ENHANCEMENT OF MAClllNE TOOL ACCURACY

203 Pages·2013·4.94 MB·English

Enhancement of machine tool accuracy : theory and
implementation
Citation for published version (APA):
Theuws, F. C. C. J. M. (1991). Enhancement of machine tool accuracy : theory and implementation. [Phd Thesis
1 (Research TU/e / Graduation TU/e), Mechanical Engineering]. Technische Universiteit Eindhoven.
https://doi.org/10.6100/IR362622
DOI:
10.6100/IR362622
Document status and date:
Published: 01/01/1991
Document Version:
Publisher’s PDF, also known as Version of Record (includes final page, issue and volume numbers)
Please check the document version of this publication:
• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be
important differences between the submitted version and the official published version of record. People
interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the
DOI to the publisher's website.
• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.
• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page
numbers.
Link to publication
General rights
Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners
and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights.
• Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research.
• You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain
• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.
If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please
follow below link for the End User Agreement:
www.tue.nl/taverne
Take down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us at:
[email protected]
providing details and we will investigate your claim.
Download date: 18. Jan. 2023
ENHANCEMENT OF MAClllNE TOOL ACCURACY:
THEORY AND IMPLEMENTATION
F.C.C.J.M. THEUWS
ENHANCEMENTOFMACillNETOOLACCURACY:
THEORY ANDIMPLEMENTATION
Proefschrift
ter verkrijging van de graad van doctor
aan de Technische Universiteit Eindhoven,
op gezag van de Rector Magnificos, prof.dr. J.H. van Lint,
voor een cornrnissie aangewezen door het College
van Dekanen in het openbaar te verdedigen op
vrijdag 4 oktober 1991 te 16.00 uur
door
FRANCISCUS CORNELIS CAT HARINA JOSEPHINA MARIA THEUWS
geboren op 16 juli 1964 te Luyksgestel
Dit proefschrift is goedgekeurd door de promotoren:
Prof.dr.ir. A.C.H. van der Wolf
en
Prof.dr.ir. P.H.J. Schellekens
Aan: Jozet,
mijn ouders,
opa en oma
I
SUMMARY
In this report the results are presented of a study on the enhancement of the accuracy
of a commercially available machine tool by software error compensation. First, the
problem field has been outlined by a qualitative analysis of the main error sources.
Based on this analysis the most significant error sources are identified as the
geometric errors and the thermal behaviour. The further study has been focused on the
development of a model by which the effect of these error sources can be
compensated.
In order to obtain a basis for modelling of the geometric structure, a classification
methodology of multi axis machine tools has been developed .
To assess the effect of the geometric errors, a mathematical model has been devised,
capable of prediction of the location error of the tool with respect to the workpiece as
a function of measurable geometric errors in the guideways. This model is applicable
to machine tools of arbitrary configuration. As an example, the mathematical model
has been elaborated for a five axis milling machine. The geometric errors of the
milling machine under investigation have been measured and transformed to
functional relationships. In this way a continuous description of the geometric error
structure of the machine tool is obtained The measurement set-ups and the method of
modelling the individual geometric errors are discussed.
The thermal behaviour is determined empirically. For this purpose a measurement
set-up has been developed, yielding simultaneous information on the drift of the tool
holder and the thermal distribution of the machine tool. Using this set-up a number of
measurements have been carried out on various locations within the working space
and with diverse load situations. This obtained results have been analyzed by
statistical methods and a relationship between the displacement and the measured
relevant temperatures has been developed. This relationship has been applied to
predict the thermal behaviour of the tool holder, based on information on the
temperature distribution of the machine tool.
n
Summary
For both the geometric error model and the thermal model a compensation algorithm
has been devised, including the effects of the scale expansions.
The geometric error model has been partly implemented into the control system of the
milling machine for real-time compensation.
The thermal error compensations are computed by a coupled PC that continuously
monitors the thermal state of the machine tooL The calculated compensations are sent
to the control system, which compensates in real time for the thermally induced
errors. The magnitude of the actual compensations is dependent on the thermal
distribution of the machine tool and the position of the carriages.
The effectiveness of the compensation algorithms has been verified by a hole plate
measurement (geometric errors) and thermal drift measurements (thermally induced
errors). The results prove the suitability of the compensation methodology for
enhancement of machine tool accuracy.
As a final test on the use of the devised compensation, several workpieces have been
manufactured. The results show an enhancement of the practical achievable accuracy
on a commercially available machine tool by a factor 2.
Finally, conclusions are drawn with respect to the achieved improvement in accuracy,
and some recommendations are presented that indicate the areas for further
investigation.
m
SAMENV ATTING
Het doel van dit onderzoek is de verbetering van de nauwkeurigheid van een
produktiemachine door softwarematige correctie. Daartoe is een kwalitatieve analyse
gemaakt van de bronnen van afwijkingen die bij dergelijke machines optreden. Hieruit
is gebleken dat de afwijkingen in de geometrie en het thermisch gedrag de hoofd~
bronnen voor de onnauwkeurigheid vormen. Het verdere onderzoek heeft zich gericht
op de ontwikkeling van een model dat in staat is de effecten van deze bronnen te
beschrijven, zodat in een later stadium een softwarematige compensatie mogelijk is.
Als basis voor de modellering van de geometrische afwijkingen structuur, is een
classificatie methodiek ontwikkeld voor meer-assige produktiemachines.
Voor de evaluatie van het effect van de geometrische afwijkingen is een mathematisch
model ontwikkeld. Met behulp van dit model is men in staat om de resulterende
afwijkingen in de positie van het gereedschap, uit te drukken in de individuele
afwijkingen in de geleidingen. Het model is universeel toepasbaar op meet- en
produktiemachines. Als voorbeeld is bet model uitgewerk:t voor een vijf-assige
freesmachine. De individuele afwijkingen in de geometrie van deze machine zijn
gemeten en omgezet naar een functionele representatie. Hierdoor is een continue
beschrijving van de afwijkingen structuur tot stand gekomen. De toegepaste meet
opstellingen en de modellering van de individuele afwijkingen is toegelicht.
Het thermisch gedrag van de produktiemachine is empirisch bepaald. Hiervoor is een
meetopstelling ontwikkeld die informatie verschaft over de temperatuursverdeling en
de verplaatsing van de hoofdspil. Met behulp van deze opstelling zijn een groot aantal
metingen uitgevoerd, op diverse plaatsen in bet werkbereik en onder verschillende
belastingscondities. De verk:regen resultaten zijn geanalyseerd met behulp van
statistische methodieken.
IV Sarnenvatting
Hieruit is een relatie ontwikkeld die de verplaatsing van de gereedscbapshouder
beschrijft uit de meting van een aantal relevante temperaturen aan de machine. Deze
relatie is gebruikt om bet thermiscb gedrag van de machine te voorspellen ..
Zowel voor bet geometrische als bet thermische model is een correctie algoritme
ontworpen. De therrniscbe uitzetting van de linialen is hierin verdisconteerd.
Het geometrie model is gedeeltelijk geimplementeerd in bet besturingssysteem voor
real-time correctie.
Op basis van de beersende temperatuursverdeling van de machine, worden de
compensaties voor bet therrnisch gedrag berekend door een externe PC. Deze stuurt de
compensaties via een interface naar bet besturingssysteem van de machine, welke de
positie van bet gereedschap real-time corrigeert. De grootte van de compensaties is
afhankelijk van de positie van de sledes en van de momentane temperatuursverdeling
over de machine.
De effectiviteit van de compensaties is gecontroleerd met behulp van een gatenplaat
(geometrische afwijkingen) en drift metingen aan de boofdspil (therrniscbe
afwijkingen). De resultaten tonen aan dat de gekozen methodes zeer geschikt zijn om
de nauwkeurigheid van een produktiemachine te verhogen.
Als een laatste test op de praktische toepasbaarheid van de compensatie zijn diverse
werkstukken geproduceerd. De resultaten tonen aan dat een nauwkeurigheids
verbetering met een factor 2 haalbaar is.
Tot slot worden enige conclusies getrokken met betrekking tot de behaalde nauw
keurigheidsverbeteringen. Tevens worden enkele aanbevelingen gedaan waarmee
toekomstig onderzoek de toepasbaarheid van de methode kan optimaliseren.
v
CONTENTS
SUMMARY I
SAMENVATI1NG m
Chapter 1 GENERAL INTRODUCfiON 1
Chapter2 THE MAIN ERROR SOURCES 9
2.1. Geometric Errors 10
2.2. Thennally Induced Errors 13
2.3. Errors due to Finite Stiffness 17
2.4. aassification 19
Chapter 3 MODEL OF THE GEOMETRIC ERROR STRUCTURE 31
3.1. The Modelling System 32
3.2. The General Model 33
3.3. Elaboration of the General Model to the Type Dependent Model 42
3.4. Assessment of the Geometric Errors 48
3.5. Modelling the Geometric Errors 57
Chapter 4 DETERMINATION OF THE THERMAL BEHAVIOUR 63
4.1. The Methodology 64
4.2. The Measurement Strategy: Possibilities and Limitations 69
4.3. Results of the Measurements 72