Дешевые варианты для высокоточного измерения расстояния?

Я построил довольно дешевый (~ € 100) 3-осевой фрезерный станок с ЧПУ для своей мастерской для резки дерева и алюминия всеми возможными способами. Это прекрасно работает для большинства вещей, но для вещей, которые требуют высокой точности, всегда немного не в себе.

Например, если я сделаю 2 одинаковых реза, один за другим, разница по любой оси может составлять до 1 мм. Не так уж плохо для дерева, учитывая, что общая рабочая площадь составляет 800x800x400 мм, и размер изделий, которые я делаю, является своего рода проблемой для алюминиевых деталей, которые должны совмещаться.

Может быть хуже, если между двумя разрезами будет значительное количество времени / работы. У меня были идентичные надрезы, сделанные с интервалом в несколько дней, поскольку запасные части на крупных деталях различаются на ~ 2,5 мм.

Теперь я подумал, что смогу получить более качественные рельсы, более качественные подшипники, двигатели, что угодно, чтобы попытаться сделать его более согласованным, но я думаю, что наибольшую выгоду можно получить, если иметь возможность калибровать и проверять его с помощью программного обеспечения.

TLDR: Так что же люди используют для измерения расстояний до 1000 мм, скажем, с точностью до 0,1 мм?

Я осмотрел китайские магазины, но нашел только лазерные датчики для больших расстояний, например, 100 м с точностью + - 0,2 м, и ультразвуковые датчики приближения для более коротких расстояний, но довольно ужасной точности.

Они были довольно дешевы, хотя (<€ 10), что дает мне надежду. У меня также есть преимущество полного физического контроля над обеими точками, между которыми я хочу измерить расстояние, а не только одну.

Я думаю, вы должны разобраться в том, что вызывает ваши ошибки. Либо вы пропускаете шаги, либо ваша механическая установка слишком гибкая или имеет зазор в гайках / подшипниках. Ваши самонаводящиеся переключатели также могут иметь плохую повторяемость, если вы не используете искатель кромок для точного определения местоположения инструмента. Или, возможно, это комбинация.

Такие вещи, как люфт и гибкость, очень трудно компенсировать с помощью программного обеспечения. Например, в зависимости от направления резки вы можете начать с инструмента в правильном положении, но как только он укусит керчанк и вы в работу, когда режущий инструмент втягивает себя. Или вы, возможно, выполняете фрезерный подъем и режущий инструмент хорошо выходит за пределы желаемой траектории, если гентри и скользящие элементы слишком гибкие.

В любом случае, стеклянные весы - это своего рода недорогой способ измерения от нескольких микрон до разрешения 1um. Точность по полной шкале может быть 10-15 мкм на 1 м для дешевой. Обычно они имеют квадратурный цифровой выход 5 В (инкрементный), некоторые могут иметь квадратурные синусоидальные сигналы. Но каждая ось, вероятно, будет стоить примерно столько же, сколько вы вложили в это до сих пор, и нет никакой гарантии, что вы сможете добиться гораздо большего в точности детали. Фото с этой страницы

Если вы выиграете в лотерею, вы можете рассмотреть кодировщики Renishaw и Heidenhain, которые могут достигать разрешающей способности на порядок меньше длины волны света и делать это с абсолютным измерением.

Взгляните на датчики с тросом или «кодировщик йо-йо».

Рисунок 1. Датчик троса. Источник: Экологическая инженерия .

Я не мог найти изображение одного со встроенным дисплеем, но кто-то должен их делать.

Как насчет магнитной ленты линейного энкодера ? Вы часто можете найти его и связанные с ним датчики на eBay. Лента закодирована с противоположными полюсными магнитами на фиксированном расстоянии между полюсами. Отдельная магнитная головка определяет положения полюсов и интерполирует их для более высокой точности. Стандартное расстояние между полюсами на ленте составляет 1 мм, и доступны интерполяции с шагом 10, 25 и 50 между полюсами. Управляющая электроника измеряет движение датчика относительно магнитной ленты.

Я ненавижу быть носителем плохих новостей, но вы наткнулись на одну из главных проблем обработки: повторяемость. Это не легко исправить экономически эффективным способом.

Обычно используются оптические датчики с дифракционными решетками. Линейная шкала прикреплена к одной части машины, а считывающая головка энкодера прикреплена к другой. Лазер обычно используется, чтобы сделать микроскопические разрезы, называемые метками, в масштабе. Когда считывающая головка перемещается между двумя отметками шкалы, она выдает синусоидальную волну из-за дифракции. Маркировка обычно вокруг$20\mathrm{\mu m}$отдельно. Вот как они выглядят:

Кроме того, у вас будут проблемы с тепловым расширением. Алюминиевый луч длиной в один метр расширится на$23\mathrm{\mu m}$за градус Кельвина / Цельсия. Если части вашей машины надежно закреплены вместе, балки будут прогибаться из-за того, что разные части машины имеют разную длину, а расширение пропорционально длине. Вот почему вы используете отверстия, которые больше, чем ваши болты с резиновой шайбой, чтобы они могли двигаться, как показано в патенте США 6,058,618:

Я пытался быть кратким и указал только основные вопросы. Я избегал таких вещей, как подшипники, калибровка, износ инструмента и т. Д. Надеюсь, это поможет вам в правильном направлении. В общем, для решения этих проблем нужно потратить много денег. Только датчики стоят дороже, чем ваш станок с ЧПУ.

Если вы ищете дешевые цифровые показания (DRO), вы найдете те, которые имеют порты данных. Они будут предоставлять данные не только через порт, но и на ЖК-дисплее с параметрами обнуления оси:

https://www.amazon.com/gp/product/B01G5SUZEG/

Они могут использоваться в качестве датчиков после подключения к вашей машине, и если вы их прочитаете, вы получите обратную связь для вашей системы управления с обратной связью, которая должна устранить ваши ошибки повторяемости с разрешением, намного превышающим целевое значение 0,1 мм.

Такие большие расстояния обычно измеряются (для калибровки) с помощью индикатора на контрольной полосе. Вы можете получить индикаторы набора с точностью до 0,01 мм по разумной цене, и у вас должна быть возможность заставить кого-то достаточно дешево обрабатывать стальную или нержавеющую пруток или пруток до 1000 мм (или вы можете заплатить 2K + за «настоящую» эталонную метрологическую планку) , Обратите внимание, что полоса будет только 1000 мм при определенной температуре.

(прикрепите циферблатный индикатор к шпинделю)

Google "метрология", и вы найдете множество материалов о методах и продуктах.

Вы также можете добавить индуктивные датчики на рельсы движения на определенном расстоянии друг от друга и проверять расстояние как часть процесса калибровки каждый раз, когда вы что-то фрезеруете.