三坐标测量机运动精度的描述

测试・试验

三坐标测量机运动精度的描述3

天津大学精密仪器与光电子工程学院　　董晨松　曲　军　汪健新　张国雄　穆玉海

[摘要]　参考机床爬行的描述方法,对三坐标测量机的运动精度进行了分析。用激光干涉仪对某一轴的运

动精度进行了测量,指出了此时影响运动精度的因素。提出了改进移动桥式三坐标测量机设计的措施。为

移动桥式三坐标测量机实现高速测量状态下的高精度提供了依据。关键词　三坐标测量机　运动精度　动态误差

[Abstract]　Inreferencetothedescribingmethodofthecreepingofmachinetools,amotionaccuracyanalysisofa3-Dcoordinatemeasuringmachine(CMM)ismade.Themotionaccuracyofoneaxisismeasuredwithalaserin2terferometerandthefactorsaffectingmotionaccuracyaregiven.ThemethodofimprovingthedesignofamovingbridgetypeCMMisproposed.Withthismethod,thehighaccuracymeasurementofthemoving-bridge-typeCMMisproposed.Withthismethod,thehighaccuracymeasurementofthemoving-bridge-type3-DCMMforfastprobingispossible.Keywords:　3-D　　motionaccuracy　　dynamicerror　　随着工业生产要求的提高,发展高速三坐标测量机已经成为三坐标测量机工业发展的必然趋势。对于三坐标测量机的动态特性和动态误差的研究引起了越来越多的人们的重视,已经有不少学者作过研究。普遍认为:由于惯性力而产生的各运动部件的弯曲和气浮导轨的偏转是造成动态误差的主要原因[1,2,3]。由于动态误差的规律比较复杂,不可能有一个通用的规律适用于所有的三坐标测量机。所以对不同类型的三坐标测量机研究动态误差的方法也不同。了解测量机沿各方向的运动精度对了解三坐标测量机动态误差的大小是十分必要的。

本文研究的三坐标测量机的结构为移动桥式结构(如图1所示)。整个桥形框架沿X向气浮导轨移动,Y向移动是滑架沿桥架横梁的运动,Z向

运动由安装在滑架上的Z轴产生,所有导轨都是气浮支承。1　运动精度的描述方法

对于机床的运动精度通常是通过描述其爬行现象来表示的。一般有两种描述方法:位移—时间(S—T)曲线和速度—时间(v—T)曲线(如图2所示)[4]。造成机床爬行的因素较多,实际情况也比较复杂。通常S—T及v—T曲线无简单明显的规律性,虽然给定了每个瞬时运动部件所处的状态,但未能给定每个瞬时机床的实际状态和理想状态的偏差程度。这种偏差较之S—T及v-T曲线更能清晰反映机床运动不均匀性特征。要确定这种误差,需要先确定机床的理想运动曲线。S—T曲线末端和原点的连线作为此段落内的理想位移时间(S3—T)曲线,而S—T曲线末端位移坐标与时间坐标的比值v3可作为此段落内的理想速度,这样就可以方便地在S—T及v—T曲线上得出S3—T及v3—T曲线,以此作为与实际运动曲线比较的标准,如图2中的虚线所示。

若要进一步分析整个过程中误差变化情况,则可做出位移误差曲线和速度误差曲线如图3所示。dS表示实际位移与理想位移(S-S3),之差。dv表示实际速度与理想速度(v-v3)之差。爬行误差曲线更清楚地反映出爬行频率特征,因而在一定程度

图1　移动桥式结构

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天津市21世纪-青年科学基金项目

三坐标测量机运动精度的描述3

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图2　运动曲线比较

上反映系统存在缺陷。它为查找产生爬行原因、鉴别导轨性能、判断传动链精度及运动系统改进效果提供了重要依据。

图4　理想S-T曲线

(a)　dS-T曲线　　　(b)　dV-T曲线

图3　位移误差曲线与速度误差曲线

以上讨论了机床爬行的描述方法。对于三坐标测量机沿某一轴的运动精度可以仿照机床爬行的描述方法来进行描述。实验用的三坐标测量机采用了光轴斜轮式摩擦传动方式。这种光轴斜轮式摩擦[5]传动具有以下优点:

①　结构简单;②　传动平稳;传动噪音小;③　过载时能自动打滑保护;

④　不需另外增加一套减速机构即可实现微动进给。

一般来说,三坐标测量机运动的控制和加工机床不同。对于三坐标测量机,准确地知道测量点处的偏差就足够了。测量点处的偏差一般不是时间的连续函数[2]。由于三坐标测量机的读数是由沿驱动机构运动方向的标尺来读取的,所以三坐标测量机驱动机构本身的运动情况与测量误差无直接关系。然而在大多数情况下,坐标测量机的直线运动可以表示成为一个运动部件的两个端点在导轨面上移动。三坐标测量机的运动直线度会影响测量机运动部件的偏转情况。

通过对各运动部件绕驱动机构运动方向的动态偏转进行测量,就可以得到实际测头处的位移变化情况。

2　实验过程及结果

以Y向运动情况为例进行了测量。Y向运动的理想位移情况如图4所示。设测头到Y向标尺间距离为H,Z轴绕X轴偏转为εx(y),则测头处的位移

误差为:

δ(y)=ε(1)x(y)・H

采用Renishaw激光干涉仪对三坐标测量机的动态误差进行测量。通过测量运动部件之间的相互偏转来间接得到测头的动态位移误差。借助于一安装杆将角度反射镜安装在Z轴的下端,反射镜垂直于工作台放置,角度干涉镜借助于支架安装在测量机工作台上。让测头以一定速度和加速度沿y轴方向作往复直线运动(由机器程序控制)。这里速度为40mm/s,加速度为40mm/s2。在测头运动的同时,运用Renishaw激光干涉仪测量软件的动态测量功能进行动态采数,每0.1s采一个点。测得动态偏摆角

(b)回程位移误差情况

图5　去程和回程误差变化

　・34・《航空精密制造技术》1998年第34卷第1期

位移量εx(y)由公式(1)可以得到去程和回程的位

(b)所示。移误差δ(y)的变化分别如图5(a)、可以

看出:位移误差的最大值可达1.7μm。3　结论

从我们的实验可以得出以下结论:由于移动桥架Y向本身刚度很高,所以造成Y向位移误差的原因是滑架本身运动过程中有一定的爬行现象,造成Z轴绕X轴的转动。由于这台三坐标测量机运行速度较低,误差值比较小,但是如果对于高速三坐标测量机,运动精度问题就应引起我们的重视。在三坐标测量机的设计、制造过程中,要注意以下几点:

①　选用高刚度的服伺电机。

②　合理调整气浮块的配置,即气浮块间距,气隙大小等。

③　保证良好的力平衡和力矩平衡,避免出现

大的偏心现象。

④　减小运动中的阻尼;保证良好的润滑。

参　考　文　献

1　NijsJFC.de.ModelingofaCoordinateMeasuringMa2chineforAnalysisofItsDynamicBehavior.AnnalsoftheCIRP,1988,37:507～510

2　WeekersWG,SchellekensPHJ,AssessmentofDynamicErrorsofCMMsforFastProbing.AnnalsoftheCIRP,1995,45:469～474

3　MuYH,etal,DynamicErrorCompensationofCMMsforFastProbing.SPIEProceedings,1996,2899

4　蒙文舜,贾友义1机床爬行的描述及数据处理1机械设

计,1993(5):42～44

(收稿日期-1997-07)

摩擦搅动焊———一种新的焊接工艺(FrictionStirWelding)的新焊接工艺。采用英国焊接研究所(TWI)研制开发出一种称为“摩擦搅动焊”这种工艺技术,可对以前被认为是“不能焊接”的2000及7000系高强度铝合金进行焊接。

“摩擦搅动焊”是一种固相过程,其实质是通过工件与转动工具间的摩擦产生足够的热量来将工件两部分连接在一起,其中的关键技术仍处于保密状态。

据报道,这种焊接法是让金属“塑化”而不是熔化,使表面氧化物破坏而进行分子间的接合。一个自耗的金属转动工具在两个连接表面上留下接合层,这种工具十分简单,焊接时无火焰、无保护气体、无电弧,也没有不需要的连接层。

目前,这种工艺在航空航天领域的应用已达到试生产阶段。TWI用此法为波音公司生产了3个2000系铝合金航天飞机油箱。压力破坏试验表明:金属几乎仍处于退火状态,破坏出现在“轻微的热影响区”,而不是在焊缝处。

验证试验表明:这种焊接的疲劳强度偏差值“极小”,不经修正就有很高的表面粗糙度,焊前焊后的处理工作大为减少。

摩擦搅动焊可用于厚度1.5～18mm之间的材料,理论上的最大使用厚度达37.5mm。目前TWI公司已用其试生产设备焊接出3m×2m×6m的铝合金壁板,变形极小。对于高强度铝合金的连接,该技术将是唯一可行的避免大量使用铆接的方法。

目前对于摩擦搅动焊的研究正转向将其应用于钛合金。

安　卫摘自《航空周刊》,1997,12.(18):8～9