三坐标测量机动态误差源分析与建模研究.doc

1、 合肥工业大学硕士学位论文三坐标测量机动态误差源分析与建模研究姓名：赵静申请学位级别：硕士专业：精密仪器及机械指导教师：费业泰20050401三 坐 标 测 量 机 动 态 误差 源 分 析 与 建 模 研 究现 代制 造 业的发展 对三 坐 标 测 量 机 提 出 了更 高 的测 量 速 度 和 精度 要求 ， 但测 量 机 的动 态 特 性限 制 了测 量 机 测 最速 度 的提 高 ， 其 根 本的原 因 是 测 量 机 动 态误差 对测 量 精度 的影响 。本论 文 以 测 量 机 动 态 特 性分 析 为实验 基础， 以 测 量 机主要动 态 误差 源 分 析 为理 论 基础， 以

2、测 量 机 速 度 参 数和 空 间 位 置 为关 键因 素 来进行 测 量 机 动 态 误差 源 分 析 与 建 模 的研 究 。头 作 用 直 径的概念 ， 并 分 析 速 度 参 数对作 用 直 径的影响 并 建 立 了理 论 模 型 。对于机 体 结 构 ， 研 究 了机 体 动 变形的产 生机 理 并 建 立 机 体 结 构 动 变形与 位 移 误差转 换 模 型 ， 从 理 论 上 验 证 机 体 动 变形的空 间 相 关 性。的实际 位 移 ， 并 与 光 栅系 统 的读 数相 比较 ， 二 者 之 差 为单 轴 动 态 误差 。根 据 标 准 处 理 实验 数据 ， 从 而分

3、析 出 不 同 速 度 下测 量 机 的单 轴 稳 定 性及 空间 相 关 性。此实验 系 统 还 可 作 为测 量 机 动 态 校 准 系 统 ， 为分 析 动 态 误差 特 性及构 成 、 验 证 动 态 误差 补 偿 的可 行 性提 供 途 径， 从 而实现 比现 行 静态 校 准 方 法 更精确 的动 态 校 准 。关 键词： 三 坐 标 测 量 机 ， 动 态 误差 ， 测 头 ， 误差 补 偿 ， 动 态 校 准 畉 ： 合 肥 工 业 大 学本 论文经答 辩委员 会 全 体 委员 审 查， 确 认 符 合 合 肥 工 业 大 学 硕士 学 位论文质 量要求 。图 夤 弁 肌 图

4、图 图 项 误 差 单轴 示 意 图 图 触发式 测 头 结构 简 图 ： 一 图 尺 寸测 量 外 尺 寸 内 尺 寸 问 圆 舛 俗 饔 弥本 禿 的 影 响 图 机体 结构动 变 形 产生 机理 示 意 图 图 表 瓴 饬 炕 慕 峁 共 问 图 际踔 副 辍 本 人声 明所 呈 交的 学 位 论 文 是本 人在导师 指 导下进行 的 研 究工 作及 取 得的 研 究成 果 。据 我 所知， 除 了 文 中 特别 加 以标注和 致谢 的 地方外， 论 文 中 不 包 含 其他人已 经 发表 或撰 写过 勺 研 究成 果 ， 或其他教 育 机 构的 学 位 或证 书 而 使 用过 的 材

5、料 。与 我 一 同工 作的 同 志 对本 研 究所 做 的 任 何贡献均己 在论 文 中 作了 明确 的 说 明并 表 示 谢 意 。学 位 论 文 版权使 用授 权书 艿 难 宦 畚脑诮 饷 芎 笫视帽 臼谌学位 论 文作者妊 恕舒感 谢仪器 仪表 学 院实验 中 心 主任 王宏 涛 高 级工 程师 ， 本 论文的 实验 工 作 得到 了王老 师 的 积极 配 合 和 帮助 ， 王老 师 务 实的 工 作 作 风 、 丰 富 的 实验 经验 、 高超 的 实验 技术 给我 留下 了深刻 的 印 象。 感 谢青岛海 克 斯 康 公 司 韩建新 部 长 、 李尚 勇工 程师 、 杜 旭 光 工

6、 程师 对 本 文研 究工 作 提 出 的 宝 贵 建议和 大 力 支 持 。感 谢马修 水教 授、 陈 晓怀 教 授在 课 题 迸 行中 给予 的 关 心 和 帮助 。感 谢爸爸、 妈妈、 姐 姐 对 我 的 支 持 和 理解 ， 感 谢一切 曾经鼓励、 支 持 和 帮成 ： 主 机 偶 堋 脊 臁 魈 、测 头系 统 、测 量 系 统 话 阄 9 庹 低 、驱动 控 制 系 统 和 测 量 软 件。 桥 架 和 工 作台 组 成 测 量 空 间 ， 被测 工 件放 置 于 测 量空 间 内， 导轨系 统 话 阄 F 脊 支 撑三轴 ， 驱 动 控 制 系 统 驱 动 三轴 带 动测 头在测

7、 量 空 间 内做三维 运动 ， 测 头跟 踪 待 测 点的位置 ， 光 栅 测 量 系 统 记 录三轴 坐 标 ， 测 量 软 件通 过 一定 算法 ， 由 各点坐 标 计 算被测 的几 何 尺 寸 、形状 和 位鼹 并 给出 测 量 结 果 。 各个组 成 部 分 功 能 的实现方 法 、规 格 及 精 度 的不同 ， 决定了 测 量 机 的规 格 、总 体精 度 和 性能 的差 异。 年 ， 英国 速度 陀 痵 ，一 般 为 送 行 触 测 ，获取被 测 点 坐 标 值 。 这是 指在 动态 状态 下 ，测 量 机 输 出 测 量 信 号 的 响 应 能 力 。 在 规 定 范 围 内

8、，测 量 机的 稳定 性 与精度 等均应 满足 给 定 的 指标 ，但可 惜的 是 目 前 尚 未 能 给 出 三 坐 标 测量 机 的 动态 特性 指标 。 尽 管已给 出 的 静 态 特性 指标 可 以满足 静 态 测 量 或 低 速 状态 的 所谓准静 态 测 量 需要 ，但在 提 高 测 量 速 度 后就 必 须 给 出 其 动态 特性 指标 。其 中关 键问 题 是 研 究在 不 同 速 度 下 的 测 量 机 的 系 统 稳定 性 响 应 、测 头触 发响 应和 测 量 信 号 输 出 的 响 应 等特性 ，所有 这些 响 应 最 终 表 现为测 量 结 果 的 精度 即测量 机

9、的 动态 测 量 不 确 定 度 。 这正 是 目 前 尚 处 于 起 步研 究的 热 点与难 点问 题 。一般 而 言 ，提 高 测 量 机 测 量 速 度 的 途 径之 一是 减 轻 运 动部 件的 质 量 ，提 高其 运 动与探 测 速 度 。 减 轻 运 动部 件质 量 往 往 伴 随着 构件截 面 的 减 小与刚度 的 下降，而 提 高 运 动与探 测 速 度 伴 随着 如 速 度 与惯 性 力 的 增 大 、振 动的 加 剧 ，二 者构成 一对 矛盾 。 如 何解 决 这对 矛盾 要 求 对 测 量 机 机 体的 动态 特性 有 更 多 的 研 究。一 类 为 自 下 而 上 建

10、模方 法 。 公司 推出的高 速 扫 描 测 头 也是 采 用 通 过 对 动 态误 差进 行动 态数据 处 理的方 法 ，联合 高 性能 的控 制器 来提 高 动 态测 量 精度 的。 其原 理就 是 基于测 量 机动 态误 差的重复 性，将工件 在低速 和高 速 下测 量 两次 ，将二者 之差作为数 据 存储在 控 制系 统 中 ，然 后在 测 量 同 类 型 的工件 时自 动 进 行动 态误 差的补偿 ，使 测 量 结果 在高 速 下仍 能 获得 与低速 测 量 条 件 下同 等 的精度 。 这 种 方 法 虽然 只偿 方 法 ，所 以 具 有 较 高 的补偿 精度 。 德国蔡 司 公司

11、 提 出一 种 动 态测 头 校 准的基于 对 三坐 标 测 量 机动 态误 差更加深入 豹 理论 与实 践 研 究 。 合 肥 工业大 学费 业泰教 授 与中 国台 湾远东 机械学 院 合 作，从 年 起至 共 同 主 持连 续申 请 了 三项中 国台 湾科 学 技 术 委 员 会 研 究 计 划三次 元测 量 仪 动 态误 差之研该 研 究计划的 通过对 三 坐 标 测 量 机 动态 特性 的 研 究，找 出 主 要动态 误 差源 ，在对 动态 数 据 进 行误 差分离基础 上，参 考 测 量 不 确定 度 评 定 原 理 ，依 据 动态 测量 数 据 及 误 差，提 出 三 坐 标 测

12、量 机 动态 测 量 精 度 评 定 的 原 理 及 方 法 ，使 得 三 坐标 测 量 机 的 动态 误 差补偿 得 以 实 现 。 该 研 究能 提 高 测 量 机 的 动态 特性 ，对 提 高测 量 机 测 量 效 率 ，对 使 测 量 机 进 入 柔 性 制造 系 统 具 有重 要意 义。此 研 究内 容还 得 到了 国家 自 然 科学 基金 项 目 ： 动态 测 量 误 差分解与 溯 源 不确定 度 研 究 的 支 持 。本 论 文 研 究目 的 在于 ： 全面 了 解处于 动态 状 态 下 的 测 量 机 的 特性 与 精 度 。分析各 种 运 行参 数 、 测 量 机 结 构 参

13、 数 及 环 境 因 素对 测 量 机 动态 特性 及 动态 误 差的 影响。 从 动态 误 差源 分析入 手 ，深 入 研 究主 要误 差源 的 误 差建模 理 论 ，掌 握和 控 制这些误 差影响的 理 论 与 技 术，为进 一 步提 高 三 坐 标 测 量 机 的 动态 精 度 提供 依 据 ，为实 现 动态 误 差补偿 做出 新的 探 索 。 研 究的 最 终 目 标 就 是 要使 三 坐 标测 量 机 在高 速 运 行状 态 下 仍能 保 持 高 精 度 ，通过改进 设计和 动态 误 差补偿 ，降低 动态 误 差。 研 究的 具 体 内 容包括：第 二章 三 坐标测 量 机 动 态

14、误 差 源 分析： 阔 的 测量 空 问。 但 是 这 种 结构形 式存 在 一 定 的 缺点 ：驱动 系 统 采 用 步 进 电 机 驱动 ， 步 进 电 机 可 直 接 以数 码 形 式 表 示 的 位移指 令 转 换 为传 动 机 构 是 本 测量 机 改 造 的 一 个 重要 部 分 。将原岷 蛕轴的 钢 带 传 动 改 为 采 用强 力层， 外 面 用 橡 胶 包 覆， 带 的 工作 面 作 出 齿 形 ， 与 齿 形 带 轮 作 啮 合 传 动 。由 于 钢 丝绳 的 作 用 齿 形 带 在 承 载前后周 节 不 变 ， 带 与 带 轮 之间 无 相 对滑动 ， 因 此 主 动 轮

15、 与 从动 轮 能 同步 传 动 ， 与 锅带 相 比 ， 齿 形 带 没 有 相 对打 滑。传 动 比 准 确 ， 传 动 精 度 高， 且牵引 力更 大 ， 更 适 合 高速 机 。此 外 ， 当 滑架 运 动 受到 阻 碍 时 ， 齿 形 带 仍 然 可 以脱 齿 打滑， 有 一 定的 保护 作 用 。按照 岷 蛕釉 的 传 动 机 构 ， 该 测量 机 的 移动 速 度 可 达到气浮 导 轨 由 于 其 摩 擦系 数 小， 工作 平稳 ， 运 动 精 度 高， 磨 损 小等 优 点 在 测量 机 中是 最 广 泛 采 用 的 导 轨 形 式 。本 测量 枫三轴的 运 动 导 轨 均 采

16、 用 空 气静压 导 轨 。高压 气体通 过 空 气轴承 中 细 小的 气眼进 入工作 面 与 导 轨 面 之间 ，形 成 均 匀 的 气隙 ，可 起到 承 载、导 向和 压 紧 的 作 用 。在 压 力正 常 的 条件 下 掌岢 械 恼 髌对 之 间 。保证压 缩 空 气的 纯 挣及 导 轨 面 的 平面 度 是 空 气轴承 正 常 工作 的 关键 。对整个 测量 机 而 言 ， 各 轴空 气轴承 的 布 局 及 气垫气隙 的 调攘 ， 对测量 机 三轴的 运 动 平稳 、减 小各 轴联 接 处 的 转 角 误 差， 提高测量 机 的 运 动 精 度 有 着 重要 的 作 用 。分 度 测座

17、 ， 它 将整合 在 一 起， 可 实现 两个 方 向的 分 度 蔽 。测 量系统 是 测 量机 的 重要 组 成 部 分 ， 它 直 接 影 响 测 量机 的 精度 、 性 能 和 成 本， 因此恰 当地 选 择 测 量系统 ， 对于 提 高整机 的 精 度 十 分 重要 。 目前 用 得 最 多的 是 光 栅 系统 ，这是 因 为 它 有 许 多优 点 ：如 光 栅 尺 体 积小， 制 造 容 易 ， 安 装 比较方 便 ， 测 量精 度 高，所 得 到 的 电 信 号 容 易 细 分 等 。 但光 栅 尺 怕 油 污 和 灰尘 ， 需 要 一个 清 洁 的 工 作 环 境。本 测 量机 三轴 均 采 用 金 属 反 射光 栅 系统 作 为 长 度 基准， 光 栅 尺 栅 距 为光 栅 记 录 的 坐 标 不变 。 以 嵋 贫 獵 、 、然后 逐 字 读入内 存。