实验研究本文1996年12月24日收到.1997年3月17日收到修改稿.*天津市科委21世纪青年科学基金项目(963702211).**1972年生,男,博士生.Bornin1972,male,doctoralstudent.用激光干涉仪测量三坐标测量机的动态特性董晨松*穆玉海张国雄(天津大学精密仪器与光电子工程学院)摘要提出了一种用激光干涉仪测量三坐标测量机动态误差的方法,分析了激光干涉仪的测量原理并分别对扫描测量和触发测量中的动态误差进行了模拟测量.实验结果表明,运动中的加速度产生的附加惯性力是产生动态误差的重要因素.由于惯性的原因,扫描测量中换向时产生的误差大约是同样条件下惯性力造成误差的2倍.关键词激光干涉仪,三坐标测量机,动态误差,扫描测量,触发测量分类号TH161.3ASSESSINGTHEDYNAMICCHARACTERISTICSOFCMMSWITHALASERINTERFEROMETERDongChensongMuyuhaiZhangGuoxiong(SchoolofPrecisionInstrumentsandOptoelectronicsEngineering,TianjinUniversity)AbstractAmethodofmeasuringthedynamicerrorsofCMMswithalaserinterferometerisgiv-eninthispaper.Theworkingprincipleofthelaserinterferometerisanalyzedandthedynamicer-rorsaremeasuredinthescanningprobingandtouch-triggerprobingrespectively.Theresultsshowthataccelerationforceisthesignificantfactorcausingdynamicerrors.Whentheprobechangesitsdirectioninthescanningmeasurementtheerrorisabouttwiceasmuchasthatcausedbythesameaccelerationforceduetotheinfluenceofinertia.Keywordslaserinterferometer,coordinatemeasuringmachine(CMM),dynamicerror,scanningprobing,touch-triggerprobing三坐标测量机是一种用途很广的高精度仪器.随着坐标测量机运行速度的加快,动态误差往往比静态或准静态误差对测量精度的影响更大.由于在测量过程中的加、减速度明显加大,测量机各结构件的分布质量产生的惯性力造成了机构的变形.在高速测量过程中,还必然会产生自激振动和受迫振动.此外,由于测量机的各运动部件的连结处都采用了刚度较低的气浮导轨支承,在加速或减速运动过程中,其动态特性也会发生明显的变化.所有这些都1998年9月Sep.1998天津大学学报JOURNALOFTIANJINUNIVERSITY第31卷第5期Vol.31No.5是产生动态误差的根源.充分认识三坐标测量机的动态特性和动态误差的构成及大小对于进行三坐标测量机动态误差补偿和改进测量机结构设计都有重要的意义.1动态误差测量原理实验用的坐标测量机为移动桥式结构(见图1).整个桥架沿x向气浮导轨移动,y向移动是滑架沿横梁的运动,z向运动由安装在滑架上的测头立柱产生,所有导轨都是气浮支承.其运动范围为700mm×600mm×400mm.移动桥式结构为单边驱动.在高速动态测量中桥式结构由于惯性力的作用产生弯曲变形,是产生动态误差的主要原因.(a)测量Rzy时的安装位置(b)测量Ryz时的安装位置图1角度反射镜安装位置图Fig.1Themountingpositionoftheretroflector经过分析可知,在测量机运行过程中,移动桥带动z向立柱绕z轴的动态角度误差Rzy产生位移误差W1;z向立柱绕y轴的动态角度误差Ryz产生位移误差W2(如图2所示).测头处的位移误差为W1和W2合成的结果.假设从z向立柱到向导轨的距离为L,z向立柱的伸出距离为H,由材料力学中的挠度公式可得测头处的位移误差Wz为Wz=23L·Rzy+H·Ryz(1)在计算中L和H的单位为米,Rzy和Ryz的单位为弧度.图2Rzy和Ryz的综合作用Fig.2ThejointeffectofRzyandRyz采用Renishaw激光干涉仪对测量机的动态误差进行了测量.通过测量部件之间的相互偏转来间接得到测头的动态位移误差.测量原理如图3所示.角度干涉镜放在激光器与角度反射镜之间.激光束经角度干涉镜时,由分光面将光束一分为二,其中一条光束(A1)直接·622·天津大学学报1998年9月透过干涉镜的分光面,然后被反射镜组件的一个反射镜反射回到激光头,另一光束(A2)被干涉镜的另一个分光面折射到反射镜组件的另一个反射镜孔,由此反射镜孔将光束反射,经干涉镜返回到激光头.通过比较光束A1和A2之间的光路之不同来获得角度测量值.M10激光头角度干涉镜角度反射镜图3激光干涉仪角度测量原理Fig.3Theangularmeasuringprincipleofthelaserinterferometer2动态误差测...
