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工具技术
三坐标精度测量机的工作原理和机械结构
徐摘Biblioteka 刚费业泰李光柯
合肥工业大学
要： 开发了一种基于空间一维球列对称联系组合定标法的手提式三坐标精度测量机， 其系统由球列板、 滑 轨、 支架、 底座以及伺服驱动系统、 电气控制部分和数据处理软件组成。在准确已知球列上任意一对球心距偏差的 条件下， 可得到整个球列各球心距偏差， 再以该球列各球心形成的标准点列与测量机空间的点列进行对称组合比 较测量， 按最小二乘原理处理测量值， 可求得被测三坐标测量机被测空间点的误差， 再按通用的数据分解方法即可 得到坐标测量机几何结构的 !% 项误差。利用全组合对称联系使一维球列校正精度达到高精度水平， 同时由于球 列可在该校正装置的滑轨上移动， 使该装置可校正范围比球列本身的标准长度增加数倍。仅需在校正前对球板上 的一个球心距进行检测标定并作为标准量， 即可通过一次测量同时确定事先均未知的一维球列精度和三坐标测量 机精度， 使校正过程易于实现。此外， 校正装置无需严格按国家标准量值传递定期校正， 而可由使用单位利用已有 标准量和简单装置在使用前进行实时检测标定， 因此它对校正装置的长期稳定性无严格要求， 可降低对校正装置 的设计与制造要求。 关键词： 一维球列， 对称联系， 组合定标法， 三坐标测量机， 精度校正
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-#5 置的定位。 （ 支架及底座 !） 支架的作用是用于支撑、 固定滑轨和球列板， 实 现滑轨的左右转动和上下摆动。在整个球列装置 中， 滑轨总长度为 "##$$， 支架高度为 !##$$， 滑轨 与坐标测量机工作台面构成的角度在 # % &#’范围内 可调， 并可固定在 &#’位置。支架固定在底座上， 底 座是一块方形钢板， 上面有与坐标测量机工作台螺 孔位置相对应的 ( 个通孔， 可用螺栓将它固定在工 作台上（ 见图 !） 。 （ 伺服电机及驱动装置 (） 本装置采用松下 ) 系列 *)++,-.#" 伺服驱动 器， 用于控制丝杠的行程。图 " 为伺服系统的主回 路接线图。
图"
控制操作界面图
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标准量的测量及测量装置设计
空间一维球列对称联系组合定标法是在已知球 列上一对球心距偏差的条件下， 将此球列各球心所 形成的点列与空间存在的点列进行对称组合比较测 量， 从而得到精度高于坐标测量机原有测量精度的 结果。这样就必须用高精度仪器对某一球心距进行 测量， 然后将其作为标准量。测量原理如图 6 所示， 球板上固定的两球构成待测球间距， 球板固定在工 作台上， 并随工作台在导轨上作直线运动。工作台 的位移量通过双频激光干涉仪测量系统进行测量。 测量球间距时， 两球的位置通过由平面测头和电感 测微仪组成的定位系统准确定位。平面测头安装在
" 坐标测量机测量装置及实验系统
根据一维球列三维化的构想， 设计了一套球列 ， 通过三坐标测量机对它的 及球列座装置（ 见图 #） 测量， 进行三坐标测量机的精度定标测试实验。整 个实验系统包括： 三坐标测量机、 球列、 球列装置、 伺 服电机等。 （ 球列、 球列板及其装置 !） 一维 球 列 由 球 板 和 一 组 （ 公称直径为 " 个） 见图 (） ， 钢球按等间距（ 在球 !&’’ 的球组成（ ($’’） 板上排成一列， 并牢固粘合在球板上。球心在一条 直线上， 球心间距根据检定精度确定， 如果精度要求 高， 则间距取得小一些， 反之则可大一些。在实验 中， 球列板做成工字形以加强刚度； 材料采用不易变 形的 )*&； 所用钢球为标准件， 直径为 !&’’， 球度误 差为 ! 其平面度、 平 ’。球列板采用一次加工成型， !
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， 然后选择驱动速度（ 推荐 5###） 和脉 控制轴（ # 轴） 冲数（ 一次最多可 -#### 个脉冲可使球板移动 "$$， 发射 !#### 个脉冲） 。在终点位置栏选择所要发射 的脉冲数， 最后选择运行方向（ 正为正方向， 负为反 方向） ， 然后单击“ 启动” ； 若要终止运动则点击“ 停 止” 。
> 空间一维球列对称联系组合定标法 测量原理
用空间一维球列对称联系组合定标法检测三坐 标测量机的空间误差 !， 是在准确已知球列上任意
#$$. 年第 *# 卷 7!
!$& 行度、 垂直度较好。球列板上做 " 个通孔， 用于浇灌 粘结剂。为了增大粘结面积， 将 " 个通孔做成 + 字 型（ 见图 *） 。
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本装置采用 +*/-### 运动控制卡（ 可控制各种 国内外品牌的数字式伺服电机系统） ， 其编程语言可 为 01、 0/ 等任何一种。在运动函数库中使用的函 数主要有： 脉冲输入 2 输出函数、 运动速度设置函数、 单轴位置运动控制函数、 编码器位置和内部记数器 控制函数、 运动状态及相关 3 2 4 口检测函数、 错误代 码函数等。进入电脑控制操作界面（ 见图 5） ， 选择
! , 球列板 # , 直线导轨 ( , 导轨支架 * , 底座 & , 标准球 " , 伺服电机 - , 丝杠 . , 水平回转轴 / , 轴套 !$ , 垂直回转定位板 !! , 球窝 !# , 导轨滑块 !( , 水平铰链 !* , 丝杠螺母
图#
装置示意图
图!