快速探测三坐标测量机特性参数优化研究

　　0　引言

　　现代制造业的发展要求三坐标测量机(简称测量机)在高速测量状态下仍然能实现高精度、高可靠性测量[1,2]。在高速测量过程中,测量机各组成部分的综合动态特性成为影响测量机动态测量精度的主要因素。三坐标测量机各组成部分的质量和刚度不同,在不同的测量位置,其空间结构对测量机动态测量精度的影响也不同。目前,人们对测量机动态误差的研究远不如对静态误差的研究那样深入,大多数研究没有综合考虑测头动态特性、各单项误差之间的相关性和测量机Z轴在空间的不同位置对测量机动态测量精度的影响[3,4]。测量机在测量过程中涉及多项误差因素,这些误差因素与测量机的移动速度、加速度、驱动方式、测头空间位置、触测速度、气浮导轨的刚度等有关,本文对测量机的这些特性参数进行了理论和实验研究,获得了它们的最佳组合,使测量机在实际测量中能获得高动态测量精度。

　　1　三坐标测量机的动态误差与特性参数关系分析

　　1.1三坐标测量机动态误差源分析

　　本文研究的MC850三坐标测量机是典型的单边驱动移动桥式结构测量机,其结构如图1a所示。当测量机沿X方向加速运动时,移动桥架本身、滑架及Z向主轴的分布质量作用在移动桥架上,将带来附加的惯性力。由于结构件和导轨支承系统的刚度有限,惯性力的作用将使桥架和滑架等产生相对于气浮导轨处的偏转和桥架本身的弯曲变形。X方向的测量线与测量基准线不重合,存在较长的阿贝臂。同时,测量机在不同的移动速度下,气浮导轨摩擦力不同,因而导致测量机的偏转误差也不同。Z向立柱具有一定重量,当测头处于不同Z向位置时,立柱所处位置也不同,这样桥架的稳定性和偏转角也会产生变化,导致测头定位误差发生变化。同样,当测量机沿Y方向移动时,Y方向的测量光栅与测头测量线之间也不重合,存在阿贝臂,Z向主轴在横梁上的位置和伸出长度以及气浮导轨摩擦力会影响Y向动态测量精度。测量机沿Z方向移动时,Z向主轴在横梁上的位置和气浮导轨摩擦力会影响Z向动态测量精度。对于测头本身,移动速度的提高和惯性力的作用会对测头的动态特性产生一定影响,如测头接触力、冲击力、测头等效直径的变化等。根据以上分析,得到如图1b所示的移动桥式三坐标测量机动态误差源及其相互关系。

　　1.2　动态误差源与特性参数的关系

　　1.2.1　导轨支撑系统相关的特性参数

　　MC850三坐标测量机三轴的运动导轨均采用空气静压气浮导轨,由气浮轴承和花岗岩平面组成。气浮导轨的刚度及工作稳定性直接影响到桥架和滑架等相对气浮导轨的偏转角的大小和惯性力的作用方向,最终影响测量机机体的运动精度。本测量机属于单边驱动,在不同移动速度下,驱动电机的加速度曲线不同,这样驱动力与惯性力形成的力偶不同,力偶激励引起的测量机的振动幅值也不同[5,6],所以测量机存在着使测量机振动幅值为最小的最佳临界移动速度,因而必须选择合适的移动速度使气浮导轨刚度引起的振动对测量精度的影响最小。