Dynamické měření přímosti u CNC obráběcích strojů

Abstract

Dizertačná práca sa zaoberá experimentálnym a numerickým štúdiom geometrickej presnosti v CNC obrábacích strojoch. Súčasne zavedené statické interferometrické merania poskytujú profil geometrickej priamosti s vysokou rozlišovacou schopnosťou, avšak za cenu dlhých meracích časov a prerušenia prevádzky stroja. Naopak, dynamický interferometrický režim umožňuje spojitý prejazd osi a kontinuálny záznam interferometrických údajov, čím výrazne skracuje čas akvizície. Výzvou pri tomto prístupe je citlivosť na okolité podmienky, ako napríklad teplota, tlak, vlhkosť a prúdenie vzduchu, ktoré vplývajú na index lomu vzduchu, stabilitu optickej dráhy a tým na výslednú neistotu merania geometrickej presnosti. Cieľom tejto práce je predstaviť vylepšený interferometrický režim merania geometrickej presnosti veľkého obrábacieho stroja. Experimentálne bola overená vhodnosť dynamického režimu merania pre overenie presnosti polohovania malého CNC obrábacieho stroja. Pozornosť sa zamerala na experimentálne overenie priamosti skúmaných malých a veľkých CNC strojov a numericky bola vyhodnotená neistota merania na základe navrhnutého rozpočtu chýb pre uhlovú optiku. Neistota merania bola rozšírená o príspevok šumu meraných dát a celkový vplyv neistoty bol kvantifikovaný Monte Carlo propagáciou do výslednej hodnoty priamosti. Okrem toho bol tiež skúmaný vplyv rozsahu teplôt na neistotu šumu interferometrických meraní. Dosiahnuté výsledky ukazujú, že navrhovaná metodika dynamického režimu merania dokáže na veľkých strojoch skrátiť čas odmerania priamosti o desiatky minút pri zachovaní porovnateľnej presnosti s rozdielom do 10 % voči statickému režimu. Zároveň sa preukázalo, že šum meraných dát predstavuje významný príspevok do celkovej neistoty a musí sa explicitne zahrnúť do rozpočtu neistôt, najmä pri vyšších rýchlostiach posuvu a v menej stabilných podmienkach prostredia.

The dissertation thesis deals with the experimental and numerical study of geometric accuracy in CNC machine tools. Currently introduced static interferometric measurements provide a geometric straightness profile with high resolution, but at the cost of long measurement times and interruption of machine operation. On the contrary, the dynamic interferometric mode allows for continuous axis movement and continuous acquisition of interferometric data, thereby significantly reducing the acquisition time. The challenge with this approach is the sensitivity to ambient conditions, such as temperature, pressure, humidity and air flow, which affect the refractive index of air, the stability of the optical path and thus the resulting uncertainty in geometric accuracy measurements. The aim of this work is to present an improved interferometric mode for measuring the geometric accuracy of a large machine tool. The suitability of the dynamic measurement mode for verifying the positioning accuracy of a small CNC machine tool was experimentally verified. The focus was on experimental verification of the straightness of the investigated small and large CNC machines, and the measurement uncertainty was numerically evaluated based on the proposed error budget for angular optics. The measurement uncertainty was extended by the contribution of the noise of the measured data, and the total impact of the uncertainty was quantified by Monte Carlo propagation into the resulting straightness value. In addition, the impact of the temperature range on the noise uncertainty of interferometric measurements was also investigated. The results achieved show that the proposed methodology of the dynamic measurement mode can reduce the straightness measurement time on large machines by tens of minutes while maintaining comparable accuracy with a difference of up to 10 % compared to the static mode. At the same time, it was shown that the noise of the measured data represents a significant contribution to the total uncertainty and must be explicitly included in the uncertainty budget, especially at higher feed rates and in less stable environmental conditions.