7. Филатов Д. О., Круглое А. В. Исследование поверхности твердых тел методом сканирующей туннельной микроскопии (СТМ): Лабораторная работа. Н. Новгород: Нижегородского государственного университета, 2001.
8. Tersoff J., Hamann D. Theory of the scanning tunneling microscope // Phys. Rev. B. 1985. V. 31. P. 805—813.
9. Мандель А. M., Лоскутов А. И., Ошурко В. Б., Соломахо Г. И., Федотова Ю. А. Изучение поверхностных электронных состояний в полупроводниках посредством холодной эмиссии в сканирующих туннельных микроскопах // Успехи современной радиоэлектроники. 2013. № 11. С. 23—28.
10. Григорьев С. Н., Мандель А. М., Ошурко В. Б., Соломахо Г. И. Об определении эффективной фрактальной размерности нанопокрытий с помощью магнитного поля // Письма в ЖТФ. 2011. Т. 37. В. 24. С. 74—80.
11. Мандель А. М., Лоскутов А. И., Ошурко В. Б., Соломахо Г. И. О возможности определения локальной фрактальной размерности поверхности по вольтамперным характеристикам туннельного тока // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2013. № 2 (298). С. 56—61.
12. Niimi Y., Matsui T., Kambara H., Tagami K., Tsukada M., Fukuyama H. Scanning tunneling microscopy and spectroscopy of the electronic local density of states of graphite surfaces near monoatomic step edges // Phys. Rev. B. 2006. V. 73. P. 085421—085430.
13. Fujita M., Wakabayashi K., Nakada K., Kusakabe K. Peculiar Localized State at Zigzag Graphite Edge // J. Phys. Soc. Jpn. 1996. V. 65. P. 1920—1923.
14. Бычихин С. А., Галямов M. О., Потемкин В. В., Степанов А. В., Яминский И. В. Сканирующий туннельный микроскоп — измерительное средство нанотехники // Измерительная техника. 1998. № 4. C. 58—61.
15. Кузин А. Ю., Тодуа П. А., Панов В. И., Орешкин А. И. Особенности применения упорядоченных пленок молекул фуллеренов для калибровки сканирующих туннельных микроскопов при измерении геометрических параметров объектов // Измерительная техника. 2013. № 2. C. 10—15.
Дата принятия 15.04.2015 г.
621.9.08
Автоматическая коррекция объемных геометрических погрешностей программно-управляемых измерительных
и технологических систем
В. И. ТЕЛЕШЕВСКИЙ, В. А. СОКОЛОВ
Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»,
Москва, Россия, e-mail: vitel@stankin.ru
Рассмотрен метод лазерной коррекции геометрических погрешностей многокоординатного оборудования с программным управлением с применением калмановской концепции «наблюдения и управления». Для наблюдения за многокоординатной системой предложено использовать многофункциональную лазерную измерительную информационную систему, а для управления точностью — постпроцессор управляющих программ.
Ключевые слова: многокоординатные системы, объемная точность, лазерная коррекция.
The method of laser correction of geometric errors for multicoordinate program controlled equipment with application of Kalman's concept of «Observation and control» is considered. The multicoordinate system observation the use of versatile laser measuring system is proposed, and for accuracy control — the control programs postprocessor.
Key words: multicoordinate systems, volumetric accuracy laser measurements.
Современное машиностроение характеризуется принципиально новыми тенденциями развития [1—4]. Во-первых, следует отметить интеграцию измерительных и технологических операций в едином технологическом процессе, что существенно повышает производительность и точность обработки изделий. Оснащение технологического оборудования средствами измерений, например измерительными головками, в настоящее время становится «стандартной опцией поставки», предлагаемой производителями. Во-вторых, повышаются требования к точности изготовления и, как следствие, к точности измерений деталей машиностроения. Каж-
дые десять лет допуски на производство деталей ужесточаются на 1—2 квалитета, ч то соответствует ув еличению точности в 1,6—2,5 раза [3, 4]. В-третьих, во многих отраслях машиностроения (аэрокосмической, энергетическом машиностроении, автомобилестроении и др.) шире применяются детали сложных геометрических форм с более высокими эксплу-атационнымми и эргономическими характеристиками, чем детали с простыми поверхностями (плоскими, цилиндрическими, сферическими, коническими и др.). При этом возрастают требования не только к точности позиционирования отдельных рабочих органов технологического и измеритель-
ного оборудования, но и к объемной точности (ОТ) машины в целом — способности точно воспроизводить измерительным наконечником или режущей кромкой инструмента сложные трехмерные поверхности. Количественно ОТ характеризуется объемной погрешностью (ОП) — вектором между номинальным (заданным программно) и действительным положением рабочей точки (измерительного наконечника либо режущей кромки инструмента) в произвольной точке рабочего пространства машины. Впервые понятие ОТ введено в [5], и в последнее десятилетие проблематика ее повышения получила широкое распространение [6—8].
В настоящее время ресурс технологических возможностей повышения ОТ при изготовлении и сборке практически исчерпан, и продвижение в этом направлении (особенно применительно к высокоточным станкам, измерительным системам и КИМ) либо невозможно, либо экономически затратно [9]. Поэтому в метрологии совершенствуется другой метод повышения ОТ, основанный на измерениях геометрических погрешностей станка или КИМ с последующей их автоматической компенсацией [6, 7].
Развитию указанного направления повышения ОТ способствуют, с одной стороны, совершенствование систем программного управления процессами формообразования и измерений, а с другой — существенный прогресс в области измерений геометрических параметров [2]. В настоящее время на смену традиционным методам контроля приходят многофункциональные лазерные информационно-измерительные системы (ЛИИС), которые обеспечивают измерения в широком диапазоне перемещений (до нескольких десятков метров), бесконтактно, с высокой точностью (до 0,001 мкм) на высокой скорости перемещения рабочих органов (до нескольких метров в секунду), что позволяет охватить все типоразмеры и классы точности современного оборудования [2, 10, 11 ]. Более того, в последнее время появляются ЛИИС, способные за одно движение рабочего органа провести измерение до шести составляющих погрешности, что безусловно, повышает производительность процессов наблюдения [12].
Рассмотренные тенденции открывают принципиально новые возможности для повышения ОТ многокоординатных систем средствами электроники. Суть этих возможностей базируется на калмановской концепции дуальности процессов управления и наблюдения, разрабатываемых в системной динамике сложных управляемых систем [13]. В МГТУ «СТАНКИН» данная концепция, объединяющая процессы наблюдения и управления, впервые развивается применительно к программно-управляемым многокоординатным технологическими и измерительным системам [14—16].
Как было указано в [4, 14, 15], информационный поток в технологическом процессе, с одной стороны, связан с организацией воздействия на технологическую систему, т. е. с процессом управления (control), а с другой стороны, с наблюдением (observation), цель которого — построение модели состояния объекта на основе измерений разнообразных пространственных функций погрешности, перечень которых приведен в [9]. В [6, 9] было показано, что для построения модели состояния в виде карты распределения геометрических погрешностей системы в ее рабочем пространстве (error mapping) необходимо измерить большое число пространственных функций. Так, для трехкоординатной системы это число достигает 21, для пятикоординатной более 30 [6], для систем с большим числом координат оно воз-
растает еще сильнее. Однако в случае высокопроизводительной многофункциональной ЛИИС увеличивающийся объем наблюдений позволяет построить модель состояния за вполне разумное время. В [9] авторы осуществили построение модели состояния многокоординатной системы в виде распределения погрешностей в рабочем пространстве (более 10000 точек) путем измерений 21 пространственной функции погрешности и по разработанному алгоритму визуализировали распределение погрешности в рабочем пространстве за 40—50 с.
Таким образом, появляется возможность увеличить объем наблюдений, получить более полную и информационно насыщенную модель состояния и на ее основе эффективно скорректировать ОП. Более полное знание ОП требует увеличения времени наблюдения. Однако благодаря использованию многофункциональной ЛИИС, результаты которой вводятся в память производственного процесса, модель состояния может служить длительное время при обработке разных деталей. При эксплуатации каждой конкретной технологической системы необходимо установить регламент, по которому эта модель подвергается контролю и корректировке.
Построение модели состояния технологической или измерительной системы активно рассматривается в современной литературе. Для этой цели используются методы Дена-вита—Хартенберга [17], описания кинематики твердого тела (rigid body kinematics) [18] и множества твердых тел (Multiple-body kinematics) [19], матричной симуляции [20]; анализируются не только систематические, но и случайные характеристики точности оборудования [21].
В качестве объекта наблюдения и управления был выбран вертикально-фрезерный обрабатывающий центр с тремя управляемыми координатами — станок модели VF3 фирмы «HAAS» (США). Компоновка данного станка соответствует рассмотренной в [9] и распространенной как среди измерительных машин, так и среди станков с горизонтальным столом, перемещающимся по осям X, Y, Z.
Рис. 1. Распределение объемной погрешности в рабочем пространстве машины после проведения коррекции, размеры выражены в микрометрах. Белая точка О' — оптимальное начало координат пространства
Рис. 2. Иллюстрация метода коррекции погрешностей: черный цвет — векторы погрешностей в соответствующих точках, серый цвет — векторы погрешности в точке А
Основные характеристики станка: перемещения по осям X, Y, Т составляют 1016, 508, 635 мм, соответственно; погрешность позиционирования суппорта ±50 мкм,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.