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研究生: 林宜宏
Lin, Frederick E HUNG
論文名稱: 串列通訊直接姿態回授工具機研發
Development of a EtherCAT Based CNC Machine Tool with Direct Pose Feedback
指導教授: 雷衛台
Lei, Wei Tai
口試委員: 徐永源
吳隆庸
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年: 2015
畢業學年度: 103
語文別: 中文
論文頁數: 85
中文關鍵詞: 工具機直接回授六維運動量測裝置串列通訊直接姿態回授
外文關鍵詞: Machine Tool, Direct feedback, MMD, EtherCAT, Direct Pose Feedback
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  • 傳統藉由馬達編碼器間接回授之工具機有螺桿節距誤差、背隙誤差、結構變形、組裝誤差等幾何誤差,及馬達生熱、室溫變化造成之熱誤差,本研究以具並聯機構之六維運動量測裝置直接量測工具機工具端相對工件端的姿態,進行即時直接回授控制,以消除機構鏈中所有元件之幾何誤差及熱誤差。

    本研究改良現有Hexapod構型之六維運動量測裝置元件設計,以低熱脹係數之石英板材料設計上平板與下平板,以降低其受室溫變化影響造成之熱誤差。另外針對可伸縮量測桿受室溫變化及讀頭熱源影響產生之熱誤差,進行熱誤差實驗,提出補償方法,使六維運動量測裝置能在一定環境室溫變化條件之下,依然能夠維持其量測精度。

    本研究研發之直接姿態回授工具機採用EtherCAT串列通訊界面,以之回授六維運動量測裝置與工具機編碼器讀值並驅動伺服馬達,與傳統運動控制卡相比,EtherCAT串列通訊系統有更大彈性及節省配線的優勢。

    經定位實驗驗證,工具機在直接姿態回授控制下,能夠將X、Y、Z方向之定位精度分別由±2.6μm、±17.5μm及±8.3μm,大幅提升至±1.7μm、±1.8μm及±0.7μm;經加工實驗驗證,直接姿態回授控制可將主軸熱誤差造成之X及Z方向加工誤差分別由9.5μm及7.7μm,降低至2.2μm及1.7μm之內。


    The traditional machine tools with indirect feedback of motor encoders face the accuracy problems caused by geometric errors, like screw pitch error, backlash, structure deformation, assembly errors and thermal errors caused by the change of room temperature and the heat generated by motors. This research uses the Six-Degree Motion Measurement Device (MMD) to measure the pose of the tool relative to the workpiece and to perform the direct pose feedback control. By this way, all geometric and thermal errors within the mechanism chain of the machine tool can be eliminated.

    This research improves the original design of the Hexapod-type MMD. The top and bottom plate of the new MMD are made of Invar and Quartz, in order to reduce thermal errors caused by the change of room temperature. Furthermore, experiments are conducted to investigate thermal errors of the telescopic measuring ball bars of the MMD caused by room temperature changes and the heat sources in the read heads of the linear scales. Methods for the compensation of thermal errors are proposed, so that the MMD can maintain its measurement accuracy within a certain range of room temperature changes.

    The developed machine tool with direct pose feedback uses the EtherCAT to read the encoder values of the machine tool and the MMD, and to drive the servo motors. In contrast to the traditional motion card system, the EtherCAT CNC system has the advantages of simple wiring and flexible configuration.

    Verified by the positioning experiments, the position accuracies on the x, y and z directions of the machine tool with direct pose feedback control are dramatically improved from ±2.6μm, ±17.5μm and ±8.3μm to ±1.7μm, ±1.8μm and ±0.7μm. Verified by the machining experiments, the machining errors on the x and z directions are reduced from 9.5μm and 7.7μm to 2.2μm and 1.7μm.

    1. 前言 1 2. 文獻回顧 2 2.1. EtherCAT簡介 2 2.2. 即時作業系統 3 2.3. CNC控制器 3 2.4. 工具機之誤差源 5 2.5. 六維運動量測裝置 6 2.6. 封閉式機構鏈工具機 7 2.7. 研究目的 8 3. 六維運動量測裝置 9 3.1. 量測原理 9 3.1.1. 起始化 9 3.1.2. 史都華逆向運動學 10 3.1.3. 史都華正向運動學 12 3.1.4. 量測座標轉換 13 3.2. 設計改進 14 3.2.1. 上平板 14 3.2.2. 下平板 16 3.2.3. 球座 17 3.2.4. 可伸縮量測桿 19 4. EtherCAT網路串列通訊系統 20 4.1. 封包資料傳遞 20 4.2. CANopen 22 4.3. 物件字典 23 4.4. EtherCAT CNC控制器 24 4.5. 多通道CNC控制系統 25 4.5.1. NC通道組態定義 25 4.5.2. NC通道與EtherCAT之資料交換 27 4.5.3. 即時運動控制與NC通道計算時序安排 28 5. 直接姿態回授工具機 29 5.1. 基本位置回授控制迴路 30 5.2. 直接姿態回授控制迴路 31 5.3. 單一加工參考座標系概念 33 5.4. 座標關係之建立 34 5.4.1. 刀尖點與上下平板間之關係建立 34 5.4.2. 理想座標系軸線之建立 35 5.4.3. 刀尖點之誤差計算 36 5.5. 軟體即時控制時序安排 38 5.5.1. 運動控制卡下之時序安排 38 5.5.2. EtherCAT串列通訊下之時序安排 39 6. 系統實現與結果 41 6.1. EtherCAT串列通訊直接姿態回授工具機 42 6.2. 溫度變化與桿長修正實驗 44 6.2.1. 桿長受溫度變化影響實驗 44 6.2.2. 桿長變化補償實驗 48 6.3. 六維運動量測裝置精度驗證 50 6.4. 直接姿態回授工具機定位量測實驗 59 6.4.1. X軸定位實驗 59 6.4.2. Y軸定位實驗 62 6.4.3. Z軸定位實驗 64 6.5. 直接姿態回授工具機動態實驗 67 6.5.1. 循圓測試 67 6.5.2. 微米定位實驗 69 6.6. 主軸熱誤差實驗 74 6.7. 直接姿態回授工具機加工實驗 77 6.7.1. X方向加工實驗 78 6.7.2. Z方向加工實驗 80 7. 結論 83 8. 參考文獻 84

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