关节坐标测量机研制中圆光栅误差修正技术

　　0　引言

　　非正交坐标测量机是近十几年来发展起来的一类移动、便携式的测量系统。关节坐标测量机是一种典型的非正交坐标测量机,它仿照人体手臂的关节结构,将三个杆件和一个测头通过六个旋转关节串联起来。与传统的正交坐标测量机相比,它具有机械结构简单、体积小、质量轻、测量范围大、灵活方便等优点。

　　然而,关节坐标测量机这种串联式开链连杆结构的特点,决定了其具有误差传递、放大等缺点,所以在加工、装配等环节必须严格控制零件及装配过程中可能引起的误差。本文从关节坐标机的原理组成出发,分析了各误差组成,重点论述了圆光栅分度误差的测量及其修正原理、过程和结果。

　　1　关节坐标测量机原理及组成

　　测量机由三根刚性臂、六个活动关节和一个接触测头组成。三根臂相互连接,其中一根为固定臂,它安装在任意稳定基座上支撑测量机的所有部件;另外两臂为活动臂可在空间任意位置旋转,以适应测量需要,其中一活动臂为中间臂主要起连接作用,另外一根为末端臂并在尾端安装测头。第一根支撑臂与第二根中间臂之间、第二根中间臂与第三根末端臂之间、第三根末端臂与测头之间均为关节式连接,可做空间回转,而每个活动关节装有相互垂直的、测量回转角的圆光栅测角传感器,可测量各个臂和测头在空间的位置。关节的回转中心和相应的活动臂构成一个极坐标系统,回转角即极角由圆光栅传感器测量,而活动臂两端关节回转中心的距离为极坐标的极径长度,可见,该测量系统是由三个串联的极坐标系统组成,当测头与被测工件接触时,数据采集系统采集6个角度信号并传给PC机,根据所建立的数学模型进行坐标变换,计算出被测点的空间三维直角坐标。

　　图1为测量机机械部分结构图,整个测量机由以下几个部分组成:

　　1)支撑部分。由重量轻、稳定性好的三根测量臂和6个活动关节组成,为测量机驱干系统,并用底座予以固定。

　　2)测量系统。由接触式测头和6个圆光栅传感器、两个温度传感器及调理电路组成。

　　3)测量软件。测量数学模型及软件,坐标转换数学模型。

　　4)CAA系统。误差修正数学模型、修正软件及误差分离在线传感技术。

　　5)计算机。

　　2　关节坐标测量机误差分析

　　一般说来,关节坐标测量机的主要误差包括:①标尺误差,包括角度传感器的误差;②测头探测误差,对于不同的测头,探测误差也不同;③结构参数误差,包括杆件长度误差、杆件扭角误差、偏置量误差等;④关节误差,包括径向跳动、轴向跳动、摩擦、变形以及关节的回转误差(轴的倾侧);⑤弹性变形误差,由部件的自重、操作力、测量力、加速度产生的力等引起;⑥热变形误差,由测量机外部温度、工作温度与内部热源等引起;⑦由环境影响产生的误差,环境影响包括振动、尘土、运行条件等。上述误差组成中,从性质上又可分为系统误差和随机误差两类。本测量机系统误差主要有:①角度编码器系统误差(包括关节零位误差);②各相邻关节轴线不垂直度误差;③各杆件有效长度误差;④各相邻关节偏置量误差;⑤环境(特别是温度)产生的系统误差。主要随机误差源有:①6个角度编码器输出读数随机性误差;②6个关节间隙晃动(包括径向跳动和轴向窜动)引起的随机性误差;③测头探测引起的随机性误差;④环境影响产生的随机误差。环境引起的误差既有系统误差又有随机误差。