面向快速探测的坐标测量机动态误差分析

　　通常的坐标测量机在锁定坐标值的瞬间,触测速度很低,一般小于5 mm/s,且是匀速运动,因此由运动引起的测量误差很小,这种测量过程可以近似为静态测量,所引起的误差称为静态误差。随着生产节奏的加快,在很多情况下要求坐标测量机快速测量,即在探测瞬时仍有较高的加速度[1]。快速测量过程中,由于惯性力和驱动力的作用,机体会有较大变形,而测头在触测时会产生动态误差[2],它对测量结果造成了很大的影响[3]。本文采用有限元方法分析计算快速探测过程的动态误差,便于开展后续的动态误差补偿工作。

　　1　快速探测过程中动态误差产生的原因

　　测量机的结构多种多样,分析所采用的是应用最为广泛的桥式结构测量机,见图1,底部是固定的工作台,桥架带动滑架及测头系统在工作台上滑动,滑架带动测头系统在桥架上滑动,Z轴在固定于滑架上的夹持体上沿Z方向运动,从而完成3个方向的探测工作。所有相互运动的部件之间均由气垫支撑,其中工作台为大理石材料,其余均为铝合金材料。

　　在快速测量过程中,由于坐标测量机的测头在触测工件的瞬间仍然处于加速状态,坐标测量机零件的惯性力和电机产生的驱动力施加在整个机械结构上,会导致测量机零件的变形和气浮导轨间隙的变化,最终导致测头的位置偏离[4],产生触点的动态误差,降低测量精度。由于静压气浮导轨摩擦系数极小,且动静摩擦系数之差几乎为零,所以运动速度差异导致的误差可忽略不计,另外测头本身的动态误差一般与触测的瞬时速度有关,可通过标定进行补偿。本文采用的虚拟坐标测量机方法(virtual-CMM,VCMM)主要用来预测和补偿快速探测过程中由于惯性力与驱动力引起的动态误差。VCMM方法可以对不同的测量任务进行虚拟探测,即在探测空间内首先建立任意位置的测量机几何实体模型,然后划分有限元网格,建立测量机的有限元模型,再指定探测的方向,对此模型进行分析,可以得到任意探测方向的测点动态误差。坐标测量机各主要部分间力与变形的关系示意图见图2。

　　2　快速探测动态误差的有限元分析方法及其要点

　　测量机产生一个测点的过程一般包含移动和探测。在移动过程中,测头以很高的速度移动到距离被测对象的一个合适的位置PW(等待位置)。探测运动是按空间指定直线方向进行的,在探测过程中,测头接近并触测被测对象产生测点PT(触测位置),见图3。由于测头达到PW位置时速度已经基本降为零,对后面的移动过程影响很小,因此只需分析探测过程产生的动态误差。

　　2.1　采用瞬态动力学分析方法预测快速探测的动态误差