长悬臂坐标测量机动态力引起的误差分析与控制

　　引言

　　由于悬臂式测量机的悬臂处于不同位置时,测量机受力的位置和大小也会发生变化,产生的变形量属于复杂力变形误差,因而精度较差,只能应用于精度要求不高的场合[1]。对悬臂式测量机静态力的分布情况可以按照传统的力分析和材料力学的知识进行分析[2~3]。本文研究的测量机悬臂长2 m, 属于长悬臂和弱刚度结构。与龙门式、移动桥式测量机不同,当悬臂式测量机沿3个方向移动时,所承受的动态力产生的振动会通过立柱、悬臂和测杆机构传递到测端,并被放大,引起测头产生3个方向附加的振动,产生测量误差,因此有必要对悬臂式测量机动态力作用引起的测头测量误差产生机理进行研究,并通过一定的措施减小该误差。本文针对自动测量工字钢结晶器内腔尺寸的专用长悬臂坐标测量机,对动态力来源、测头三维附加振动误差来源、悬臂测杆系统的振动模型和振动控制措施等进行详细的研究。

　　1　长悬臂坐标测量机结构

　　测量机测量范围650 mm×510 mm×782 mm。由于被测工件的结构和现场工作环境的限制,本测量机采用长悬臂结构,悬臂长2 000 mm,如图1所示。悬臂式三坐标测量机主要由Z向立柱,X、Y、Z向滑座,悬臂,X、Y、Z向滚珠丝杠,X、Y、Z向滚动导轨,交流伺服电动机,测杆测头以及X、Y底座等部分组成。为了减少Y和Z轴的质量, Y轴底座和Z轴立柱采用工字型结构,利用加强筋提高底座和立柱的强度。悬臂采用铝合金制造,在立柱的另一侧采用平衡块(图上没有画出)进行平衡。测量机的触碰速度为5 mm/s。

　　2　动态力分析

　　2·1　测量机系统惯性力

　　测量机动态力的一个来源是测量过程中速度变化引起的惯性力。从图1中可以看出,当测量机沿X、Y、Z3个方向运动时,悬臂、立柱、Z向和Y向滑座和底座的质量分别作用在X向、Y向、Z向底座和导轨系统上,当运动速度(加、减速)变化时将带来附加的惯性力。由于悬臂、立柱、滑座、底座和滚动导轨系统的有限刚度,惯性力的作用将使悬臂、立柱产生相对于各个方向滑座和底座的偏转和本身的弯曲变形,由此产生测量动态误差。测量机进行测量时触碰速度越小,惯性力产生的测量误差也就越小。

　　2·2　滚动直线导轨副振动特性

　　从图1中可以看出,测量机各轴向运动是由交流伺服电动机通过滚珠丝杠带动滑座在滚动导轨上移动的。滚动导轨工作面存在着表面粗糙度与直线度,导轨存在着安装偏差,伺服电动机的驱动力和滚珠丝杠副的误差等都是引起滚动导轨振动的激励源,因此滚动导轨存在振动特性。测量机各个方向的滑座都是固定在4个滑块上。当测量机分别沿X、Y、Z3个方向移动时,都会产生X、Y、Z方向的附加线位移x、y、z以及绕X、Y、Z轴转动的附加角位移αx、αy、αz,而且这些位移都是时变的,大小与各个方向工作台的荷重、各个方向导轨系统的刚度、阻尼系数、4个滑块的间距、滚珠丝杆副的刚度、阻尼系数及电动机的驱动力大小、转速等因素有关,直接影响测量机的动态测量精度[4~6]。