¿Opciones baratas para la medición de distancias de alta precisión?

Question

Construí una fresadora CNC de 3 ejes bastante barata (~100€) para mi taller para cortar madera y aluminio de todas las formas posibles. Funciona muy bien para la mayoría de las cosas, pero para las cosas que requieren alta precisión, es siempre un poco fuera.

Por ejemplo, si le hago hacer 2 cortes idénticos, uno tras otro, la diferencia en cualquier eje puede ser de hasta 1mm. No está mal para la madera, teniendo en cuenta que el área de trabajo total es de 800x800x400mm y el tamaño de las cosas que hago, pero es un problema para las piezas de aluminio que tienen que encajar.

Puede ser peor si hay una cantidad significativa de tiempo/trabajo entre los 2 cortes. He tenido cortes idénticos realizados con pocos días de diferencia para piezas de repuesto que difieren hasta en ~2,5 mm en piezas grandes.

Ahora me imagino que podría conseguir mejores rieles, mejores rodamientos, motores, lo que sea para tratar de hacerlo más consistente, pero creo que las mayores ganancias se podrían tener al tener la capacidad de calibrarlo y comprobarlo en el software.

TLDR: Entonces, ¿qué utiliza la gente para medir distancias de hasta 1.000 mm con, digamos, 0,1 mm de precisión?

Busqué en tiendas chinas pero todo lo que encontré fueron sensores láser para grandes distancias, como 100m con precisión +- 0,2m y sensores de proximidad ultrasónicos para distancias más cortas pero con una precisión bastante terrible.

Sin embargo, eran bastante baratos (<10€), lo que me da esperanzas. También tengo la ventaja de tener el control físico completo sobre los dos puntos que quiero medir la distancia entre en lugar de sólo uno.

Answer 1

Creo que deberías llegar al fondo de lo que está causando tus errores. O bien te faltan pasos o tu configuración mecánica es demasiado flexible o tiene holgura en las tuercas/rodamientos. Sus interruptores de referencia también pueden tener una mala repetibilidad si no está utilizando un buscador de bordes para localizar la herramienta con precisión. O quizás sea una combinación.

Cosas como la holgura y la flexibilidad son muy difíciles de compensar con el software. Por ejemplo, dependiendo de la dirección del corte, puedes empezar con la herramienta en la posición correcta, pero tan pronto como muerde kerchunk y te has clavado en el trabajo mientras el cortador se mete dentro. O puede que esté haciendo un fresado ascendente y la fresa se salga de la trayectoria deseada si el pórtico y las guías son demasiado flexibles.

De todos modos, las balanzas de vidrio son una especie de medio precio para medir algunas micras hasta una resolución de 1um. La precisión sobre la escala completa puede ser de 10-15um sobre 1m para una barata. Suelen tener una salida digital de 5V en cuadratura (incremental), algunas pueden tener señales sinusoidales en cuadratura. Pero cada eje probablemente costará tanto como lo que has puesto en esto hasta ahora, y no hay garantía de que seas capaz de hacer mucho mejor en la precisión de la parte. Foto de esta página

Si le toca la lotería, puede considerar los codificadores Renishaw y Heidenhain, que pueden alcanzar resoluciones de órdenes de magnitud inferiores a una longitud de onda de la luz y hacerlo con una medición absoluta.

Answer 2

Lamento ser el portador de malas noticias, pero te has topado con uno de los principales problemas del mecanizado: la repetibilidad. No es fácil de solucionar de forma rentable.

Lo que se suele utilizar son codificadores ópticos con rejillas de difracción. En una parte de la máquina se coloca una escala lineal y en la otra el cabezal de lectura del codificador. Normalmente se utiliza un láser para realizar incisiones microscópicas, llamadas marcas, en la escala. Cuando la cabeza lectora se mueve entre dos marcas de la escala, emite una onda sinusoidal debido a la difracción. Las marcas suelen estar alrededor de \$20\mathrm{\mu m}\$ aparte. Este es el aspecto que tienen:

Además, tendrá problemas de dilatación térmica. Una viga de aluminio de un metro se dilatará \$23\mathrm{\mu m}\$ por grado Kelvin / Celsius. Si las partes de su máquina están bien fijadas entre sí, las vigas se doblarán, debido a que las diferentes partes de la máquina tienen diferentes longitudes y la expansión es proporcional a la longitud. Por eso se utilizan agujeros más grandes que los pernos con arandela de goma para que puedan moverse, como se muestra en la patente estadounidense 6.058.618:

He intentado ser breve y señalar sólo los temas principales. He evitado cosas como los rodamientos, la calibración, el desgaste de las herramientas, etc. Espero que esto pueda orientarte en la dirección correcta. En definitiva, para resolver estos problemas hay que gastar mucho dinero. Sólo los codificadores son más caros que su máquina CNC.

Answer 3

Echa un vistazo a los sensores de arrastre o "codificador yo-yo".

Figura 1. Un sensor de tracción de cable. Fuente: Ingeniería Medioambiental .

No he podido encontrar una imagen de uno con pantalla incorporada, pero alguien debe estar fabricándolos.

Answer 4

¿Qué tal si Cinta codificadora lineal magnética ? A menudo se puede encontrar en eBay junto con los sensores asociados. La cinta está codificada con imanes de polos opuestos a una distancia fija entre polos. Un cabezal magnético independiente detecta las posiciones de los polos e interpola entre ellos para obtener una mayor precisión. La distancia estándar entre los polos de la cinta es de 1 mm, y hay disponibles interpolaciones de 10, 25 y 50 pasos entre los polos. La electrónica de control mide el movimiento del sensor en relación con la cinta magnética.

Answer 5

Si buscas lectores digitales (DRO) baratos, encontrarás los que tienen puertos de datos. No sólo proporcionarán los datos a través del puerto, sino en una pantalla LCD con opciones para poner a cero el eje:

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

Pueden utilizarse como sensores una vez acoplados a su máquina, y si los lee obtendrá una retroalimentación de bucle cerrado para su sistema de control que debería resolver sus errores de repetibilidad con una resolución mucho mayor que su objetivo de 0,1 mm.