει λήψη συνεχών μετρήσεων μέσω Η/Υ. ο έλεγχος ευθύτητας μέτρηση επιπεδότητας τραπεζιού εργαλειομηχανής. Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 33

Μέτρηση ευθύτητας με ηλεκτρονική στάθμη διαίρεση του συνολικού μήκους μέτρησης σε επιμέρους τμήματα προσδιορισμός της κλίσης του κάθε τμήματος ως προς την οριζόντιο. διάγραμμα υψομετρικής διαφοράς των άκρων κάθε τμήματος βλ. γραμμή Α0-Α1-Α2 Αn ευθεία ελαχίστων τετραγώνων προσεγγίζει τα σημεία βρίσκονται τα δύο σημεία που απέχουν περισσότερο από αυτήν (ένα σε κάθε ημι-επίπεδο). αυτά ορίζουν την στενότερη περιβάλλουσα ζώνη το εύρος αυτής = ευθύτητα. Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 34

Μέτρηση επιπεδότητας με ηλεκτρονική στάθμη επέκταση της μέτρησης ευθύτητας. αρχικά λαμβάνονται μετρήσεις ευθύτητας κατά μήκος των παράλληλων ευθειών Α0- Αn, B0- Bn,, Ζ0- Zn. στη συνέχεια λαμβάνονται μετρήσεις ευθύτητας κατά μήκος της ευθείας A0-B0-C0- Zn. δίνουν την απόσταση των αντίστοιχων σημείων από το οριζόντιο επίπεδο που διέρχεται από το σημείο Α0. Επιπεδότητα = η ελάχιστη απόσταση δύο παράλληλων επιπέδων που περιέχουν τις μετρήσεις. Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 35

Μετρήσεις με ηλεκτρονική στάθμη Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 36

Laser ευθυγράμμισης εργαλειομηχανών δέσμη laser χαμηλής ισχύος ως αναφορά, λόγω ισχυρής «συνεκτικότητας» και «κανονικής» κατανομής της έντασης του φωτός περί τον άξονα της δέσμης. Η κεφαλή βρίσκεται σε βάση ρυθμιζόμενης κλίσης. Αποκλίσεις από τον άξονα της δέσμης αυτής μετρώνται με τη βοήθεια ενός τετραπλού φωτοκυττάρου, Οποιαδήποτε θέση της δέσμης στον φωτοκύτταρο αναλύεται σε δύο μετατοπίσεις. Το σύστημα μετρά γραμμική μετατόπιση που όμως είναι συνάρτηση της γωνιακής απόκλισης. Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 37

Ευθυγράμμιση με laser Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 38

Διάταξη φωτοδιόδου Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 39

Μέτρηση κινηματικού σφάλματος κατά τη συνεργασία δύο αξόνων. πχ συγχρονισμός αξόνων για την κοπή σπειρωμάτων σε κέντρο τόρνευσης. μέτρηση γωνίας περιστροφής της ατράκτου με πολύγωνο ακριβείας στο τσώκ και autocollimator και γραμμικής μετατόπισης του εργαλειοφορείου. με συμβολόμετρο. συγχρονισμός μετρήσεων με «στροβοσκοπικούς» παλμούς. Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 40

... πχ συγχρονισμός των αξόνων Χ και Ζ κέντρου τόρνευσης. μέτρηση σφάλματος θέσης με 2 συμβολόμετρα τα σφάλματα που μετρώνται αντικατοπτρίζονται σε σφάλματα του προφίλ τεμαχίων που απαιτούν παρεμβολή σε 2 άξονες, πχ με σφαιρικές ή κωνικές επιφάνειες Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 41

Κινηματικό σφάλμα αξόνων τόρνου X-Z Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ Μετρολογία εργαλειομηχανών 42

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ