精密机械性能检测

精密機械性能檢測2008/3/72評分標準•期中考40%•期末考20%•實習報告及上課情形40%2008/3/73課程大綱5/16期末考(林志哲)十二(5/16)切削測試（PMC,賴永祥等專家）及PMC參觀(林志哲)十一(5/9)雷射干涉儀測試/循圓測試實習(IV)定位量測（PMC,賴永祥等專家）十(5/2)雷射干涉儀測試/循圓測試實習(III)振動與噪音檢測（PMC,賴永祥等專家）九(4/25)期中考暫停實習4/18期中考（PMC,賴永祥等專家）八(4/18)雷射干涉儀測試/循圓測試實習(II)靜動剛性模態測試（PMC,賴永祥等專家）七(4/11)放假六(4/4)雷射干涉儀測試/循圓測試實習(I)迴轉精度測試（PMC,賴永祥等專家）五(3/28)動平衡實習/表面粗度測試(IV)循圓測試（PMC,賴永祥等專家）四(3/21)動平衡實習/表面粗度測試(III)溫昇熱變形（PMC,賴永祥等專家）三(3/14)動平衡實習/表面粗度測試(II)3/8主軸動平衡、主軸拆卸、裝配及跑合測試（PMC,賴永祥等專家）動平衡實習/表面粗度測試(I)3/7精密機械性能檢測之介紹(林志哲)二(3/7,3/8)放假2/29彈性放假調整到3/8一(2/29)星期五16:20~17:10星期五13:10~16:10週數2008/3/74內容一、檢驗與測試二、工具機架構三、加工常見問題四、檢驗標準、項目與相關儀器五、實習原理2008/3/75一、檢驗與測試•檢驗―依國家,國際標準檢驗之合格與否–JISB6333,B6336•測試―歐美相關協會團體推薦規範之狀況敘述–VDI3441NC工具機定位精度測試方法–ASMEB5.54M/C性能測試規範，內含DBB測試方法–ISO10791-6，ISO230•實切―綜合性整體表現之評價方法1.概念2008/3/76•早期均為專用機，以實切測定為主•一次大戰，德國以工具機抵充戰敗賠款，引發汎用機檢驗的需求•直接測定―測定機器特性間接測定―加工試驗(刀具、工件材料、夾持方法)•儀器與電腦發展，促進各種測定方法的興起(雷射、振動、溫升、熱移)2.發展沿革2008/3/771.五大結構件2.進給系統3.主軸系統4.電控系統二、工具機2008/3/78綜合加工機（立式C型）2008/3/79綜合加工機（龍門型）2008/3/710龍門型1.五大結構件圖主軸頭工作台鞍座底座立柱2.工具機進給系統工件馬達聯軸器導螺桿螺帽工作檯軸承2008/3/7133.主軸系統（內藏馬達式）4.電控系統(操作面版)三、加工常見問題•尺寸精度:定位精度,重現精度,靜剛性•幾何精度:輪廓精度,真圓度•表面精度:粗糙度,切削顫振,動剛性•加工效率:材料移除率,CycleTime1.加工需求分類：正常異紋A.機械剛性不足2.加工範例：B.機台結構低頻振動C.機台結構低頻振動2008/3/720良品不良品D.伺服響應不足摘自MAKINO型錄資料2008/3/721E.頻寬響應不足之過切2008/3/722F.伺服參數不良之換向過切2008/3/723G.主軸馬達振動不良正常異紋顫振正常H.切削顫振2008/3/725I.加減速控制不當2008/3/7263.機台構造與控制系統•構造：(1)整體構造：立式、臥式、門型、五面(2)滑軌：滑動、滾動、靜壓(油氣浮動)(3)配重：無、配重塊、油壓直接連結、鏈條懸吊、平衡重量%(4)滑動體：X、Y、Z三軸狀態(5)導螺桿：Pitch、軸承、支撐固定方式(6)控制方式：全閉或半閉迴路2008/3/727機台構造與控制系統(續)(7)檢出器：＊全閉迴路a.滑動體及光學尺安裝不良－SCALE誤差b.受電壓相位偏差或磁場干擾－週期性誤差＊半閉迴路：角度檢出器：其servonoise的雜訊，易影響其定位精度。2008/3/728•控制：(1)控制器種類：Fanuc、西門子、Heidenhain…(2)回授方式：半閉迴路、全閉迴路(3)伺服馬達：型式、特性(4)參數調整：位置增益、速度增益…機台構造與控制系統(續)2008/3/729控制迴路架構2008/3/730伺服加減速架構2008/3/731補間前加減速2008/3/732補間後加減速2008/3/733補間前加減速形式2008/3/7344.NC工具機加工精度影響因子•靜變形•動變形•熱變形•運動誤差•運動應答•工具磨耗2008/3/735•機台方面•結構剛性、功率、轉速、進給速率...•伺服控制性能•刀具方面•材質、硬度、直徑、長度、刀刃數...•工件方面•材質、硬度、幾何形狀...•周邊•工件夾持、刀具夾持、加工程式、冷卻...2008/3/7365.誤差原因分類A.定位機構B.導軌C.進給系統E.伺服控制2008/3/737A.定位機構誤差•光學尺之伸縮誤差、內插誤差•導螺桿之節距誤差、節距補償值不當•背隙或補償不當•止推軸承安裝錯誤之週期性誤差•位置或角度檢出器、速度檢出器之雜訊2008/3/738B.導軌之形狀誤差•兩軸間直角度誤差•真直度誤差加工、組合所產生機座不良所產生重量移動所造成•搖擺誤差、平行度誤差•管線、護罩之干涉2008/3/739C.進給誤差•失位誤差•尖角誤差•黏滯現象•配重系統之振動•動壓造成滑動體之浮昇2008/3/740D.伺服控制•位置迴路•速度迴路•伺服響應頻寬•加減速控制2008/3/741ISO230-1－靜態精度ISO230-2－動態精度ISO230-3－熱變位測試ISO230-4－循圓測試ISO230-5－噪音測試ISO230-6－安全測試ASMEB5.54四、檢驗標準、項目與相關儀器1.工具機常用檢驗標準2008/3/7422.測試項目(A)1.靜剛性測試2.動剛性測試3.進給加速度4.主軸空轉振動5.動態迴轉精度6.溫升熱變形（主軸、進給軸）7.模態測試8.循跡精度（DBB,KGM）9.切削性能測試2008/3/743測試項目(B)以上三者動剛性切削性能加工精度結構進給主軸相關部位幾何精度定位精度主軸偏擺即時精度結構模態FEA分析加速度動態迴轉精度運轉振動熱漂移熱傾斜動態特性經時精度2008/3/7443.診斷工具與儀器l雷射定位精度量測l靜剛性量測裝置l循圓測試儀(DBB）l非接觸式動態精度測試儀(KGM)l真圓度機l主軸迴轉精度與溫昇變位量測儀l動平衡校正儀l有限元素分析技術(FEA)l模態測試技術(Modaltest)l切削顫振量測儀l表面粗度儀2008/3/7454.實習原理•雷射干涉儀量測•循圓量測•主軸動平衡量測•工件表面粗度量測2008/3/746雷射量測•WhatisLaser?–LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation.–雷射（音譯）、激光（意譯)•雷射主要特性：–高強度–高度方向性–空間及時間同調性佳–窄帶寬–單色性佳PMC精密機械研發中心開發技術部2008/3/747n雷射簡介n固體雷射：固體密度高，能夠瞬間產生大能量輸出，及峰值功率很高，結構緊湊，牢固耐用，但要連續高功率輸出較難。nRubyLASER：主要波長為694nm之紅光。極短脈衝，高尖峰功率。做為測距或醫療等用途。nNd-YAGLASER：主要波長為1060nm的紅外光。功率高，又可連續脈衝，用途極廣。做為畫線、修整、標記、切割、焊接、測距、醫療等。nKTPLASER：由晶體KTP將Nd-YAG雷射倍頻，可產生波長532nm之綠光。n半導體雷射：體積小、重量輕、結構簡單、價格便宜，能量轉換效率高，又可直接由電源調制。但是體積小散熱不易，因受溫度影響大，而且光發散角較大，輸出功率較小。nInGaAsPLASER：主要波長在1.0-1.7μm之間，往高功率發展。光通訊用。n面發光型半導體LASER：可應用在電子構裝上。nAlGaAsLASER：主要波長範圍為650-905nm之間，往高功率發展。當作固體雷射的激勵光源或直接用於小型雷射加工，並被醫療的針灸或診療用。2008/3/748雷射干涉儀基本原理雷射干涉儀主要是應用麥克森(Michelson)干涉原理，以穩頻雷射為光源，構成一個具有干涉作用之量測系統，雷射光經由分束鏡(beamsplitter)，又稱半反射鏡(semi-reflector)，將光束一分為二，一束射向一個固定反射鏡形成參考路徑，一束射向可移動之反射鏡形成量測距徑。這二反射鏡所反射的光，回到分束鏡內重新會合，合併成一道光束並產生干涉條紋射至光電感測器，因感測器感測出這些條紋的明暗變化，經由後級信號處理電路加以處理，即能計算出移動反射鏡(待測物)所移動的距離。(節錄自“精密量具及機件檢驗”一書))]2cos(1[:::)2cos(20212121cdIIIIcdcdIIIII==++=若分光強度相同，光速反射鏡移動距離雷射光之頻率感測器量得之光強度PMC精密機械研發中心開發技術部2008/3/749(I)雷射干涉儀(LaserInterferometer)量測物件（平台）移動之精確距離，配合不同之分光及干涉鏡可作多軸量測測量範圍：長度：40m角度：20O測量解析度：長度：1nm角度：0.1秒環境要求：有溫濕度感測器，可自動補償，但精度會受氣流擾動影響。雷射干涉儀基本規格（HP5519A)PMC精密機械研發中心開發技術部2008/3/750雷射干涉儀基本長度量測方法及步驟◎固定干涉儀本體(1)及干涉鏡(2)，架設反射鏡於被測件（平台）上，調整位置(3,9)使干涉光強度最大(4)，架設溫度感測器於被測件上（8,周布)，架設濕度感測器於被測件附近，依電腦(4)中量測控制程式操作進行量測及分析。(節錄自“精密量具及機件檢驗”一書)PMC精密機械研發中心開發技術部2008/3/751PMC精密機械研發中心開發技術部雷射干涉儀精密定位檢測示意圖2008/3/752LaserAngularErrorMeasurementPMC精密機械研發中心開發技術部2008/3/753量測結果之標準誤差示意圖PMC精密機械研發中心開發技術部2008/3/754定位精度量測結果範例è兩端與中央背隙不均一PMC精密機械研發中心開發技術部2008/3/755進給系統定位精度檢測例(未補償前)定位精度為71.923μm，重覆精度為2.047μmPMC精密機械研發中心開發技術部2008/3/756(II)、循圓量測•機台開發試作階段之性能診斷•出貨之調整及精度檢查•定期檢查保養以求精度之維持1.工作目的2008/3/7572.循圓儀器介紹量測儀品牌有：(a)Renishaw(b)Heidenhain(c)A.P.I(d)J.B.Bryan(e)C.D.Measurements(f)CaryRing較多廠家採用Renishaw、A.P.I、Heidenhain2008/3/758A.循圓測試儀（DBB,DoubleBallBar）2008/3/759(1)轉換器(2)剛球(3)磁性球面座(4)磁性短桿(5)剛球固定座(6)刀把(7)延長桿原理介紹2008/3/760DBB儀器規格•型號：RENISHAWQC10循圓測試儀•採樣率：250點/秒(最大)•標準長度：100mm(兩球中心距離)•行程：-1.25mm~+1.75mm•解析度：0.1μm•測量範圍：±11mm•精度：±5μm(20℃)2008/3/761量測原理•循圓量測儀檢測部分是安裝一個線性差動變壓器(LVDT)(Linear-variable-Differential-Transformer)2008/3/762線性差動變壓位移計-基本構造2008/3/763線性差動變壓位移計-特性1.解析度:0.01um2.頻寬:DC~數百Hz3.耐振、耐久不易損耗4.無摩擦及遲滯(hysteresis)現象5.輸出電壓和鐵心之位移成正比6.小型、重量輕、驅動力小7.鐵心和線圈本體可以分離8.可連接的負載阻抗範圍廣9.對側向移動不敏感2008/3/764線性差動變壓位移計-注意事項1.殘留電壓。2.溫度誤差。3.頻率誤差。4.相位差。