Opzioni economiche per la misurazione della distanza ad alta precisione?

Ho costruito un router CNC a 3 assi piuttosto economico (~ € 100) per la mia officina per tagliare legno e alluminio in tutti i modi. Funziona alla grande per la maggior parte delle cose ma per le cose che richiedono alta precisione, è sempre un po 'fuori.

Ad esempio, se riesco a fare 2 tagli identici, uno dopo l'altro, la differenza in qualsiasi asse può essere fino a 1 mm. Non male per il legno, considerando che l'area di lavoro totale è 800x800x400mm e le dimensioni delle cose che realizzo, ma è un problema per i pezzi di alluminio che devono adattarsi insieme.

Può essere peggio se una quantità significativa di tempo / lavoro è tra i 2 tagli. Ho avuto tagli identici fatti a distanza di alcuni giorni perché le parti di ricambio differiscono fino a ~ 2,5 mm su pezzi di grandi dimensioni.

Ora ho pensato di poter ottenere rotaie migliori, cuscinetti, motori migliori, qualunque cosa cercare di renderlo più coerente, ma penso che i maggiori guadagni si possano ottenere avendo la possibilità di calibrarlo e controllarlo nel software.

TLDR: quindi cosa usano le persone per misurare distanze fino a 1000 mm con una precisione di 0,1 mm?

Mi sono guardato intorno negli store cinesi, ma ho scoperto solo sensori laser per grandi distanze, come 100 m con precisione + - 0,2 me sensori di prossimità ad ultrasuoni per distanze più brevi ma precisione terribile.

Erano piuttosto economici (<€ 10) che mi danno speranza. Ho anche il vantaggio di avere il controllo fisico completo su entrambi i punti tra i quali voglio misurare la distanza anziché solo uno.

Penso che dovresti arrivare alla fine di ciò che sta causando i tuoi errori. O mancano dei passaggi o la configurazione meccanica è troppo flessibile o presenta un gioco nei dadi / cuscinetti. Gli interruttori di ricerca del punto di riferimento possono anche avere una scarsa ripetibilità se non si utilizza un rilevatore di bordi per individuare con precisione lo strumento. O forse è una combinazione.

Cose come il gioco e la flessibilità sono molto difficili da compensare con il software. Ad esempio, a seconda della direzione del taglio, è possibile iniziare con l'utensile nella posizione corretta, ma non appena morde in kerchunk e si è scavato nel lavoro mentre la taglierina si inserisce . Oppure si potrebbe fare la fresatura dell'arrampicata e la taglierina scorre bene al di fuori del percorso desiderato se il cavalletto e le slitte sono troppo flessibili.

Ad ogni modo, le scaglie di vetro sono una sorta di metodo a basso prezzo per misurare alcuni micron fino a una risoluzione di 1um. La precisione su tutta la scala potrebbe essere 10-15um su 1 m per una economica. Di solito hanno un'uscita digitale in quadratura 5V (incrementale), alcuni possono avere segnali sinusoidali in quadratura. Ma ogni asse avrà un costo probabilmente pari a quello che hai investito finora e non vi è alcuna garanzia che sarai in grado di fare molto meglio con l'accuratezza del pezzo. Foto da questa pagina

Se vinci la lotteria puoi considerare gli encoder Renishaw e Heidenhain, che possono raggiungere risoluzioni di ordini di grandezza inferiori a una lunghezza d'onda della luce e farlo con una misurazione assoluta.

Dai un'occhiata ai sensori a filo o "codificatore yo-yo".

Figura 1. Un sensore a filo metallico. Fonte: ingegneria ambientale .

Non sono riuscito a trovare l'immagine di uno con un display integrato, ma qualcuno deve crearli.

Che ne dici di Magnetic Linear Encoder Tape ? Spesso puoi trovarlo e i sensori associati su eBay. Il nastro è codificato con magneti polari opposti a una distanza fissa tra i poli. Una testa magnetica separata rileva le posizioni dei poli e si interpola tra loro per una maggiore precisione. Una spaziatura dei poli standard sul nastro è 1 mm e sono disponibili interpolazioni di 10, 25 e 50 passi tra i poli. L'elettronica di controllo misura il movimento del sensore rispetto al nastro magnetico.

Odio essere il portatore di cattive notizie, ma ti sei imbattuto in uno dei principali problemi nella lavorazione: la ripetibilità. Non è facile da risolvere in modo conveniente.

Ciò che viene generalmente utilizzato sono encoder ottici con reticoli di diffrazione. Una scala lineare è fissata a una parte della macchina e la testina di lettura dell'encoder è fissata all'altra. Un laser viene in genere utilizzato per eseguire incisioni microscopiche, chiamate segni, nella scala. Mentre la testina di lettura si sposta tra due segni di scala emette un'onda sinusoidale a causa della diffrazione. I segni sono in genere intorno$20\mathrm{\mu m}$a parte. Ecco come sono:

Inoltre, avrai problemi di espansione termica. Un raggio di alluminio di un metro si espanderà di$23\mathrm{\mu m}$per grado Kelvin / Celsius. Se le parti della macchina sono fissate in modo sicuro insieme, le travi si piegheranno, a causa delle diverse parti della macchina con lunghezze diverse e l'espansione è proporzionale alla lunghezza. Questo è il motivo per cui usi fori più grandi dei tuoi bulloni con rondella di gomma in modo che possano muoversi, come mostrato nel brevetto US 6.058.618:

Ho cercato di essere breve e ho indicato solo i problemi principali. Ho evitato cose come cuscinetti, calibrazione, usura degli utensili, ecc. Spero che questo possa indirizzarti nella giusta direzione. Tutto sommato, per risolvere questi problemi è necessario spendere molti soldi. I soli encoder sono più costosi della tua macchina CNC.

Se cerchi letture digitali a basso costo (DRO) troverai quelle con porte dati. Non solo forniranno i dati sulla porta, ma su un LCD con opzioni per azzerare l'asse:

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

Possono essere utilizzati come sensori una volta collegati alla macchina e, se li leggi, otterrai un feedback ad anello chiuso per il tuo sistema di controllo che dovrebbe risolvere i tuoi errori di ripetibilità con una risoluzione molto maggiore del tuo obiettivo 0,1 mm.

Le distanze così grandi sono generalmente misurate (per la calibrazione) usando un indicatore contro una barra di riferimento. È possibile ottenere indicatori di quadrante precisi a 0,01 mm a un prezzo ragionevole e si dovrebbe essere in grado di convincere qualcuno a lavorare una barra d'acciaio o SS o una barra a 1000 mm in modo piuttosto economico (oppure è possibile pagare 2K + per una barra di riferimento metrologica "reale") . Si noti che la barra sarà solo 1000 mm a una temperatura specifica.

(attaccare il comparatore al mandrino)

"Metrologia" di Google e troverai un sacco di materiale su tecniche e prodotti.

È inoltre possibile aggiungere sensori induttivi ai binari di movimento a una distanza specifica e verificare la distanza come parte del processo di calibrazione ogni volta che si macina qualcosa.