（精密仪器及机械专业论文）结晶器自动测量机及其电气系统的研制与开发(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

结晶器自动测量机及其电气系统的研制与开发 摘要 本项目来源于马鞍山钢铁股份有限公司，是为了实现工字钢结晶器内腔尺 寸的自动测量而研制开发的一台适用于钢铁生产车间的专用三坐标测量机。相 对于过去的手工测量，测量效率和测量精度都得到了大大提高，从而可以定期 对结晶器内腔磨损情况进行高精度检测以保证工字钢毛坯的精度。 结晶器内腔尺寸自动测量机是以多坐标测量原理为基础的，本论文介绍了 该测量机的研制与开发情况，主要包括：主机机械结构的设计及其零部件的选 型，测头系统，电气系统及测量机误差源分析。其中，测头系统包括测头的选 型，测头信号电路的设计；电气系统包括电气控制系统以及软件系统。电气控 制系统主要包括运动控制卡对单轴与多轴联动的控制，通信控制，限位保护控 制、测头触发中断控制以及手动测量控制等：软件系统主要包括测量控制软件 与数据处理软件，而且软件系统除了结晶器内腔专用测量软件外，还包含基本 几何量与形位误差的测量程序。此外，本文还从机构误差，测量系统误差，测 量方法误差，测头误差、软件误差、力变形、热变形等方面进行了分析并对部 分主要误差项进行修正。本文也对部分已获得的测量结果进行了分析。 关键词：三坐标测量机运动控制卡伺服系统v i s u a lc + + s t u d ya n dd e v e l o p m e n to ft h ea u t o m a t i cm e a s u r i n gm a c h i n e a n di t se l e c t r i c a ls y s t e mf o rt h ec r y s t a l l i z a t i o nd e v i c e a b s t r a e t t h ep r o j e c ti s s p o n p o r e db ym a a n s h a n s t e e l & i r o nl i m i t e dl i a b i l i t y c o m p a n y i no r d e rt om e a s u r et h es i z eo ft h ei n s i d ei - s t e e lc r y s t a l l i z a t i o nd e v i c e a u t o m a t i c a l l y as p e c i a l i z e d c o o r d i n a t e m e a s u r i n gm a c h i n e ( c m m ) i s d e v e l o p e d a n di ti ss u i t a b l ef o rt h ed e p a r t m e n to ft h es t e e lp r o d u c t i o n c o m p a r e dt o m a n u a lm e a s u r e m e n t ，t h e m e a s u r i n ge f f i c i e n c y a n d p r e c i s i o n a r e i m p r o v e d g r e a t l y a n d 也ea b r a s i o no fi n s i d e t h ec r y s t a l l i z a t i o nd e v i c ec a nb em e a s u r e d p e r i o d i c a l l y s ot h eq u a l i t yo f s e m i f i n i s h e ds t e e lc a nb ee n s u r e d r 6 ea u t o m a t i cm e a s u r i n gm e a c h i u ef o rt h es i z eo fm s i d et h ec r y s t a l l i z a t i o n d e v i c ei sb a s e do nt h ee l e m e n t so fm u l t i d i m e n s i o n a lc o o r d i n a t em e a s u r e m e n t t h e p a d e ri n t r o d u c e st h es t u d ya n dd e v e l o p m e n to ft h em e a s u r i n gm a c h i n e i tc o n t a i n s t h ed e s i g no ft h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n di t s s p a r ep a r ts e l e c t i o n t h ep r o b e s y s t e m ，e l e e t r i c a is y s t e m ，a n da n a l y s i so ft h ee r r o rs o u r c eo ft h ec m m t h ep r o b e s y s t e mi sc o m p o s e do fs e l e c t i o no fp r o b ea n dd e s i g no ft h ep r o b ec i r c u i t ，a n d e l e c t r i e a l s y s t e m i n c l u d e se l e c t r i c a lc o n t r o l s y s t e ma n ds o f t w a r es y s t e m t h e e l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mc o n t a i n s ：c o n t r o lf o rs i n g l ea x i sa n dm u l t i a x e s m o v e m e n t ，c o m m u n i c a t i o n sc o n t r o l ，r e s t r i c tp o s i t i o nc o n t r o l ，t h ei n t e r r u p to fp r o b e t r i g g e r i n gc o n t r o l ，a n dm a n u a lm e a s u r i n gc o n t r 0 1 a l s ot h es o f t w a r es y s t e mm a i n l y i n c l u d e sm e a s u r i n gc o n t r 0 1a n dd a t ap r o c e s ss o f t w a r e 。 a n dt h es o f t w a r es y s t e m h a st h es o f t w a r ef o rb a s i cg e o m e t r yq u a n t i t ya n ds h a p ep o s i t i o ne r r o rm e a s u r i n g p r o c e d u r eb e s i d e s t h e s p e c i a l i z e d s o f l w a r ef o rt h ec r v s t a l i i z a t i o nd e v i c e i n a d d i t i o n ，t h ep a p e ra n a l y z e st h ee r r o rs o u r c e ：f r a m e w o r ke r r o r ，m e a s u r i n gs y s t e m e r r o r ，m e a s u r i n gm e t h o de r r o r , p r o b ee r r o r ，s o f t w a r ee r r o r ，t h es t r e n g t ha n dt h e r m a l d e f o r m a t i o ne r r o r a n dc o r r e c t i n gt h em a i ne r r o r s a n dt h ep a p e ra l s oa n a l y z e st h e m e a s u r i n gr e s u l t sw h i c hh a sb e e no b t a i n e d k e y w o r d s ：c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ，c a r d f o rm o v e m e n tc o n t r o l ，s e r v o s y s t e m v i s u a lc + + 插图清单 图1 1 结晶器纵向剖面图4 图1 2 结晶器外观图4 图1 3 测量机实物图5 图2 1 结晶器内腔截面图6 图2 2 测量机主机结构简图7 图2 3 丝杠螺母与工作台连接图9 图3 一l 电气控制原理图1 1 图3 2p c i 一8 1 6 4 硬件结构原理图1 2 图3 3 梯形速度运动模式图13 图3 4s 曲线运动模式图1 3 图3 5 圆弧插补图1 5 图3 6 三轴联动线性插补1 5 图3 7 连续运动模式原理图1 7 图3 8 连续运动实例图1 7 图3 9 单脉冲信号1 8 图3 一1 0 双脉冲信号1 9 图3 1 l 编码器反馈信号1 9 图3 1 2p c i 8 1 6 4 的i o 接口2 l 图3 1 3 伺服系统控制框图2 2 图3 1 4 手轮脉冲发生器扩展电路框图j 2 4 图3 1 5 测头内部结构图2 5 圈3 1 6 测端、探针及星型测头2 6 图3 1 7 测头扩展电路图2 7 图3 1 8 限位开关安装图2 8 图4 一l 丝杠与导轨偏斜角2 9 圈4 - 7 2 测端作用直径的检定3 2 圈4 3 导轨平行度检测3 4 图4 4 滚珠丝杠刻度误差检测3 4 图4 5z 轴0 1 5 0 r a m 测量结果拟合图3 7 图5 一l 坐标系的平移和旋转4 0 图5 - - 2 主程序框图4 7 图5 3 软件主界面4 8 图5 4 测量参数设置对话框4 9 圈5 5 中断服务程序框图 图5 6 点为探测模式示例 图5 7 三二一法示意图 图5 8 结晶器内腔工件坐标系建立过程框图 图5 9 空心圆柱体 图5 1 0 测量结果报表显示及打印 图5 1 1 结晶器内腔测量过程总框图 图5 1 24 0 0 0 0 9 m m 标准件 钉记弱舛铂 表格清单 表3 1p c i 8 1 6 4 电源端口c n l 表3 2p c i 8 1 6 4 c n 2 端口 表3 3 手动脉冲输入c n 3 端口 表3 4 手轮脉冲发生器参数 表4 1z 轴0 1 5 0 m m 刻度误差检测结果 表5 11 0 0 m m 量块测量结果 表5 2 点面距离 表5 3 线面距离 表5 4 面面距离 表5 5 三种数据处理方法比较 表5 6 内孔测量结果 表5 7 测头最佳探测速度( m m s ) 表5 8 探测速度一测量结果 表5 9 探测速度二测量结果 表5 1 0 结晶器内腔大圆弧曲率半径测量结果 2 l 2 1 2 2 2 4 3 5 4 5 4 5 4 6 4 6 4 6 5 6 5 8 5 8 5 9 6 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导r 进行的研究，l 作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢f 智地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 i j 究成果，也不包含为获得 盒蟹：! ：些厶鲎 或其他教育机构的学位或证”而使蹦过的 材料。i 我一同f 作的同，占对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了叼确的说明，f ：表示谢 意。 荆撇储签名幸多聿一； | j ：埘砰蚧 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒蟹工些厶鲎有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向闭家有关部门或机构送交论文的复印件羽i 磁盘允许论文被查阅和借阅。本人授权盒蟹 ：f ：些：叁堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影日j 、缩 印或h 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 姗虢毒砂莩 签字目期，“年p 月日 学位论文作者毕业后去向 j ：作单位： 通讯地址： 锄躲炙蒲，、 签字日期：年铲月岁日 电话 邮编 致谢 本论文的研究工作是在费业泰教授的悉心指导和帮助下完成的，在研究生 学习阶段，费老师在课题研究和生活上都给予悉心的指导和关怀。费老师专业 功底深厚，高学术水平，谦逊、严谨的工作和生活作风是我学习的楷模，并且 已深深的影响着我，使我一辈子受益，在以后的工作生活中，我将秉承费老师 的作风。在此，向费老师表示我最诚挚的谢意和由衷的敬佩。 在课题研究过程中，得到了周耀新老师的悉心指导和帮助，周老师工程实 践经验丰富，专业功底扎实，为人热情和蔼，作风严谨，此外，还得到了王宏 涛和刘巧云老师的关心和帮助，在此向他们表示衷心的感谢。 感谢于连栋老师、苗恩铭老师、夏豪杰博士、汪平平博士、罗哉博士、蒋 敏兰博士、杨洪涛博士、汤辉硕士，金飞翔硕士，王春花、徐婷婷，陈宝刚、 李光珂等师兄弟在我学习和生活中给予的鼓励和帮助。 最后谨以此文献给我的家人和朋友，感谢他们给予的理解与支持。 章立军 2 0 0 6 0 3 15 第一章绪论 本章介绍了三坐标测量机的测量原理、基本结构、分类、应用场合、发展 历史、现状及趋势等，并对主要测量对象的结构和装夹方式进行分析，提出设 计思想。同时提出了本课题的主要研究内容和研究方法。 1 1 三坐标测量机概况 三坐标测量机c m m ( 3 dc o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ) 简称测量机【1j 。它 的测量是将被测零件放入其允许的测量空间以获得被测几何型面上各测点的坐 标值，根据点的空间坐标值进行数学运算，求出被测零件的几何形状位置尺寸 及其不确定度。它既可以进行零件和部件的尺寸、形状的测量，如箱体、导轨、 涡轮和叶片、缸体、凸轮、齿轮、星体等空间型面的测量，又可以进行相互位 置和各种形状位置误差的测量，还可用于划线、光刻集成线路，并可对各种空 间连续自由曲面等复杂形面进行扫描并自动生成数控机床的加工工序。 三坐标测量机具有通用性强、测量范围大、精度高、效率高、性能好、能 与柔性制造系统相连接以及智能性高等特点，已成为一类大型精密仪器。三坐 标测量机对三维测量技术有重要作用：( 1 ) 实现了复杂形状表面轮廓尺寸的测 量，例如箱体零件的孔径与孔位、汽车与飞机等的外廓尺寸检测；( 2 ) 提高了 三维测量的精度，目前高精度的坐标测量机的单轴精度，每米长度内可达1 “m 以 内，三维空问精度可达1 t i n 2 “m 。车间检测用的三坐标测量机，单轴每米测 量精度也可达3 2 m 4 p r o ；( 3 ) 三坐标测量机与数控机床和加工中心配套组成生 产加工线或柔性制造系统，促进了自动化生产线技术的发展；( 4 ) 三坐标测量机 的测量精度不断提高，以及自动化程度不断提高，推动了三维测量技术的进步， 大大地提高了测量效率。随着各种功能强大的测量软件和数据处理软件的研制 成功，电子计算机已经逐渐成为测量机的“灵魂”。它使数据处理速度迅速提高， 而且可以完成c n c 的控制功能，使自动化测量成为可能，使测量时间大大缩短。 国外三坐标测量机的研制早在上世纪五十年代已经开始1 2 】。1 9 5 6 年，英国 f e r r a n t il t d 公司数控部的h a r r yo g d e n 发明了世界上第一台三坐标测量机。之 后，经过5 0 多年的发展，测量机已由手动式发展到配有计算机数字控制系统和 完善软件系统的c n c 三坐标测量机，广泛地应用于三维复杂零件的尺寸、形状 和相互位置的高准确度测量，以及逆向工程和在线质量控制等领域，并在先进 制造技术与科学研究中的作用日益明显，应用前景十分广阔。 目前，世界各国竞相研制和生产各种规格以及不同精度档次的坐标测量机。 h e x a g o n 集团计量产业由于将著名的测量机专业厂家b r o w n & s h a r p e 、d e a 、 l e i t z 、b r o w n s h a r p e 前哨、c ej o h a n s s a n 以及著名的测量软件p c d m i s 专业开发商w i l c o x 和著名的精密计量工具制造商瑞士t e s a 纳入麾下而成为 世界计量领域的领先者。美国b r o w n & s h a r p 公司专业制造手动、数控和高速 扫描测量机：德国l e l t z 公司是世界上精度最高的测量机制造商；意大利d e a 公司以生产大型测量机而享誉全球；c ej o h a n s s a n 面向欧洲，提供功能先进 的桥式测量机产品；中国青岛前哨朗普公司是中国目前技术最先进、实力最强 的测量机制造企业；美国w i l c o x 公司是世界领先和最大的计量软件开发商。 较著名的测量机厂商还有德国的z e i s s 公司，意大利的c o o r d 3 公司等。 我国三坐标测量机发展过程可分为三个阶段：第一阶段自1 9 7 2 年开始至八 十年代初。本阶段以仿制为主，没有形成产品。第二阶段自八十年代初至八十 年代末，引进了国外先迸技术，结合自身的特点进行开发生产，初步形成了国 产测量机的生产能力。第三阶段为进入九十年代至今。目前我国已具备了生产 从精密型测量机到生产型测量机直至分辨率为1 0 微米的划线测量机的各种型 号规格的三坐标测量机的能力，实际生产能力已达近百台，开始占领国内市场。 三坐标测量机按功能可分为测量型和划线型，两类按操作方式又可分为手 动、机动和c n c ( 自动) 型；按测量精度可以分为低精度、中等精度和高精度； 按测量机的结构形式可分为悬臂式、活动水平臂、固定水平臂、单柱式移动龙 门式、固定龙门式、高架桥式、l 型桥式等八种【3 j ；按照三坐标测量机的测量 范围，可将它分为小型、中型与大型。小型三坐标测量机主要用于测量小型精 密的模具、刀具、工具与集成线路板等。这些零件的精度较高，因而要求测量 机的精度也高。它的测量范围，般是x 轴方向小于5 0 0 r a m 。它可以是手动的， 也可以是数控的。常用的结构形式有仪器台式、卧镗式、坐标镗式、悬臂式、 移动桥式与极坐标式等。中型坐标测量机的测量范围在x 轴方向为5 0 0 m m 2 0 0 0 r a m 。这种类型规格最多，需求量也最大，主要用于对箱体、模具类零件的 测量。操作控制有手动、机动和自动三种、它的精度等级多为中等，也有精密 型的。从结构形式看，几乎包括仪器台式和桥式等所有形式。 大型三坐标测量机的测量范围在x 轴方向应大于2 0 0 0 m m ，主要用于汽车 与飞机外壳、发动机与推进器叶片等大型零件的检测。它的自动化程度较高， 多为c n c 型，也有手动和机动的。精度等级一般为中等或低等。结构形式多为 龙门式( c n c 型，中等精度) 或水平臂式( 手动或机动，低等精度) 。此外， 还有一些采用非正交坐标系的大型三坐标测量机。 三坐标测量机可分为主机、测头、电气系统三大部分【4 】。 ( 1 ) 主机包括框架结构、标尺系统、导轨、驱动机构、平筏部件、转台与 附件等。框架结构是指测量机的主体机械结构，是工作台、立柱、桥框、壳体 等机械结构的集合体。标尺系统是测量机的重要组成部分，是决定仪器测量功 能和精度的一个重要环节。三坐标测量机使用的标尺有线纹尺、精密丝杆、感 应同步器、光栅尺、磁尺及激光波长等，标尺系统还包括数显电气装置。导轨 2 是测量机实现三维运动的重要部件，测量机一般采用滑动导轨、滚动导轨和气 浮导轨等。驱动机构是测量机的重要运动机构，在测量机上一般采用的驱动装 置有丝杆丝母、滚动轮、钢丝、齿形带、齿轮齿条、光轴滚动轮等传动，而驱 动一般用伺服电机、直线电机和步进电机等。平衡部件主要用于z 轴的框架结 构中，用于平衡z 轴的重量，使z 轴上下运动时无偏重干扰，使z 向测力稳定。 z 轴平衡系统有重力平衡、弹力平衡和空气平衡pj 三大类型。转台使测量机增 加一个转动运动的自由度，便于某些种类零件的测量。转台包括分度台、单轴 回转台、万能转台( 二轴或三轴) 和数控转台等。用于坐标测量机的附件很多， 一般指基准平尺、角尺、步距规、标准球、标准立方体、测微仪及用于自检的 高精度检测样板等。 ( 2 ) 测头是三维测量的传感器，可从多个方向上感受瞄准信号和微小位移， 以实现瞄准与测微两种功能。测量机的测头主要有硬测头、电气测头、光学测 头等，此外还有测头回转体等附件。测头有接触式和非接触式之分。按输出信 号分，有用于发信号的触发式测头和用于扫描的瞄准式测头、测微式测头。 ( 3 ) 电气系统包括电气控制系统、计算机硬件系统、测量机软件系统等， 电气控制系统包括单轴与多轴联动控制、外围设备控制、通信控制、逻辑控制 和保护控制等。三坐标测量机一般采用p c 机和工作站。三坐标测量机的软件 系统包括控制软件和数据处理软件。控制软件实现三坐标测量机的所有动作， 如测头校正、建立工件坐标系、坐标变换、自动生成测量路径、被测点采样、 测头保护与紧急情况处理等，用于基本几何元素及其相互关系的形位误差的测 量，还包括曲线与曲面测量等。数据处理软件则将测量所得原始数据按照相应 的数学模型进行计算和处理，获得所要的测量结果，并且提供打印输出的功能。 部分软件具有绘图功能，支持统计分析和表格功能等。 目前，三坐标测量机已被广泛应用于机械制造、仪器制造、电子工业、汽 车制造和航空工业，用以测量各种机械零件和部件的形状尺寸、形位公差以及 各种轮廓形状。随着计算机技术及网络技术的发展，三坐标测量机还将成为 c a d c a m 大型工作站中必不可少的组成部分，对提高整个生产过程的自动化 程度具有重要作用。在今后一段时间内，测量机的主要发展趋势可以概括为： 更高测量精度、更高测量效率、更高测量机智能化水平、更完善的探测技术、 最优的测量机配置、性能更好的新材料、更开放的控制系统、进入制造系统、 发展非正交坐标系测量系统以及加强环境问题的研究。 1 2 课题来源和研究意义 本课题为结晶器内腔尺寸自动测量机的研制，是受马鞍山钢铁股份有限公 司第三炼钢厂的委托。是为了满足工字钢生产线的需求，实现定期对工字钢生 产模具( 结晶器如图i - 1 和1 2 所示) 的内腔尺寸进行自动检测的科研项目，目的 在于保证结晶器在使用一段时间后的尺寸磨损在规定的公差范围内，实现标准 化、高效率生产。 图1 - 1 结晶器纵向剖面图 图1 - 2 结晶器外观图 工字钢以其优越的性能广泛应用于民用建筑钢结构和工业建筑钢结构中， 还有大跨度钢桥构件、机械设备制造、车辆及船舶制造、抗震防火等临时建筑、 海上石油平台等。而结晶器是生产工字钢毛坯的模具，其内腔精度高低直接影 响工字钢毛坯的精度，因此，应对结晶器的内腔进行检测，从而保证产品质量。 而目前国内各钢铁公司大都采用标准量具如游标卡尺对结晶器进行手工测量， 只能测得有限的几个尺寸，不仅精度低，而且测量结果并不能完全描述结晶器 的磨损情况。因此需要设计高精度的专用测量机对结晶器内腔进行检测。同时 本测量机配备相应的自动测量控制软件，实现对结晶器的自动检测，从而大大 提高了测量效率。 1 3 课题的主要研究内容 本论文根据测量机主要测量对象、测量功能和测量精度要求( 测量机的三 轴测量范围：8 0 0 6 0 0 9 0 0m m ；最小分辨率：0 0 0 0 5 m m ；测量不确定度：u = 0 0 5 m m ) ，对测量机的机械结构，电气控制系统及软件系统进行了设计与开发， 并就其主要技术进行详细介绍。 ( 1 ) 测量机的机械结构，包括测量机的主机结构及其主要组成部分的设计及 选用： ( 2 ) 测量机的电气控制系统，包括运动控制控制器、交流伺服驱动系统、通 信、手动控制电路、测头扩展电路、限位保护电路等的设计和选用； ( 3 ) 误差源分析及其主要误差项的修正，包括整个运动系统的导轨误差和支 撑误差、滚珠丝杠的刻度误差、测头误差、测量机的计算机及测量软件 的误差、测量方法误差、环境误差等，对主要误差项目进行检测并建立 误差修正数学模型； ( 4 ) 测量机软件系统设计，即结晶器内腔尺寸的专用测量软件和基本几何量 4 与形位误差测量的通用软件的设计。软件主要包括软件主界面、测头校 正、工件坐标系的建立、测量程序的自动生成、误差修正程序、数据存 储、数据处理、测量结果的报表显示及打印输出等； ( 5 ) 测量结果分析，包括基本几何量及其相互位置关系的测量结果分析。 附：测量机实物图 图1 - 3 测量机实物圈 第二章结晶器内腔尺寸自动测量机的机械结构 本章首先介绍测量机主要测量对象( 结晶器) 及其装夹结构，然后介绍测 量机的主机结构，再介绍了测量机的主要部件的设计和选用。 2 1 结晶器及其装夹结构 结晶器是由左窄面铜板、右 窄面铜板、活动测和固定侧四个部 分组合而成的。结晶器的横截面如 图2 - 1 所示，待测的尺寸和形位参 数有：8 段圆弧的半径，活动侧和 固定侧各个部位y 轴方向的间距， 左右两铜板所在的平面之间的距 离、平行度以及各自的平面度等。 将各个实测值与理想值进行比对， 得出结晶器的磨损情况，为判断结 晶器是否合格提供依据。 左窄面铜板 图2 - 1 结晶器内腔截面图 结晶器在工业现场的装夹方式如图2 - 2 所示，它被装夹在专用的槽内，亦 即结晶器具有固定的工位，这就要求现场检测。针对结晶器的特殊内腔形貌、 测量要求及其装夹方式，必须设计专用三坐标测量机( 悬臂式) 以实现结晶器内 腔尺寸的现场自动测量。 2 2 测量机的主机结构 测量机的主机结构如图2 2 所示，各个组成部分为：1 、基座，2 、x 向工 作台，3 、y 向工作台，4 、z 轴底座，5 、z 向立柱，6 、平衡块三角支架，7 、 平衡块，8 、交流伺服电机，9 、z 向滑块，l o 、横梁，1 1 、测杆，1 2 、三维测 头，13 、结晶器。x 向工作台、y 向工作台和z 轴底座呈下、中、上三层分布。 在交流伺服电机的驱动下，丝杠带动y 向工作台沿着x 向工作台上的双向导轨 移动，从而实现x 向的进给：同理，z 轴底座沿着y 向工作台上的导轨移动， 可以实现y 向的进给：滑块沿着立柱上的导轨上下移动，实现z 向的进给；横 梁固定在滑块上，随滑块实现x 、y 、z 三轴的移动，并带动测头按既定轨迹在 空间移动。由于横梁及测杆较长，为避免横梁及测杆在重力作用下产生变形， 同时为了防止立柱发生倾斜，根据力矩平衡原理，在立柱的另一测配置相应的 平衡重块，重块在三角支架上的位罱是可调的，以使平衡效果达到最佳。 6 8 7 6 5 4 、 ，隧蓼露臻扩节 图2 2 测量机主机结构简图 2 3 主机的材料 根据主机各个工作台以及立柱的作用特点，再考虑到刚性、热变形、稳定 性、导轨面和各平面的精度以及结构工艺性等因素，要求主机有较大的强度和 刚度、耐磨损等特性，因此主机材料的选择在测量机的设计中较为重要。 对于本测量机的各个工作台、立柱、支架等，选择铸铁作为材料，它的特 点是变形小、耐磨性好、易于加工、成本低等。考虑到横梁和测杆的长度、刚 度以及重量对立柱平衡的影响，选择铝镁合金作为材料，铝镁合金重量轻，且 具有较强的刚度等“3 。 2 4 测量机的传动机构 三坐标测量机中传动系统是指x 、y 、z 三向的传动系统。对传动系统的主 要要求是传动平稳、爬行小、刚度高，同时不会产生较大的震动与噪声。主要 有丝杆传动、，钢带传动、齿形带传动、齿轮齿条传动、摩擦轮传动以及气压传 动等。由于齿轮齿条传动平稳性差，且产生噪音、振动和冲击；钢带传动在过 载情况下，会产生打滑的缺点，现逐渐被齿形带所代替；齿形带传动虽然克服 了相对滑动，传动平稳，结构简单，但刚性差，易变形，对瞬间定位带来一定 影响，而且带轮中心距要求严格，齿形带易老化，寿命低，成本较高。此外， 摩擦轮传动也会因打滑和摩擦轮的形状误差而不能保证恒定的传动比，传动精 度较难保证。气压传动虽然结构简单，成本也较低，但它不容易进行微动，定 位精度不高，目前在测量机中使用不多。本测量机是用于现场测量的，除了要 求传动系统和测量系统具有较高精度外，还必须具备较强的抗干扰能力，以克 服工业现场恶劣的环境条件的影响，因此本测量机采用丝杆传动。 9 一 如一 u 一 圮一把 2 4 1 滚珠丝杠 滑动丝杠螺母传动结构简单，传动平稳、精确，适于微传动，且能够自锁， 起到了定位作用，其缺点是摩擦阻力大，螺纹间有侧向间隙，反向时存有空程， 使用中要有消除间隙装置”1 。而滚珠螺旋传动和静压螺旋传动则克服了滑动螺 旋传动的缺点，但是静压螺旋传动需一套供油系统，结构复杂，因此，其应用 受到一定的限制。 丝杆传动即螺旋传动，它是精密机械中常用的一种传动形式。其主要作用 是将旋转运动变为直线运动。在三坐标测量机中，主要是实现位移的传动。即 在计算机的指令下，传动机构能将运动部件准确地移到目标位置。从原理上说， 三坐标测量机是根据标尺系统反馈回来的信息去确定运动部件是否已达到所需 位置，传动机构的传动误差不会直接引起定位误差。但若传动机构精度不高， 或有空程、爬行等现象，便会延长寻觅准确位置的时间，甚至来回搜索，导致 难以准确定位。丝杆传动具有精度高、分辨力高、空程与回程误差小等特点， 这对实现精确定位是有利的。 2 4 2 滚珠丝杠副的特点 滚珠丝杠副因其优良的摩擦特性使其广泛运用于各种工业设备、精密仪器、 精密数控机床。这些都取决于以下几个方面的优良特性“3 ： 1 传动效率高； 2 定位精度高； 3 无侧隙、刚性高； 4 滚珠丝杠副使用寿命长，可靠性高。 2 4 3 滚珠丝杠的安装 本测量机采用南京工艺装备厂生产的f f z d 型内循环垫片预紧螺母式滚珠 丝杠副，丝杠达到二级精度”1 。它既是传动件又是反馈元件，将交流伺服电机 的旋转运动转换成直线运动“，根据它的镙距和伺服电机内置的编码器的反馈 值即可计算出各轴的运动量，经p c i 一8 1 6 4 辨向即得位移量。 滚珠丝杆对称布置在两导轨的中间，并使其轴线尽量处于导轨的导向平面 内，从而消除工作台移动时产生转动的趋势，使工作台移动平稳而灵活。 滚珠丝杠通过如图2 3 所示的机构与工作台联接，实现工作台的直线运动。 滚珠丝杠通过螺母将丝杠的旋转运动转变为直线运动，其中滚珠螺旋传动是在 丝枉和螺母之间放入适量滚珠9 1 ，以使滑动摩擦变为滚动摩擦的螺旋传动。螺 母的两侧固定了两根定位轴，轴承座固定在工作台底部，带动工作台沿直线运 动。定位轴与轴承座之阳j 是间隙配合，用以自动补偿丝杠径向的跳动。 图2 - 3 丝杠螺母与工作台连接图 2 5 导轨的设计与选用 在三坐标测量机的设计中，导轨部件是最重要的部件之一。导轨部件由运 动件和承导件组成。导轨部件不仅能可靠地承受外加载荷，而且更重要的是保 证运动件的定位及运动精度，以及与有关部件的相互位置精度，这对于三坐标 测量机非常重要。 2 5 1 导轨的设计要求 导轨的性能好坏，将直接影响到测量机的精度、承载能力和使用寿命。导 轨设计应满足：导向精度高、刚度大、耐磨性好、精度保持性好、运动轻便而 平稳、低速时无爬行现象、结构简单、工艺性好、便于调整间隙、具有良好的 润滑和防护等要求。 2 5 2 导轨设计的要点 ( 1 ) 定位的导轨设计：在一般情况下，导轨的设计均应符合限制五个自由度 的设计原则，这对于装调是有利的。 ( 2 ) 卸荷( 卸载) 装置：在一般工作台上都会遇到这个问题，可以在导轨上 装卸载荷轴承来调整卸荷力的大小。 ( 3 ) 导轨直线度的调整：为了补偿测量运动时悬臂的变形，通常可以采取两 种措旋； a ) 导轨加工时，让导轨的导向面具有一定的误差，这样可以在一定程度上 补偿由于重力变形产生的误差。 b ) 采用预变形调整机构，使悬臂梁产生一定的预变形，从而使它的导轨面 形状发生变化，达到补偿由于重力变形产生的误差的目的。 ( 4 ) 蠕动问题：为了减小蠕动可以采用防滞后滑座、消隙装置、两边同时驱 动等措旋。 2 5 3 导轨类型选择 导轨按摩擦性质可以分为：滑动摩擦导轨，滚动摩擦导轨，弹性摩擦导轨， 流体摩擦导轨等四类，下面就它们之间的运动特性的差异进行分析e ( 1 ) 滑动摩擦导轨 滑动摩擦导轨的运动件与承导件真接接触，其优点是结构简单、制造容易 以及接触刚度大，但它的摩擦阻力大，磨损快。由于导轨的动、静摩擦力的差 别及动摩擦力本身的不稳定性，使运动件产生较大的随机位移误差，从而影响 运动件的定位精度。此外，在低速时易产生爬行现象，也不宜在高速下运行。 ( 2 ) 气浮导轨 气浮导轨具有许多优点，如摩擦系数小、工作平稳、运动精度高、磨损小 等，因此，许多厂家都采用气浮静压导轨。但结构复杂、成本较高，多适用于 精密、轻载、高速的场合。 ( 3 ) 滚动摩擦导轨 直线滚动导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间 的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低运动的摩擦阻力。而且它具有以下优点： 1 ) 摩擦系数小 a ) 动、静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械动作延后的 时间间隙极短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度； b ) 驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一； c ) 适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高约l o 倍； d ) 能实现高定位精度和重复定位精度。 2 ) 能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。 3 ) 成对使用导轨副时，具有“误差均化效应”，从而降低基础件导轨安 装面的加工精度，减少基础件的机械制造成本与难度。 4 ) 导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，承载能力及 刚度比平面与钢球点接触大大提高，滚动摩擦力比双圆弧滚道有明显 降低。 5 ) 导轨采用表面硬化处理，使导轨具有良好的可校性；心部保持良好的机 械性能。 本测量机要求工作台具有较高的灵敏度，即驱动力或输入位移的微小变 化就能使工作台产生位移，并且本测量机对导轨的定位精度和重复定位精度 有较高要求。由于滚动导轨副的特殊结构，使其具有垂直向上、向下和左右 水平四方向额定载荷相等，且额定载荷大，刚度高，三个方向抗颠覆力矩的 能力大，且具有较高定位精度，能满足测量机的使用要求。 第三章测量机的电气控制系统 本章重点介绍了运动控制原理、交流伺服驱动系统、通信部分、手动控制 电路、测头及其扩展电路、限位保护电路等的设计和选用。 3 1 运动控制的实现“”1 本测量机的运动控制过程如图3 - 1 所示： 图3 - 1 电气控制原理图 3 1 1 运动控制原理 首先，在工控机中安装测量控制软件，用户通过软件界面，对运动控制卡 及伺服系统进行初始化，再进行测量参数设置，选择控制模式( 手动或自动) ， 选择待测的测量项目，读入被测件的特征尺寸参数和测量精度要求，软件将按 点位探测模式自动生成测量路径，然后采样工作开始。其中，在软件中将运动 量、运动方向和运动的各项参数( 如速度、逼近距离、加速时间等) 以脉冲的方 式发送给运动控制卡，运动控制卡再对输入指令进行处理，通过控制交流伺服 系统，来间接控制滚珠丝杠的进给，从而控制测头按既定轨迹在空间移动。 3 1 2 工控机和运动控制器 由于本测量机是用于工业现场，而普通p c 机的抗干扰能力较差，所以必须 选择抗干扰能力强、性能稳定的工控机。软件开始运行后，工控机在进行运动 控制的同时，实时监测测量机各轴电机的工作状态，并实时读取从伺服电机的 编码器反馈回来的坐标值信息，并及时保存、处理、显示和打印等。 运动控制器( 运动控制卡) 是实现测量机运动控制的“枢纽”。运动控制卡是 一种基于p c 机及工控机、用于各种运动控制场合( 包括位移、速度、加速度等 的控制) 的上位控制单元。运动控制卡的出现主要是因为： ( 1 ) 为了满足新型数控系统的标准化、柔性、开放性等要求； ( 2 ) 在各种工业设备( 如包装机械、印刷机械等) 、国防装备( 如跟踪定位系 统等) 、智能医疗装置等设备的自动化控制系统的研制和改造中，急需一 个运动控制模块的硬件平台； ( 3 ) p c 机在各种工业现场的广泛应用，也促进了运动控制卡的推广以充分发 挥p c 机的强大功能。 运动控制卡通常采用专业运动控制芯片或高速d s p 作为运动控制核心“， 主要用于控制步进电机或伺服电机。运动控制卡与p c 机构成主从式控制结构： p c 机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作( 例如键 盘和鼠标的管理、系统状态的显示、运动轨迹规划、控制指令的发送、外部信 号的监控等) ；控制卡完成运动控制的所有细节( 包括脉冲和方向信号的输出、 自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等) 。运动控制卡配有开放的函 数库供用户在d o s 或w i n d o w s 系统平台下自行开发、构造所需的控制系统“。 因而这种结构开放的运动控制卡能够广泛地应用于制造业中设备自动化的各个 领域。 根据不同的总线方式”“，运动控制卡可以分为p c i 总线控制卡和i s a 总线 控制卡。和i s a 总线不同，p c i 总线具有数据总线和地址总线分时复用、即插 即用、中断共享等优点，1 3 2 m b s 的带宽适合大量的数据交换，p c i 总线控制芯 片使得接口卡的开发更为简单。从9 0 年代开始，p c i 总线逐渐占据主流市场。 3 1 3p c i 一8 1 6 4 简介 o l r r d l r e a , e b f _ z + e l e l s d o r g l t c 3 l t 0 4 c m p l c f 2 图3 - 2p c i 一8 1 6 4 硬件结构原理图 本控制系统采用台湾凌华的p c i 一8 1 6 4 运动控制卡“。”1 ( 简称p c i 一8 1 6 4 ) ， 本卡为四轴运动控制卡，半长卡，具有圆弧插补、直线插补功能，可同时驱动 步进与伺服系统。可实现单轴运行或三轴四轴联动、任意两轴联动插补控制， 并由硬件实现机械装置的超限保护。只要把输出信号接至驱动器，现场限位信 号接入插头，即可实现三轴双轴单轴系统联动插补控制及超限保护，为用 裂啊 户进行二次开发软件提供了极大方便，适于开发三坐标两坐标钻铣床、雕刻 机、小型实验台等精确定位控制系统。 如图3 - 2 所示为p c i 一8 1 6 4 的内部硬件结构原理框图，在硬件结构上，运动 控制卡自身是一个独立模块，它有自己的处理器、地址和数据总线，自己的存 储和通信部件，不依赖于系统c p u 工作。p c i 一8 1 6 4 通过一个双向r a m 与计算 机交换信息，保证了控制的实时性和数据传输与管理的可靠性。以a s i c 芯片 p c l 6 0 4 5 为核心，经过f p g a 再通过p c i 总线控制器与p c i 总线进行通信，同时 f p g z 还与一个板载f i f o 连接，实现自身精确的快速位置比较和触发功能。运 动控制卡具有很强的运算能力，可以根据简单的位置或速度指令进行运动全过 程各项指标的计算，从而实现精确的轨迹控制和位置控制要求。 3 1 4p c i 一8 1 6 4 的功能特点 3 1 4 1p c i 一8 1 6 4 的运动控制模式m 1 ( 1 ) 按运动速度模式可以分为梯形速度运动模式和s 一曲线运动模式，且单轴 控制为点到点控制，可以是绝对运动，也可以是相对运