Wstęp

W dniu 9 marca 2023 roku, po zmianie mocowania skanerów oraz po ich ostatecznym ustawieniu została przeprowadzona kalibracja według następującej procedury:

  • Kalibracja osi Z w skanerze

  • Kalibracja skanera w układzie współrzędnych obrabiarki

  • Czterokrotne powtórzenie pomiaru płytki wzorcowej na trzech różnych wysokościach skanowania

Kalibracja osi Z skanerów

Do sprawnego przeprowadzenie kalibracji skanera w osi Z użyto pierwszą płytkę kalibracyjną o wysokiej płaskości oraz azotowanej powierzchni.Płytka ta została ustawiona w przestrzeni obrabiarki z zachowaniem warunków geometrycznych (równoległość względem osi obrabiarki).

Nad tą płytką pozycjonowano skanery ustawiając je na wysokości 250 mm. W tym ustawieniu przeprowadzano procedurę kalibracji osi Z skanera.

Kalibracja skanera w układzie współrzędnych obrabiarki

Do kalibracji skanera w układzie współrzędnych obrabiarki wykorzystywano drugą, wzorcową płytkę kalibracyjną. Płytka ta (wzorzec) była również bardzo dokładnie ustawiona (z zachowaniem warunków geometrycznych) w układzie współrzędnych obrabiarki. We wzorcu tym jest wykonanych 35 otworów o średnicy 16 mm. Wzorzec ten został wcześniej zmierzony na maszynie pomiarowej. Wyniki pomiarowe w postaci współrzędnych każdego otworu wraz z wartością promienia posłużyły jako punkt odniesienia dla obliczeń dokładności skanowania. Aby jedna można było porównywać współrzędne wzorca ze współrzędnymi pochodzącymi ze skanera wyniki te zostały skorygowane o odpowiednie współczynniki kalibracyjne wyznaczone w taki sposób aby średnia odchyłka wynosiła 0.

Przy takim ustawieniu wzorca kalibracyjnego kalibracja była powtarzana wielokrotnie przy jednoczesnej korekcji skręcenia skanera wokół osi geometrycznych obrabiarki. Procedurę powtarzano do momentu uzyskania najlepszych możliwych wyników (najmniejszy skręt).

Po ostatecznym ustawieniu skanera wykonano ostatnią kalibrację ustalającą współczynniki kalibracyjne skanera wykorzystywane później podczas przeliczeń wyników uzyskiwanych z skanerów laserowych (z ich układów współrzędnych) na układ współrzędnych obrabiarki.

Czterokrotne powtórzenie kalibracji na trzech różnych wysokościach skanowania

Po takim przygotowaniu i przeprowadzeniu kompletnej procedury kalibracji, wykonano serię czterech pomiarów płytki wzorcowej (bez zmiany współczynników kalibracyjnych) za każdym razem dodając przed pomiarem ruch w osiach obrabiarki oraz ponowny najazd na punkt pomiarowy. Procedurę tą powtórzono na trzech różnych wysokościach skanowania 260, 255 oraz 250.

Rozkład odchyłek wyników pomiarowych

Jak nadmieniono we wstępnie dla każdego wyniku pomiarowego odpowiadającego każdemu z 35 otworów płytki wzorcowej wyznaczono odpowiednią odchyłkę pomiarową. Rozkład tych odchyłek przedstawiono w poniższej tabeli oraz na box-plocie.

Odchyłka Kanał min średnia max zakres
dr 1 -0.126 -0.007 0.128 0.254
dr 2 -0.123 -0.012 0.098 0.221
dx 1 -0.112 -0.002 0.116 0.228
dx 2 -0.097 0.004 0.092 0.189
dy 1 -0.149 -0.007 0.089 0.239
dy 2 -0.100 -0.013 0.087 0.188
dz 1 -0.048 0.021 0.102 0.150
dz 2 -0.158 -0.014 0.054 0.212

Jak widać na powyższym wykresie 75% odchyłek mieściło się w zakresie ±0.05 mm.

Moduł odchyłki na płaszczyźnie X-Y

Dla każdej pary współrzędnych X-Y poszczególnych otworów wyznaczono moduł oraz kąt odchyłki. Rozkład modułów przedstawia się następująco.

Jak można zauważyć ponad 75% wszystkich modułów odchyleń miało wartość poniżej 0.075 mm.

Skręt skanera

Dysponując takimi wynikami można było wyznaczyć skręt skanera wokół poszczególnych osi układu współrzędnych. W przypadku skręcenia wokół osi X oraz Y na uzyskane wyniki ma wpływ zarówno fizyczne ustawienie skanera jak i kalibracja w osi Z. W przypadku skrętu wokół osi Z wpływ ma jedynie fizyczne ustawienie skanera.

Skręt skanera wyznaczono zarówno dla każdego z serii czterech pomiarów oraz wyznaczono wspólnie jedną wartość dla wszystkich czterech pomiarów. Skręt skanera to współczynnik stojący przy zmiennej x w równaniu regresji pokazanej na wykresach. Dla przykładu równanie regresji liniowej wspólne dla czterech pomiarów dla kanału pierwszego oraz wysokości skanowania 255 wynosi y = 0.0246 + 0.000129x co oznacza, ze skręt skanera wokół osi X to 0.000129 na 1 mm lub inaczej 0.129 mm/m.

Skręt skanera wokół osi X

Jak można zauważyć istnieje pewna zależność pomiędzy wysokością skanowania a uzyskiwanym skrętem skanera. Jest to jednak cecha związana z dokładnością samego skanera laserowego.

Skręt skanera wokół osi Y

Skręt skanera wokół osi Z

Skręt wokół osi Z ma największe znaczenie na błąd pomiaru położenia otworu na płaszczyźnie X-Y. Jak można zauważyć na powyższym wykresie udało się ustawić skanery w taki sposób że błąd ten jest w najgorszym przypadku nie większy niż 0.15 mm/m.

Moduł odchyleń na płaszczyźnie X-Y

Wszystko to składa się na ostateczny wynik pomiaru gdzie najbardziej istotny jest błąd wyznaczenia osi otworu na płaszczyźnie X-Y.

Poniższy wykres przedstawia moduły odchyleń wyników pomiarowych każdego z otworu. Każdy moduł odchylenia reprezentowany jest przez strzałkę której długość została zwiększona 100 razy tak aby można było wizualnie oszacować wielkość tego błędu. Dla każdego pomiaru wyrysowano osobną strzałkę modułu. Strzałki te w znaczne mierze się pokryły co świadczy o dużej powtarzalności pomiarów.

Odchyłki w osi Z oraz odchyłki promienia na płaszczyźnie X-Y

Na koniec przedstawiono odchyłki w osi Z oraz odchyłki promieni otworów na płaszczyźnie X-Y. Wielkość odchyłki jest zakodowana zarówno w wielkości punku (największa odchyłka = największa średnica punku) oraz w kolorze punktu (największa odchyłka = kolor czerwony).