Afnamerapport van de Zeiss WMM 550 3D-meetmachine bij Texas Instruments Holland B.V. te Almelo

(1)

Afnamerapport van de Zeiss WMM 550 3D-meetmachine bij

Texas Instruments Holland B.V. te Almelo

Citation for published version (APA):

Teeuwsen, J. W. M. C., & Gilde, de, A. G. (1986). Afnamerapport van de Zeiss WMM 550 3D-meetmachine bij Texas Instruments Holland B.V. te Almelo. (TH Eindhoven. Afd. Werktuigbouwkunde, Vakgroep

Produktietechnologie : WPB; Vol. WPA0265). Technische Hogeschool Eindhoven.

Document status and date: Gepubliceerd: 01/01/1986

Document Version:

Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record

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:

openaccess@tue.nl

providing details and we will investigate your claim.

(2)

Afnamerapport van de Zeiss WMM 550 3D-meetmachine bij Texas Instruments Holland B.V. te Almelo.

WPA-rapportnr. 0265, April 1986. Uitgevoerd door:

Laboratorium voor L~ngtemeting,

TH-Eindhoven.

ir.J. Teeuwsen A. de Gilde

(3)

1

lnleiding.

a

Geometrische foutencorrectie.

~ Lineariteitsmetingen.

~ Eindmaatmetingen.

Appendix A: Gegevens van de Iineariteitsmetingen. Appendix B: Gegevens van de eindmaatmetingen.

bIz. 1 2 4 5 8 13

(4)

Dit rapport bevat de afname-procedure van de Zeiss WMM 550, welke is opgesteld in de meetkamer van Texas Instruments Holland B.V. te Almelo. De Zeiss WMM 550 is een drie-dimensionale CNC meet-machine met een totaal meetvolume van 550>:500>:450 mm· en met een

meetnauwkeur i ghei d per as van ~

A (L)

=

2.7 + L/250 ~m, i

=

x, Y of z,

i

waarbij L (in mm) de gemeten afstand over een as is. Ais verdere specificatie voor deze meetmachine wordt de volume-meetnauwkeurigheid gegeven door:

A (L) = 3.6 + L/250 ~m,

v

(1)

(2)

dwz. dat de afstand (L) tussen twee willekeurige aantastpunten in de meetruimte, binnen een nauwkeurigheid zoals aangegeven in vgI.2 gemeten wordt.

Tot nu toe was de meetstrategie tijdens een afname-procedure de geometrische fouten van een drie-dimensionale meetmachine te meten en hieruit een maximale afschatting voor de volume-meetnauwkeurigheid te bepalen. De Zeiss WMM 550 is echter

voorzien van een gedeeltelijke software-matige correctie v~~r de geometrische foutenbronnen (par.2). Hierdoor wordt een andere aanpak voor de afname-procedure noodzakelijk. De controle of de meetmachine aan ZlJn specificaties (vgl.1+2) voldoet wordt door de volgende metingen verricht:

1

voor de specificatie volgens vgl.l, minimaal 1 lineariteits-meting per as (par.3) ,

~ voor de specificatie volgens vgl.2, eindmaatmetingen in diverse posities in het meetvolume (par.4).

Een drie-dimensionale meetmachine bezit in principe 21 geometrische foutenbronnen, te weten:

1

per geleiding 3 verplaatsingsfouten, 1 lineariteits en 2 rechtheidsfouten,

~ per geleiding 3 draaiingsfouten, 1 rotatie en 2 kantelfouten,

~ 3 haaksheidsfouten tussen de geleidingen onderling.

Volgens het momenteel door het Laboratorium voor Lengtemeting van de TH-Eindhoven gehanteerde model voor de fouten-analyse van een drie-dimensionale meetmachine, geven deze 21 foutenbronnen in het geval van de Zeiss WMM 550 aanleiding tot 30 mogelijke fouten. Deze geometrische fouten zijn in tabel 1 gerangschikt naar

(5)

bron en naar foutrichting. De door Zeiss gebruikte symboliek voor de diverse foutenbronnen is in tabel 2 weergegeven en zal conce-quent in dit rapport doorgevoerd worden. In figuur 1 is de

schematische voorstelling, volgens dit model, van de meetmachine weergegeven, waarbij de componenten van de vaste verbindingen tussen de gel ei di ngen (i ode>: 0) eo de ma>~ i mal e meetberei ken

(index m) gegeven worden door: x = 223 mm, x = 550 mm 0 m y = 146 mm, y

₌

500 mm (3) 0 m z = 990 mm, z

₌

450 mm. 0 m

Verder zijn de componenten van de taster Xt' Yt. en Zt afhankelijk van de gebruikte taster tijdens het meten met de Zeiss WMM 550. Voor deze meetmachine worden software-matig de volgende fouten-bronnen gecorrigeerd:

!

de 3 lineariteitsfouten: xTx, yTy en zTz,

~ de kantelfout om de v-as van de x-geleiding: >:Ry,

~ beide kantelfouten van de y-geleiding: yRx en yRz,

deze zijn in tabel 1 onderstreept. Meer informatie betreffende deze gedeeltelijke software-matige geometrische foutencorrectie is gegeven in het Test Certificate (fertigungsnr. 80 165) van de firma Zeiss ..

(6)

:::::::::::::~::~::::::::::

---~---Rechthei d

)(!

y

I

yTx z 1 _, zTx ---~~---_I Rotatie xRx! r Kantel yRy z.yRy zRz - y . zRz t xRz zRx zRy J.~=~ l~!:f.B~ Q (y -y ). xRz o t (z-z ).zRy m dy dz xTy xTz yTz zTy -(z-z ).xRx -(V -y ).xRx o 0 t x .zRz t x • xRz t Q

m

- (z-z ) zR>, m - (x-)( - x ) . yRy o m =!i .!.Ji8~ y • zRx t -x • zRy t ---~---

---Haaksheid XZ !-(z-z -z

).xz

I m t YX -(x-x -x ).yx m t

I

YZ -(z-z -z ).YZ m t

______________ I

---=1

I~~~l

1:

De 30 geometrische fouten gerangschikt naar foutbron en naar foutrichting, respectievelijk dx, dy en dz. De

geometrische fouten waarvoor software-matig gecorrigeerd wordt zijn onderstreept.

GELEIDING FOUTBRON FOUTBEPALING

As: x, y, z Verplaatsing: T Verplaatsingsrichting: x, y, z As: x, y, z Draaiing : R Draaiings-as : x, y, z

I~~~l ~: Foutensymboliek zoals gebruikt door Zeiss, bijvoorbeeld yRz is de draaiingsfout (kantelfout) van de y-geleiding om de z-as. De haaksheidsfouten worden respectievelijk aangeduid met XZ, YX en YZ.

(7)

AIle lineariteitsmetingen ZlJn m.b.v. de laser-interferometer verricht, waarbij voor de opgelegde verplaatsingen van de meet-machine in een as een aselekte getallenreeks is genomen zodat deze zLliver willekeurig waren. GedLlrende de lineariteitsmetingen werd er gecompenseerd op de brekingsindex van de lucht en de

uitzetting c.q. inkrimping van de lineaal van het meetsysteem van de desbetreffende as. Sinnen de mogelijkheden om meetopstellingen te realiseren zijn de lineariteitsmetingen van de x- en y-as in dusdanige posities verricht dat:

!

de draaiingsfouten hun minimale invloed uitoefende op de

lineariteitsfout, dwz. zo dicht mogelijk bij de lineaal van het meetsysteem van de betreffende as (kleinste komparatorfout),

~ de draaiingsfouten hun maximale invloed uitoefende op de

lineariteitsfout, dwz. zo ver mogelijk verwijderd van de lineaal (grootste komparatorfout).

Voor de z-as bestaat er geen kleinste/grootste komparatorfout; gezien de benodigde meetopstelling voor de z-lineariteitsmeting was het niet mogelijk om het gehele z-bereik te bestrijken. De resultaten van de lineariteitsmetingen zijn in appendix A weergegeven. De lineariteitsfout:

xTx = x )(

,

1

(4 )

als voorbeeld wordt hier de x-as genomen, is het verschil in de door de meetmachine aangegeven (x) en de door de laser gemeten

(xl) positie in x-richting. Per x-positie is deze meting 2x verricht, eenmaal met nadering naar positie x uit positieve x-richting (xTx p ' en eenmaal uit negatieve x-x-richting (xTxn ). In

appendix A worden aangegeven de positie x, xTx_{p '} xTx

_{n ,}

de gemiddelde lineariteitsfout: xTx = 1/2*(xTx + xTx ) p n en het verschil A>:Tx

=

xTx xTx , p n

welke een indruk geeft van de omkeerfout in de x-as. Ook wordt de meetonnaLlwkeLirigheid per as (vgl.1) volgens de schablone methode (zie VDI/VDE-Richtlinie 2617) aangegeven, voor dit voorbeeld: IXTX\

~

A (L=x)

=

2.7 + x/250

~m.

x 4 (5) (6) (7 )

(8)

Uit de resultaten van appendix A voigt dat de x- en z-as voldoen aan de specificatie volgens vgl.l, de V-as echter niet. Deze geeft relatief gezien een maximale overschrijding van de specificatie met een factor 1.4 vol gens de metingen. Voor de maximale omkeerfouten voIgt uit de lineariteitsmetingen:

!J.xTx

=

0.7 )-lm, 8yTy = 1.0 ~m en ~zTz = 0.6 J..lffi. (8)

max

Bij deze metingen (appendix B) ZlJn de posities (fig.2) van een 700 mm respectievelijk 400 mm eindmaat klasse 0 zo gekozen dat deze lagen:

!

op de 4 ruimte-diagonalen (vlakken AEQM en GCOS)

2 en op de 6 vlakdiagonalen (vlakken HDPT, FBNR en IJKL welke respectievelijk parallel met het YZ-, xz- en xy-vlak zijn), waarbij per diagonaal 1 positie van de eindmaat werd genomen. De ligging van de 5 vlakken (appendix B) zijn zodanig gekozen dat een zo groot mogelijk gedeelte van het meetvolume wordt

bestreken.

Eig~~~

2:

Schematische voorstelling van de oplegging van de

eindmaat welke in het meetvolume in elke willekeurige positie kan worden geplaatst. De oplegpunten zijn zodanig gekozen dat de eindvlakken parallel blijven, dwz. a

=

O.2113*Le.De verkorting van de lengte van de eindmaat tengevolge van de doorbuiging is in dit geval verwaarloosbaar «0.001 ~m).

(9)

Per positie wordt een 10-tal (n=10) metingen verricht, de gemiddelde gemeten lengte van de eindmaat:

n L = L L In i=1 i en de standaardafwijkjng: ~ 2 1/2 S(L) =

<.2..-

(L-L ) I (n-1) ) , i=1 i

welke een maat is voor de aantast reproduceerbaarheid van de meetmachine bij lengtemeting, worden hieruit bepaald. Verder wordt de standaardafwijking van de gemiddelde gemeten lengte gegeven door:

1/2

S(L)

=

S(L)/(n}

De standaardafwijking voor klasse 0 eindmaten is: 2*S(L ) = 0.10 + 0.002*L ~m e e (9) ( 10) ( 11> ( 12)

met Le de lengte van de eindmaat in mm. Deze lengte moet gecom-penseerd worden voor de temperatuur van de eindmaat zelf

(Te'

en die van de meetmachine (Tm) , waarbij 20°C als referentie

temperatuur wordt genomen. Voor deze gecompenseerde eindmaat-lengte geldt:

L = L *<1 + E *(T -20) E

*

(T -20».

c e e e m m

De lineaire uitzettingsco~ffici~nten van respectievelijk de eindmaat (Ee) en de linealen van de meetsystemen van de meet-machine (Em) zijn:

-6 E

=

11.5*10 e -1 -6

°c

en E

=

7. 8* 1 0 m (13) ( 14)

Daar de standaardafwijkingen van de lineaire uitzettingscoeffi-cienten in dit verband verwaarloosbaar zijn, geldt voer de standaardafwijking van de gecompenseerde eindmaatlengte:

2 [dL

~

2 2 [dL

J

2

S(L ) = __ 5 *S(L) + __ 5 *S(T' + c

dL

e

aT

e e e

[

-dL 2 2

__ 5J

*S

(T ) ,

aT

m m (15)

uitwerking van vgl.15 geeft:

(10)

2 2 2 2 2 2 2

S(L ) tit S(L ) ₊ L *(E *S(T ) + E *8 (T ) ). (16)

e e e e m m

Veor de standaardafwijking van de temperatuur van de eindmaat en van de temperatuur van de meetmachine geldt respectievelijk:

SeT) = S(T )

=

seT )

=

0.05 ~ (17)

e m

zodat voer de standaardafwijking van de gecompenseerde eindmaat-lengte voIgt:

L = 400 mm ---) S(L )

=

0.53 ~m

e

L

=

700 rom ---) S(L )

=

0.88 }-tm.

e

De meetfout van de Zeiss WMM 550 bij eindmaatmeting, wordt nu gegeven door:

dL

=

L L

met een standaardafwijking:

2 2 2 2 S

=

S(dL)

=

S(L) + 8(L ) • c ( 18) ( 19) (20)

Statistisch gezien Iigt de meetfout met 951. zekerheid tussen de 2-sigma (2*8) grenzen, welke ook zijn aangegeven in appendi>:

B.

Volgens de specificatie van de volume-meetnauwkeurigheid (vgl.2) moet de meetfout dL, voor elke willekeurige positie van de eind-maat in het meetvolume van de Zeiss WMM 550, voldoen aan:

IdLI

~

A (L )

=

3.6 + L /250 pm (21) v c oftewel: L = 400 mm - - - ) _dL _~_{5.2 }-tm} e (22) L

₌

700 mm - - - ) _dL

_S.

_{6.4 )-\m.} e

AIle verrichte eindmaatmetingen vallen binnen deze specificatie van de meetmachine. Voor de aantast reproduceerbaarheid bij Iengtemeting voIgt uit de metingen een maximale waarde van:

=

0.8 )-Am. (23)

max

(11)

eEE~~R!K

e:

Gegevens van de lineariteitsmetingen.

z

Y

It\

x

~

-E~g~YL e~!: Schematische voorstelling van de posities waarop de lineariteitsmetingen zijn verricht.

!

x-lineariteitsmeting a: kleinste komparatorfout b: grootste komparatorfout ~ y-lineariteitsmeting a: kleinste komparatorfout b: grootste komparatorfout ~ z-lineariteitsmeting.

(12)

---

--- ---

Kleinste komparatorfout Grootste komparatorfout

x 0.000 72.435 126.830 155.320 168.465 195.305 225.915 279.785 286.935 390.940 497.640 xTx xTx p O.B -0.1 0.3 1.2 0.7 O.B 1.2 1.3 1.6 2.6 2.3 1.5 0.0 0.1 O.B 0.6 0.7 1.0 1.0 1.3 1.9 xTx 0.0 -1.3 -1.0 -0.2 -0.5 -0.4 -0.1 0.0 0.3 1.1 1.1 AxTx xTx xTx xTx -0.7 -0.1 0.2 0.4 0.1 0.1 0.2 0.3 0.3 0.7 p n 0.1 -0.4 0.6 0.5 1.1 0.5 1.1 0.8 0.9 1.7 2.8 -0.1 -0.4 0.7 0.4 1.0 0.2 0.8 0.6 0.9 1.6 0.0 -0.4 0.7 0.5 1.1 0.4 1.0 0.7 0.9 1.7 2.8 AxTx A (L=x) x 0.2 0.0 -0.1 0.1 0.1 0.3 0.3 0.2 0.0 0.1 2.7 3.0 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.8 3.9 4.3 4.7

Kleinste komparatorfout Grootste komparatorfout

y yTy yTy yTy dyTy yTy yTy yTy flyTy A (L=y>

y 0.000 65.B50 115.300 141.200 151.BOO 177.550 232.650 254.350 260.850 355.400 452.400 P n 0.2 0.5 0.7 1.1 1.0 1.1 2.2 2.9 2.9 5.7 5.5 0.0 0.2 0.9 0.5 1.3 0.9 2.3 3.1 3.3 5.8 0.0 0.3 0.7 0.7 1. 1 0.9 2.2 2.9 3.0 5.7 5.5 0.2 0.3 -0.2 0.6 -0.3 0.2 -0.1 -0.2 -0.4 -0.1 P n 0.4 0.5 0.3 0.4 1.2 1.6 3.0 3.2 2.9 5.5 6.2 0.9 1.1 0.7 0.9 1.4 2.1 3.3 3.7 3.9 5.8 z zTz zTz zTz AzTz A (L=z) p n z 0.000 -0.1 59.265 -0.3 103.770 -0.8 127.080 -0.8 137.835 -0.7 159.795 -1.0 209.385 -1.0 228.915 -0.8 234.765 -0.9 -0.7 -0.9 -0.8 -0.9 -1.2 -0.9 -1.1 -1.2 0.0 -0.2 -0.4 -0.5 -0.6 -0.6 -0.7 -0.6 -0.5 0.6 0.6 0.0 0.1 0.5 -0.1 0.1 0.4 9 2.7 2.9 3.1 3.2 3.3 3.3 3.5 3.6 3.6

d

---

---0.0 0.1 -0.2 0.0 0.6 1.2 2.5 2.8 2.7 5.0 5.5 -0.5 0.6 0.4 0.5 0.2 0.5 0.3 0.5 1.0 0.3 2.7 3.0 3.2 3.3 3.3 3.4 3.6 3.7 3.7 4.1 4.5

In deze tabellen zijn de coordinaten x, y en z in mm, allen andere waarden zijn in pm aan-gegeven.

(13)

4

2 -2

-4

1 -1

t

a

-xTx

(}J

m)

8xTx (}.1m)

I

100 I

200 I

300 ·x(mm)

I

400 I

500

~!:~f!.@k a~l= De lineariteitsfoLlt en de omkeerfoLlt van de ~·(-as b i j

kleinste (0) en grootste (+) komparatorfoLlt.

(14)

6

4

2 o~~~~---2

-4

De lineariteitsfout en de omkeerfout van de v-as bij kleinste (0) en grootste (+) komparatorfout.

(15)

•

zTz

(jJm)

4

2 -2

-4

-4zfL

:::2)

6 zTz (J.-Im)

1 -1

z

{mm)

I

r

o

100

200

300

400

§~e!l§~ a~~1 De lineariteitsfout en de omkeerfout van de z-as.

(16)

eEE&~QI~ ~I Begevens van de eindmaatmetingen •

. 2

A

Y

I

Fr

L

.

~~

T

.... --

...

... ~

J

,."...

.... N

... ... ... ...

0 Q

Ei.9.YYt: @.:..!I Schematische voorstelling van de hoekpunten van:

!

de rUimte-diagonaalvlakken AEQM en BCDS,

~ de vertikaalvlakken HDPT en FBNR,

(17)

A***************E G***************C H***************D * 0 0 * * 0 0 * * 0 0 * * 1<--0 0-->2 * * 3<--0 0-->4 * * 5(--0 0--)6 * * 0 _* _* 0 * * 0 * * (> ₀ _* _* ₀ ₀ _* _* 0 0 _* * 0 0

_'*

_* 0 0

_'*

* 0 0 _* M***************Q S***************O T***************P Ruimte-diagonaal- RUimte-diagonaal- Vertikaalvlak HDPT

vlak AEQM vlak

F***************B

*

0 0

*

* 7<--0 0-->8 *

*

o

0

*

_*

*

0 0

*

R***************N Vertikaalvlak FBNR GCOS I***************J

*

0 0

*

* 9<--0 0--)10*

*

0

*

* 0 0 *

*

o

*

L***************K Horizontaalvlak IJKL

E~g~~~ ~~6: Schematische voorstelling van de 10 eindmaatposities ( 0 0 0 0 0 ) in de 5 vlakken van fig.B.l.

L e (mm) 1 700 2 700 3 700 4 700 5 400 6 400

jJJ~t

T T e m 20.70 20.48 20.60 20.53 20.68 20.44 20.82 20.50 20.83 20.60 20.88 20.58 21.28 20.54 20.96 20.57 20.53120.40 20.62 20.42

---

---L (mm) 700.0048 699.9979 700.0018 700.0048 400.0046 400.0030 399.9995 400.0008 700.0055 700.0025 14 S(L) L A (L ) v e 0.2 0.3 0.3 0.4 0.2 0.4 0.4 0.2 0.3 0.3 c (mm) 700.0030 700.0019 700.0030 700.0028 1.7 -4.1 -1.2 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 ()..tm) 6.4 6.4 6.4 6.4 400.0019 2.6 0.6 5.2 400.0022 0.8 0.6 5.2 400.0042 -4.7 0.6 5.2 400.0026 -1.9 0.6 5.2 700.0020 3.5 0.9

16.4

700.0026 -0.2 0.9 6.4

---

----

---

(18)

---dL()Jm)

+A (L =700)

_{v e}

---C

I

__ _

I

i

+A (L =400)

v e

O-+~----~-+----+---~

-2

-4

-6

-A (L

=

400)

V

e

. . . - - - I - - - r - - -

-- -- -- -- -- l

_______

L . . -_ _

-A (L

=700)

V

e

posi

t

i

enummer

I

I I I I I

I

1 2 3

4 5 6 7 8 9 10

§~~flgh

i&!=

De lengte-meetfout bij de eindmaatmetingen (dL) als

functie van het positienummer.