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研究生:郝家駿
研究生(外文):Chia-chun Hao
論文名稱:OMP400觸發式探頭整合於四軸CNC雕刻機進行加工間檢測與避障問題之研究
論文名稱(外文):Research on the in-process and interference-free measurement by integrating an OMP400 touch trigger probe with a 4-axis CNC engraving machine
指導教授:修芳仲
指導教授(外文):Fang-jung Shiou
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣科技大學
系所名稱:機械工程系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:175
中文關鍵詞:OMP400觸發式探頭加工間檢測風扇葉片四軸CNC雕刻機三次元量測儀干涉避障
外文關鍵詞:OMP400 touch trigger probein-process measurementfan blade4-axis CNC engraving machineCMMinterference-free
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本研究主要目的是利用OMP400觸發式探頭(touch trigger probe)整合於四軸CNC雕刻機上進行加工間檢測(in-process measurement),並針對量測時所會面臨之干涉與避障問題(interference-free)進行探討與研究。本研究所使用之OMP400觸發式探頭具有高精度及高重複性,以標準環規(D=39.997 mm)校驗之結果透過標準差計算,其誤差約為1 μm,可應用於量測複雜之3D自由曲面及規則幾何形狀,因此適合應用於CNC工具機台上進行綜合性的量測。
在量測系統架構方面,以個人電腦為基礎,並將OMP400觸發式探頭與四軸CNC雕刻機進行軟硬體的整合,將機台之NC控制器與個人電腦進行資訊整合,透過RS-232串列通訊埠,可將加工與量測所需之NC程式碼經由PC傳送至NC控制器,以驅動工具機進行加工間檢測。加工間檢測所使用的載具為風扇葉片,由於葉片上的量測點應用於四軸CNC雕刻機上進行加工間檢測時,會有干涉情況產生,因此本研究特地針對干涉避障等問題,透過演算法與避障流程,規劃出最適合之量測路徑,以達到安全及符合省路徑等需求。
在量測點資料誤差比對方面,利用三次元座標量測儀(CMM)量測相同載具,並與於四軸CNC雕刻機上進行加工間檢測之結果,進行量測誤差比對,經由量測四凸一凹自由曲面載具所得到之誤差約為11 μm,量測另一載具風扇葉片之第一片與第四片,其結果相對於CMM結果之誤差,分別為0.075 mm及0.077 mm,將第一片與第四片於CNC雕刻機進行加工間檢測,所得到之量測重複性誤差皆在5 μm以內,成功的驗證OMP400觸發式探頭進行量測時,其重複性與精度良好,因此可實際整合於四軸CNC雕刻機上進行加工間檢測。
The objective of this study is to develop a 4-axis in-process measurement system by integrating an OMP400 touch trigger probe system with a 4-axis CNC engraving machine to measure the fan blades with no collision. The vector-based measurement function having been provided, the OMP400 probe is a viable solution for 3D in-process measurement of mould, die and other complex parts on a machine tool. The deviation of the repeatability measurement of a gauge block of 100 mm using the OMP400 probe was about 0.25 micron. The deviation of the center coordinates of a ring gauge was, in general, within 1.0 microns, based on the calibration results.
The information in the developed in-process measurement system, comprising a personal computer, a 4-axis CNC engraving machine controller, and a RENISHAW OMP400 touch trigger probe system, was integrated technically. A set of measuring software programmed with Visual Basic 6.0 was developed to configure the measuring path and to process the measured data points. A fan was used as a test carrier to carry out the in-process measurement. The complex surfaces of the fan blades result in the difficulty in both machining and inspection. Utilizing the proposed interference-free algorithm, the interference-free measurement paths could be configured and the required NC codes could be generated by the developed 4-axis in-process measurement system for the inspection of the fan blades. The measurement errors of the in-process system for the fan blades were verified by the measurements using a 5-axis CNC coordinate measurement machine (CMM). Based on the analysis results, the measurement errors of the first blade and the fourth blade using the OMP400 probe were 0.075 mm and 0.077 mm, respectively. The repeatability measurement error between the two blades was about 5 μm.
中文摘要 I
Abstract II
誌 謝 III
目 錄 IV
圖索引 VIII
表索引 XV
第一章 緒論 1
1.1 研究動機及目的 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 研究方法與論文結構 10
第二章 量測原理與設備之介紹 12
2.1 接觸式探頭量測原理及量測功能介紹 12
2.1.1 接觸式探頭量測原理 13
2.1.2 OMP400觸發式探頭量測功能 14
2.2 接觸式探頭量測及量測路徑生成的方式 16
2.2.1 接觸式探頭量測的方式 16
2.2.2 接觸式探頭量測路徑生成的方式 17
2.3 計算法向量的方法與自由曲面量測步驟 17
2.3.1 計算法向量的方法 18
2.3.2 探頭半徑補正 22
2.3.3 自由曲面量測步驟 23
2.4 四軸CNC高速雕刻機介紹 24
2.4.1 工具機精度校驗 25
2.5 接觸式探頭之不確定度分析 37
2.5.1 探頭校準 37
2.5.2 探頭之重複性量測(Repeatability measurement) 40
2.5.3探頭之精密度量測(Precision measurement) 40
2.6 實驗設備 45
第三章 量測系統之整合與介紹 47
3.1 硬體系統 50
3. 2 資訊系統 51
第四章 實驗載具製作與三軸檢測 58
4.1 四凸一凹自由曲面載具之檢測 58
4.2 風扇葉片實驗載具之製作 64
第五章 風扇葉片載具四軸量測之干涉與避障研究 70
5.1 干涉情況介紹 70
5.2 干涉避障演算法 73
5.2.1 干涉避障演算原理 73
5.2.2 干涉避障演算實際應用 76
5.3 干涉發生於量測路徑過程 86
第六章 量測路徑規劃與流程 88
6.1 於CNC雕刻機無干涉之四軸量測路徑規劃 88
6.2 量測路徑之流程 95
6.2.1 CNC雕刻機之量測路徑流程 95
6.2.2 CMM之量測路徑流程 99
第七章 量測實驗結果 103
7.1 實驗流程規劃 103
7.2 加工誤差比對 103
7.3 量測誤差比對 107
7.4 風扇葉片第一片與第四片量測結果之誤差比對分析 111
第八章 結論與未來研究方向 117
8.1 結論 117
8.2 未來研究方向 119
參考文獻 121
附 錄 一 127
附 錄 二 135
附 錄 三 136
附 錄 四 138
附 錄 五 143
附 錄 六 148
附 錄 七 152
附 錄 八 156
附 錄 九 168
附 錄 十 174
作 者 簡 介 175
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