虚拟坐标测量机方法中的自动建模技术

　　快速探测是提高坐标测量机测量效率的有效途径。然而在快速探测的过程中,测量机零件的惯性力和电动机产生的驱动力施加在整个机械结构上[2],产生的动态误差对测量精度有较大的影响[3]。虚拟坐标测量机方法就是预测快速探测中产生动态误差的一种方法,它可以描述测量空间内任意位置和任意探测方向的快速探测过程。

　　为了使快速探测真正在实际检测过程中得到应用,不仅要研究坐标测量机快速探测的动态误差对测量精度的影响,还要从虚拟坐标测量机系统的全局出发,充分考虑如何使其易于实际应用。由于坐标测量机的动态误差与测量机的状态、探测方向、工件的测量规划等因素密切相关,这样给动态误差的有限元分析工作带来很大的计算量。为了提高有限元分析的计算效率,除了提高有限元分析自身算法的效率外,还需要研究分析过程的自动完成方法,这样既可以减少分析人员的工作量,而且操作起来也会更加容易,其中自动建立坐标测量机有限元分析模型是一切后续分析工作的基础。

　　1　虚拟坐标测量机方法概述

　　本文所提到的是面向快速探测动态误差的虚拟坐标测量机系统(体系结构如图1所示),该系统可针对不同的测量任务进行虚拟探测,首先建立探测空间内任意位置坐标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,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。

　　2　建立坐标测量机几何实体模型

　　测量机具有多种多样的结构,以满足不同的测量任务的需求,如悬臂式、龙门式、桥式、镗床式等。本文的研究中采用的是一种桥式坐标测量机,图2为该类型坐标测量机的几何模型。它是一种应用较为广泛的移动桥式结构的测量机,有固定的工作台。主立柱、横梁和右支撑组成Y方向的移动桥架,主立柱与横梁之间、横梁与右支撑之间都由螺栓连接。桥架带动滑架及测头系统在工作台上滑动,形成Y坐标轴, Y轴为单边驱动;X滑架带动主轴及测头系统沿横梁运动,形成X坐标轴;Z轴在滑架内上下运动,形成Z坐标轴,所有相互运动的部件之间均由气垫支撑。为了有限元分析过程的有效进行,建模时需要做必要的简化。测量机的实际结构中有很多附件如蒙皮、管道、线路等,它们对整个机械结构的刚度影响很小,可以把它们简化为分布质点,通过修正主要零件的密度将附件的影响考虑进去。

　　根据坐标测量机机械结构及探测时的运动特点,把整机模型分解成4个主要部分:(1)工作台;(2)桥架单元:包括主立柱、横梁、右支撑、Y导向气垫,它们只作Y向运动;(3)X滑架系统:包括X滑架、X导向气垫、Z导向气垫,它们作X和Y两个方向的运动;(4)Z轴系统:包括Z轴和测头系统,它们作X、Y、Z三个方向的运动。各部分分别引入局部参考坐标系独立建模,再按照各部分之间的相对位置与姿态关系把它们装配起来,并使测头处于机械坐标系的原点(0,0,0),形成初始的整机几何模型。