多維平臺在精密測量技術(shù)中的應(yīng)用

多維平臺在精密測量中的應(yīng)用報告人：江文松王中宇（教授）導(dǎo)師：研究方向：精密測試理論多維測量平臺的應(yīng)用柔性關(guān)節(jié)臂式測量機三坐標測量機汽車自動調(diào)整臂失效檢測儀三維平臺123二維平臺圓度，圓柱度，粗糙度，輪廓，形位，直線度表面輪廓，粗糙度，輔助逆向CAD設(shè)計扭矩，壓力，位移通用/專用的測量儀器第1頁第2頁1.1三坐標測量機定義根據(jù)中華人民共和國國家標準(GB/T

16857.2)規(guī)定，三坐標測量機是一種使用時基座固定，能產(chǎn)生至少三個線位移或角位移，通過探頭系統(tǒng)與工件的相對移動，探測工件表面點三維坐標的測量系統(tǒng)。1.三坐標測量機CMM（1）懸臂結(jié)構(gòu)（2）運動中測量（3）測頭采點（4）軟件分析計算因此：材料、結(jié)構(gòu)、連接、軸承、傳動、控制系統(tǒng)、測頭及測量軟件都影響測量機的性能。1.2三坐標測量機的工作特點圓度，圓柱度，粗糙度，形位輪廓，直線度主機控制系統(tǒng)測量軟件1.3三坐標測量機的組成精度等級:10L–10L/mm(L為量程)-6-4第3頁測量軟件:測頭的選擇和校準建立坐標系：321法測量（手/自）結(jié)果評定控制系統(tǒng):電控系統(tǒng)/氣控系統(tǒng)主機:基座/橋架/測頭第4頁基座的要求：嚴格的安裝規(guī)程：嚴格的測試環(huán)境：特殊設(shè)計的地基結(jié)構(gòu)恒溫恒濕/24小時測頭的要求：橋架的要求：測頭型號有嚴格的標準：0.5mm——10mm測頭的材料為紅寶石橋架的結(jié)構(gòu)決定了三坐標測量機的測量方式和測量精度1.4坐標測量機分類活動橋式固定橋式龍門式L型橋式水平臂式第5頁PMM-C測量機Leitz公司產(chǎn)(1)固定橋式精度最高的測量機往往采用這種結(jié)構(gòu)形式。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，剛性很好。Y向的光柵尺和驅(qū)動機構(gòu)可以設(shè)置在工作臺下方中部，X向阿貝臂小。缺點：因為被測工件放置在運動工作臺上，降低了機器的運動速度，承載能力相對小一些。PMM-C測量機的主要材料：X橫梁、Y向工作臺為花崗石Z軸為陶瓷滑架等鑄鐵第6頁(2)活動橋式Global測量機活動橋式坐標測量機是目前中小型測量機的主要機型。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，剛度好，開敞性好，承載能力較強，工件質(zhì)量對測量機的動態(tài)性能沒有影響。缺點：橋架單邊驅(qū)動，Y向光柵尺在工作臺一側(cè)，在Y方向有較大的阿貝臂，會引起較大的阿貝誤差。GLOBAL測量機的主要材料：X橫梁、Z軸、滑架等為鋁合金Y向工作臺與導(dǎo)軌為花崗石第7頁LAMBDA測量機(3)龍門式（高架橋式）龍門式坐標測量機一般為中大型測量機。優(yōu)點：減少了移動部分質(zhì)量，有利于精度及動態(tài)性能的提高。龍門式測量機最長可到數(shù)十米，由于其剛性要比水平臂式好，因而對大尺寸而言可具有足夠的精度。缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求較好的地基；立柱影響操作的開闊性；單邊驅(qū)動，Y向光柵尺在立柱一側(cè)，在Y方向有較大的阿貝臂，會引起較大的阿貝誤差，所以大型龍門式坐標測量機采用雙光柵/雙驅(qū)動模式。第8頁(4)水平臂式優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，空間開闊，在Ｘ方向很長，Ｚ向較高，是大型薄壁類工件測量的理想工具,如白車身，車門等。缺點：水平臂變形較大，精度較底。TORO測量機TORO測量機的主要材料：X向主導(dǎo)軌、Z軸、水平臂為鋼滑架等鑄鋁第9頁(5)L型橋式ZOO3L測量機(天津大學產(chǎn))L型橋式是綜合了活動橋式和龍門式優(yōu)缺點的測量機，

主要應(yīng)用于中型坐標測量機。優(yōu)點：有活動橋式的平臺及工作開敞性，又像龍門式減少了移動的質(zhì)量。缺點：要注意輔腿的熱膨脹設(shè)計，應(yīng)與主腿相近，以免影響垂直度

第10頁對測量機材料的總體要求導(dǎo)熱性好，以免外界有溫度變化（隨時間及隨空間變化）時形成構(gòu)件內(nèi)部的溫度梯度，引起變形（主要是扭曲和彎曲）；熱膨脹系數(shù)小，以免溫度變化引起過大的伸長縮短；剛性好，硬度大，強度高，比較大的彈性模量，以免受力后有較大的變形；高的硬度及耐磨性，保證不易劃傷、磨損；較高的強度，不易斷裂；運動部分的材料要求比重小，以減小由于測量機的高速、高加速運動而產(chǎn)生的測量機慣性力，它對精度的影響日顯重要；材料吸水率小，以免受潮變形（較差的花崗石的吸水性能，足以引起微米級的變形）；工藝性好，易于加工；成本要低。1.5坐標測量機的材料第11頁（1）測量機固定部分的材料1）剛性好、受溫度影響的變形小（希望結(jié)構(gòu)的變形只是線性，以易于軟件補償）、結(jié)構(gòu)簡單、成本低。2）中小型橋式測量機的固定部分，特別是工作臺大部件一般采用花崗巖，較小的部件采用鋁合金材料(電機支架，傳動支架)；有時為了增加剛性采用整體結(jié)構(gòu)（例如花崗石臺面與導(dǎo)軌）3）大型龍門式測量機、水平臂測量機的固定部分，大部分采用用鋼、鑄鐵。1）鋁合金2）陶瓷及其復(fù)合材料3）鋼、鑄鐵4）花崗石（2）測量機運動部分的材料第12頁1.6測量機的傳動裝置與氣浮導(dǎo)軌GLOBAL測量機：全部采用同步帶傳動空間運行速度：866mm/sec空間運行加速度：4330mm/sec2摩擦傳動(1)傳動方式：鋼帶傳動固定桿傳動滾珠絲杠傳動由于工業(yè)生產(chǎn)中，測量機運動的速度、加速度不斷提高，摩擦傳動已基本不能滿足要求，它們可能在高速啟動或停車時產(chǎn)生振蕩。目前在主傳動中，大部分采用嚙合傳動。如同步帶、滾珠絲杠傳動用于中小型機傳動；齒輪齒條傳動用于大型機的傳動。第13頁導(dǎo)軌的作用：是保證機器平穩(wěn)、高精度運動的關(guān)鍵。（2）氣浮導(dǎo)軌三坐標測量機上使用的導(dǎo)軌類型：1）氣浮導(dǎo)軌2）直線滾珠導(dǎo)軌氣浮導(dǎo)軌的優(yōu)點：具有無磨擦及無磨損的特性，由于勻差效應(yīng)，運動的局部直線度及角度擺動能較小，精度較高的測量機一般采用氣浮導(dǎo)軌。

第14頁氣浮導(dǎo)軌工作原理：氣浮導(dǎo)軌的核心是空氣軸承。利用空氣軸承小孔r1節(jié)流形成氣腔內(nèi)的高壓P0，在導(dǎo)軌和空氣軸承間形成具有一定承載能力和剛性的薄膜h。第15頁空氣軸承的性能有要求：承載能力，承載剛性（氣浮間隙每變化一微米承載能力的變化），耗氣量，抗氣振能力。對超高精度測量機，氣浮間隙及氣腔壓力的穩(wěn)定至關(guān)重要。第16頁PMM-C的主導(dǎo)軌GLOBAL的主導(dǎo)軌其它機器的主導(dǎo)軌第17頁氣浮導(dǎo)軌的行狀：1）矩形導(dǎo)軌2）三角形導(dǎo)軌3）燕尾型導(dǎo)軌氣浮導(dǎo)軌的橫梁導(dǎo)軌形狀三角梁橋架的優(yōu)點：優(yōu)化的穩(wěn)定性質(zhì)量比在同等高度下，較傳統(tǒng)橋架軸承分布寬43%在同等軸承分布寬度情況下，重量減輕24%，重心降低50%第18頁PMM-C機器的氣浮導(dǎo)軌第19頁平衡機構(gòu)的作用：垂直軸測量機的Z軸或水平臂測量機的水平臂及滑架組件，由于重力作用會下掉，必須有機構(gòu)加以平衡，使它處于隨遇平衡狀態(tài)。平衡機構(gòu)的種類：1）氣動平衡2）重錘平衡3）用電機與高減速比的減速器來平衡。1.7測量機的平衡機構(gòu)第20頁氣動平衡的優(yōu)點：重量輕，沒有大的晃動，對測量機精度影響?。粴鈩悠胶獾娜秉c：必須細致地設(shè)計氣動平衡及保護機構(gòu)，平衡機構(gòu)必須靈敏，在各種狀態(tài)下迅速保持平衡，由于高加速度,啟動和停止時氣缸中氣壓瞬時過壓和欠壓都會引起振動,因此必須用高靈敏度的精密調(diào)壓閥。開氣→平衡氣缸通氣,Z向空氣軸承仍抱緊Z軸→空氣壓力超過平衡壓力并有一定安全值,Z向空氣軸承放開Z軸,氣缸在平衡壓力值保持平衡;關(guān)氣或意外斷氣→壓力下降到安全值,Z向空氣軸承抱緊Z軸,氣缸在平衡壓力值時仍保持平衡→壓力下降到平衡壓力以下甚至到零,Z向空氣軸承抱緊Z軸。要防止氣缸桿與Ｚ軸導(dǎo)軌不平行對Ｚ軸運動的干涉。

平衡機構(gòu)的保護機構(gòu)必須保證在任何情況下，主軸不會下墜，特別是突然通氣和斷氣的時候要防止Ｚ軸或水平臂的墜落，這一般由壓力開關(guān)、電磁閥等氣動元件來完成。氣路系統(tǒng)必須滿足下述邏輯:（1）氣動平衡第21頁重錘平衡的優(yōu)點：構(gòu)造簡單，其原理類似滑輪，一端為主軸，一端為平衡重量，構(gòu)造可靠，除非連接鋼絲繩斷裂，一般不會出安全問題；重錘平衡的缺點：加大了移動部分重量，當配重上升下降到不同位置時，會影響到測量機性能，特別是配重與導(dǎo)軌的間隙，影響運動的平穩(wěn)性，因而影響精度。(2)重錘平衡第22頁直接利用Z軸的重量來控制它的運動,既克服氣動平衡時啟動和煞車中的沖擊又避免了重錘平衡的附加重量,但電機功率要加大,減速比要加大,必要時要加煞車裝置。(3)高減速比的減速器來平衡第23頁光柵是三坐標測量機的長度基準。光柵由光柵尺及讀數(shù)頭兩部分組成，光柵尺上有著均勻排列的刻線，讀數(shù)頭上有讀數(shù)光柵以及發(fā)光二極管和硅光電池。讀數(shù)頭與光柵尺分別裝在兩個相對運動的載體上，利用光柵尺與讀數(shù)頭間的相對運動來得到兩個載體間相對的位移。

1.8光柵光柵尺的刻線間距為40um20um為腐蝕吸收線，20um為反射線。安裝：光柵裝配在鋼的導(dǎo)軌上德國HEIDENHAIN的金屬光柵尺190/40：第24頁當被測物體不與光柵在同一直線上時，由于運動的不平穩(wěn)引起的角擺及相應(yīng)的偏置（阿貝臂），即光柵讀數(shù)和實際觸發(fā)點坐標不一致，造成了阿貝誤差（擺角×阿貝臂）。因此，測量機測頭處的運動特性決定了測量機取點坐標的精度。1.9測量機測點誤差的產(chǎn)生根據(jù)被測工件要求的檢測精度與測量機給定的測量不確定度相對比，在一般測量中，測量不確定度應(yīng)為被測工件尺寸公差帶的1/3～1/5。對于精密測量及復(fù)雜的形位測量要求更高，為被測尺寸公差帶的1/5～1/8。尤其重要的是重復(fù)精度必須滿足要求，因為系統(tǒng)誤差可以通過一定方法補償，而重復(fù)精度是由測量機本身決定的。好的坐標測量系統(tǒng)不僅要精度高，更重要的是精度能夠保持穩(wěn)定。測量機的選擇5軸掃描測頭測發(fā)動機固定橋式測量機測減速箱實例1實例2第25頁2柔性關(guān)節(jié)臂式測量機結(jié)構(gòu)特征：測量精度隨著測量半徑的增大而減小快速坐標點的定位6個自由度無死角測量精度：5μm-68μm之間關(guān)節(jié)臂式CMM結(jié)構(gòu)示意圖8個主要傳感器：6個自由度識別傳感器（坐標），2個光電傳感器（測距）第26頁激光測頭2柔性關(guān)節(jié)臂式測量機測量過程應(yīng)用領(lǐng)域：表面形貌測量逆向工程：汽車、軍工、航空航天實例3實例4關(guān)節(jié)臂逆向設(shè)計汽車零部件的掃描第27頁超跑無級變速器箱體逆向設(shè)計2柔性關(guān)節(jié)臂式測量機掃描處理后第28頁ABS調(diào)節(jié)器的逆向設(shè)計2柔性關(guān)節(jié)臂式測量機Scanworks掃描GeomagicStudio形狀處理第29頁MPV后備箱艙門的逆向設(shè)計2柔性關(guān)節(jié)臂式測量機第30頁自動調(diào)整臂失效的力學建模分析了自動調(diào)整臂失效檢測的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀自動調(diào)整臂失效的有限元分析自動調(diào)整臂失效檢測系統(tǒng)的設(shè)計自動調(diào)整臂失效比對實驗的設(shè)計abcde3汽車自動調(diào)整臂失效檢測儀第31頁3.1汽車自動調(diào)整臂第32頁3.2研究現(xiàn)狀自動調(diào)整臂失效研究機械產(chǎn)品失效檢測技術(shù)研究基于模型的失效檢測技術(shù)根據(jù)制動現(xiàn)象判斷失效來源對內(nèi)部零件的有限元模態(tài)分析微弱信號故障檢測與監(jiān)測無損檢測方法：

超聲法、回彈儀法、鉆孔壓水法、沖擊反射法和孔中電視探測法等第33頁3.3失效理論對自調(diào)臂建立故障樹模型第34頁分析自調(diào)臂故障樹模型得出結(jié)論：在引起自調(diào)臂失效的所有事件中：螺旋壓縮彈簧單元失效和單向離合器單元失效是引起自調(diào)臂失效的主要原因單向離合器單元失效模型螺旋壓縮彈簧單元失效模型（HCSUnit）（OWCUnit）基于參數(shù)化模型的失效檢測方法自調(diào)臂檢測裝置參數(shù)化模型判斷失效分離力調(diào)整力矩原理：3.3失效理論第35頁（1）HCSUnit失效模型螺旋壓縮彈簧經(jīng)過長期受壓，往往會發(fā)生應(yīng)力松弛、塑性變形、卡牢等失效形式。為了定量分析彈簧的失效特征，根據(jù)胡克定律分析彈簧的應(yīng)力隨勁度系數(shù)變化的關(guān)系，從而判斷失效發(fā)生的臨界點。自調(diào)臂的分離力大小必須大于單向離合器錐齒輪的軸向力根據(jù)離合器齒輪保持嚙合狀態(tài)的條件：即：從而有3.3失效理論第36頁彈簧的最大剪切應(yīng)力有如下關(guān)系：彈簧受壓下，壓縮變形量為：彈簧在受到載荷作用下，總應(yīng)力主要由剪切力產(chǎn)生的剪切應(yīng)力和扭矩產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力組成因此，彈簧的最大壓縮變形量為：3.3失效理論第37頁螺旋壓縮彈簧對蝸桿施加的預(yù)緊力所引起的位移量以及殼體與蝸桿之間的相對微小位移量共同構(gòu)成了彈簧的預(yù)壓縮量設(shè)分離間隙值為彈簧的變形量應(yīng)大于以上兩種情況下的總壓縮量即不失效的臨界條件：一旦彈簧上述指標不滿足載荷要求，彈簧將因過載產(chǎn)生塑性變形失效，彈簧的剛度系數(shù)將隨特性曲線的奇異而改變。彈簧的力特性受彈簧絲直徑、彈簧中徑、彈簧圈數(shù)及其材質(zhì)的影響測試的量3.3失效理論第38頁（2）OWCUnit失效模型單向離合器剖面圖單向離合器的爆炸圖3.3失效理論第39頁（2）OWCUnit失效模型A.正轉(zhuǎn)力矩建模矩形壓簧的簧絲為長度為的方形截面，抗彎截面系數(shù)：有單向離合器在工作時，作用在矩形壓簧上的力矩可以分解為力矩M和力矩由于螺旋角很小，可以將矩形壓簧的簧絲近似的按彎曲梁計算則最大彎曲應(yīng)力：3.3失效理論第40頁矩形壓簧不失效的條件為：—矩形壓簧對應(yīng)材質(zhì)的抗拉強度的下限值因此，單向離合器的正轉(zhuǎn)最大力矩A.正轉(zhuǎn)力矩建模（2）OWCUnit失效模型3.3失效理論第41頁B.反轉(zhuǎn)力矩建模單向離合器與蝸桿軸之間的力學模型在制動回位過程中，單向離合器上的反轉(zhuǎn)力矩轉(zhuǎn)換為蝸桿端面齒輪上的反轉(zhuǎn)力帶動蝸桿軸轉(zhuǎn)動分離力足夠大到克服螺旋壓縮彈簧的預(yù)緊力時，即可使單向離合器與蝸桿軸分離（2）OWCUnit失效模型3.3失效理論第42頁—模型中齒輪壓力角的兩倍角因此，反轉(zhuǎn)力矩：B.反轉(zhuǎn)力矩建模（2）OWCUnit失效模型3.3失效理論第43頁建模的理論條件：為了保證制動回位過程中單向離合器與蝸桿軸嚙合，測試的反轉(zhuǎn)最小扭矩應(yīng)不大于理論計算值；彈性制動過程中單向離合器能推開蝸桿軸使二者分離，則反轉(zhuǎn)最大測試扭距應(yīng)不小于理論計算值。因此，單向離合器模型應(yīng)滿足如下的關(guān)系：不失效的臨界條件：測試的量（2）OWCUnit失效模型3.3失效理論第44頁（3）失效模型的有限元仿真設(shè)計c.根據(jù)自調(diào)臂的出廠數(shù)據(jù)（包括結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)）導(dǎo)入到ANSYSWorkbench有限元仿真參數(shù)庫中，構(gòu)建仿真環(huán)境下的自調(diào)臂結(jié)構(gòu)模型。設(shè)置ANSYSWorkbench下的自調(diào)臂各零部件之間的接觸關(guān)系、對模型劃分網(wǎng)格、設(shè)計需要計算的參數(shù)（包括Staticstructureanalysis和FatigueLifeanalysis兩大類）。b.根據(jù)HCSUnit失效模型和OWCUnit失效模型，進行ANSYS下的失效仿真分析a.SolidWorks與ANSYSWorkbench的無縫化對接3.3失效理論第45頁螺旋壓縮彈簧單元的疲勞壽命圖Fatiguelifeofhelicalcompressionspring（3）失效模型的有限元仿真設(shè)計3.3失效理論第46頁螺旋壓縮彈簧的壽命曲線螺旋壓縮彈簧為HCSUnit中壽命最短，最容易發(fā)生疲勞失效的零件，通過右圖可以得出，在最大載荷3800N的作用下，螺旋壓縮彈簧經(jīng)過69100次循環(huán)即會導(dǎo)致其失效，從而影響自調(diào)臂的性能分析結(jié)果：loadinghistoryofhelicalcompressionspring（3）失效模型的有限元仿真設(shè)計3.3失效理論第47頁單向離合器單元的總變形靜力圖Totaldeformationofone-wayclutch（3）失效模型的有限元仿真設(shè)計3.3失效理論第48頁單向離合器的壽命曲線loadinghistoryofone-wayclutch單向離合器在受到20-38Nm的力矩作用下，其壽命最短，矩形壓簧最易造成疲勞失效。同時，矩形壓簧受到切向剪力的作用之后，導(dǎo)致單向離合器同軸度發(fā)生巨大變化，最終會因此導(dǎo)致矩形壓簧剪斷，中斷扭矩的傳遞，導(dǎo)致自調(diào)臂功能失效。右圖可以得出結(jié)論，單向離合器在最大力矩作用下最大壽命為1×106次循環(huán)（大于國標規(guī)定的5×105次循環(huán)）。分析結(jié)果：（3）失效模型的有限元仿真設(shè)計3.3失效理論第49頁3.4失效檢測系統(tǒng)（1）失效檢測系統(tǒng)設(shè)計1.底座2.自調(diào)臂（工件）3.試件夾具4.行程傳感器

5.薄型氣缸6.力傳感器7.轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感

8.伺服平移裝置

9.扭矩伺服電機10.伺服電機11.滾軸絲杠12.減速器綜合性能測試系統(tǒng)示意圖Comprehensiveperformancetestsystem第50頁（2）失效檢測系統(tǒng)實物圖與電氣圖3.4失效檢測系統(tǒng)第51頁（3）失效檢測系統(tǒng)工作過程裝夾微動平臺測桿接近被測件測試選擇①②微動平臺初始化4步3.4失效檢測系統(tǒng)第52頁（4）失效檢測系統(tǒng)精度設(shè)計方案失效檢測系統(tǒng)的誤差源分析測量推桿的偏斜誤差滾軸絲杠副的軸向變形誤差消除措施：增強安置在滾軸絲杠副兩側(cè)的定位桿的剛度、加大滾軸絲杠副的支撐裝置強度和減小滾軸絲杠副的長度基于Radon變換的分離間隙提取技術(shù)√√減小測量推桿的偏斜誤差的措施：減小測量推桿的長度，在推桿外圍安裝了防護套ba3.4失效檢測系統(tǒng)第53頁基于Radon變換的分離間隙提取技術(shù)目的：剝離大載荷下的介于0.3mm至0.8mm的分離間隙方法：多路徑線性Radon變換b（4）失效檢測系統(tǒng)精度設(shè)計方案3.4失效檢測系統(tǒng)第54頁基于Radon變換的分離間隙提取技術(shù)梯度極值法

PK多路徑線性Radon變換將TESA參考值作為真值，線性Radon變換法的計算結(jié)果的相對誤差為0.5%，梯度極值法的計算結(jié)果的相對誤差不小于5%。（4）失效檢測系統(tǒng)精度設(shè)計方案3.4失效檢測系統(tǒng)第55頁3.5失效檢測比對實驗：自調(diào)功能失效測試手段：自調(diào)功能耐久性測試臺基于模型的失效檢測技術(shù)對象：自調(diào)臂目的：驗證基于模型的失效檢測技術(shù)的準確性比對性實驗精度達到0.1%的BK-2B型力傳感器（量程9800N）和扭矩測量精度達0.3%的JN338型扭矩傳感器（量程100Nm），系統(tǒng)測量標準不確定度為±0.01Nm第56頁表注：基于HCSUnit失效模型的理論值與測試值的對比編號剛度k分離力/N分離間隙/mm

/mm變形量/mm自調(diào)功能狀態(tài)11259200.004900.210.3900.3940.215否否21012510.004606.060.3200.3230.203否否3738120.003586.800.3000.3050.326是是4554560.004312.970.3200.3240.337是是5398419.003920.370.3100.3200.333是是6192139.002842.820.3900.4150.429是是7126062.002744.280.4100.4320.493是是878700.002548.340.4200.5120.574是否946132.502156.160.4100.4970.679是是1024901.211568.910.4300.4930.819是是1112008.701372.720.4