多维平台在精密测量技术中的应用

多维平台在精密测量中的应用报告人：江文松王中宇（教授）导师：研究方向：精密测试理论多维测量平台的应用柔性关节臂式测量机三坐标测量机汽车自动调整臂失效检测仪三维平台123二维平台圆度，圆柱度，粗糙度，轮廓，形位，直线度表面轮廓，粗糙度，辅助逆向CAD设计扭矩，压力，位移通用/专用的测量仪器第1页第2页1.1三坐标测量机定义根据中华人民共和国国家标准(GB/T

16857.2)规定，三坐标测量机是一种使用时基座固定，能产生至少三个线位移或角位移，通过探头系统与工件的相对移动，探测工件表面点三维坐标的测量系统。1.三坐标测量机CMM（1）悬臂结构（2）运动中测量（3）测头采点（4）软件分析计算因此：材料、结构、连接、轴承、传动、控制系统、测头及测量软件都影响测量机的性能。1.2三坐标测量机的工作特点圆度，圆柱度，粗糙度，形位轮廓，直线度主机控制系统测量软件1.3三坐标测量机的组成精度等级:10L–10L/mm(L为量程)-6-4第3页测量软件:测头的选择和校准建立坐标系：321法测量（手/自）结果评定控制系统:电控系统/气控系统主机:基座/桥架/测头第4页基座的要求：严格的安装规程：严格的测试环境：特殊设计的地基结构恒温恒湿/24小时测头的要求：桥架的要求：测头型号有严格的标准：0.5mm——10mm测头的材料为红宝石桥架的结构决定了三坐标测量机的测量方式和测量精度1.4坐标测量机分类活动桥式固定桥式龙门式L型桥式水平臂式第5页PMM-C测量机Leitz公司产(1)固定桥式精度最高的测量机往往采用这种结构形式。优点：结构稳定，刚性很好。Y向的光栅尺和驱动机构可以设置在工作台下方中部，X向阿贝臂小。缺点：因为被测工件放置在运动工作台上，降低了机器的运动速度，承载能力相对小一些。PMM-C测量机的主要材料：X横梁、Y向工作台为花岗石Z轴为陶瓷滑架等铸铁第6页(2)活动桥式Global测量机活动桥式坐标测量机是目前中小型测量机的主要机型。优点：结构简单、紧凑，刚度好，开敞性好，承载能力较强，工件质量对测量机的动态性能没有影响。缺点：桥架单边驱动，Y向光栅尺在工作台一侧，在Y方向有较大的阿贝臂，会引起较大的阿贝误差。GLOBAL测量机的主要材料：X横梁、Z轴、滑架等为铝合金Y向工作台与导轨为花岗石第7页LAMBDA测量机(3)龙门式（高架桥式）龙门式坐标测量机一般为中大型测量机。优点：减少了移动部分质量，有利于精度及动态性能的提高。龙门式测量机最长可到数十米，由于其刚性要比水平臂式好，因而对大尺寸而言可具有足够的精度。缺点：结构复杂，要求较好的地基；立柱影响操作的开阔性；单边驱动，Y向光栅尺在立柱一侧，在Y方向有较大的阿贝臂，会引起较大的阿贝误差，所以大型龙门式坐标测量机采用双光栅/双驱动模式。第8页(4)水平臂式优点：结构简单，空间开阔，在Ｘ方向很长，Ｚ向较高，是大型薄壁类工件测量的理想工具,如白车身，车门等。缺点：水平臂变形较大，精度较底。TORO测量机TORO测量机的主要材料：X向主导轨、Z轴、水平臂为钢滑架等铸铝第9页(5)L型桥式ZOO3L测量机(天津大学产)L型桥式是综合了活动桥式和龙门式优缺点的测量机，

主要应用于中型坐标测量机。优点：有活动桥式的平台及工作开敞性，又像龙门式减少了移动的质量。缺点：要注意辅腿的热膨胀设计，应与主腿相近，以免影响垂直度

第10页对测量机材料的总体要求导热性好，以免外界有温度变化（随时间及随空间变化）时形成构件内部的温度梯度，引起变形（主要是扭曲和弯曲）；热膨胀系数小，以免温度变化引起过大的伸长缩短；刚性好，硬度大，强度高，比较大的弹性模量，以免受力后有较大的变形；高的硬度及耐磨性，保证不易划伤、磨损；较高的强度，不易断裂；运动部分的材料要求比重小，以减小由于测量机的高速、高加速运动而产生的测量机惯性力，它对精度的影响日显重要；材料吸水率小，以免受潮变形（较差的花岗石的吸水性能，足以引起微米级的变形）；工艺性好，易于加工；成本要低。1.5坐标测量机的材料第11页（1）测量机固定部分的材料1）刚性好、受温度影响的变形小（希望结构的变形只是线性，以易于软件补偿）、结构简单、成本低。2）中小型桥式测量机的固定部分，特别是工作台大部件一般采用花岗岩，较小的部件采用铝合金材料(电机支架，传动支架)；有时为了增加刚性采用整体结构（例如花岗石台面与导轨）3）大型龙门式测量机、水平臂测量机的固定部分，大部分采用用钢、铸铁。1）铝合金2）陶瓷及其复合材料3）钢、铸铁4）花岗石（2）测量机运动部分的材料第12页1.6测量机的传动装置与气浮导轨GLOBAL测量机：全部采用同步带传动空间运行速度：866mm/sec空间运行加速度：4330mm/sec2摩擦传动(1)传动方式：钢带传动固定杆传动滚珠丝杠传动由于工业生产中，测量机运动的速度、加速度不断提高，摩擦传动已基本不能满足要求，它们可能在高速启动或停车时产生振荡。目前在主传动中，大部分采用啮合传动。如同步带、滚珠丝杠传动用于中小型机传动；齿轮齿条传动用于大型机的传动。第13页导轨的作用：是保证机器平稳、高精度运动的关键。（2）气浮导轨三坐标测量机上使用的导轨类型：1）气浮导轨2）直线滚珠导轨气浮导轨的优点：具有无磨擦及无磨损的特性，由于匀差效应，运动的局部直线度及角度摆动能较小，精度较高的测量机一般采用气浮导轨。

第14页气浮导轨工作原理：气浮导轨的核心是空气轴承。利用空气轴承小孔r1节流形成气腔内的高压P0，在导轨和空气轴承间形成具有一定承载能力和刚性的薄膜h。第15页空气轴承的性能有要求：承载能力，承载刚性（气浮间隙每变化一微米承载能力的变化），耗气量，抗气振能力。对超高精度测量机，气浮间隙及气腔压力的稳定至关重要。第16页PMM-C的主导轨GLOBAL的主导轨其它机器的主导轨第17页气浮导轨的行状：1）矩形导轨2）三角形导轨3）燕尾型导轨气浮导轨的横梁导轨形状三角梁桥架的优点：优化的稳定性质量比在同等高度下，较传统桥架轴承分布宽43%在同等轴承分布宽度情况下，重量减轻24%，重心降低50%第18页PMM-C机器的气浮导轨第19页平衡机构的作用：垂直轴测量机的Z轴或水平臂测量机的水平臂及滑架组件，由于重力作用会下掉，必须有机构加以平衡，使它处于随遇平衡状态。平衡机构的种类：1）气动平衡2）重锤平衡3）用电机与高减速比的减速器来平衡。1.7测量机的平衡机构第20页气动平衡的优点：重量轻，没有大的晃动，对测量机精度影响小；气动平衡的缺点：必须细致地设计气动平衡及保护机构，平衡机构必须灵敏，在各种状态下迅速保持平衡，由于高加速度,启动和停止时气缸中气压瞬时过压和欠压都会引起振动,因此必须用高灵敏度的精密调压阀。开气→平衡气缸通气,Z向空气轴承仍抱紧Z轴→空气压力超过平衡压力并有一定安全值,Z向空气轴承放开Z轴,气缸在平衡压力值保持平衡;关气或意外断气→压力下降到安全值,Z向空气轴承抱紧Z轴,气缸在平衡压力值时仍保持平衡→压力下降到平衡压力以下甚至到零,Z向空气轴承抱紧Z轴。要防止气缸杆与Ｚ轴导轨不平行对Ｚ轴运动的干涉。

平衡机构的保护机构必须保证在任何情况下，主轴不会下坠，特别是突然通气和断气的时候要防止Ｚ轴或水平臂的坠落，这一般由压力开关、电磁阀等气动元件来完成。气路系统必须满足下述逻辑:（1）气动平衡第21页重锤平衡的优点：构造简单，其原理类似滑轮，一端为主轴，一端为平衡重量，构造可靠，除非连接钢丝绳断裂，一般不会出安全问题；重锤平衡的缺点：加大了移动部分重量，当配重上升下降到不同位置时，会影响到测量机性能，特别是配重与导轨的间隙，影响运动的平稳性，因而影响精度。(2)重锤平衡第22页直接利用Z轴的重量来控制它的运动,既克服气动平衡时启动和煞车中的冲击又避免了重锤平衡的附加重量,但电机功率要加大,减速比要加大,必要时要加煞车装置。(3)高减速比的减速器来平衡第23页光栅是三坐标测量机的长度基准。光栅由光栅尺及读数头两部分组成，光栅尺上有着均匀排列的刻线，读数头上有读数光栅以及发光二极管和硅光电池。读数头与光栅尺分别装在两个相对运动的载体上，利用光栅尺与读数头间的相对运动来得到两个载体间相对的位移。

1.8光栅光栅尺的刻线间距为40um20um为腐蚀吸收线，20um为反射线。安装：光栅装配在钢的导轨上德国HEIDENHAIN的金属光栅尺190/40：第24页当被测物体不与光栅在同一直线上时，由于运动的不平稳引起的角摆及相应的偏置（阿贝臂），即光栅读数和实际触发点坐标不一致，造成了阿贝误差（摆角×阿贝臂）。因此，测量机测头处的运动特性决定了测量机取点坐标的精度。1.9测量机测点误差的产生根据被测工件要求的检测精度与测量机给定的测量不确定度相对比，在一般测量中，测量不确定度应为被测工件尺寸公差带的1/3～1/5。对于精密测量及复杂的形位测量要求更高，为被测尺寸公差带的1/5～1/8。尤其重要的是重复精度必须满足要求，因为系统误差可以通过一定方法补偿，而重复精度是由测量机本身决定的。好的坐标测量系统不仅要精度高，更重要的是精度能够保持稳定。测量机的选择5轴扫描测头测发动机固定桥式测量机测减速箱实例1实例2第25页2柔性关节臂式测量机结构特征：测量精度随着测量半径的增大而减小快速坐标点的定位6个自由度无死角测量精度：5μm-68μm之间关节臂式CMM结构示意图8个主要传感器：6个自由度识别传感器（坐标），2个光电传感器（测距）第26页激光测头2柔性关节臂式测量机测量过程应用领域：表面形貌测量逆向工程：汽车、军工、航空航天实例3实例4关节臂逆向设计汽车零部件的扫描第27页超跑无级变速器箱体逆向设计2柔性关节臂式测量机扫描处理后第28页ABS调节器的逆向设计2柔性关节臂式测量机Scanworks扫描GeomagicStudio形状处理第29页MPV后备箱舱门的逆向设计2柔性关节臂式测量机第30页自动调整臂失效的力学建模分析了自动调整臂失效检测的国内外研究现状自动调整臂失效的有限元分析自动调整臂失效检测系统的设计自动调整臂失效比对实验的设计abcde3汽车自动调整臂失效检测仪第31页3.1汽车自动调整臂第32页3.2研究现状自动调整臂失效研究机械产品失效检测技术研究基于模型的失效检测技术根据制动现象判断失效来源对内部零件的有限元模态分析微弱信号故障检测与监测无损检测方法：

超声法、回弹仪法、钻孔压水法、冲击反射法和孔中电视探测法等第33页3.3失效理论对自调臂建立故障树模型第34页分析自调臂故障树模型得出结论：在引起自调臂失效的所有事件中：螺旋压缩弹簧单元失效和单向离合器单元失效是引起自调臂失效的主要原因单向离合器单元失效模型螺旋压缩弹簧单元失效模型（HCSUnit）（OWCUnit）基于参数化模型的失效检测方法自调臂检测装置参数化模型判断失效分离力调整力矩原理：3.3失效理论第35页（1）HCSUnit失效模型螺旋压缩弹簧经过长期受压，往往会发生应力松弛、塑性变形、卡牢等失效形式。为了定量分析弹簧的失效特征，根据胡克定律分析弹簧的应力随劲度系数变化的关系，从而判断失效发生的临界点。自调臂的分离力大小必须大于单向离合器锥齿轮的轴向力根据离合器齿轮保持啮合状态的条件：即：从而有3.3失效理论第36页弹簧的最大剪切应力有如下关系：弹簧受压下，压缩变形量为：弹簧在受到载荷作用下，总应力主要由剪切力产生的剪切应力和扭矩产生的扭转剪切应力组成因此，弹簧的最大压缩变形量为：3.3失效理论第37页螺旋压缩弹簧对蜗杆施加的预紧力所引起的位移量以及壳体与蜗杆之间的相对微小位移量共同构成了弹簧的预压缩量设分离间隙值为弹簧的变形量应大于以上两种情况下的总压缩量即不失效的临界条件：一旦弹簧上述指标不满足载荷要求，弹簧将因过载产生塑性变形失效，弹簧的刚度系数将随特性曲线的奇异而改变。弹簧的力特性受弹簧丝直径、弹簧中径、弹簧圈数及其材质的影响测试的量3.3失效理论第38页（2）OWCUnit失效模型单向离合器剖面图单向离合器的爆炸图3.3失效理论第39页（2）OWCUnit失效模型A.正转力矩建模矩形压簧的簧丝为长度为的方形截面，抗弯截面系数：有单向离合器在工作时，作用在矩形压簧上的力矩可以分解为力矩M和力矩由于螺旋角很小，可以将矩形压簧的簧丝近似的按弯曲梁计算则最大弯曲应力：3.3失效理论第40页矩形压簧不失效的条件为：—矩形压簧对应材质的抗拉强度的下限值因此，单向离合器的正转最大力矩A.正转力矩建模（2）OWCUnit失效模型3.3失效理论第41页B.反转力矩建模单向离合器与蜗杆轴之间的力学模型在制动回位过程中，单向离合器上的反转力矩转换为蜗杆端面齿轮上的反转力带动蜗杆轴转动分离力足够大到克服螺旋压缩弹簧的预紧力时，即可使单向离合器与蜗杆轴分离（2）OWCUnit失效模型3.3失效理论第42页—模型中齿轮压力角的两倍角因此，反转力矩：B.反转力矩建模（2）OWCUnit失效模型3.3失效理论第43页建模的理论条件：为了保证制动回位过程中单向离合器与蜗杆轴啮合，测试的反转最小扭矩应不大于理论计算值；弹性制动过程中单向离合器能推开蜗杆轴使二者分离，则反转最大测试扭距应不小于理论计算值。因此，单向离合器模型应满足如下的关系：不失效的临界条件：测试的量（2）OWCUnit失效模型3.3失效理论第44页（3）失效模型的有限元仿真设计c.根据自调臂的出厂数据（包括结构参数和材料参数）导入到ANSYSWorkbench有限元仿真参数库中，构建仿真环境下的自调臂结构模型。设置ANSYSWorkbench下的自调臂各零部件之间的接触关系、对模型划分网格、设计需要计算的参数（包括Staticstructureanalysis和FatigueLifeanalysis两大类）。b.根据HCSUnit失效模型和OWCUnit失效模型，进行ANSYS下的失效仿真分析a.SolidWorks与ANSYSWorkbench的无缝化对接3.3失效理论第45页螺旋压缩弹簧单元的疲劳寿命图Fatiguelifeofhelicalcompressionspring（3）失效模型的有限元仿真设计3.3失效理论第46页螺旋压缩弹簧的寿命曲线螺旋压缩弹簧为HCSUnit中寿命最短，最容易发生疲劳失效的零件，通过右图可以得出，在最大载荷3800N的作用下，螺旋压缩弹簧经过69100次循环即会导致其失效，从而影响自调臂的性能分析结果：loadinghistoryofhelicalcompressionspring（3）失效模型的有限元仿真设计3.3失效理论第47页单向离合器单元的总变形静力图Totaldeformationofone-wayclutch（3）失效模型的有限元仿真设计3.3失效理论第48页单向离合器的寿命曲线loadinghistoryofone-wayclutch单向离合器在受到20-38Nm的力矩作用下，其寿命最短，矩形压簧最易造成疲劳失效。同时，矩形压簧受到切向剪力的作用之后，导致单向离合器同轴度发生巨大变化，最终会因此导致矩形压簧剪断，中断扭矩的传递，导致自调臂功能失效。右图可以得出结论，单向离合器在最大力矩作用下最大寿命为1×106次循环（大于国标规定的5×105次循环）。分析结果：（3）失效模型的有限元仿真设计3.3失效理论第49页3.4失效检测系统（1）失效检测系统设计1.底座2.自调臂（工件）3.试件夹具4.行程传感器

5.薄型气缸6.力传感器7.转速转矩传感

8.伺服平移装置

9.扭矩伺服电机10.伺服电机11.滚轴丝杠12.减速器综合性能测试系统示意图Comprehensiveperformancetestsystem第50页（2）失效检测系统实物图与电气图3.4失效检测系统第51页（3）失效检测系统工作过程装夹微动平台测杆接近被测件测试选择①②微动平台初始化4步3.4失效检测系统第52页（4）失效检测系统精度设计方案失效检测系统的误差源分析测量推杆的偏斜误差滚轴丝杠副的轴向变形误差消除措施：增强安置在滚轴丝杠副两侧的定位杆的刚度、加大滚轴丝杠副的支撑装置强度和减小滚轴丝杠副的长度基于Radon变换的分离间隙提取技术√√减小测量推杆的偏斜误差的措施：减小测量推杆的长度，在推杆外围安装了防护套ba3.4失效检测系统第53页基于Radon变换的分离间隙提取技术目的：剥离大载荷下的介于0.3mm至0.8mm的分离间隙方法：多路径线性Radon变换b（4）失效检测系统精度设计方案3.4失效检测系统第54页基于Radon变换的分离间隙提取技术梯度极值法

PK多路径线性Radon变换将TESA参考值作为真值，线性Radon变换法的计算结果的相对误差为0.5%，梯度极值法的计算结果的相对误差不小于5%。（4）失效检测系统精度设计方案3.4失效检测系统第55页3.5失效检测比对实验：自调功能失效测试手段：自调功能耐久性测试台基于模型的失效检测技术对象：自调臂目的：验证基于模型的失效检测技术的准确性比对性实验精度达到0.1%的BK-2B型力传感器（量程9800N）和扭矩测量精度达0.3%的JN338型扭矩传感器（量程100Nm），系统测量标准不确定度为±0.01Nm第56页表注：基于HCSUnit失效模型的理论值与测试值的对比编号刚度k分离力/N分离间隙/mm

/mm变形量/mm自调功能状态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