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影响三坐标测量机的精度和长期稳定性的因素

发布时间:2016-07-28 09:34:39

影响蔡司三坐标测量机的精度和长期稳定性的因素

  • 机械精度:

(一)21项蔡司三坐标测量机的机械制造误差。

  1. 静态误差:由定位误差(3个)+直线度误差(6个)+垂直度误差(3个)共12项误差组成。测量软件可进行补偿修正,但必须用双频激光干涉仪、激光准直仪、光学平尺等检测出误差值的大小,按照其补偿数学模型进行修正。

ⅰ. 蔡司三坐标的定位誤差

  •  δx(x) —沿X軸運動時延X方向的定位誤差; δy(y) —沿Y軸運動時延Y方向的定位誤差; δz (z) —沿Z軸運動時延Z方向的定位誤差。

ⅱ. 蔡司三坐标的直線度誤差

  •   δy(x) —沿X軸運動時延Y方向的直線度誤差;δz(x) —沿X軸運動時延Z方向的直線度誤差;δx(y) —沿Y軸運動時延X方向的直線度誤差;δz(y) —沿Y軸運動時延Z方向的直線度誤差;δx(z) —沿Z軸運動時延X方向的直線度誤差;δy(z) —沿Z軸運動時延Y方向的直線度誤差

 ⅲ .蔡司三坐标的垂直度誤差

  • αxy —X、Y軸間的垂直度誤差;αxz —X、Z軸間的垂直度誤差;αyz —Y、Z軸間的垂直度誤差。
  • 动态误差:

由滚转误差(3个)+俯仰误差(4个)+偏摆误差(2个)共9项误差组成。测量软件可进行补偿修正;但必须用双频激光干涉仪、激光准直仪、电子水平仪等检测出误差值的大小,按照其补偿数学模型进行修正。

ⅳ. 三坐标的轉度誤差(角运动誤差)

  • εx(x) —沿X軸轉動時繞X方向的轉動誤差(滚转误差);εy(y) —沿Y軸轉動時繞Y方向的轉動誤差(滚转误差); εz(z) —沿 Z軸轉動時繞Z方向的轉動誤差(滚转误差);εy(x) —沿X軸轉動時繞Y方向的轉動誤差(俯仰误差);εx(y) —沿Y軸轉動時繞X方向的轉動誤差(俯仰误差);εy(z) —沿Z軸轉動時繞Y方向的轉動誤差(俯仰误差);εx(z) —沿Z軸轉動時繞X方向的轉動誤差(俯仰误差);εz(x) —沿X軸轉動時繞Z方向的轉動誤差(偏摆误差);εz(y) —沿Y軸轉動時繞Z方向的轉動誤差(偏摆误差);

3.21三坐标项机械制造误差的产生原因

  • ⅰ. 三坐标静态误差:主要是花岗岩工作台、横梁和Z轴的制造误差;机械结构的装配误差
  • ⅱ. 三坐标动态误差:传动系统传动的平稳性及传动的方式(即中央或单边驱动);运动控制对于运动轨迹的控制能力;运动部分即移动桥的重量;运动部分即移动桥的结构重心的高低;运动部分即移动桥的的跨度的大小;机械结构的装配误差;机械结构的受力布局

a .三坐标三轴的气动

 空气轴承在三轴导轨面上的布局状况:受力的受力平衡、受力支撑点的数量及各受力支撑点的大跨距的分布,来提高运动部件的抗扭摆的能力

b.三坐标中央滑架的设计

中央滑架直接将横梁和Z轴两轴的运动相连接,其刚性结构的强弱,也直接影响着运动部分的结构动态变形、动态运动误差及其机械结构的长期稳定性。

c.三坐标横梁的设计               

  • 移动桥架的机械结构的其运动部分质量越轻,在高速、高加速度运动时所产生的惯性力越小,变形量也越小,特别是对于扫描测量,结构动态变形所引起的误差非常重要。

(二)三坐标机械结构的微观变形量

 主要由结构刚性、外力、自重、内应力及温度等变形构成;

  1. 机械结构刚性引起的变形量
  2. 材料自身内应力引起的变形量
     

三坐标主要是材料材质的质量和冶炼、铸造技术工艺所决定的。

  •  材料内部结构的微观离子的均匀性-------引起的材料内应力

ⅰ.三坐标热处理时效处理可取除95%以上的材料内部结构的应力;

ⅱ.三坐标振动时效处理采用振动实验台,利用高频的振动从而引起材料内部结构的微观离子分布变化,以达到取除材料内部结构的应力;

ⅲ.三坐标自然时效处理可取除残留的材料内部结构的应力

3.三坐标材料的热变形

  1. ⅰ.三坐标线性温度结构变形:由于材料存在“热胀冷缩”的物理现象,不同材料按照不同的热膨胀系数所进行的变形。线性温度结构变形可以通过测量软件进行完全修正。
  2. 机械结构的线性变形主要在于材料的热传导性的好坏。

ⅱ.三坐标复杂温度结构变形:由于材料结构内部所存在的温度梯度(即温度的不均衡)所造成的变形。

  1. 复杂温度结构变形无法通过测量软件进行完全修正。
  2. 复杂温度结构变形是由材料的热传导性较差所引起的。

ⅲ.三坐标在不同的材料之间,由于其自身的材料导热率、热膨胀系数的不同,其由于环境温度所引起的热弯曲变形量是不同的。

研究数据表明:三坐标铝导轨对热弯曲具有最佳的适应性。其热弯曲变形量是花岗岩的1/10,是陶瓷的1/6,是钢的1/18。

4.三坐标软件的温度补为适应于车间环境,克服温度变化所引起的变形,可进行线形或实时温度补偿。

(三)三坐标计量基准—光栅尺的变形

1.三坐标光栅尺的种类:

ⅰ.RENISHAW金属光栅尺:

ⅱ.HEIDENHAIN Aurodur金属光栅尺:

ⅲ.玻璃光栅尺:目前在三坐标测量机基本上已不太采用,主要用在小量程的光学影像仪。

2.三坐标的光栅尺的技术比较:

 

光栅尺系统

英国 Renishaw

德国Heidhan

玻璃光栅尺

1

 

工作原理

2

 

 

 

 

 

 

 

 

主要包括控制器、光栅尺、细分器、电机、驱动器和操作盒组成。

  • 控制器由PC控制计算机与控制软件组成。PC控制计算机采用具有高速运算功能的

DSP(Digital  Signal Process即数字信号处理器);控制软件的软件结构与PC控

制计算机的硬件结构、功能相关连。

  1. 精确、实时地读取空间坐标值
  •  控制软件要对空间坐标值定时读取,以实现对测量机的状态监控和位置控制;
  •  当测头系统发出采样信号时,要实时地将当前空间坐标值读取,作

三坐标的测量软件的

输入数据;

  1. 运动轨迹的控制
  •  三坐标具有FLY(飞行)功能即具有连续轨迹插补技术和真正三维矢量运动功能,可实 

  现大幅降低移动桥架的动态误差,减小了跟随误差,提高了定位误差,同时也提

高了机器的工作效率。

  1. 状态监控
  • 对测量机的运行状态进行实时监控,对故障进行自诊断处理,如坐标轴移动到行

 程极限、运动速度超速、光栅幅值过高或过低、跟随误差过大、气压过低、测头

触测或误碰、环境温度等,对系统进行相应的处理;

  •  三坐标防碰撞保护功能;
    1. 测头系统的管理
  •  三坐标测量机速度分为运行速度和测量速度。软件控制测头以高速运行到工件表面,再

 转换为测量速度和法矢方向接触工件,采点完成后,测头再按原路径和设定的速

度回退到安全距离。

  1. 参数的管理和初始化
  •  三坐标参数有:PID参数、机器行程参数、机器速度与加速度、光栅分辨率、到位窗口

的设置、跟随误差极限的设置、测头与测座的型号等。

  1. 数据通讯功能;
  •  三坐标的控制系统与测量软件进行通讯;接收测量软件所发出的命令并进行解释,将控制

系统的状态与数据回送给测量软件及与测头控制器通讯,管理测头的更换和旋转

等;

  •  三坐标的RS232串口数据通讯传输功能;
  •  三坐标的网卡数据通讯传输功能:大数据量的高速传输方式,主要用于扫描测量中的数据

的传输。

  • TESTSOFT调试软件
  • 具有专利技术的AUTOTUNE自动调试软件:具有自动生成PID参数、自动调整光栅参数及功率驱动器参数的功能;
  • 动态测试:

按照美国B89标准要求:Repeatability(重复性测试)/Tunneling 空间定位

测试和/Settling到位测试;

  • 21项误差的补偿功能
  • 光栅尺的功能
  • 支持RENISHAW光栅系统;
  • 支持HEIDENHAIN光栅系统;
  • 支持玻璃光栅系统;
  • 细分器的功能
  • 电路细分:将移相电阻链与数字逻辑电路相结合的方法对于脉冲信号进行细分。它的细分倍数一般为5的倍数,常见的细分倍数有:20倍、40倍、100倍等几种;
  • 软件细分:以A/D转换器及CPU组成,对于脉冲信号进行细分。它的细分倍数一般为8的倍数;
  • 直流电机/测速机伺服机组及伺服驱动器的功能;
  • PWM(Pulse-Width Modulation)驱动器即脉宽调制系统,是按一个固定的频率来接通和断开直流电源,广泛应用于赶精度伺服控制中;具有调速比高、响应速度快、起动性能好的特点;其还具有过压、过流、过速、过热等多种保护。
  • 三轴的伺服驱动控制:X、Y、Z轴;
  • 四轴的伺服驱动控制:X、Y、Z轴及旋转轴;必须具有针对旋转轴的补偿修正的功能,不然旋转轴三坐标没有精度。四轴的三坐标测量机验收标准:执行《ISO10360-3的标准》;
  • 操作盒的功能
  • 操作盒以单片机为核心,由手操杆和功能键组成,功能全且具有调试和自检功能,使用和维护方便;
  • 支持多种温度补偿系统
  • 线形温度补偿:
  • 结构温度补偿:
  • 支持多测头系统
  • 接触式测头系统:
    • 包括触发式测头:TP2. TP20. TP7M.TP200等;
    • 扫描式测头系统:SP600.SP25M.SP80.LSP-X3.LSP-X5等;
    • 支持测头更换架:ACR1.SCR等;
  • CCD光学影像测头;
  • 激光测头:包括点激光测量系统和线扫描激光测量系统;
  • 支持双光栅/双驱动系统
  • 远程控制功能
  • 功能扩展接口
  • 测探系统:
  • 测量软件:
    1. 检测评定参数的数学算法的数学模型的准确性和合理性----- 通过德国PTB的算法认证;

德国国家物理技术研究院(PTB)认证:

测试方法:针对测量软件进行,被侧元素分为直线、平面、圆、圆柱和球,被测参数包括这些元素的基本参数与相互关系,采用的评定准则均为最小二乘法。

  1. 运动状态控制
  2. 测量软件的编程语言

⑴ 扩展BASIC等的其它编程语言为核心的编程语言

⑵ DMIS语言

ⅰ.用DMIS语言为核心的编程语言;

 ⅱ.仅有DMIS语言接口;

  1. 测量评定

   ⑴ 三坐标系的建立方法:3-2-1,最佳拟合法及叠代法;

⑵ 三坐标基本测量元素的评定

⑶ 三坐标构造元素的评定

⑷ 三坐标形状误差的评定

⑸ 三坐标位置误差的评定

  1. CAD系统的应用

⑴ 三坐标双向导入导出功能;

⑵ 三坐标CAD数模自动编程;

⑶ 三坐标CAD数模的模拟运行及测量;

⑷ 三坐标曲线、曲面的测量评定;

  1. 编程方式:自学习编程、CAD数模自动编程及高级编程;
  2. 测头系统的控制功能 

 

 

三坐标测量机技术的发展过程:

花岗岩横梁技术 ---- 焊接钢板横梁技术

 -----  精密型:以陶瓷横梁技术为主,但要求严格的温度控制。

生产型:新型高强度轻质铝合金横梁技术,温度控制较松。

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