結(jié)晶器多維坐標(biāo)尺寸自動(dòng)測(cè)量機(jī)的研制 摘要 工字鋼是截面為工字形的長(zhǎng)條鋼材，以其優(yōu)越的性能廣泛應(yīng)用于民用建筑鋼 結(jié)構(gòu)和工業(yè)構(gòu)筑鋼結(jié)構(gòu)中。工字鋼結(jié)晶器是連鑄生產(chǎn)工字鋼毛坯的模具，其內(nèi)外 尺寸的精度不但影響工字鋼毛坯的精度，還對(duì)生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生影響，嚴(yán)重的情況將 造成鋼水脫缸，造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。為了測(cè)量結(jié)晶器的內(nèi)外尺寸，我們受馬鋼 公司委托研制了該測(cè)量機(jī)。 該測(cè)量機(jī)使用靠近工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，環(huán)境惡劣，要求測(cè)量機(jī)具有較強(qiáng)的抗干擾能力， 必須采用可靠性好的傳動(dòng)及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)；測(cè)量工件內(nèi)腔深寬比較大，形狀特殊，故 主機(jī)結(jié)構(gòu)不能采用傳統(tǒng)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)常用的移動(dòng)橋式結(jié)構(gòu)。 鑒于該測(cè)量機(jī)的使用環(huán)境和測(cè)量工件的特殊形狀，主機(jī)采用l 橋式結(jié)構(gòu)，屬 于直角正交坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，各軸均采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副帶動(dòng)滑座沿滾珠導(dǎo) 軌做直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)x 、y 、z 三軸方向的直線運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)測(cè)桿上的測(cè)頭在測(cè)量空間 的三維運(yùn)動(dòng)。測(cè)頭采用t e s a 公司高精度觸發(fā)式測(cè)頭，三軸向位移由高精度光柵 位移傳感器進(jìn)行檢測(cè)。工控機(jī)通過(guò)伺服電機(jī)控制卡控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)三軸的移 動(dòng)。在v c + + 6 0 環(huán)境下對(duì)電機(jī)控制卡的函數(shù)庫(kù)進(jìn)行2 次開(kāi)發(fā)以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)頭空間 運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜控制。 本文詳細(xì)分析了測(cè)量機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的2 l 項(xiàng)幾何誤差，運(yùn)用齊次坐標(biāo)及其變 換矩陣這一簡(jiǎn)捷而有效的數(shù)學(xué)工具建立了測(cè)量機(jī)測(cè)頭中心相對(duì)于底座參考坐標(biāo) 系的測(cè)量模型。對(duì)測(cè)量精度影響較大的2 l 項(xiàng)幾何誤差進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分離，采用誤 差分離與修正技術(shù)保證測(cè)量精度，實(shí)現(xiàn)在不增加制造成本，以及不增加編程復(fù)雜 性的前提下，提高了測(cè)量機(jī)的精度。在v c + + 6 o 環(huán)境下編寫了自動(dòng)測(cè)量示教、 路徑規(guī)劃、數(shù)據(jù)處理等軟件程序。該測(cè)量機(jī)測(cè)量對(duì)象特殊，對(duì)環(huán)境要求不高，成 本低，能夠滿足企業(yè)提出的測(cè)量要求。 關(guān)鍵詞：坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，測(cè)量模型，誤差分析，誤差分離與修正，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) 軟件程序設(shè)計(jì) d e v e l o p m e n t o fm u l t i d i m e n s i o n a la u t oc o o r d i n a t e m e a s u r i n gm a c h i n e su s e d f o rc r y s t a l l i z e r a b s t r a c t ii r o ni sa ni - s h a p e ds t r i ps t e e l i ti sa b r o a du s e di ns t e e ls t r u c t u r eb o t hi nc i v i l b u i l d i n g sa n di n d u s t r yc o n s t r u c t sa si t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ii r o nc r y s t a l l i z e ri st h e m o l di nb i l l e tp r o d u c t i o n t h ep r e c i s i o no ft h ei n s i d ea n do u t s i d ed i m e n s i o na f f e c t s n o to n l yt h ep r e c i s i o no fli r o nb i l l e t b u ta l s ot h ep r o d u c t i o np r o c e s s w 魄st h e w o r s e ，m o l t e ns t e e lm a ye f f u s eo u tc a u s i n gs e r i o u sa c c i d e n t s o ，i no r d e rt om e a s u r e t h ei n s i d ea n do u t s i d ed i m e n s i o no fc r y s t a l l i z e r , w ed e s i g nt h em e a s u r i n gm a c h i n ef o r m as t e e lc o m p a n y t h ec o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n eu s i n gc l o s ei n d u s t r yl o c a la n dt h ew o r k i n g e n v i r o n m e n to fi ti sv e r yb a d i tc a l l sf o rt h a tt h ec m mm u s th a v ev e r ys t r o n g c a p a b i l i t yo fa n t i - j a m m i n g s o ，t h ed r i v i n ga n dg u i d i n gs y s t e mw h i c hh a v ev e r yg o o d p e r f o r m a n c ea r ca d o p t e d 。露臻l u m e nd i m e n s i o no f m e a s u r i n go b j e c ti sv e r yd e e pa n d t h es h a p eo fi ti se s p e c i a l l y s o ，t h em a i n f r a m ea l s oc a n ta d o p tt h et r a d i t i o nm o v a b l e b r i d g e - t y p es t r u c t u r e b e c a u s et h ew o r k i n ge n v i r o n m e n to fe m ma n dt h es h a p eo fm e a s u r i n go b j e c ti s e s p e c i a l l y ，m a i n f r a m ea d o p t slb r i d g et y p es t r u c t u r e t h ec o o r d i n a t em e a s u r i n g m a c h i n ei sar e c t a n g u l a rc a r t e s i a nc m m t h er e c t i l i n e a rm o v e m e n to fe v e r ya x i si s a c h i e v e dt h r o u g hs e r v om o t o rd r i v e sb a l ls c r e wp a i rb r i n g i n gw i t ht h es l i d ec a r r i a g e t om o v ea l o n gt h es p h e r i c a lg u i d e 。t h et h r e ed i m e n s i o nm o v e m e n to fp r o b ei s r e a l i z e db yt h er e c t i l i n e a rm o v e m e n to f t h r e ea x e s ：x ，yz a x i s h i g hp r e c i s i o nt o u c h t r i g g e rp r o b eo ft e s a i su s e da n dt h et h r e ea x i a ld i s p l a c e m e n t sa r em e a s u r e db yh i 出 p r e c i s i o ng r a t i n g i n d u s t r yc o m p u t e rc o n t r o lt h er u n n i n go ft h em o t o r s 、“t l ls e r v o m o t o rc o n t r o lc a r d s t h ef u n c t i o n so fm o t o rc o n t r o lc u r da r es e c o n d a r yd e v e l o p e di n v i s u a lc + + 6 0a n dt h ec o m p l e xc o n t r o lo f p r o b em o v e m e n tc a r lb er e a l i z e d t h e2 1 g e o m e t r i ce r r o r si n t h em o v i n gp r o c e s s o ro fc o o r d i n a t em e a s u r i n g m a c h i n ea r ea n a l y z e di nd e t a i li nt h i sp a p e r t h em o d e lo fp r o b ec e n t e rr e l a t i v et o r e f e r e n c ec o o r d i n a t ei nt h eb a s ei sb u i l tb yt r a n s f o r m a t i o nm a t r i xo fh o m o g e n e o u s c o o r d i n a t e s t h e2 1g e o m e t r i ce r r o r s ，w h i c hh a v eg r e a ti m p a c to nm e a s u r e m e n t a c c u r a c y , a r es e p a r a t e dt h r o u g he x p e r i m e n t s m e a s u r i n ga c c u r a c yi si m p r o v e db y m e a n so fc a a m a n u f a c t u r ec o s td o e s n ti n c r e a s ea n dp r o g r a md e s i g ni sa l s os i m p l e 。 t h ep r o g r a mo fa u t om e a s u r e m e n t ，p a t hl a y o u ta n dd a t ap r o c e s s i n ga r ec o m p i l e di n v i s u a lc + + 6 0 t h em e a s t t r i n go b j e c t so ft h i sm a c h i n ea r es p e c i a la n dw i t hl o w r e q u i r e m e n to ne n v i r o n m e n t ，l o wc o s t i tc a ns a t i s f yt h em e a s u r i n gd e m a n d so f c o r p o r a t i o n 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 ，m e a s u r i n gm o d e l ，e r r o ra n a l y s i s ，e r r o r s e p a r a t i o na n dc o r r e c t i o n ，s e r v om o o rd r i v e ，s o f t w a r ep r o g r a md e s i g n 圖1 1 圖1 - 2 圖1 - 3 圖1 - 4 圖2 1 圖2 2 圖2 3 圖2 4 圖2 5 圖2 6 圖2 7 圖2 8 圖2 - 9 圖2 1 0 圖2 1 l 圖2 1 2 圖2 1 3 圖2 1 4 圖2 1 5 圖2 1 6 圖2 1 7 圖2 一1 8 圖2 1 9 圖2 2 0 圖2 2 1 圖2 2 2 圖2 2 3 圖2 2 4 圖2 ，2 5 圖2 2 6 圖2 2 7 圖2 2 8 圖2 2 9 圖2 3 0 插圖清單 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的典型組成2 工字鋼鑄坯的生產(chǎn)工藝圖3 結(jié)晶器銅管3 測(cè)量機(jī)的外觀結(jié)構(gòu)4 結(jié)晶器銅管截面6 測(cè)量機(jī)系統(tǒng)組成6 坐標(biāo)測(cè)量原理8 點(diǎn)位測(cè)量示意圖_ 8 數(shù)據(jù)采集時(shí)序圖8 測(cè)量機(jī)主體結(jié)構(gòu)9 滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)1 0 滾珠絲杠的安裝1 0 雙螺母滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊原理圖1 1 一維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)安裝示意圖1 1 光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)原理1 2 莫爾條紋1 2 直線光柵位移傳感器”1 3 直線滾珠導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)1 3 直線滾珠導(dǎo)軌的配置及固定方式1 4 測(cè)量機(jī)平衡結(jié)構(gòu)示意圖15 測(cè)量機(jī)電氣原理“1 5 松下交流伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器1 6 凌華p c i 一8 1 6 4 運(yùn)動(dòng)控制卡1 7 p c i 8 1 6 4 內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖1 7 研華p c l 一8 3 3 計(jì)數(shù)器卡1 8 p c l 一8 3 3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及信號(hào)輸入示意圖1 8 計(jì)數(shù)卡輸入信號(hào)示意圖1 9 機(jī)械接觸式測(cè)頭1 9 電氣式動(dòng)態(tài)測(cè)頭“2 0 加力式三向電感測(cè)頭- 2 1 激光非接觸式測(cè)頭工作原理2 2 測(cè)端、探針及星型測(cè)頭“2 2 測(cè)頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖一2 3 測(cè)頭電氣原理圖一2 3 圖4 1 9 圖4 2 0 圖4 2 1 圖5 1 測(cè)量機(jī)手動(dòng)控制器一2 4 手動(dòng)控制器工作原理”2 4 n r f 4 0 1 芯片的典型應(yīng)用2 5 接收機(jī)的電氣原理圖2 6 控制器的軟件程序框圖2 6 測(cè)量機(jī)誤差源分析2 8 y 軸導(dǎo)軌產(chǎn)生的6 項(xiàng)幾何誤差2 8 觸發(fā)測(cè)頭受力情況“2 9 觸發(fā)測(cè)頭測(cè)量力的各向異性3 0 測(cè)桿末端抖動(dòng)“3 0 齊次坐標(biāo)變換的示意圖3 l 測(cè)量機(jī)多級(jí)齊次坐標(biāo)變換模型。3 2 y 軸基準(zhǔn)示值誤差重復(fù)測(cè)量曲線3 4 各軸誤差修正的不確定度曲線3 6 激光干涉儀分離定位誤差原理3 8 激光干涉儀分離水平軸定位誤差安裝示意3 8 激光干涉儀分離垂直軸定位誤差安裝示意3 8 各軸示值誤差5 次重復(fù)測(cè)量曲線3 9 激光干涉儀分離水平軸俯仰或偏擺誤差原理3 9 激光干涉儀分離水平軸俯仰角誤差安裝示意圖4 0 激光干涉儀分離垂直軸俯仰或偏擺角誤差4 0 光電自準(zhǔn)直儀分離俯仰或偏擺角誤差4 0 x 、y 、z 各軸的俯仰、偏擺運(yùn)動(dòng)誤差曲線4 2 垂直軸滾轉(zhuǎn)角誤差的檢測(cè)方法4 3 平尺法測(cè)量直線度運(yùn)動(dòng)誤差原理4 3 激光準(zhǔn)直儀法測(cè)量直線度運(yùn)動(dòng)誤差原理4 4 激光干涉儀分離直線度誤差原理4 4 激光干涉儀分離水平軸直線度誤差安裝示意圖”4 4 激光干涉儀分離直線度誤差原理4 5 激光干涉儀分離垂直軸直線度誤差安裝示意圖”4 5 方箱法測(cè)量?jī)奢S垂直度誤差4 6 激光準(zhǔn)直儀測(cè)量?jī)奢S垂直度誤差4 7 激光干涉儀測(cè)量?jī)奢S垂直度誤差4 7 對(duì)角線法測(cè)量?jī)奢S垂直度誤差4 7 測(cè)端等效直徑的標(biāo)定4 8 測(cè)量機(jī)軟件主界面”4 9 撇磁揶姒撕弛粥”妯”粥”牝”“鈣鉀似伽三!m螄伽圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖 圖5 2 圖5 3 圖5 - 4 圖5 5 圖5 - 6 圖5 7 圖5 - 8 圖5 9 圖5 1 0 圖5 1 l 圖5 1 2 圖5 1 3 圖5 1 4 圖5 1 5 圖5 一1 6 圖5 1 7 圖5 一1 8 圖5 1 9 圖5 2 0 圖5 2 l 圖5 2 2 圖5 2 3 圖5 2 4 軟件程序總流程圖”5 0 標(biāo)準(zhǔn)球與方體”5 l 標(biāo)準(zhǔn)球上觸測(cè)點(diǎn)位置5 1 圓弧插補(bǔ)5 3 三軸聯(lián)動(dòng)線性插補(bǔ)“5 3 梯形速度運(yùn)動(dòng)模式5 4 s 曲線運(yùn)動(dòng)模式5 4 運(yùn)動(dòng)控制工具欄- 5 5 速度參數(shù)設(shè)置對(duì)話框5 5 手柄控制菜單“5 5 測(cè)量點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)表5 6 分離誤差存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)表”5 7 坐標(biāo)系的平移和旋轉(zhuǎn)5 7 測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)處理對(duì)話框5 8 測(cè)量數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框5 8 測(cè)量結(jié)果的顯示一5 9 測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)表5 9 兩要素之間的距離一6 2 兩要素之間的角度“6 3 測(cè)量路徑的三要素一6 3 直線測(cè)量路徑6 4 外圓弧測(cè)量路徑”6 4 內(nèi)圓弧測(cè)量路徑一6 5 表格清單 表2 1n r f 4 0 1 的工作模式和控制方式2 5 表3 1 各項(xiàng)幾何誤差傳遞系數(shù)表3 4 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲秘掰星交懿學(xué)位論交是本入在導(dǎo)幫指導(dǎo)下進(jìn) 亍靜研究王作及取褥靜磺究成采。攥 我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致澍的地方外，論文中不包含其他人己綴發(fā)表或撰寫過(guò)的 研究成果，也不包含為獲得 盒塹l ：些盤璧 或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使甬過(guò)的 材辯。與我一圜工作的同志對(duì)本研究所斂鮑饅俺貢獻(xiàn)均已在論文中作了踢確的說(shuō)明贊表示濺 意。 學(xué)位論文作者簽名 忍、圣，舢1 陳寶剮f釃期：2 0 0 7 年1 2 月1 1 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 零學(xué)位論文作者寵全了鰓金壁王些盔燮奏關(guān)繯蟹、使用學(xué)餒論文黲規(guī)定，騫投鏍整勞 向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)地 圣鱉叁星霹淡將學(xué)位論文躲全都或秘分蠹簽編入蠢裝數(shù)器癢迸行梭索，掰菝采秀j 彩竄、縮 印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書) 簽字日期：2 0 0 7 年1 2 月1 1 日 豁字日期：2 0 0 7 年1 2 月i 1 日 學(xué)位論文作者畢業(yè)后去向： 工作攀整：孛莓幸院長(zhǎng)謄光學(xué)精密瓿轅與秘鷲騷究爨龜活： 通訊地址：長(zhǎng)春經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)東南湖大路1 6 號(hào) 郵編：1 3 0 0 3 3 致謝 本文是在導(dǎo)師費(fèi)業(yè)泰教授的悉心指導(dǎo)下完成的，在此誠(chéng)摯感謝費(fèi)老 師的親切關(guān)懷和無(wú)限幫助。在過(guò)去近三年的研究生學(xué)習(xí)生活中，恩師費(fèi) 業(yè)泰教授不論是在學(xué)術(shù)科研上還是在生活做人方面，都給予了我巨大的 幫助和無(wú)微不至的關(guān)懷，這將是我這一生享用不盡的財(cái)富。費(fèi)老師表現(xiàn) 出的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、精湛的學(xué)術(shù)水平和高尚的個(gè)人情操，將是我終生 學(xué)習(xí)的榜樣。 感謝實(shí)驗(yàn)室周耀新高工、師兄章立軍碩士在課題研究中給予我的關(guān) 心和指導(dǎo)。感謝實(shí)驗(yàn)室王宏濤老師、王會(huì)生老師在課題實(shí)驗(yàn)中給予的鼎 立相助。 碩士論文的最終完成，離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)室良好的科研環(huán)境和學(xué)習(xí)氛圍。 在此，感謝實(shí)驗(yàn)室同學(xué)汪平平、夏豪杰、羅哉、蔣敏蘭、楊洪濤、湯輝、 章立軍、王春花、徐婷婷、程文濤、李光珂、徐剛、丁邦宙、盛立、范 哲光、王晨晨和尚平。感謝我的好友們?cè)诖T士期間給予我的鼓勵(lì)和支持， 與他們的友誼不斷激勵(lì)著我前進(jìn)! 感謝我最親愛(ài)的父母二十多年來(lái)對(duì)我深切的關(guān)懷與無(wú)私的付出，論 文的完成深深凝聚著父母對(duì)我的關(guān)愛(ài)，在此向他們表示我最衷心的感 謝! 陳寶剛 2 0 0 7 年1 1 月 第一章縫論 1 1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)概述 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)( c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n i n g ，簡(jiǎn)稱c m m ) 是2 0 世紀(jì)6 0 年代發(fā)鼴起來(lái)的種新型高效多功能精密測(cè)凝儀器【1 】。1 9 6 0 年， 莢霆f e r r a n t i 公司疆割殘功整爨上第一臺(tái)三坐掭測(cè)鬟輥，到2 0 氆紀(jì)6 0 年代朱，已有近十個(gè)國(guó)家的三十多家公謠在生產(chǎn)c m m ，不過(guò)這一時(shí)期的 c m m 尚處于初級(jí)階段。進(jìn)入2 0 世紀(jì)8 0 年代后，以z e i s s 、l e i t z 、d e a 、 l k 、蘭豐、s i p 、f e r r a n t i 、m o o r e 等為代表的眾多公司不斷攘出新產(chǎn) 燕，搜得c m m 麓發(fā)震速度鞠俠。我墓三黛標(biāo)溺量橇瓣磷翻開(kāi)始予七十年 代中期，這些研制單位有北京3 0 3 所、新天光學(xué)儀器廠、北京機(jī)床研究所、 天津大學(xué)、上海機(jī)床廠等，以仿制為主由于各種困難，并沒(méi)有形成產(chǎn)品； 裂8 0 年錢許多公司轉(zhuǎn)兩弓l 邀豳羚豹生產(chǎn)誨可證生產(chǎn)，秘步形成黼內(nèi)測(cè)量 輥的譬三產(chǎn)能力；9 0 年代在中圍形成了兩個(gè)主要鮑測(cè)量梳生產(chǎn)基地：前h 鴦公 司、3 0 3 所。目前還有北京立科，西安袋德華、成都中測(cè)量?jī)x等。目前， 我國(guó)已具備了生產(chǎn)從精密型測(cè)量機(jī)到生產(chǎn)型測(cè)量機(jī)多種型號(hào)規(guī)格的三坐 菰荔i l | 爨掇生產(chǎn)戇力。 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是基于坐標(biāo)測(cè)量的通用化數(shù)字測(cè)黧設(shè)備。它首先將各被 測(cè)幾何元素的測(cè)擻轉(zhuǎn)化為對(duì)這些幾何元素上一些點(diǎn)集嫩標(biāo)位置的測(cè)量，在 測(cè)褥這些點(diǎn)的坐標(biāo)位置后，褥根據(jù)這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)俊，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算求 蠢糞尺寸幫形使謨差。 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是典型的機(jī)電體化設(shè)備，其結(jié)構(gòu)形式多種多樣，有移 動(dòng)橋式、固定橋式、龍門式、懸臂式、立桂式等，主鬻由機(jī)械系統(tǒng)、電氣 系統(tǒng)鞠軟 牟系統(tǒng)三大部分綴戲( 懿圖1 - l 贗示) 。圭規(guī)憊括挺粲綴秘、標(biāo)尺 系統(tǒng)、導(dǎo)軌、驅(qū)動(dòng)祝構(gòu)、平衡部件、轉(zhuǎn)螽與附件等。電氣系統(tǒng)包括電氣控 制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)硬件部分、測(cè)頭等，電氣控制系統(tǒng)包括單軸與多軸聯(lián)動(dòng)控 制、外圍設(shè)備控制、通信控制、邏輯控制期保護(hù)控制等。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的 較侮系統(tǒng)毽搖控懿獲釋窩數(shù)爨處理較捧。 目前，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、儀器制造、電子工業(yè)、 汽車制造和航空工業(yè)，用以測(cè)量各種機(jī)械零件、模具等的形狀尺寸、形位 公熬以及各靜形狀豹輪露。隧蕾計(jì)算規(guī)鼓零及計(jì)算撬瓣絡(luò)豹發(fā)震，三坐標(biāo) 測(cè)爨稅還將戒為c a d c a m 大墅工俸蛞中必不可少的組成部分，對(duì)提高整 個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度具有重要作用【2 1 。在今后一段時(shí)間內(nèi)，測(cè)量機(jī)的 主騷發(fā)展趨勢(shì)可以概括為：熙高測(cè)量精度、更高測(cè)量效率、發(fā)展探測(cè)技術(shù) 完羲測(cè)量規(guī)配置、采蒡l 毅材料、運(yùn)用薪技術(shù)、發(fā)展智熊測(cè)量祝、羧鍘系統(tǒng) 更殲放、進(jìn)入制造系統(tǒng)、發(fā)媵菲正交坐弦系濺量系統(tǒng)贛及夯霹強(qiáng)環(huán)璇淘題靜 研究【3 】。 圖1 - 1 三塹標(biāo)測(cè)量楓弱典鍪 壤或 l 工作臺(tái) 2 - - 移動(dòng)橋架3 一中央滑架4 z 軸5 一測(cè)頭6 一電予系統(tǒng) t 。2 工字鋼縫晶器多尺寸自動(dòng)坐標(biāo)測(cè)量規(guī) 1 2 1 工字鋼鑄坯的生產(chǎn)工藝 工字鋼也稱鋼梁，型鋼的一種，是截面為工字形的長(zhǎng)條鋼材。以其優(yōu) 越的性能廣泛應(yīng)用于民用建筑鋼結(jié)構(gòu)和工業(yè)構(gòu)筑鋼結(jié)構(gòu)中，還在大跨度鋼 輯構(gòu)終、援撼設(shè)務(wù)翻造、車輔及躲靛刳撩、捷震茨火等瞞囂建筑、海上石 油平臺(tái)等上有大箍應(yīng)用。我黼主要是馬銹、包鋼、策鏑、武鋼等較少凡家 鋼廠生產(chǎn)【4 1 。 工字鋼鑄蟋的生產(chǎn)工藝如圖1 2 所承，結(jié)晶器銅管是煉鋼遣鑄生產(chǎn)中 豹烹要備 牛，憊楚瘩接 孛。生產(chǎn)遂程串徒結(jié)磊器終裘囂釋努套之潤(rùn)豹空驤 里沖入高速循環(huán)冷卻水，鋼包中的鋼水澆入結(jié)晶器綴循環(huán)水冷卻，鋼水溫 度從上到下，從鼴到外逐漸降低，在初生坯殼形成的同時(shí)，鋼水體積冷縮， 摸鶿尺寸變小，若結(jié)鑫器內(nèi)黢上下尺寸捆圜，剛鑄蟋與結(jié)晶器內(nèi)麓之闖出 現(xiàn)氣隙，由予氣陳熱阻大，降低了結(jié)晶囂的傳熱效率，由于氣陬大小的不 均勻性引起導(dǎo)熱的不均勻，進(jìn)而影響到鑄坯質(zhì)量和形狀，甚至誘發(fā)漏鋼 5 1 。 為了降低氣隙熱阻提 毫結(jié)齲器傳熱強(qiáng)度主 要蠢蹲個(gè)途徑。黧一是 提高氣隙導(dǎo)熱系數(shù)，具 體辦法是采用傺護(hù)渣 澆渡，使熔融獲態(tài)下 的保護(hù)渣液體充入氣 隙，由于保護(hù)濺的導(dǎo) 熱系數(shù)高于空氣，相 痤旋窿了氣稼譬煞系 數(shù)。第二是，使氣隙最 小或等于零，具體辦法 是談詩(shī)制造結(jié)爨囂戇 內(nèi)腔尺寸上幫院下部 圖1 - 2 工字銹鑄坯豹壘產(chǎn)_ i 藝夔 大，以補(bǔ)償鋼水冷縮時(shí)形成的氣隙。 1 2 2 結(jié)晶器銅管 緒晶器銅管的外觀如圖1 - 3 ( a ) 所示，圖1 3 ( b ) 為橫截面視圖，圖 l 一3 ( c ) 失繳截鬻撬圈。結(jié)鶼器是煉鋼遮鑄生產(chǎn)中煞主要各 孚，魄是蘑損 件。為了補(bǔ)償鋼水冷縮時(shí)形成的氣隙，降低氣隙熱阻掇高結(jié)晶器傳熱強(qiáng)度， 其內(nèi)腔形狀復(fù)雜【6 j 。理想內(nèi)膠形狀曲線難以用簡(jiǎn)單函數(shù)表示，更談不上嚴(yán) 格按照理想照線設(shè)計(jì)制造鋼鎵，但是可以采爆工程數(shù)學(xué)方法求出以麓單函 數(shù)表露的遙近驥戇藍(lán)線黲工程曲線解，聚爝一段一次鞠線、兩段次益線 或多段一次曲線作為工程曲線【7 1 。 ( b )( c ) 圖1 - 3 結(jié)晶囂銅管 3 結(jié)晶器在逶鑄凝固生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)繳永久變形、熱膨脹變膨和磨損， 這將導(dǎo)致氣隙交大和外部冷幫水過(guò)豫交小，酶低了結(jié)鼓器的傳熬效率，進(jìn) 焉影響到鑄坯質(zhì)蕊稆形狀，藩至誘發(fā)潺鑲。 1 2 。3 結(jié)晶器多尺寸自動(dòng)坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 由于結(jié)晶器的內(nèi)外尺寸變化會(huì)對(duì)煉鋼漣鑄生產(chǎn)產(chǎn)生重大影響，不僅影 響到鑄坯的質(zhì)量和形狀，甚至還會(huì)誘發(fā)漏鋼，造成重大安全事故，敞需要 對(duì)縫箍器茲肉鄉(xiāng) 尺寸送行裹糖愛(ài)、高效率濺量璦覆避紓生產(chǎn)矮量控翻。 籀于結(jié)晶器的不同型號(hào)規(guī)格 和形狀尺寸的特殊性，目前市場(chǎng)上 現(xiàn)有鶼測(cè)量?jī)x器不能滿足測(cè)筮要 求，馬鋼公司第三鋼麓總廠委亭乏我 ?，F(xiàn)代精度工稷研究中心研制連 鑄結(jié)晶器內(nèi)外尺寸自動(dòng)坐標(biāo)測(cè)量 祝( 濯l 一4 輯示) 。該測(cè)量搬主瑰 采用l 橋式結(jié)鞫，能夠滿熙辯結(jié) 晶器大深寬比內(nèi)腔尺寸的檢測(cè)；采 用可靠性好的傳幼及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，測(cè) 羹辜晁疑有較強(qiáng)茨_ 綾予撬能力，戇夠 滿足工廠現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境下的使用 要求。 掇據(jù)結(jié)晶器的步 影尺寸，該測(cè) 量穰設(shè)計(jì)測(cè)量蕊豳：9 0 0 6 0 0 x 9 0 0 ( 單位：m i l l ) 。企業(yè)要求設(shè)計(jì)測(cè) 量精度：各軸向測(cè)量誤差5 0 u m 。 圖1 4 測(cè)爨機(jī)外觀結(jié)構(gòu) 1 3 諜題來(lái)源和研究意義 本鏢題頊援名稱：可移動(dòng)多維坐耘繕鑫囂內(nèi)歲 尺寸是動(dòng)測(cè)爨掇豹騷 蒂。委托方為蕊鞍由鋼鐵股份有限公司第三鋼軋總廠。 馬鞍山鋼鐵有限公司是我國(guó)最大的裂鋼生產(chǎn)基地之一。工字鋼是橫截 面為工字型的長(zhǎng)條鋼材，廣泛應(yīng)用子大跨度鋼橋構(gòu)件、機(jī)械設(shè)備制造、車 輛及麓舶裁遙、貔震薅犬等l 強(qiáng)辯建襞、海上石涵平臺(tái)等氏薄建簸鐨結(jié)穩(wěn)窩 工蛾構(gòu)筑鋼結(jié)構(gòu)中。工字鋼結(jié)晶器是工字鋼連鑄生產(chǎn)中的重要備件，也是 4 主隳磨損件，其內(nèi)外尺寸變化會(huì)對(duì)煉鋼逡鑄生產(chǎn)產(chǎn)生重大影響，不僅影響 裂鑄坯戇襲量幫彩獲，甚至述會(huì)誘發(fā)潺鋼，造殘重大安全事教，鞠照，疫 對(duì)結(jié)晶器的內(nèi)外尺寸進(jìn)行捻測(cè)，從而傈迸產(chǎn)品質(zhì)量。兩目前國(guó)內(nèi)各鋼鐵公 司大都采用標(biāo)準(zhǔn)餐具如游標(biāo)卡尺對(duì)結(jié)晶器進(jìn)行手工測(cè)量，只能測(cè)得有限幾 個(gè)尺寸，不僅精發(fā)低，而且測(cè)量結(jié)果并不能完全描述結(jié)晶器內(nèi)外尺寸變化 德鬣：索場(chǎng)上懿三坐標(biāo)溺璧撬徐捂器責(zé)，瓣繇境蕊簧求幫跑鞍鴦，囂雖不 能滿足結(jié)晶器內(nèi)外特殊形狀尺寸的測(cè)量鼴求，因此設(shè)計(jì)了該測(cè)量機(jī)，采用 普通機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，普通加工精度，應(yīng)用現(xiàn)代精度理論保證一般環(huán)境下使 用麴測(cè)量精度。本灝量楓醞鋸期應(yīng)豹自動(dòng)測(cè)量控鍘軟傳，實(shí)現(xiàn)對(duì)繾鑫器內(nèi) 外尺寸的自動(dòng)梭瀏，不僅減小人為因素瀵差懿影響，保證了測(cè)爨精度，也 大大提高了測(cè)嫩效率和操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。 在國(guó)際化、自動(dòng)化趨勢(shì)的沖擊下，加速推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化以促成產(chǎn)業(yè)升 級(jí)，創(chuàng)造寒瓣麓伶篷著攙囊黧囂競(jìng)爭(zhēng)力麓囂內(nèi)各金攮贅當(dāng)務(wù)之憊。該溺量 機(jī)的設(shè)計(jì)采用靜通結(jié)構(gòu)和普通加工精度，滿足一般環(huán)境下的精度要求，降 低了企業(yè)成本。測(cè)量控制軟件的友好人機(jī)界面和智能化提高了企業(yè)的生產(chǎn) 效警。對(duì)提高企、監(jiān)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有重疆意義【8 】。 1 4 本課題的主要研究?jī)?nèi)容 ( 1 ) 灝爨稅翡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括溺爨稅的主體繚槐及其主瑟縫成部彳牟 的選型和設(shè)計(jì)。 ( 2 ) 設(shè)計(jì)手動(dòng)測(cè)量控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)頭三維多級(jí)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)控制， 方鎂測(cè)量采攆，提高測(cè)量精澄幫效率。 ( 3 ) 分豐斤影響測(cè)量機(jī)測(cè)量精度的各項(xiàng)誤差，并應(yīng)用齊次嫩標(biāo)轉(zhuǎn)換理 論建立2 1 項(xiàng)幾何誤差修正的數(shù)學(xué)模型。對(duì)測(cè)量機(jī)的測(cè)量不確綻度進(jìn)行評(píng) 定，找出影響測(cè)跫精度的瓶顙因素。對(duì)影響精度較大的各項(xiàng)誤差進(jìn)行修正， 逶遙軟俘靜方法疆高彼器豹灞量精度。 ( 4 ) 應(yīng)用雙頻激光干涉儀，自準(zhǔn)意儀，激光跟蹤儀等高精度儀器對(duì) 三嫩標(biāo)的2 1 項(xiàng)幾何誤差進(jìn)行分離。 ( 5 ) 在v i s u mc + + 6 0 環(huán)境下編寫軟磐實(shí)現(xiàn)測(cè)頭的三維運(yùn)渤控制，采 樣路徑的趣劃設(shè)訐，各輔移動(dòng)坐標(biāo)靜數(shù)攆采集，數(shù)據(jù)庫(kù)的讀寫，采集數(shù)據(jù) 的誤差修正，嫩標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，測(cè)量數(shù)據(jù)的處理，結(jié)糶的顯示和輸出等。 第二章結(jié)晶器多維坐標(biāo)尺寸自動(dòng)測(cè)量機(jī)的總體設(shè)計(jì) 2 1 測(cè)量機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案 工字鋼結(jié)晶器是該測(cè)量機(jī)的測(cè)量 對(duì)象，其內(nèi)外尺寸形狀特殊，圖2 1 ( a ) 是其橫截面視圖，圖2 1 ( b ) 是其縱截 面視圖。結(jié)晶器有大小不同的4 種型 號(hào)，為了滿足測(cè)量要求，測(cè)量機(jī)的測(cè)量 范圍設(shè)計(jì)為9 0 0 6 0 0 9 0 0 ( 單位：m m ) 。 該測(cè)量機(jī)采用三維正交直角坐標(biāo) 系，主要由測(cè)量機(jī)主機(jī)、測(cè)頭、電氣控 制柜、手動(dòng)控制器、計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)等 幾大部分組成( 如圖2 2 所示) 。 測(cè)量機(jī)主機(jī)包括框架結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、導(dǎo)軌、平衡結(jié)構(gòu)等，框 ( a )( b ) 圖2 - 1 結(jié)晶器銅管截面 架結(jié)構(gòu)是測(cè)量機(jī)的主體機(jī)械結(jié)構(gòu)，由基座、x 滑座、y 滑座、z 立柱、測(cè) 桿等組成。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用交流伺服電機(jī)配合精密滾珠絲杠副傳動(dòng)。測(cè)量機(jī) 的測(cè)量系統(tǒng)采用高精度光柵尺。x 、y 導(dǎo)軌采用四方向等載荷型滾動(dòng)直線 導(dǎo)軌副，摩擦阻力小，定位精度高，便于安裝維護(hù)；為了減小z 立柱的重 量和便于裝配，z 向?qū)к壊捎脠A柱直線導(dǎo)軌。平衡結(jié)構(gòu)包括兩部分，一部 分采用配重塊通過(guò)滑輪給測(cè)桿配重，使測(cè)桿上下運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)靈活；另一 部分配重為了減小y 軸懸臂對(duì)x 向?qū)к壆a(chǎn)生的扭曲。 幽2 - 2 測(cè)量機(jī)系統(tǒng)組成 測(cè)頭采用t e s a 公司生產(chǎn)的電觸式觸發(fā)測(cè)頭t e s a s t a r ，該測(cè)頭配合 星型連接座和不同的探針，可檢測(cè)多種不同元素。 電氣控制柜里面包括變壓穩(wěn)壓器、交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、光柵數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)和信號(hào)轉(zhuǎn)接板等。交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器在計(jì)算機(jī)控制下驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn) 動(dòng)，光柵數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在測(cè)頭觸發(fā)中斷信號(hào)的激勵(lì)下采集光柵尺的數(shù)據(jù)， 完成運(yùn)動(dòng)控制和3 軸坐標(biāo)的數(shù)據(jù)采集功能。 手動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)頭三維多級(jí)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)控制，方便測(cè)量采樣，提 高測(cè)量精度和效率。 測(cè)量機(jī)的軟件包括運(yùn)動(dòng)控制部分、數(shù)據(jù)采集部分、測(cè)量數(shù)據(jù)處理部分、 誤差修正部分、坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)庫(kù)的讀寫、測(cè)量結(jié)果的顯示和打印輸 出等。軟件是在v i s u a lc + + 60 環(huán)境下編寫，結(jié)合伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡的 2 次函數(shù)庫(kù)開(kāi)發(fā)編寫了運(yùn)動(dòng)控制軟件部分。 2 2 測(cè)量機(jī)的測(cè)量原理 2 2 1 坐標(biāo)測(cè)量原理 多維坐標(biāo)結(jié)晶器內(nèi)外尺寸自動(dòng)測(cè)量機(jī)是基于坐標(biāo)測(cè)量的通用化數(shù)字 測(cè)量設(shè)備，屬于三維正交測(cè)量系統(tǒng)，采用精密滾珠絲杠作傳動(dòng)系統(tǒng)，高精 度光柵尺作測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)觸發(fā)式測(cè)頭對(duì)結(jié)晶器內(nèi)外表面進(jìn)行檢測(cè)。它首 先將各被測(cè)幾何元素的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)這些幾何元素上一些點(diǎn)集坐標(biāo)位囂 的測(cè)量，在測(cè)得這些點(diǎn)的坐標(biāo)位置后，再根據(jù)這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，經(jīng)過(guò) 數(shù)學(xué)運(yùn)算求出其尺寸和形位誤差。如圖2 - 3 所示，要測(cè)量工件上一圓柱孔 的直徑，可以在垂直于孔軸線的截面i 內(nèi)，觸測(cè)內(nèi)孑l 壁上三個(gè)點(diǎn)( 點(diǎn)1 、2 、 3 ) ，則根據(jù)這三點(diǎn)的坐標(biāo)值就可計(jì)算出孔的直徑及圓心坐標(biāo)0 i ；如果在該 截面內(nèi)觸測(cè)更多的點(diǎn)( 點(diǎn)1 ，2 ，n ，n 為測(cè)點(diǎn)數(shù)) ，則可根據(jù)最小二乘 法或最小條件法計(jì)算出該截面圓的圓度誤差：如果對(duì)多個(gè)垂直于孔軸線的 截面圓( 1 ，i i ，m ，m 為測(cè)量的截面圓數(shù)) 進(jìn)行測(cè)量，則根據(jù)測(cè)得點(diǎn) 的坐標(biāo)值可計(jì)算出孔的圓柱度誤差以及各截面圓的圓心坐標(biāo)，再根據(jù)各圓 心坐標(biāo)值又可計(jì)算出孑l 軸線位置；如果再在孔端面a 上觸測(cè)三點(diǎn)，則可計(jì) 算出孔軸線對(duì)端面的位置度誤差。由此可見(jiàn)，c m m 的這一工作原理使得 其具有很大的通用性與柔性。從原理上說(shuō)，它可以測(cè)量任何工件的任何 幾何元素的任何參數(shù)。 2 2 2 點(diǎn)位測(cè)量過(guò)程 圖2 - 3 坐標(biāo)測(cè)量原理 測(cè)量機(jī)在測(cè)量過(guò)程中，首先以觸測(cè)速度逼近被測(cè)工件表面，當(dāng)接觸工 件表面，達(dá)到測(cè)頭的觸發(fā)條件測(cè)頭產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，然后以后退速度離開(kāi)被 測(cè)工件表面，回退到安全距離完成一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量，如圖2 - 4 所示。數(shù) 據(jù)采集時(shí)序如圖2 - 5 所示，3 個(gè)光柵尺的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接受到觸發(fā)信號(hào)的 瞬間，同時(shí)鎖存3 個(gè)光柵尺的計(jì)數(shù)信號(hào)，然后電機(jī)驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)控制電機(jī)反 轉(zhuǎn)，使測(cè)頭離開(kāi)被測(cè)工件表面。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)再通知計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)接收 到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的中斷請(qǐng)求后，馬上進(jìn)入相應(yīng)的中斷處理程序，讀取3 個(gè) 光柵尺的計(jì)數(shù)信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)掘處理后轉(zhuǎn)化成坐標(biāo)值后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。 安全面 被測(cè)面 l 眇幽 圖2 - 4 點(diǎn)位測(cè)量示意圖 2 3 測(cè)量機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu) 圖2 - 5 數(shù)據(jù)采集時(shí)序圖 測(cè)量機(jī)的主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2 - 6 所示，x 向工作臺(tái)、y 向工作臺(tái)和z 軸立 柱呈下、中、上三層分布。y 向懸臂工作臺(tái)和x 軸滑座裝配固定在一起， 一一一亟 一 一 一 一 在x 軸交流伺服電機(jī)和x 向滾珠絲杠組成的傳動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下，可以沿著 x 向工作臺(tái)上的滾珠直線導(dǎo)軌移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)x 向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；同理，z 軸立柱和y 向滑塊裝配固定在一起，在y 軸交流伺服電機(jī)和y 向滾珠絲 杠組成的傳動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下，可以沿著y 向工作臺(tái)上的滾珠直線導(dǎo)軌移 動(dòng)，實(shí)現(xiàn)y 向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；測(cè)桿和z 向滑塊裝配固定在一起，在z 向交流 伺服電機(jī)和z 向滾珠絲杠組成的傳動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下，可以實(shí)現(xiàn)z 向的進(jìn)給 運(yùn)動(dòng)：因此，測(cè)桿隨z 向滑塊實(shí)現(xiàn)x 、y 、z 三軸的移動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)測(cè)桿 帶動(dòng)測(cè)頭在空間作三維運(yùn)動(dòng)。由于該測(cè)量機(jī)采用懸臂式結(jié)構(gòu)，y 向工作臺(tái) 也就是懸臂，為了抵消懸臂梁在重力作用下產(chǎn)生對(duì)x 向工作臺(tái)的扭轉(zhuǎn)力矩， 同時(shí)也為了防止x 向?qū)к壥芘で鷮?dǎo)向精度降低，根據(jù)力矩平衡原理，在懸 臂的另一端配置相應(yīng)的平衡重塊，以產(chǎn)生相反的扭轉(zhuǎn)力矩。 圖2 - 6 測(cè)量機(jī)主體結(jié)構(gòu) 1 、基座2 、x 向工作臺(tái)3 、x 向滑塊4 、x 向伺服電機(jī)5 、y 向伺服電機(jī)6 、配重 7 、x 向光柵尺8 、y 向懸臂工作臺(tái)9 、y 向滑塊i o 、測(cè)桿1 1 、z 向滑塊1 2 、圓柱直線導(dǎo) 軌1 3 、z 軸滾珠絲杠1 4 、z 向立柱15 、z 向光柵尺1 6 、直線軸承1 7 、滾珠直線導(dǎo)軌 1 8 、y 軸滾珠絲杠1 9 、y 向光柵尺2 0 、測(cè)頭2 1 、結(jié)晶器 2 3 1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 本測(cè)量機(jī)用于一般現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中測(cè)量，要求傳動(dòng)系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)具有較 高精度的同時(shí)，也必須具備較強(qiáng)的抗干擾能力，以滿足一般現(xiàn)場(chǎng)惡劣的環(huán) 境條件，因此本測(cè)量機(jī)三軸傳動(dòng)系統(tǒng)均采用絲杠副進(jìn)行傳動(dòng)，它是精密機(jī) 械中常用的一種傳動(dòng)形式，其主要作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。 滑動(dòng)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、精確，適于微遠(yuǎn)東，且能夠 自鎖，起到了定位作用，其缺點(diǎn)是摩擦阻力大，螺紋間有側(cè)向問(wèn)隙，反向 時(shí)存在空回誤差，使用中要有消除間隙裝置。而滾珠螺旋傳動(dòng)和靜壓螺旋 傳動(dòng)則克服了滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)的缺點(diǎn)，但是靜壓螺旋傳動(dòng)需一套供油系統(tǒng)， 結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因此在本測(cè)量機(jī)的設(shè)計(jì) 中x y z 三方向均采用滾珠絲杠螺 旋傳動(dòng)( 如圖2 7 所示) ，滾珠螺 旋傳動(dòng)是在絲杠和螺母滾道之間 放人適量的滾珠，使螺紋間產(chǎn)生滾 動(dòng)摩擦。絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)滾珠沿 螺紋滾道滾動(dòng)。螺母上設(shè)有返向 器，與螺紋滾道構(gòu)成滾珠的循環(huán)通 道。為了在滾珠與滾道之間形成無(wú) 間隙甚至有過(guò)盈配合，可設(shè)置預(yù)緊 裝置。為延長(zhǎng)工作壽命，可設(shè)置潤(rùn) 滑件和密封件。 圖2 7 滾珠絲杠的結(jié)構(gòu) 滾珠螺旋傳動(dòng)與滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)或其它直線運(yùn)動(dòng)副相比，具有傳動(dòng)效率 高，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，工作壽命長(zhǎng)，定位精度和重復(fù)定位精度高，同步性好，可 靠性高，不能自鎖，制造工藝復(fù)雜等特點(diǎn)t 9 l 。 絲杠的軸承組合及軸承座、螺母座以及其它零件的連接剛性，對(duì)滾珠 絲杠副傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度和精度都有很大影響，本文滾珠絲杠的安裝采用圖 2 - 8 所示的方式，絲杠的端為固定支承，另一端為游動(dòng)支承。固定支承 為一對(duì)角接觸球軸承，承受雙向軸向載荷；而游動(dòng)支承選用深溝球軸承【1 引。 甚 圖2 - 8 滾珠絲杠的安裝 滾珠絲杠副除了對(duì)本身單一方向的傳動(dòng)精度有要求外，對(duì)其軸向間隙 也有嚴(yán)格要求，以減小空回誤差保證其反向傳動(dòng)精度。滾珠絲杠副的軸向 間隙是承載時(shí)在滾珠與滾道型面接觸點(diǎn)的彈性變形所引起的螺母位移量 和螺母原有間隙的總和。通常采用雙螺母預(yù)緊或單螺母( 大滾珠、大導(dǎo)程) 1 0 的方法，把彈性變形控制在最小限度內(nèi)，以減小或消除軸向間隙，并可以 提高滾珠絲杠副的剛度。目前制造的單螺母式滾珠絲杠副的軸向間隙達(dá) o 0 5 r a m ，而雙螺母式的經(jīng)加預(yù)緊力調(diào)整后基本上能消除軸向間隙【m 15 1 ( 原 理如圖2 - 9 所示) 。 靡 圖2 - 9 雙螺母滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊原理 在本測(cè)量機(jī)采用南京工藝裝備廠生產(chǎn)的f f z d 型內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母 式滾珠絲杠副，絲杠達(dá)到二級(jí)精度。以滾珠絲杠作為傳動(dòng)系統(tǒng)的一維運(yùn)動(dòng) 平臺(tái)如圖2 1 0 所示。 圖2 1 0 一維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)安裝示意圖 2 3 2 測(cè)量系統(tǒng)( 標(biāo)尺系統(tǒng)) 本文采用光柵尺作為測(cè)量機(jī)三軸的測(cè)量系統(tǒng)，光柵是一種新型的位移 檢測(cè)元件，是一種將機(jī)械位移或模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖的測(cè)量裝置。它的 特點(diǎn)是測(cè)量精確度高( 可達(dá)1 _ m ) 、響應(yīng)速度快、量程范圍大、可進(jìn)行 非接觸測(cè)量等。其易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字測(cè)量和自動(dòng)控制，廣泛用于數(shù)控機(jī)床和精 密測(cè)量中。 蔓爹 光柵位移傳感器【1 6 】的結(jié)構(gòu)如圖2 1 1 所示。它主要由標(biāo)尺光柵、指示 光柵、光電器件和光源等組成。通常，指示光柵和被測(cè)物體相連，隨被測(cè) 物體的直線運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生位移。一般標(biāo)尺光柵和指示光柵的刻線密度是相同 的，而刻線之間的距離矽稱為柵距。光柵條紋密度一般為每毫米5 0 、1 0 0 、 2 5 0 條等。 圖2 - 11光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)原理 如果把兩塊柵距礦相等的光柵平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小 的夾角目時(shí)，這時(shí)光柵上會(huì)出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾 條紋，它們沿著與光柵條紋幾乎垂直的方向排列，如圖2 1 2 所示。莫爾條 紋是光柵非重合部分光線透過(guò)而形成的亮帶，它由一系列四棱形圖案組 成，如圖中的d 刊線區(qū)所示。廠_ ， 線區(qū)則是由于光柵的遮光效應(yīng)形成的。 圖2 - 1 2 莫爾條紋 莫爾條紋具有如下特點(diǎn)u7 i ： 1 莫爾條紋的位移與光柵的移動(dòng)成比例。 2 莫爾條紋具有位移放大作用。 3 莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用。 通過(guò)光電元件，可將莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換為近似正弦變化 的電信號(hào)，將此電壓信號(hào)放大、整形變換為方波，經(jīng)微分轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)， 再經(jīng)辨向電路和可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，則可用數(shù)字形式顯示出位移量，位移量 等于脈沖與柵距乘積。測(cè)量分辨率等于柵距。 本文采用的直線光柵位移傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外形如圖2 1 3 所示。