快速探测的坐标测量机动态误差计算分析

　　1　引言

　　坐标测量机作为一种高效、精确的测量设备,其测量精度的提高一直是人们关注的重点。坐标测量机不应仅停留在低速下达到足够的测量精度,在很多情况下,测量精度和效率都是最主要的需求。目前工作在生产线上的坐标测量机,移动速度可高达700mm/s以上,而其测量速度仅为3~5mm/s,若能提高其测量速度(如达到50mm/s),则坐标测量机的工作效率将大大提高。快速探测是提高坐标测量机测量效率的有效途径。

　　目前,国内外很多研究者从不同的角度对快速探测误差的预测和补偿进行了研究,但是研究工作一般仅限于对某一特定的测头位置和工况的误差分析。而实际上坐标测量机有较宽广的测量工作空间,随着测头位置的移动,机体的模型及其机械振动特性发生较大变化,因而需要采取快速探测时动态误差的完整的描述方法。采用虚拟坐标测量机,即是着眼于测量机的全部工作空间和任意的三维探测方向,使其更接近于坐标测量机快速探测时的工作状况,易于实际应用。本文的工作是整个虚拟坐标测量机方法的一部分,采用有限元分析计算快速探测过程的动态误差。

　　2　快速探测动态误差的FEM及其要点

　　2·1　瞬态动力学分析方法的应用

　　在快速测量的过程中,由于坐标测量机的测头在触测工件的瞬间仍然可以处于加速状态,坐标测量机移动部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,因此会导致测量机零件的变形和气浮导轨间隙的变化,进一步导致测头的位置偏离,触点误差增大,降低了测量精度。

　　瞬态动力学分析能够确定结构在承受任意随时间变化的载荷时的动力学响应,因而本文采用瞬态动力学分析法对完全动态的快速探测误差进行了分析,通过有限元方法(FEM),预测测头位置的动态误差随着动态负载在时域内的变化,从而预测出完整的面向快速探测的动态误差。为适应不同的测量任务,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,如图1所示。它的工作台固定,桥架在工作台上滑动(Y向),滑架带动测头系统在桥架上滑动(X向),测头固定在滑架的夹持体上,沿Z方向运动,从而完成三个方向的探测工作。所有相互运动的部件之间均由气垫支撑。

　　2·2　分析过程的非线性特性

　　由于采用接触单元法对相互运动的表面进行处理,因此分析过程引入了非线性行为。考虑到测量过程的实际情况,无论气垫的变形怎样,气垫和相互运动的部件之间总是处于接触状态,因此在控制它的接触行为时,采用了“不分开接触”的作用模式,并且要定义合理的接触距离容限,以使程序认为接触单元总是接触的。