水平臂移动式三坐标测量机由于主构件变形,不能像其它型式测量机一样采取处理误差补偿技术,且至今尚未见公开文献报道能完全解决这一技术问题[1-8]。当今各类水平臂测量机补偿方法都是采取部分补偿。

假定本测量机,测量行程为500mm×400mm×400mm,分辩率为0·001mm,装有磁栅尺。其空间精度小于或等于0·04mm (500mm长度),为了进一步提高精度,适应市场需求,并要降低成本(简化补偿方法),将该测量机空间精度提高到0·007mm(500mm长度)。采取的主要措施:对机械部件进行了部分改装,如将磁栅尺换成光栅尺;将安装设计光栅读数头的滑套、底盘结构进行了修改等。对改装后的设备进行重新测量和验证,采用软件对误差进行补偿,最终达到了提高空间测量精度的目的。

1　误差补偿可行性分析

    单点的测量误差主要由测头误差P1、细分误差P2、当量误差P3、重复度误差P4和机械不稳定性误差P5合成。

根据磁栅尺厂家提供的技术指标:P2=20μm,如果:P1=±2μm、P3=5μm、P4=5μm、P5=5μm,实际上这几项误差指标是可以控制在假设范围内。而光栅尺厂家提供的技术指标:P2=0·5μm,若不用软件进行误差补偿,则单点测量误差为:

R=P21+P22+P23+P24+P25=8·9μm

那么,空间测量精度可达到R3= 6R=21·8μm。若再对数据进行补偿,则R3≤15μm应该是可以达到的。通过分析,这一目标在理论上是完全可行的。

2　进行误差补偿所采取的措施

2·1　滑套的设计为了固定光栅尺需设计安装板,并对滑套的外形

结构与此联结部分进行了重新设计。新旧滑套的对比图见图1,原滑套的实体模型如图1(a)所示,在装横梁处上下各有一个孔,上面用来安装Z方向的磁栅读数头安装板,下面用来安装Y

方向磁栅读数头安装板。由于磁栅尺的读数头和光栅尺的读数头尺寸不一致,需要进行修改。修改后的实体如图1(b)所示,并加了一个连接板镶嵌在滑套槽中以解决这一安装空间问题。

2·2　底盘

底盘上有3个导向轴和3个承重轴,轴1上装驱动手轮,它的位置是固定的,和它在同一边的同心轴2也是固定的,轴3是偏心轴,通过旋转它来调整夹紧导轨的力。承重轴的设计和导向轴一致。但是当几个轴安装好了之后,承重轴的轴线方向与导向轴1和2所在的方向不垂直,即承重轴与导轨不垂直,这时候就会有较大的双轨迹误差。在这种情况下,将导向轴2换成偏心轴,然后在侧面打个顶丝孔固定偏心轴,这样就可以进行调整了,调整好后就把顶丝固定。

2·3　光栅的安装与调整

目前,光栅尺的安装有两种方法,一种是贴附式,即光栅尺紧密附着在导轨面上;另一种是分离式(浮动式)。本文对贴附式安装方法进行分析。

根据光栅的特点,它的安装要洁净,并且要装在导轨面的侧面,以防止灰尘落在光栅尺上而影响读数。先用千分表检测贴光栅的表面的精度,直线度要在10μm内。如果各个轴向的表面都达到了要求就可以安装了。清洗各表面后,就可以使用专用的工装夹具先贴上光栅尺,然后再安装光栅读数头。Y、Z向光栅的安装如图3所示。X向的安装原理和方法与Y、Z向的安装相同。

安装时注意,应尽量保证工装的导轨槽与横梁平行,安装间隙满足要求。如果光栅尺与导轨的安装不平行,则会引入系统误差:

E=X·tanα

其中:X为位移量,α为光栅尺与导轨的夹角。

为了消除这个新的安装误差,就需要采用软件进行数据处理,旋转坐标轴,把OX′轴作为新的X轴。光栅尺安装倾斜误差如图4所示,这样安装就可提高检测速度,又使检测更为准确。

3　误差项目的分析及测量

三坐标测量机的21项误差中有几项不进行补偿[1,3],即Y方向的3个角摆误差不进行补偿,原因是Y方向运动时在X向和Z向的直线度误差都在5μm以内,而且测头是安装在Y轴上的,加长杆长度对dyy的贡献不大。另外的补偿是非刚体的补偿,当Y轴伸出是底盘的变形ddx,综合对立柱、滑套变形的误差和dzx的补偿———矩阵补偿。本文的补偿模型是半刚体模型。

假设本三坐标测量机的测量空间为600mm×400mm×400mm,对各项数据的检测距离为100mm,可以采用简单建模,但是如果这样作补偿精度不够的话,就需要采取每隔50mm测一个点的方法加强补偿的效果。笔者认为需要作误差补偿的项目有: 3个轴向的定位误差Dxx、Dyy和Dzz; 5个角摆误差dxx、dxy、dxz、dzy和dzz; 6个直线度误差Dxy、Dxz、Dyx、Dyz、Dzx和Dzy; 3个垂直度误差Qxy、Qyz和Qxz;底盘的变形误差ddx,和矩阵误差dzx。

    Dxx表示X轴的定位误差,dxx表示的是沿X轴运动绕X轴的角摆误差,Dxy表示的是沿X轴在Y向的直线度误差,Qxy是XY两轴的垂直度误差,ddx是底盘的变形误差,dzx是矩阵误差。

这些误差项目均可用常用仪器检测,并进行相应的数据处理,得到补偿数据,输入到专用补偿软件中,就能得到误差补偿。补偿后通过检测,X轴向最大误差9μm,Y轴轴向最大误差4μm,Z轴轴向最大误差8μm。可知空间·138·机床与液压第36卷最大误差13μm,小于空间误差15μm,空间误差裕度为20%,达到空间精度15μm的目标。验证了该方法的可行性。

表1　误差分配表表

误差源ΔXΔYΔZ

1dxxΔY1=-dxx·(δz+δlz)ΔZ1=dxx·(δy+δly)

2dxyΔX2=-dxy·(δz+δlz)ΔZ2=dxy·δlx

3dxzΔX3=-dxz·(δy+δly)ΔY3=-dxz·δlx

4dzxΔY4=-dzx·(δz+δlz)ΔZ4=dzx·(δy+δly)

5dzyΔX5=-dyz·δlyΔZ5=-dyz·δly

6dzzΔX6=dzz·δlyΔY6=-dzz·δlx

7DxxΔX7=Dxx

8DxyΔY8=Dxy

9DxzΔZ9=Dxz

10DyxΔX10=Dyx

11DyyΔY11=Dyy

12DyzΔZ12=Dyz

13DzxΔX13=Dzx

14DzyΔY14=Dzy

15DzzΔZ15=Dzz

16QxyΔX16=Qxy·(δy+δly)ΔY16=-Qxy·δlx

17QzxΔX17=-Qzx·(δz+δlz)ΔZ17=Qzx·δlx

18QyzΔY18=-Qzy·(δz+δlz)ΔZ18=Qzy·δly

19ddxΔY19=ddx·δlzΔZ19=ddx·δy

4　结论

   本文介绍的机械补偿方法简单可靠,使用一些常用测量仪器就可以做到。本误差补偿方法能使测量机的空间精度提高了2~3倍,并可为其它机床提高精度提供一定的参考。

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