机床定位与测量系统

研究生课程论文浅谈定位与测量系统学生姓名孙昭专业机械设计及理论学号S110300405指导教师王彤宇学院机电工程学院摘要随着微电子机械系统及精密与超精密加工技术的快速发展，高效完善的定位与测量系统对于检验校准机床传动误差、精度及保证零件加工精度至关重要。随着高精密加工技术的不断发展，人们对机床的加工精度提出了越来越高的要求而机床的定位精度是影响其加工精度的主要因素之一，所以如何方便实用的提高机床的定位精度成为现在各个方面都在研究的重要课题特别是对于开环和半闭环数控系统，由于开环环节的存在，使得定位精度的进一步提高受到了限制对于这类机床其定位精度主要取决于电机的控制精度与进给丝杠的加工精度，以及受导轨副和丝杠副的摩擦和热变形等因素的影响本研究课题主要从螺距丝杠累积误差的动态测量与补偿这个角度来提高数控机床的定位精度，从而满足人们对数控机床越来越高的加工精度要求；本文首先主要介绍了常见的定位与测量系统及其工作原理，然后综合分析了目前定位测量系统关键技术的发展现状，最后介绍了激光干涉仪与光栅尺定位测量系统的产品市场状况。关键词：定位精度定位与测量激光干涉仪光栅尺第1章常见的定位与测量系统及工作原理1.1光栅尺位移定位测量系统在高精度的数控机床上，可以使用光栅作为位置检测装置的敏感元件。光栅输出信号为数字量，数据不受温度、时间的影响，抗干扰能力强，它是一种定值式传感器，测量精度取决于光栅刻线的准确性，能够动态而高精度地测量直线位移，还可以测量角位移，是一种比较理想的测量工具。整个系统以单片机为核心，以光栅尺为敏感元件，结构简单、工作可靠、体积小、制作成本低。该测量系统适用于测量数控机床加工过程中的直线位移和角位移，可以和CNC系统组成闭环控系统。光栅是由光源、透镜、主光栅、标尺光栅和光电元件组成如图3。当主光栅和标尺光栅呈一很小的θ角相对倾斜重叠放置时，造成两光栅尺上的线纹交叉。在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠形成明暗相间的莫尔条纹与光栅线纹几乎成垂直方向排列。当标尺光栅相对主光栅沿垂直刻线移动时，莫尔条纹跟随其移动。莫尔条纹的光强度近似呈正（余）弦曲线变化，经光电元件所感应的光电流变化规律近似为正（余）弦曲线。经放大、整形，形成脉冲。光栅输出信号一般为两路相角相差90°的方波，因此可以通过记录这两路方波的个数来测量位移的方向和大小。图3光栅工作原理图1.2双频激光干涉仪定位测量系统激光干涉仪分为双频和单频两种，以英国雷尼绍公司生产的双频激光干涉仪测距系统最为先进，精度指标为：（1.100+-0.025）μm。系统组成：ML10激光头，EC10环境补偿单元，空气、材料温度传感器，雷尼绍激光干涉仪测量软件。它具有环境温度、材料温度自动补偿功能，适用于数控机床、三测机等高于1μm精度的测量，仪器的组成如图1所示。图1激光干涉仪测距系统干涉测量技术的基本原理是把两束相干光波形合并相干（或引起相互干涉），其合成结果为两个波形的相位差，用该相位差来确定两个光波的光路差值的变化。在评定机床定位精度时，利用线性测量组件，包括1个分光镜、2个反射镜、2个标靶。1个反射镜通常用紧固螺钉固定在机床的工作台或床身上，从而形成干涉镜，而另一个反射镜放在安装测头或刀具的位置上随机床移动。测量原理如图2所示，从激光头发出的光束在线性干涉镜处分裂为两束相干光束，一束从附加在线性干涉镜上的反射镜反射回激光头，另一束经由另一个线性反射镜反射回激光头，通过激光头的干涉条纹计数电路来确定两个反射镜间的距离变化，并与被测机床的光栅读数相比较来确定定位精度和重复性误差。图2测量原理图1.3电容传感器定位测量系统电容式位移传感器属非接触测量，以极板间的电场力代替了测头与被测件的表面接触，而且由于极板间的电场力极其微弱，不会产生迟滞和变形，消除了接触式测量由于表面应力给测量带来的不利影响，不会引起测量点的功率损耗，且结构简单、体积小、分辨率高、动态响应快，特别适合动态测量；采用电容测微仪组成的位置闭环控制系统，可以得到纳米级的定位分辨率。因此，电容传感器在纳米级检测、加工领域得到了广泛的应用。虽然电容传感器在测量精度上能达到纳米级，但是在同等精度要求下，它的测量范围较小（10mm）,而且存在电容传感器中电容参量的匹配问题，检测量的后处理困难，对环境条件要求苛刻。目前，市场上有很多电容位移传感器产品。如：英国Queensgate仪器公司的平板间隙式电容位移传感器，在行程范围内可获得优于1nm的测量分辨率，但最大行程只有1.25mm。1.4平面编码器定位测量系统日本东北大学的GaoWei提出了一种新型的二维测量传感器—平面编码器。该传感器由1个角度栅格及2个角度传感器组成。每个角度传感器包括1个激光光源LD、1个偏振分光镜、1块多光孔板、自准直仪（1块透镜和1个象限光电探测器）。（1）位移测量平面编码器是利用激光测量平面粗糙度的原理将激光投射到表面形状已知的、由X及Y两个方向上的正弦曲线合成的AG上，通过一个AS分别测量运动物体的起点与终点两个测量点的X、Y向斜率，并与AG表面已知的斜率数据对比，处理后就能得到被测物体在X、Y方向上的位移。（2）θz测量编码器通过使用2个AS来获得物体绕Z轴方向转动的微小角度，如图4所示。θz就是AB与A′B′之间的夹角。图4两点AS测量θz示意图1.5CCD定位测量系统采用CCD的定位测量系统测量的方法有3种：（1）用两个CCD来测量移动物体的角度变化来求出物体的位置。（2）利用光三角反射非接触原理，由激光器发出的光束经聚焦，成为一极细小的光点投射到测量体表面。并通过透镜成像折射到极灵敏的光学线性检波器CCD上。CCD经信号处理后输出的电压与位移成正比，通过读取电压就可以得到物体的位移。（3）采用CCD取代双频激光干涉仪中的光电检测器。通过测量在CCD上成像的干涉条纹光强（类似于信号的自相关谱）来计算光的相位变化，并根据光的相位变化与物体位移成正比这一关系求出位移。第2章定位与测量系统关键技术及发展现状2.1光栅测量技术的最新发展2.1.1全闭环控制逐渐成为标准由精密丝杠和编码器构成的半闭环控制系统对于机床热变形导致的加工误差无法进行补偿。在过去的十余年中，采用数学建模预测变形或通过实时测量温度变化来计算变形等尝试在技术和经济性上都未能取得令人满意的结果。采用全闭环控制结构的机床，机床传动部件的热变形处于位置控制环之内，误差自动得到补偿。与半闭环系统不同，全闭环系统的补偿效果不同，几乎不随机床工况、磨损状况及加工程序的不同而发生变化，机床可以长期保持初始加工精度。2.1.2单场扫描技术传统的角度和长度测量设备所采用的四场成像式扫描方法中（如图5所示），光栅标尺与带有类似或相同光栅结构的扫描掩膜做相对运动。穿过标尺与掩膜光线的明暗程度按标尺与掩膜相对位置的不同而有规律地变化：当标尺与掩膜的空隙吻合时，光线得以穿过；当栅线与空隙重合时，没有光线穿过。感光元件将光强的变化转变为电子信号。扫描掩膜上有四个扫描区，各扫描区光栅间互相错开四分之一栅距。对应于这四个扫描区的感光元件生成相位差为90°的四个正弦信号。这四个扫描信号不以零线为其中线，所以需要将四个信号两两相减，以获得两个相位差90°、中线为零线的输出信号I1与I2。图5四场成像式光电扫描法原理图新型的单场扫描技术，其扫描掩膜带一个大尺寸光栅，其栅距与光栅标尺的栅距略有不同（如图6所示）。由此在扫描掩膜光栅长度上会产生明暗交替现象：某些地方栅线与栅线重叠，光线可以通过；某些地方栅线与空隙重叠，光线无法通过。而在这两者之间，空隙部分被遮挡，这起到了光学过滤的作用，使得产生均匀的高正弦性信号成为可能。特制的栅状感光元件取代了独立感光元件，生成四个相位差为90°的扫描信号。图6单场成像式光电扫描法原理图单场扫描光栅尺的输出信号拥有更好的圆度和更小的信号噪声。而这意味着更高的定位精度和更佳的控制品质。对直线电机而言，配备了单场扫描光栅尺后，速度控制可以做的更好，更为平滑。覆盖光栅标尺全宽的大尺寸扫描面以及交替重复出现的条状扫描区使得采用单场扫描原理的测量设备对污染的干扰特别不敏感，即便在有大面积污染干扰时，测量设备仍能提供高质量的测量信号（如图7所示）。位置误差远低于测量设备标定精度等级所对应的误差值。与四场扫描相比，采用单场扫描可以在某些污染干扰场合，避免设备彻底无信号输出情况的出现。图7单场/四场扫描技术抗污性能比较2.1.3绝对式测量技术所谓绝对式测量是相对于增量式测量而言的。增量式测量设备通过对光栅探头扫描过的栅线进行计数来获得相对运动的距离数据。为了获得绝对位置，增量式测量设备在开机后须执行过参考点动作。而绝对式测量设备以不同宽度、不同间距的栅线将绝对位置数据以编码形式直接制作到测量设备中，测量设备开机后立刻可以提供绝对位置信息，无需执行过参考点动作。通常绝对式测量设备在绝对轨之外还同时配备有增量轨，用以进一步提高测量设备的精度与分辨率。其主要优点有：（1）缩短机床非生产时间；（2）提高机床可靠性；（3）提高机床安全性。单场扫描技术和绝对式测量技术是可以组合的。同时采用这两种技术的单场扫描绝对式测量设备无论从信号质量，抗污染能力，测量速度还是可靠性来看都远远优于传统测量设备。目前海德汉光学电子有限公司的单场扫描技术与绝对式测量技术产品比较成熟。2.2多传感器组合测量技术研究现状从现有的零件和样品中产生CAD模型的过程称为反求工程，多传感器组合定位测量系统是反求工程的实物数字化过程中重要设备。目前大多数多传感组合测量系统的开发是为了检测的目的，很多具有多测头的复合式测量机，还只是停滞在测头的简单替换和合成上，使集成到一起的多传感测头在性能上大打折扣。国内外开展的研究主要有以下几个方面：2.2.1立体视觉系统和CMM的组合立体视觉是基于视差原理，由多幅图像获取物体三维几何信息的方法。在机器视觉系统中，立体视觉系统一般由双摄像机从不同角度同时获取周围景物的两幅数字图像，或由单摄像机在不同时刻从不同角度获取周围景物的两幅数字图像，并基于视差原理即可恢复出物体三维几何信息，重建周围景物的三维形状和位置。1998年SAED等人应用两个CCD相机用于获取零件的正视图，一个安装在CMM上，从上部观测对象，一个位于水平（如图8所示）。应用机器视觉系统捕获零件的5个正视图。这些图像经过图像处理获取边界，以2D工程制图的形式创建五视图，这些2D图用于产生NC代码驱动CMM触发探针捕获零件表面精确的点坐标。图8立体视觉系统与CMM组合系统2001年Chan，V.H等人使用CCD相机从上面、前面、后面、左面和右面采集立体图像，测头如图9所示，无需建立初始的CAD模型，通过神经网络方法分割CCD图像定位被测件的位置，并产生CMM接触探针路径。然后，用CMM接触探针获取高精度的坐标数据，构建CAD/CAM模型。图9CMM测头和CCD相机西安交大的方勇在1999年应用图像处理方法、立体视差法获取两个匹配点所对应的空间点的三维坐标，将这些特征点作为控制点，建立三次B样条曲线再拟合成曲面，初步反求CAD模型。系统结构简图如图10。图10立体视觉系统与CMM组合系统结构图2.2.2激光扫描系统与CMM的组合激光扫描测头作为独立设备安装在CMM上，与接触式测头并行操作，激光扫描头用于CMM工作台上的零件定位或自动引导接触式探针进行快速坐标数据获取及有目的的控制坐标测量机进行关键表面区域的高精度采样。2001年Bradley和Chan把激光测头和接触式测头集成到测量机的Z轴臂上。两个测头彼此有独立的控制系统，在性能上互相补充，激光测头具有较高数据采集率，可以用于整体自由曲面的数字化，接触式测头用于精确定义边界轮廓以及定义点云的分割边界，测得的数据分别输入到工作站中进行处理和建模。系统主要部件连接如图11所示。图11系统主要部件连接图2.2.3结构光三维视觉系统与CMM的组合在双目立体视觉中，当用光学投射器代替其中的一个摄像机时，光学投射器投射出一定的光模式，如光平面、十字光平面、网格状光束等，对场景对象在空间