长悬臂三坐标测量机测端抖动实时修正系统

    0　引言

    长悬臂三坐标测量机是设计用来在线测量工字钢结晶器内腔尺寸的专用坐标测量机,采用直角坐标系,触发式测头,高精度滚珠丝杠既是传动机构,配合角度编码器又是测量机构。为适应工业现场的恶劣测量环境,采用通用机械结构,普通加工精度,降低了成本。由于测量条件的限制,变截面悬臂长2m,末端测杆长0. 7m。结构如图1所示。

    测量机测量过程中由于各轴运动不平稳装在测杆末端的测头会产生抖动,直接影响测头采样精度,为了消除测头抖动对测量精度的影响,本文结合有限元分析了造成抖动的主要因素,基于面阵CCD和图像处理技术,建立测头中心偏离位移检测系统并建模,实时检测测头触发瞬间测杆端部在空间3个方向的抖动位移,通过软件计算实时修正悬臂及测杆抖动对测量精度的影响。

    1　分析抖动产生原因

    测量机运行时,由于丝杠传动的不稳定和导轨导向的非理想性,各轴运动速度不平稳,加速度大小方向交替变化,导致悬臂和测杆上产生随加速度变化的惯性力,悬臂上惯性力的变化激励悬臂扰曲变形,测杆上的惯性力的变化激励测杆扰曲变形和导致悬臂末端产生扭转变形,最终导致测杆端部产生空间抖动,为了定量分析悬臂和测杆上的惯性力对测杆末端抖动的影响,本文采用有限元软件模拟悬臂和测杆在惯性力激励下的扰曲和扭转变形情况。如图2所示。

    从图2中可以看出,水平悬臂在XOZ平面的扰度、测杆在XOY平面的扰度、悬臂末端绕Y轴扭转造成测杆末端在X轴方向的偏移和悬臂末端绕X轴的转角造成测杆末端在Y轴方向的偏移是影响测头中心采样偏离实际位置的主要因素。由于测量机运行非理想平稳,作用在悬臂和测杆上的惯性力也随之改变,导致扰曲和扭转变形不恒定,故测头每次采样触发瞬间测头中心偏离理想位置的位移不一样,故必须对采样瞬间测头偏离位移进行实时检测和修正。

    2　测端抖动实时检测系统工作原理

    为了提高测头采样精度,必须消除测杆末端空间抖动对测量机精度的影响,本文设计了悬臂和测杆变形实时检测系统,系统结构组成如图3所示。结构安装如图4所示。悬臂扰曲变形时其固定端转角很小,可以忽略不计,所以该系统中把半导体激光器安装在悬臂的固定端用以提供测量直线基准,面阵CCD固定在悬臂的末端随之一起抖动,测杆上的一路测量系统装在测杆里面,激光器装在测杆固定端随悬臂末端一起抖动, 2路激光测量系统协同工作,在测头采样触发信号的控制下同时采集图像信号,经计算机软件处理测量出抖动过程中测头中心相对于稳定状态的偏移。