．Ｉ７８２９．１５学位论文独创性说１９ｊ学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位：论文作者签名（手写）：孵潍≯签字日期：州。年毛序学位论文版权使用授权书日本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公众提供信息服务。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：巧津签字日期：如Ｉ奄年ｋ月毛日导师签名：叫锄∥乙／４签字日期：ｙＩ３年ｂ月６日ＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩｌＹ１７４６１８７摘要摘要在传统的汽车冲压件检测中，由于其存在检测数据误差大，效率低，无质量原理与空间结构的基础上提出了一种新型的汽车冲压件在线检测设备（Ｏｎ．１ｉｎｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｆｏｒａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｐｕｎｃｈｉｎｇｐａｒｔｓ，简称ＡＰＯＤＥ）虚拟样机的相关设计及其特性的研究成果，为汽车冲压件在线检测设备的设计及数字化集成奠定了基础，具有重要的工程意义。论文主要包含以下内容：１）ＡＰＯＤＥ工作原理。在充分了解设备检测原理的基础上，基于逆向工程３Ｄ点云对齐技术，论述了检测设备的组成、功能及技术参数。２）ＡＰＯＤＥ主机结构设计。根据检测设备所使用的车间现场环境，借助于当前已具有成熟技术的三坐标测量机的工作原理及其空间结构的分析，归纳出了设备总体结构方案，并对检测设备的关键部件进行了详细设计，借助于ＵＧ平台，构建了样机的３Ｄ数字模型，并进行了装配干涉和检查。３）ＡＰＯＤＥ仿真分析。为了提高样机的抗振特性，将精密仪器上常用的两种导轨副：空气静压副和滚动副导轨进行了抗震特性分析。然后为了减小测量机构的动态误差，将模型参数化并进行了动力学仿真，进一步优化了设备的动态特性。４）ＡＰｏＤＥ静态和动态误差分析与修正。首先论述了ＡＰＯＤＥ的静态误差源。其次分析了检测设备各个运动部件在三个方向驱动力和惯性力作用下，传递到摄像机的位置动态误差，初步建立了单轴的误差计算模型，给出了单轴的总误差表达式；最后分析了减少ＡＰＯＤＥ动态误差的方法。５）ＡＰＯＤＥ数控系统的设计。首先论述了数控系统的总体结构设计，关键部件的选择；然后利用ＭＡＴＬＡＢ软件进行了数控运动仿真，分析电机在外载变化下的启动性能，从而通过分析改变控制策略，使电护的启动性能达到最优。关键词：光学扫描检测设备；结构设计；仿真分析；汽车冲压件；逆向工程跟踪，不能够数字化集成等缺点，在现代工业生产中很难满足工厂大批量、高速高效检测的实际需要。本论文在充分了解传统三坐标测量机（ＣＭＭ）的工作ｄｅｔｅｃｔｉｏｎＡｂｓｔｒａｃｔＡｂｓｔｒａｃｔＴｒａｄｉｔｉｏｎａｌａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｓｔａｍｐｉｎｇｐａｒｔｓｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅａｎｓａｒｅｎｏｔｒｅｌｉａｂｌｅ，ｌｏｗｅｒＤＩｅｔｅｃｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．ＮｏＱｕａｌｉｔｙＴｒａｃｋｉｎｇａｎｄｐｏｏｒｄｉｇｉｔａｌｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎａｎｄｉｔｉｓＤｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｍｅｅｔｔｈｅｍｏｄｅｒｎｆａｃｔｏｒｙ－ｖｏｌｕｍｅ．ｈｉｇｈ・ｓｐｅｅｄａｎｄｅ伍ｃｉｅｎｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎｉｎｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．ＢａｓｉｎｇｏｎｔｈｅｆｕｌｌｙｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇｏｆｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｔｈｅＭｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ．ｗｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈｅｏｎ・ｌｉｎｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｆｏｒａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｐｕｎｃｈｉｎｇｐａｒｔｓ（ＡＰＯＤＥ），ａｎｅｗｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｆｉｎｄｉｎｇｓｏｆｗｈｉｃｈｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｉｔｌａｉｄｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｔｏｓｏｌｖｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｏｎ—ｌｉｎｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｆｏｒａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｓｔａｍｐｉｎｇｐａｒｔｓａｎｄｄｉｇｉｔａｌｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｈａｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ．Ｔｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｔｈｉｓｐａｐｅｒａｒｅａｓｆｏｌｌｏｗｓ：１）ＴｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅＡＰＯＤＥ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄ３Ｄｐｏｉｎｔｃｌｏｕｄａｌｉｇｎｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｆｕｎｃｔｉｏｎｓａｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．２）ＴｈｅｈｏｓｔｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅＡＰＯＤＥ．ＳｔａｒｔｉｎｇｆｒｏｍｔｈｅｕｓｅｏｆｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅＣＭＭ，ｉｔｉＳｅａｓｉｌｙｔｏｇｅｔｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｔｈｅｎｔｈｅｋｅｙｅｑｕｉｐｍｅｎｔ’Ｓｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｔｈｅｄｉ百ｔａｌｍｏｄｅｌｉＳｂｕｉｌｔｉｎｔｈｅＵＧｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄＡｓｓｅｍｂｌｅａｎｄｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｉＳｃｏｎｄｕｃｔｅｄ．３）ＡＰＯＤＥｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｍａｃｈｉｎｅ，Ｔｗｏｇｕｉｄｅｓａｒｅｐｒｏｍｐｔｅｄ：ａｅｒｏｓｔａｔｉｃｇｕｉｄｅｗａｙａｎｄＬＭｒｏｌｌｉｎｇｇｕｉｄｅｗａｙ．Ｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｓｅｉｓｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｓｄｏｎｅ．Ｔｈｅｎｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｅｒｒｏｒ，ｔｈｅｍｏｄｅｌｉｓｐａｒａｍｅｔｅｒｅｄａｎｄｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｓｄｏｎｅ，ｗｈｉｃｈｆｕｒｔｈｅｒｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．４）ＡＰＯＤＥｓｔａｔｉｃａｎｄｄｙｎａｍｉｃｅｒｒｏｒａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ．ＦｉｒｓｔｌｙＡＰＯＤＥｓｔａｔｉｃｅｒｒｏｒｓｏｕｒｃｅｓａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ；Ｓｅｃｏｎｄ，Ｃａｍｅｒａ’Ｓｄｙｎａｍｉｃｐｏｓｉｔｉｏｎｅｒｒｏｒ，ａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｔｈｅｔｈｅｄｒｉｖｉｎｇｆｏｒｃｅａｎｄｔｈｅｉｎｅｒｔｉａｌｆｏｒｃｅｉｎｔｈｅｔｈｒｅｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ．ｉｓａｎａｌｙｚｅｄ．ｈａｉｔｉａｌｌｙａｓｉｎｇｌｅ－ａｘｉｓｇｒｒｏｒｍｏｄｅｌｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｎｄｔｈｅｕｎｉａｘｉａｌｅｒｒｏｒｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｉｓｇｉｖｅｎ．Ｉｎｔｈｅｅｎｄ．ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｔｏｒｅｄｕｃｅＡＰＯＤＥｄｙｎａｍｉｃｅｒｒｏｒｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．５）ＡＰＯＤＥＣＮＣｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｍａｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅＣＮＣｓｙｓｔｅｍｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄａｎｄｔｈｅｋｅｙｄｅｖｉｃｅｓａｒｅｃｈｏｓｅｎ．ＣＮＣＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ．ｗｈｉｃｈｉＳａｎａｌｙｓｉｓｏｆｍｏｔｏｒｓｔａｒｔ．ｕｐｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｕｎｄｅｒＥｘｔｅｒｎａｌＬｏａｄａｎｄｔｈｅｎｔｏｃｈａｎｇｅｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｍｏｔｏｒｓｔａｒｔ．ｕｐｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｉＳｄｏｎｅｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＡＤＡＭＳＫｅｙｗｏｒｄｓ：Ｏｐｔｉｃａｌｓｃａｎｎｉｎｇｄｅｔｅｃｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎ；ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓ；Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｐａｒｔｓ；ＲｅｖｅｒｓｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ目录目录学位论文独创性声明…………………………………………．Ｉ摘要…………………………………………．…………．ＩＡｂｓｔｒａｃｔ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．ＩＩ目录……………………………………………………ＩＩＩ第１章绪论………………………………………………．．１１．１课题研究的背景………………………………………．１１．１．１工程背景………………………………………．１１．１．２研究达到的目标…………………………………．．２１．１．３课题来源……………………………………．．鬈２∥’１．１．４课题意义………………………………………．２１．２国内外研究现状………………………………………．３１．３主要研究内容…………………………………………３１．３．１ＡＰＯＤＥ主机结构设计………………………………．３１．３．２ＡＰＯＤＥ基于ＡＤＡＭＳ的设备仿真分析……………………，３１．３．３ＡＰＯＤＥ静态和动态误差分析与修正……………………．４１．３．４ＡＰｏＤＥ数控系统设计………………………………．４１．４课题研究的技术路线……………………………………４１．５设计平台介绍…………………………………………４本章小结………………………………………………．．５第２章ＡＰＯＤＥ设备工作原理……………………………………．６２．１汽车冲压件在线检测……………………………………６２．１．１汽车冲压件简介…………………………………．６２．１．２汽车冲压件检测内容………………………………７２．２ＡＰＯＤＥ检测原理和方法描述………………………………７２．３ＡＰＯＤＥ功能及技术参数…………………………………１０２．４ＡＰＯＤＥ设备的组成……………………………………．１０ｌ¨目录２．４．１主机…………………………………………．１０２．４．２光学测量系统…………………………………．．１ｌ２．４．３ＣＮＣ系统………………………………………．１ｌ２．４．４辅助系统………………………………………１２本章小结………………………………………………．１２第３章ＡＰＯＤＥ设备主机设计……………………………………１３３．１使用环境…………………………．………………．．１３３．２主机材料的选择………………………………………１３３．３主机结构方案设计……………………………………．１４３．３．１常用结构形式…………………………………．．１４３．３．２主机结构方案…………………………………．．１５３．４主机关键部件设计……………………………………．１６３．４．１测量主机底座隔振设计……………………………１６３．４．２基础设计………………………………………．１７３．４．３滑架设计………………………………………１９３．４．４导轨设计………………………………………１９３．４．５传动机构设计…………………………………．．２０３．５ＡＰＯＤＥ的虚拟装配……………………………………．２３３．６装配体的干涉检查……………………………………．２４本章小结………………………………………………．２４第４章基于ＡＤＡＭＳ的仿真分析…………………………………２５４．１ＡＰＯＤＥ模型导入………………………………．．……．２５４．１．１ＡＤＡＭＳ软件简介…………………………………．２５４．１．２ＵＧ模型转换为ＡＤＡＭＳ模型…………………………．２６４．２ＡＰＯＤＥ振动分析………………………………………２７４．２．１建立振动模型…………………………………．．２７４．２．２振动模型与放大系数………………………………２７４．２．３空气静压导轨副结构与参数估算……………………．２８４．２．４估算导轨副动力放大系数…………………………．２９１Ｖ目录４．２．５模态分析………………………………………３０４．２．６垂直振动特性分析………………………………．．３ｌ４．２．７滚动导轨副模态分析………………………………３３４．２．８振动模拟的结果分析………………………………３４４．３ＡＰＯＤＥ结构分析………………………………………３５４．３．１简化样机模型……………………………………３５４．３．２机构运动仿真……………………………………３７４．３．３参数化样机模型…………………………………．３８４．３．４优化设计的数学模型………………………………４０４．３．５机构优化计算分析………………………………．．４ｌ本章小结………………………………………………．４３第５章ＡＰＯＤＥ的误差分析……………………………………．．４４５．１ＡＰＯＤＥ的主要误差源分析………………………………．４４５．２ＡＰＯＤＥ静态误差分析与修正……………………………．．４４５．２．１ＡＰＯＤＥ静态误差源………………………………．．４５５．２．２ＡＰＯＤＥ静态误差分析………………………………４５５．２．３ＡＰＯＤＥ静态误差补偿办法…………………………．．４７５．３ＡＰＯＤＥ动态误差分析与修正……………………………．．４８５．３．１ＡＰＯＤＥ动态误差分析………………………………４８５．３．２ＡＰＯＤＥ动态误差建模………………………………４９５．３．３减少ＡＰＯＤＥ动态误差的方法…………………………５２本章小结………………………………………………．５３第６章．控制系统设计………………………………………．５４６．１运动控制系统的分类…………………………………．．５４６．２控制系统功能………………………………………．．５５６．３总体结构……………………………………………５５６．４部件选择……………………………………………５５６．４．１直流伺服电机……………………………………５６６．４．２伺服放大器……………………………………．．５７Ｖ目录６．４．３ＰＭＡＣ运动控制器…………………………………５８６．５运动控制系统建模及仿真………………………………．５９６．５．１直流伺服电机建模………………………………．．５９６．６运动控制系统仿真……………………………………．６ｌ６．６．１电机空载的单位阶跃响应…………………………．．６ｌ６．６．２电机负载的阶跃响应………………………………６ｌ６．７本章小结……………………………………………６３第７章结论和展望…………………………………………．６４７．１工作总结……………………………………………６４７．２工作展望……………………………………………６５致谢……………………………………………………．６６参考文献…………………………………………………．６７攻读学位期间的研究成果…………………………………．？…７ｌＶｌ第１章绪论第１章绪论１．１课题研究的背景１．１．１工程背景汽车冲压件检测技术是通过对获取的冲压件表面的尺寸误差或形为误差数据的分析来判断预定的性能和技术指标是否满足要求。为改进冲压工艺提供理论参考，以达到确保汽车冲压件稳定高效生产的目的Ⅲ。然而在汽车冲压件实际检测过程中，其主要是依靠游标卡尺，千分尺，样板或者样件等心１专用检具来进行检测的。通常情况下，尤其是稍微复杂的汽车冲压件首样检测常常需要一位具有丰富检测经验的专业人员用好几个小时有时候甚至一两天的时间彳４能彻底”完成，并且这种检测结果也并非完全可靠。总的来讲，传统的冲压件检测手段｝存在如下问题：１）检测效率低，检测结果不可靠传统的冲压件检测，需要花费很长的时间，对检测人员本身的依赖性较强。一般情况下都是将冲压件与样件整体对齐，孔位对齐等标志点对齐以后，直接通过目测观察被检件与样件之间有没有错边现象，因而检测比较粗糙，时间长，而且检测结果受人经验的影响大，通用性差，检测结果不可靠旧１２）质量跟踪困难传统的检测比较粗糙，检测报告结论中只分为合格与不合格两项，增加了对加工质量进行后续跟踪的困难，无法为冲压设备的工艺改进提供数据支持。３）产品数字化集成困难传统的冲压件质量检测，由于很大程度上依赖于人的经验，无法建立冲压件检测质量问题数据库，从而为技术的交流增加了困难，但是随着汽车冲压件质量检测与监测技术的发展，产品数字化集成问题将有望得到解决。基于以上因素，为解决传统的汽车冲压件检测存在的问题，本研究课题提出了一种新的汽车冲压件在线检测设备（简称ＡＰＯＤＥ），该设备是基于逆向工程３Ｄ点云对齐技术和结构光投影技术¨１，将光学扫描原理应用于冲压件在线检测的设备。首先，利用光学测量头高效准确地扫描获取冲压件表面的点云数据，其次通过专用的点云数据处理软件进行点云数据处理和拼合，然后将数据拼合后的图形与ＣＡＤ数字样件模型进行３Ｄ对齐比较，最后以彩色误差图或者报表的形式显示被检测件的表面质量。该汽车冲压件在线检测设备完全能够满足大多数造型比较复杂的冲压件的在线检测要求，对于实现冲压件在线检测的自动化与智能化具有重要的现实意义旧。。第１章绪论１．１．２研究达到的目标依托ＵＧＮＸ设计平台，结合ＡＤＡＭＳ仿真工具，实现ＡＰＯＤＥ整机结构设计、导轨振动分析和机构动力学分析、静态与动念误差分析及其修ｉＦ、控制系统设计与仿真。１．１．３课题来源江西省研究生创新基金１．１．４课题意义本论文提出的ＡＰＯＤＥ在汽车冲压件的在线检测中具有重要的现实意义：１）提高在线检测的可靠性和物理样机制造的成功率汽车冲压件在线检测设备通过光学扫描和自动拼合的点云技术能够重现被检测件的外形尺寸。利用３Ｄ对齐技术，将被检测件模型与理想样件（ＣＡＤ模型）进行对齐比较后，可以由彩色误差图较为直观地显示二者之间的差异（图１．１）。鼠曩蠹因而检测是高效的，准确的。同时，利用虚拟现实支持下的虚拟设计哺１以及工业生产检测系统仿真的可视化、可交互性的特点，可以实现设计人员与多维信口曩毒零一搿，■冱通砖息环境的交互，从而进一步减少物理模型和样件的开发周期，节约加工成本。图１．１点云与零｛ｉ，ｌ：模型的彩色误差图２）提高检测精度和检测效率ＡＰＯＤＥ搭载了光学扫描系统，并采用了当前３Ｄ检测当中较好的结构光法，并使用了冷光源，该机构融合了精密机械、计算机及光学测量技术，可以实现对冲压件空间轮廓、形状及位置误差的自动检测，人为因素影响比较小；光学扫描系统单次拍摄时间Ｏ．０５秒Ｈ１，检测效率高。３）为企业数字化集成奠定了理论基础高效的在线检测设备以及精确的零件点云扫描图，为企业产品加工质量数据库的建立提供了很好的条件，对于后续产品加工质量的监测、设备故障诊断、维护以及产品改进提供理论依据。２第１章绪论１．２国内外研究现状构成汽车的零件中，冲压件占了相当大的比例。汽车冲压件主要包括汽车车身外覆盖件，驾驶室，覆盖发动机和底盘的异形体表面及其内部的零件。汽车冲压件一般是封闭薄壳状的受力零件，其质量对整车质量影响较大。在国内，传统的汽车冲压件检验主要采用样板和组合量规。该类专用检具制作周期长、成本高以及检测的柔性及检测效率都比较的低，很难在较短的时间内获取大量的实测数据ｍ１。目前，基于光学扫描的检测技术已相当成熟，并且设备也多种多样。为了提高ＡＰＯＤＥ的可靠性，以及设备的开发效率，该汽车冲压件在线检测设备的光学系统部分也将采用商业化的部件，虽然曲面重构和光学测量理论研究都已经相当成熟。但是文献表明，目前国内外基于光学扫描的汽车冲压件在线检测设备还没有同种类型的研究成果。虚拟样机技术（ＶｉｒｔｕａｌＰｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ，ｖＰ）是上世纪８０年逐渐兴起的一种基于计算机技术的一个新的概念。在建模和仿真领域，比较通用的关于虚拟样机的概念是美国国防部建模和仿真办公室（ＤＭＳＯ）的定义。ＤＭＳＯ将虚拟样机定义为对一个与物理原型具有功能相似性的系统或者子系统模型进行的基于计算机的仿真；而虚拟样机技术则是利用计算机平台，将虚拟样机代替实际的物理样机，对候选方案的某一方面特性进行仿真测试和评估的过程。其主要由三个部分一１组成：建模技术、模拟与仿真技术以及测试和分析技术。，１．３主要研究内容１．３．１ＡＰＯＤＥ主机结构设计ＡＦＯＤＥ主要由测量主机、控制系统、光学测量系统和辅助装置（防尘、防潮及隔振）等组成。主机的结构设计是整个样机设计的关键。通过对常用三坐标测量机Ｃ删的结构和功能的分析，归纳出了设备的总体设计结构方案，根据振动标准设置了隔振底座。对设备各关键部件进行了详细设计，在ＵＧ中建立了样机的三维数字模型，进行了装配干涉和检查。１．３．２ＡＰＯＤＥ基于ＡＤＡＭＳ的设备仿真分析为了提高样机的抗振特性，考虑到样机导轨对整机误差的影响，首先将预定方案的两种导轨：空气静压导轨副和滚动导轨副进行了振动特性分析，比较了二者在一定条件下的抗振特性“。Ｊ。然后为了减小检测机构的动态特性，将模型参数化并进行了动力学仿真，进一步优化了样机结构。第１章绪论１．３．３ＡＰＯＤＥ静态和动态误差分析与修正主要包括两方面的内容：一方面首先分析了ＡＰＯＤＥ的静态误差源，包括几何误差、温度误差以及结构力变形误差等。然后分析了其静念误差补偿办法，分别讨论了对阿贝误差和几何误差的补偿原则以及对系统误差的修萨方法。另一方面分析了ＡＰＯＤＥ基于机构方面的动态误差，主要是检测设备各个运动部件在三个方向驱动力和惯性力作用下，传递到摄像机中心的位罱动态误差。初步建立了单轴的误差计算模型，给出了单轴的总误差表达式，最后分析了减少ＡＰＯＤＥ动态误差的方法，包括合理的结构设计，利用误差补偿技术等。１．３．４ＡＰＯＤＥ数控系统设计首先论述了数控系统的总体结构方案设计，接着对主要关键部件进行了选型计算；然后利用ＭＡＴＬＡＢ软件进行了数控运动仿真…ｊ，分析了电机在外载变化下的启动性能，从而通过分析改变控制策略，使电机的启动性能达到最优。１．４课题研究的技术路线１）ＡＰｏＤＥ主机设计技术路线从ＡＰＯＤＥ工作的车间现场环境（振动、温度、湿度等）入手，分析了检测设备需要具备的功能和特性。车间温度、隔振、防潮是要解决的关键问题；为使检测设备具有较高的检测精度和效率，采用了光学扫描检测原理。２）ＡＰＯＤＥ设备仿真分析技术路线基于ＡＤＡＭＳ仿真平台，将在ＵＧ平台上建立的３Ｄ数字模型导入仿真软件中，通过建立约束、定义运动、添加材料属性等，从位移和加速度等方面进行仿真，分析和优化设备机构；基于ＭＡＴＬＡＢ软件进行了数控运动仿真，分析电机在外载变化下的启动性能，从而通过分析改变控制策略，使电机的启动性能达到最优。１．５设计平台介绍１）ＵＧ软件Ｕｎｉｇｒａｐｈｉｃｓ（简称ＵＧ）是美国ＥＤＳ公司推出的集ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ于一体的三维参数化设计软件。是当今世界最先进的计算机辅助设计、分析和制造软件，使产品丌发从设计到加工真讵实现了数据的无缝集成，由于用户的全部产品以及精确的数据樽型能够在产品丌发全过程的各个环节保持相关，从而有效地实现了并行工程：雌。。ＵＧ不仅具有强大的实体、曲面造型、虚拟装配和产生２Ｄ工程图等设计功４第１章绪论能，而且在设计过程中可进行有限元分析、机构运动分析等提高设计的可靠性；直接生成数控代码，用于产品的加工；提供二次丌发语言ＵＧ／ＯＰｅｎＧＲＩＰ，便于用户开发专用的ＣＡＤ系统。２）ＡＤＡＭＳ软件介绍ＡＤＡＭＳ（ＡｕｔｏｍａｔｉｃＤｙｎａｍｉｃＡｎａｌｙｓｉＳｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）是美国ＭＤＩ公司（ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＤｙｎａｍｉｃｓＩｎｃ．）推出的非常著名的机械系统动力学分析软件，也是世界上应用最广泛的仿真分析软件ｕ３’。ＡＤＡＭＳ允许用户可以非常方便地对虚拟样机中的机械系统进行静力学、运动学和动力学仿真，它能够帮助设计人员在更好地理解系统运动的基础上，进一步解释其子系统的设计特性。它还可以用来对比众多设计方案之Ｉ’日Ｊ的工作性能，跟踪机构连接副的载荷大小的变化过程以及计算其机构运动路径等儿；同时它又具有开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊用户的二次丌发工具。使用ＡＤＡＭＳ建模时即快速又简洁，并且所建立的模型十分逼真，允许用户通过调整机构参数来进一步优化机构设计，进一步提高设计效率。本章小结基于汽车冲压件在线检测设备的研究现状，论述了课题研究的背景，国内外相关技术的研究现状；并进一步介绍了课题研究的主要内容及技术路线；最后对设计平台进行了简介。第２章ＡＰＯＤＥ设备＋１：作原理第２章ＡＰＯＤＥ设备工作原理２．１汽车冲压件在线检测２．１．１汽车冲压件简介汽车冲压件是汽车的重要部件，在汽车零部件的组成中，大约超过７０％都是冲压件。冲压件主要是指构成汽车车身、顶盖和底盘的异形体表面零件。汽车冲压件一般是封闭薄壳状的受力零件。由于即使是冲压件表面上非常微小的冲压缺陷也会在涂漆后引起光线漫反射，从而破坏汽车表面的光洁度，影响汽车外形的美观，因此冲压件表面的皱折、边缘拉痕等缺陷是应尽量避免的ｎ朝。欧洲、美国、同本等发达国家生产的Ａ级表面精度的汽车冲压件种类繁多，其主要有左、右车侧围，行礼箱盖板，发动机前支撑板，前围上盖板，后围板，车轮挡泥板、后翼子板、后围板、后围上盖板、引擎盖板，车顶盖，前、后车门，前、后、左、右翼子板，顶盖、前围板、前围上盖板、前挡泥板、发动机罩等类型ｎ引。冲压件可分为内、外部冲压件和骨架类冲压件三类（图２．１）。通常情况下，汽车内部冲１顶盖２后同板３底板４挡泥板压件的空间结构较为复杂，而外部和骨架类冲压件对外观质量要求较为特殊。与一般冲压件图２．１汽乍冲压件组成Ｉ鳘ｌ相比，汽车冲压件具有其自身的特点，如通常情况下形状较为复杂、薄壁料、表面质量要求较高等。其使用要求如下：１）曲面形状汽车冲压件的形状大多在空间上为三维立体曲面，因此要想在冲压件图纸上完整准确的表达其空间结构是很困难的。在通常情况下，主模型就是用来解决这个问题的，主模型ｎ钉是汽车冲压件最重要的制造依据和尺寸描绘工具，冲压件图纸上标注的各种各样的尺寸形状，包括各种孔的位置尺寸、立体曲面形状、形状过渡尺寸等，都应该和主模型保持一致，工程图上无法标注的尺寸也是主要依靠主模型柬度量。２）表面质量汽车冲压件的表面质量主要是指冲压件表面不允许存在皱折、擦伤、边缘拉痕及其他影响冲压件表面光洁度的缺陷。事实上，由于汽车冲压件表面的缺陷均会在涂漆后由于引起光线的漫反射而有碍汽车外形的视觉效果¨…。另一方６第２章ＡＰＯＤＥ设备Ｉ：作原理面，汽车冲压件上的筋条和装饰棱线也必须清晰、平滑和左右对称，棱线应该衔接流畅，避免参差不齐。总而言之，冲压件既要满足其功能要求，又要满足其装饰要求。２．１．２汽车冲压件检测内容通常情况下，机械产品及其零部件的检测，大多涉及到零部件的结构、性能以及尺寸参数等。汽车冲压件质量检测的主要内容包括尺寸精度以及表面质量等“引。如下表２．１所示。表２．１汽乍冲压件主要检测内容检测项目检测方法表面质量油彳ｉ打磨／手触摸米检奄冲压ｆ，ｌ＝毛刺、凹点、划伤等缺｝；ｆｊ无影灯目测检查冲压件鼓包、擦伤、起皱等缺陷片｛游标譬尺、千分尺、样板检具等，检轰冲压｛ｉ，ｌ：的边缘平尺寸精度整度、型面轮廓尺寸、缝隙尺寸及功能尺寸（配合尺寸、形状及位置尺寸７基于汽车冲压件的不同功用特征，通常会采用各种不同的表面质量检测方法，对外冲压件通常是先用纱布擦干净表面，随后在无影灯下目测是否有擦伤、鼓包、起皱等表面缺陷，对于用目测也难以查找的毛刺、凹点、划伤等缺陷ｊ可以用手触摸或用油石打磨的方法分辨出来。尺寸检查主要涉及到对汽车冲压件边缘平整度、缝隙尺寸及功能尺寸等的检测，通常所用的工具主要包括游标卡尺、千分尺、样板检具等。在此忽略冲压件的选材，主要分析冲压件的尺寸和型面的制造精度即产品的形位误差，其是影响机构装配质量和性能的主要因素。２．２ＡＰＯＤＥ检测原理和方法描述使用ＡＰＯＤＥ完成对一个样件的检测，需要有一个完善的质量（形位公差）检测工艺。由于检测设备本身具有较高的软硬件集成和自动化程度，操作人员只需装央工件，然后在检测工件上做标记，在控制界面上选择零件型号，启动扫描程序便可完成。总之，其样件的３Ｄ检测工艺流程＿”可以分为如下几个步骤：１）样件的定位通常情况下，被测样件的形状复杂多样，样件定位的好坏直接影响到３Ｄ扫描的点云质量。由于样件的形状的多样性和不同零件需要扫描的部位要求各异，因此有必要在对被测件的形栌充分分析了解的基础上确定出合理的定位方案，以达到最佳的扫描检测效果和获得满足检测要求的点云数据。２）获取点云第２章ＡＰＯＤＥ设备：Ｊ：作原理目前在逆向工程领域，获取被测件表面３Ｄ数据的方法主要有接触式三角形法ｌ一．．。，和非接触式两大类。依据检测设备测结构党法ｌ光节式量头的形式不同，接触式又可进一步激光干涉浃ｊ＝＝・：：：＝：：，：？“＝＝！细分为连续式和触发式两种；另外，依据检测原理不同，非接触式又可进一步分为光学式和非光学式两种类型。其分类如图２．５所示。光学式心Ｉ】又分为三角形法、结构光法、激光干壁嘏—ｋｒ算机视觉：ｉ去ｉ嘲ＲＩ测麓法ｉ＝＝＝＝＝＝：＝＝＝＝＝＝＝Ｊ超声渡法；层折法＝＝＝＝＝＝＝＝：＝：＝＝＝富ＣＴ测譬法涉法等；非光学式则分为ＭＲＩ测量法、层析法和超声波法等。图２．５点云获取方法在目前情况下，结构光法以其较高的检测效率和较大的检测范围，精度和稳定性，以及简单的结构和适用于车间在线检测等优点，在逆向工程领域得到了极为广泛的应用瞳划。其基本原理如图２．６所示，一定模式的入射光线由Ｐ点投照射到被测物体表面的Ｄ点，如果被测物体不存在，则入射光线直接投射到参考平面上的Ａ点。如果存在被测物体，则Ｐ点入射光线投射到被测物体表面的Ｄ点，从Ｚ轴方向可以看出，由于Ｐ点的入射光线受到被测物体表面高度的Ｚ限制，光栅影线发生变形，原来参考平歹厂面上的Ａ点移动到了参考平面上的Ｃ点。实际上距离ＡＣ便包含了主要的高度信息ｚ＝ｈ（Ｘ，Ｙ），也就是说被测物体的高度受到了其表面形状的调制乜３ｌ。目＼。Ｉ。专静Ｃ▲、哮前，解调变形光栅的方法很多，傅立叶图２．６结构光法的基本原理分析法和相移法是其中两种最主要的解调变形光栅的方法。相比来讲，傅立叶法较易实现自动化，但其精度比较低。结构光法的采用可以大大提高ＡＰＯＤＥ的检测精度和检测效率，尤其是分区测量技术的改进，进一步增大了光栅投影测量的范围，最终成为当前逆向工程测量中最广泛和成熟的检测方法。３）数据处理利用结构光法来获取的汽车冲压件表面的点云数据，引入误差是难以避免的。由于受到冲压件空问几何形状和所使用检测方式的束缚，就会在数据采样时不可避免的存在部分测量盲区，加大后续造型的困难。例如冲压件的锐边及其边界附近的点云数据以及数据中的坏点，就会不可避免的偏离原曲面。因此对检测到的数据预处理比”是必须的，现分述如下：（１）数据平滑及处理异常点数据平滑主要涉及到滤波算法，通常采用的滤波算法有平均、高斯或中值滤波。平均滤波主要取的是所采样数据点的统计平均值，而高斯魔波具有很好的保持数据原貌的功能，中值滤波主要取的是所采数据点的统计中值，冈此具有很好的消除数据毛刺的作用。滤波方式的选择主要根据样件所要达到的检测第２章ＡＰＯＤＥ设备’Ｉ：作原理精度灵活地选用心引。另一方面，严重影响样件表面曲线光顺性的“跳点”和“坏点”必须剔除。（２）数据精简由汽车冲压件表面得到的点云数掘并非都是可用的，其必然存在大量冗余数据，因此必须将数据精简。根据点云的类型不同，采用不同的精简方法：扫描线或多边形点云使用倍率缩减、弦高差等方法进行精简；散乱点云使用随机采样来进行精简；网格化点云使用最小包围区域法和等分布密度法来精简Ⅲ３。无论哪种点云精简方法，都存在着丢失有用数据信息的情况，尤其是在一些棱线及曲率变化大的区域。（３）３Ｄ点云对齐技术对检测的结果进行评判的方法是利用最小包容法，在同一坐标系内，利用设计模型作为理想参考模型，对两个模型进行对齐比较。点的形矿、ｏ◎将由汽车冲压件表面扫描得到的点云数线的形矿／岔园据，定位到标准的的ＣＡＤ模型中，这就是所谓的电脑辅助检测（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄＶｅｒｄｉｃｔ）向线的形∥佥圆简称ＣＡＶ心＂。定位对齐的方式主要是借助于汽车冲压件的外在几何特征，如：轴线、圆心、＝Ｑ面露’善圆柱等进行定位对齐。如图２．７所示。这些形体特征总体归纳出来也就是点、线、面三图２．７几何特征类。点是指单一的点、弧的中心或球的圆心等；线可分为有向和无向直线，比如圆锥或圆柱中心轴线；平面可分为平面和圆两种形式。若以点为特征则定位对齐后两点重合；以线为特征则无向直线会共线，有向直线除了共线之外会将两线的方向归为一致，除了有上述两种情况外，还有一种固定式直线，对齐后起始点会重合哺１。通常情况下，在选取定位对齐特征时，除限制样件自由度外，应采用最少定位原则将冲压件定位对齐，会得到较好的效果。４）设定检测标准完成比较分析将点云数据与ＣＡＤ模型对齐之后，就可以进行比较了。利用Ｉｍａｇｅｗａｒｅ提供的检测模块可以很方便的显示对齐结果。首先选取点云数据和ＣＡＤ模型，设定一些图形输出参数，例如误差图形形式、ＣｈｅｃｋｉｎｇＤｉｓｔａｎｃｅ（最大计算范围）、ＭａｘＡｎｇｌｅ（最大计算角度）值等。若二者问的实际距离超出设定值，则系统将会自动忽略该范围内计算结果。当二者对比完成以后，系统就会显示各种误差值，例如币、负向误差、平均误差及最大误差等。另外，还可以借助Ｉｍａｇｅｗａｒｅ内在的评估模块Ｅｖａｌｕａｔｅ对所获得的汽车冲压件点云数据进行直线度、平面度、圆柱度等参数进行综合分析评估以判别冲压件的质量，并且还可以以图表的形式将结果输出出来㈣。。９黼第２章ＡＰＯＤＥ设备ｌ：作原理２３ＡＰＯＤＥ功能及技术参数本课题研究的ＡＰＯＤＥ主要用于中、小型汽车冲压件的在线检测，具有如下的功能特性：１）检测效率高，能够快速准确的获取冲压件表面的点云数据。２）自动检测，人工干预少，使用微机控制，软硬件集成度高。３）环境适应能力强，在较为恶劣的现场环境中能讵常工作。表２．２显示了ＡＰＯＤＥ的技术参数．表２．２ＡＰＯＤＥ技术参数参数没计值Ｘ６００测量行程（ｍｍ）Ｙ２４０Ｚ２００Ｘ１０００主机外形尺寸（ｍａｎ）Ｙ６５０Ｚ７００光栅分辨率（ｇｉｎ）测量精度（Ｉｘｍ．Ｌ：ｍｍ）最人测量速度（ｍｍ／ｓ）空气压力（ＭＰａ）最大承受重量（ｋｇ）仪器重量（ｋｇ）Ｏ．５３．０＋Ｌ／２５０３０００．６－Ｏ．８２００８５０２．４ＡＰＯＤＥ设备的组成２．４．１主机ＡＰＯＤＥ的机械主体即主机是汽车冲压件在线检测设备的重要组成部分，几乎包含了汽车冲压件在线检测设备的所有机械部分，例如滑架、桥框、底座、工作台以及驱动装置等。光学扫描测量系统搭载在机械主体Ｚ轴上，依靠三个主轴各自的独立运动，实现对冲压件多角度、全方位的扫描测量。为了提高设备的丌发难度、提高丌发效率，ＡＰＯＤＥ主机的总体结构借鉴了已成熟的三坐标测量机的空间结构。但从设备的使用特性来讲，二者有很大的不同。协１。１）ＡＰＯＤＥ主要用于汽车冲压件的在线检测，但是三坐标测量机一般工作于离线状态。２）由于用于在线检测，车问环境的影响是不可避免的，因此ＡＰＯＤＥ所在的‘工作环境比较差，车问振动、温度以及湿度都会对检测精度产生影响。而三坐ｌＯ第２章ＡＰＯＤＥ设备Ｉ：作原理标测量机一般放置在专门的测量室中，具有较好的工作环境。３）由于使用了结构光扫描检测，在满足汽车冲压件检测精度的自矿提下，ＡＰＯＤＥ具有较高的检测效率，使汽车冲压件１００％的在线检测成为可能。但是三坐标测量机却无法满足这样的要求。以著名的意大利ＤＥＡ公司的双臂坐标测遥机Ｂｒａｖ０４３０８（９０年代中期水平）为例。”１，即便是以最快的速度测量整车１６０个点，其耗时（不包括运输和标定）也在３０分钟以上，对于一般白车身２～３分钟的生产节拍、１６０＂－２００台／班的产量，这样的检测速度所能达到的抽样率也难以超过５％。２．４．２光学测量系统北京博维恒信科技发展有限公司的“３ＤＣａＭｅｇａ光学三维扫描系统”产品一３ＤＣａＭｅｇａ微型光学照相系统，可用于多种精密检测机械系统。其采用先进的光学照相式快速摄影方式，依靠机械系统的精确定位完成对物体全方位、多角度的拍摄，然后自动生成全面、统一的三维点云图。其具有以下特点Ⅲ’：●高密度，单次检测可得到１３０万个点的数据；●高精度，可达０．０１－－－０．０２ｒａｍ：・●较高的拼接精度，利用精密机械定位系统，无需贴标记点，操作方便；●拍摄速度快，单次拍摄时间０．０５秒；●面扫描方式，效率高；●从拍摄、得到三维点云数据到点云定位拼接，全自动进行，操作性极强；●兼容性强，不仅可以接触测量，而且可以升级为照相式光学扫描测量；●特别适用于大型物件的全面综合整体检测；由上可知，ＣＦ型３ＤＣａＭｅｇａ光学扫描测量系统具有较高的检测效率和精度（最高可达０．Ｏｌｍｍ）。在线检测设备受到的震动主要来源于冲压机沿地面传来的竖直振动，其位移幅值较小，振动周期约为０．１秒。而ＣＦ型３ＤＣａＭｅｇａ系统单次拍摄时间为０．０５秒，受现场振动影响较小，因此对环境的适应能力较强。综上所述，ＡＰＯＤＥ扫描系统选用ＣＦ型３ＤＣａＭｅｇａ光学扫描测量系统。２．４＿３ＣＮＣ系统ＣＮＣ系统是ＡＰＯＤＥ设备的核心组成部分，是整个在线检测设备的大脑。该系统是计算机数字控制系统，其各种指令主要通过计算机集中控制和发布，然后各运动部件再依据中央控制器发出的指令，相互协调，共同完成检测任务。ＣＮＣ系统的结构图如图２．８所示，其主要由工控机、伺服驱动系统、位置检测系统、输入／输出装置以及手持控制模块等组成。‘：”。工控机是ＣＮＣ系统的核心。其主要包括微处理器、存储器、输入／输出（Ｉ／０）接口及其辅助电路。它主要是通过执行存储器中的程序，完成所要求的计算，发出整个系统工作的各类指令信号，并借助Ｉ／０输入／输出接口电路建立微处理第２章ＡＰＯＤＥ设备Ｉ：作原理器与外界的物理连接通道，完成必要的数据格式和信息形式的转换：伺服驱动系统是ＣＮＣ系统的执行部分，主要由伺服驱动控制装置和电机驱动装置组成。其与进给传动系统组成了进给伺服系统。该系统依据工控机传柬的速度和位置指令参数，驱动Ｘ、Ｙ、Ｚ轴完成指令规定的运动‘“。：位臀检测系统主要包位置传感器、反馈装置以及辅助电路等，它是通过传感器把直线位移和角位移转换成电信号，经位置反馈装置把信号转换后输送给ＣＮＣ工控机与指令位置进行对比，产生误差信号后进行补偿；输入／输出装置包括键盘、操作面板、显示装置（ＬＣＤ或ＣＲＴ显示器）及外围存储设备如手持控制器等。作为】ｌ：关量Ｉ／０的一部分，把质量检测结果以报表或彩色误差图的形式表现出来。至茎墼塑墨ｌ掣２．４．４辅助系统丽磊丽耻颤甬蔽ｘ轴光蕾ｈｌＬＴ——１ＪＨ饲脆ＰＭ控制ＡＣ嚣Ｈ饲髓动嚣Ｌ——工控枫Ｌ————＿ｊ鼹伎嚣垒竺礅何一饲ｊ宣照一服｜线电一毫＝电机一机｜｜机图２．８计算机数字控制系统结构图ＡＰＯＤＥ设备的辅助系统主要考虑到环境对检测设备的影响，由于工作环境是在车间，其防震、防尘和防潮装置是必要的。为了减小车问振动对检测设备的影响，按照ＧＢ５００４０－１９９６《动力机器基础设计规范》设计了隔振基础；检测设备的工作台选用了减震吸震的大理石材质；对检测设备导轨副进行了振动分析，选用了抗震性能好的导轨副，进一步优化了导轨副的结构。为了便于设备维护，同时考虑到设备对环境的适应能力，在导轨和光栅上还设有防尘和防潮装置。为了提高检测效率，还设有快速输送和定位装置。本章小结本章首先介绍了汽车冲压件检测的主要内容，检测的原理和方法，最后讨论了ＡＰＯＤＥ设备的主要组成部分及其功能，同时给出了其技术参数。第３章ＡＰｏＤＥ设备主机设计第３章ＡＰＯＤＥ设备主机设计ＡＰＯＤＥ的主机设计是整个检测设备的重要组成部分，其关键部件设计精度的高低决定着检测设备能否达到设定的技术参数指标，完成既定的设备功能。因此，结合ＡＰＯＤＥ的运行环境，同时借鉴已成熟的三坐标测量机的结构形式，对ＡＰＯＤＥ主机的关键部件进行详细设计。３．１使用环境ＡＰＯＤＥ用于车间的在线检测，其使用环境是比较复杂的，振动、温度、湿度等因素对设备检测精度影响是不能忽略的。因此必须考虑到这些因素的影响并采取适当的措施，尽量减小或消除这些因素的影响，其影响因素与采取的措施㈨如表３．１所示。表３．１使用环境对设备的影响及采取的措施因素主要影响采取措施冲压机及其附近机床的沿地１．找出振动和冲击源，通过改变运ｆ亍振动面传来的垂直振动引起各部规程来减小它所引起的振动件与被测件的相对位移，使设２．采用隔振装置等切断振源与设备备测量精度下降安之间的传播途径标尺和工件的线膨胀，电器元１．对房间环境主动控制或对各个热温度件的温漂等影响捡测设备及源单独冷却被测物体的尺寸和形状２．对光栅和检测．Ｊ：件不同金属的温度膨胀系数进行温度误筹补偿会使设备零部件产生氧化和１．保持车间环境湿度在４０％左右，湿度生锈：增长的静电荷吸附尘粒２．在关键部位加装防尘罩，选用抗腐造成设备的测量误差蚀性较好的材料３．２主机材料的选择国外对机体原材料的选用非常重视，除了传统的铸铁、铸钢之外还有铝合金、陶瓷、碳素纤维等新材料。花岗岩（Ｇｒａｎｉｔｅ）来源充足，加工成本低，其经过长时间自然时效处理，内部应力小，具有吸振、稳定、耐久及便于保养等优点，常作为各个测量方向上的基准。因此，ＡＰＯＤＥ的工作台、横梁、立柱、Ｚ轴、及三个方向的导轨都采用了花岗岩材质。由于Ｘ方向和Ｙ方向传动箱体的结构第３章ＡＰＯＤＥ没备土机设计比较复杂，选用了便于铸造复杂箱体的铸铁材料。另外，铸铁变形小、耐磨性好、易于加工、成本低，经过较长时问的时效处理，稳定性好，是理想的基座材料。Ｙ向移动滑架及Ｚ向支架采用了高强度铝合金，铝合会轻，导热系数较大，容易达到温度平衡。另外，铝合会强度高、变形小、不锈蚀，并且能进行焊接，适合作检测主机上的许多部件如桥框、滑架、壳体等都采用铝合会材料。这不但减轻了Ｙ向移动滑架及Ｚ向支架移动部件的质量而且不需要另外的温度补偿装置。表３．２比较了花岗岩和铝合金的材料特性。蚓。表３．２花岗岩与铝合金对比对比项目对比内容温度稳定性“热膨胀系数”在很人群度上反映出设备的温度稳定性，花岗岩和’Ｉ：业陶瓷的热膨胀系数仅约为铝合金材料的ｌ／４和钢的Ｉ／２铝合金材料成型后，构什内存有很人的内戍力。在相当艮时问稳定性（数年）的内戍力释放过程中，构件将随之变形．即时效稳定性较差。而花岗岩材料几乎没有残存内应力铝合金材料刚性很筹，与“准刚体模型”差距较人，过分依赖．刚性补偿，稳定性相对较差抗锈蚀性１Ｆ金属材料根本不生锈，且内外材料一致（１ｒ镀层），易丁．保养３３主机结构方案设计３．３．１常用结构形式ＡＰｏＤＥ主机设计之前，有必要了解一下已成熟的三坐标测量机的常用结构形式及其优缺点，为较优的主机设计提供理论依据。三坐标测量机（ＣｏｏｒｄｉｎａｔｅＭｅａｓｕｒｉｎｇＭａｃｈｉｔｉｅ，简称ＣＭＭ）是随着电子技术、计算机技术而发展起来３Ｄ检测设备，其精度高、功能强、操作方便，在检测自动化领域得到了广泛应用。目Ｉｊｉ『常用的三坐标测量机的结构形式主要有七大类：悬臂式、桥框式、龙门式、立柱式、卧镗式、仪器台式、极坐标式。通常使用中，悬臂式、龙门式和桥框式比较常见。悬臂式结构简单、测量空问开阔、使用比较灵活。但是由于悬臂变形较大，只能用在精度要求不太高的小型测量机中。但是在车间振动的环境中其立柱和悬臂容易变形，严重影响测量精度。龙门式结构相对来讲运动较为平稳，受外界干扰小，具有较高的测量精度，但结构复杂，造价高，一般只适用于大型三坐标测量机州。桥框式结构目前应用最为广泛。它一般可以分为固定桥和移动桥两种形式，其各有优缺点。移动桥式如图３．３所示，其主要由四部分组成：工作台ｌ固定，桥框２沿工作台１上的导轨Ｘ向运动，滑架４沿桥框２横梁上的导轨Ｙ向运动，１４第３章ＡＰＯＤＥ设备主机设计主轴５沿Ｚ向运动。被测工件安放在工作台ｌ上，测量头６装在主轴５上。其优点是：结构简单、紧凑，刚度好，测量空间较丌阔：由于工件直接安装在固定工作台上，承载能力较强；框架自由移动，装卸零件容易，工件质量对测量机的动态性能几乎没有影响。故是中小，型测量机的常用结构形式。其缺点。…：①由于标尺３与Ｘ主运动方向不一致，在沿Ｙ轴方向存在较大的阿贝臂；②由于是单边驱动，容削３．３移动桥式二坐标测鹫机易出现爬行现象，并造成较大的绕Ｚ轴的偏摆误差。固定桥式如图３．４所示，其桥框２固定不动，工作台５在基座上的导轨７上移动。３３为滑架，４为主轴。其优点是Ｘ向的标尺６与驱动机构放置在工作台的下方中部，可以减小沿Ｙ向的阿贝臂；采用中间驱动，绕Ｚ轴偏摆小；因此，整个测量机的刚性很好，具有较高的检测精度。是大多精密型三坐标测量机的常用结构。其不足之处是ｍ１：①由，于是移动工作台，被测工件的质量受到限制；②如果测量设备在Ｘ方向的量程为三。，则工图３．４固定桥式三坐标测蹙机作台Ｘ方向尺寸则应大于等于２Ｌ，，因此同样量程下，较移动桥式占据较大的移动空间，这对于大型三坐标测量机是不适宜的；③由于桥框固定于测量设备中部，操作空间没有移动桥式开阔。３．３．２主机结构方案根据以上对三坐标测量机的常用结构形式及其优缺点的对比分析，并结合ＡＰｏＤＥ的使用要求，选取固定桥式为较优的选择。首先，固定桥式机构采用移动工作台的设计，结构相对简单，承载定位精度比较高，是精密的测量设备常采用的结构形式。而移动桥式由于采用单边驱动，产生较大的阿贝误差。若采用中间驱动，尽管减小了绕Ｚ轴的偏摆，但使桥框结构复杂，质量增大，由于无法在工作台中部设置支承点，工作台刚度也会降低，无论是Ｘ向的测量精度还是工作台的承载能力都会有所下降。再者，由于冲压件检测时需要快速移动，而移动桥式结构在其运动方向上会受到较大的惯性力，会引起连接部件问的结构变形从而影响检测数据的精度，同时缩短设备的使用寿命。此外，车问的冲床及其它机械设备启动、制动及与工件的撞击将激起基础第３章ＡＰＯＤＥ设备土机设计和地面振动。当振动通过地面传递给检测设备时，会影响设备的测量精度。实践表明，固定式比移动式结构具有较好的结构稳定性㈨１。因此，选取固定桥式作为ＡＰＯＤＥ主机的结构形式。３Ａ主机关键部件设计３．４．１测量主机底座隔振设计由于冲压件检测设备用于在线检测，而冲压车间噪声平均值一般在９０ｄＢ（Ａ）左右，依据ＩＳＯ标准，一般精密仪器对测量环境的振动速度限值为５０ＩＪｍ／ｓ，噪声大约在３０ｄＢ（Ａ）左右时，检测仪器的结果才能认为是有效的。因此必须减小或尽量消除车『自ｊ振动对测量精度的影响。目前在振动控制领域，采用隔振来进行振动控制不但投资小而且行之有效，特别是在固定的位置空间中，通过增大震源与受振对象的距离来减小或消除振动几乎变的不可能，因此隔振更显示出其优越性Ⅲ。１）隔振元件的选择工程中常用的隔振元件有以下几种：叠层橡胶隔振支座、弹簧垫隔振、空气弹簧隔振等。其特性如表３．３所示。表３．３隔振元件的比较隔振元件优点缺点橡胶垫隔振一般川在２０Ｈｚ上，适合振动很小的地方不可以用在ｌＯＨｚ以下的振动弹簧垫隔振用于普通手动式测量设备的隔振因设备移动导致重心的变化易使检测没备歪斜自动水平调整，刚丁高于２Ｈｚ的振空气式隔振动，一般振动及人的振动都有朋价格较昂贵空气弹簧隔振器能够给隔振系统提供更低的刚度特性，弹簧的低刚度可使隔振系统获得较低的固有频率（在ｌｔｔｚ以下），可远离环境干扰频率：另一方面，空气弹簧的主气室和辅助气室之间的阻尼孔，使隔振系统有较好的阻尼特性。图３．２是空气弹簧的构造原理图¨２１橡皮主气室和辅助气室的容积决定了弹簧的刚度特性。在振动过程中，橡皮变形和空气室容积的变化使其成为一个弹簧坏节。主、辅气室之问的阻尼孔决定了弹簧的阻尼特性。此外，在系统中对每个弹簧还设置了高度控制阀。高度控制阀主要用来控制空气弹簧充气或排气，同时也随时检测隔振底座是否水平，并自动做相应调整。１６第３章ＡＰＯＤＥ设备主机没计图３．２空气弹簧的构遗原理图２）空气弹簧隔振器的底部摆列隔振器的型号各异，其组成的隔振系统的隔振效果也差别较大。在相同的工况条件下，应尽量选用较大刚度的隔振器，同时尽量减小隔振器的使用个数以及与隔振元件的接触面积，便能起到较好的隔振效果Ｈ∞．该检测设备底部安装有四个隔振器，若设备重心位于底座上，则采用重心安装，隔振器佰置与重心对称，则每个隔振器受到的力为１／４设备机体重力；当隔振器布置和重心不对称时（如图３．２所示）可以根据秤重法¨劬得出‘，儿。每个隔振器所承受的载荷按下式计算：纠辛字只－＿ｐ×争×字只＝户×挚×詈只一户ｘ与苴×誓（３．】）式中ｔ，Ｙ。，，，ｂ为图３．２所示的检测设备底部各尺寸；尸为检测设备总重力：只“＝１，２，３，４）为布置与检测设备底部各点的隔振器所承受载荷。ｙｏＬ夺３４审■。ｒＸ．‘一２由＇．ｘ，。ｌＺ１二｝图３．２隔振器空间布置图３．４．２基础设计地基的设计对于机加工机床的重要性是不言而喻的，对于在车问特别是冲压车Ｉ＇Ｂｊ在线检测设备来说，地基的设计同样关系到检测的数据是否可信。由于影响在线检测设备的振源主要来自于冲床沿地面水平传播的强迫振动，为了使第３章ＡＰＯＤＥ设备主机设计地面振动不直接传给在线检测设备，该在线检测设备采用了如图３．３所示的结构。～。一～＼｜；，鼍≈餐飘蛰＆錾，～霉飘擎＆錾一融孑Ｉ。ｉ；．。一．１沙十地基２隔振沟３乳胶填充物４水泥地５沥青填充物，一意一６检测设备７空气弹簧隔振器８基鹰包裹橡胶９混凝十基座图３．３基础设计剖面示意图在线检测设备６通过空气弹簧隔振器７置于单独混凝土基座９上，在混凝土基座四周粘贴泡沫塑料、聚苯乙烯８等隔振材料与沙土地基ｌ隔离。混凝土基座的深度参考金属切削机床基础的混凝土厚度（ｍ）Ｈ射为０．５＋０．１５０Ｌ，其中Ｌ为ＡＰＯＤＥ的水平长度。混凝土的规格依据产品说明书上的推荐材料。为了进一步减弱大地对混凝土基座的影响，在混凝土基座四周开挖隔振沟２，沟的宽度对隔振效果影响不大，其宽度一般取ｌＯＯｍｍ。一般来说，隔振沟愈深，隔振效果越好，但也并非越深越好。从图１．３的实验数据可以看出，当沟深为波长的ｔ／４时，振幅减少１／２；当沟深为波长的３／４时，振幅减少１／３。如若再增加沟深的话，不仅施工困难而且隔振效果的提高也不明显Ｈ引。隔振沟中间以不填充任何材料为最优，但是为了防止其它物体落入沟内，可适当填些乳胶，橡胶等松散材料，并用沥青５等将基座四周缝隙与混凝土地面４脱开。ｘＩ／ｘ２＇Ｏ漕Ｏ．２１膳’．『２３／４’ｌ｝忑图３．４隔振沟的隔振效果第３章ＡＰＯＤＥ设备主机设计３．４．３滑架设计滑架带动Ｚ轴支架、Ｚ轴传动机构及摄像设备实现沿Ｙ轴方向的直线运动，其直线运动是否平稳决定了ＡＰＯＤＥ沿Ｙ方向与Ｚ方向直线运动的精度。一方面，滑架本身是一个关于Ｙ轴不对称结构，其绕Ｙ轴转动的角位移误差虽然不能避免，但是可以采用合理的空气轴承配置使滑架的整个重心尽量靠近Ｙ轴中心线，从而防止滑架进一步发生偏转。另一方面，由于Ｚ轴支架及其附属机构具有较大的质量，其与滑架本身的连接刚性是比较弱的，增大二者的接触面积可以增大其刚性，但是同时也增大了整个滑架系统的质量，这对减小整个滑架系统的惯量是不利的，为此，在增大滑架的刚性与其质量之间必须在图３．８滑架结构满足ＡＰＯＤＥ精度的自ｉ『提下综合考虑。设计的滑架结构如图３．８所示。３．４．４导轨设计ＡＰＯＤＥ的Ｘ向导轨需支撑工作台及其上工件最大高达２００ｋｇ的质量，一方面，除了保证一定的初始导向精度和刚度的前提下，还必须考虑导轨在使用过程中的不断磨损，如果导轨的磨损不均匀，磨损后不能自动补偿，将影响导轨的导向精度；另一方面，考虑到导轨使用环境的温度变化，应保证导轨在工作温度变化的条件下，仍具有较好的初始导向精度和刚度；最后，在保证导轨其它要求的前提下，应使导轨结构简单，便于加工、测量、装配和调整，即较好的结构工艺性。综合以上考虑，Ｘ向导轨采用了双Ｖ型过定位导轨，并以ＮＨＫ的ＬＭ辊子作为中间支撑件在导轨上形成滚动导轨传动。由于花岗石材料具有优越的尺寸稳定性，直接在花岗石石上加工出双Ｖ行过定位导轨也比较容易。并且导轨磨损后能自动补偿。使用滚动导轨具有较小的摩擦阻力小，运动轻便灵活；磨损小，能长期保持精度；动、静摩擦系数差别小，低速时不易出现”爬行”现象，故运动均匀平稳。因此可以实现平稳、快速、准确的运动。ＬＭ辊子是一种精密的直线滚动导轨，有较高的刚性和承载能力Ｈ铂（图３．９）。轨道台外周装有经过精密研磨的圆柱形滚子，滚子在保持架中做无限循环运动，在轨道台负荷领域的中央加工了与轨道台成一体的中间导向部分，用来纠讵滚子的歪斜。这种独特的构造使辊子获得获得较高的灵敏度、高性能的平面滚动运动以及定位精度。因此ＬＭ辊子在模具、重型机床、精密仪器的平面直线运动中得到广泛应用。图３．９ＬＭ辊子１９罩”第３章ＡＰｏＤＥ设备主机设计ＡＰＯＤＥ的Ｙ轴采用了矩形导轨的运动形式，其直接采用花岗石做成，截面ｌＯＯＸ１４０，Ｙ向导轨支撑在两边立柱上，由于Ｙ向滑架及Ｚ轴部件的重力，Ｙ向导轨将发生变形，通过ＡＮＳＹＳ的导轨变形分析可知，在同样的裁荷情况下Ｖ形导轨变形大于矩形导轨变形。所以从变形上考虑，矩形导轨优越于Ｖ形导轨”’，对称而造成的绕Ｙ轴偏转。３，４起支撑作用，一方面承受整个滑架的重量，另一方面限制Ｙ向的直线度运动误差和绕Ｘ、Ｙ、Ｚ轴转动。图３．１１空气轴承布置ＡＰＯＤＥ的Ｚ轴也是采用了燕尾形导轨的运动形式，也直接采用花岗石做成，Ｚ轴不受运动部件的重力，其空气静压轴承只起导向作用，因而结构相对简单，燕尾形导轨调整及夹紧较简便，用一根镶条可调节各面的间隙，且高度小，导轨之间形成闭式静压分布，结构紧凑，相对而言，这样的导轨形式对Ｚ轴传动系统来讲，具有较好的传动精度。空气静压轴承是以压缩空气通过节流器进入轴承形成压力气垫来起支承作用的一种新型轴承Ｈ引。其结构如图３．９所示，压缩空气进入轴承内，在导轨面和轴承面之间形成导孰部。ｂ＝篁量吾ａ：＝三ｒ…—＿ｒｆ均匀气垫，起到承载、导向和压紧的作用。正常的空气压力下（０．６ＭＰａ一０．８ＭＰａ），轴承间隙在８～１２ｌｉｒａ之间。空气轴承分为三大类：空气静压轴承、空气动压轴承和挤压膜轴承。在一般工业中，基于空气的固有属性（粘度低且随温度变化小），空图３．９空气静压轴承气轴承在高速、低摩擦、温差大的场合，显示了独具的优越性，因而得到广泛应用。．导孰部，Ｅ三兰善圣群气入口｝ｔ◎３．４５传动机构设计传动系统是测量主机的重要运动机构，其反映了从电机到工作台整个运动链的连接方式，其设计要求传动平稳、爬行小、振动和噪声较小、安装机动灵活、往复运动无问隙等特点㈣，。１）Ｘ向传动系统Ｘ向传动采用了直流伺服电机＋丝杠螺母副，其结构框图如图３．１２所示，为了减小外加的转动惯量对机构的不利影响，其将电机和丝杠直接相连。为了增加机构的抗震性能，其采用了丝杠螺母副带动工作台和工件以ＬＭ辊子做为支撑件在双Ｖ行导轨上形成滚动导轨传动。２０第３章ＡＰＯＤＥ设备主机设计３一：’‘４二？麓一二孬二‘ｈ一［怎。磷≥ｊ姜一一６一——。一：≥釜≮一。．＿。甲、，、…，叫。，。。…’～。一～≥：：一５ｌ伺服电机２同定端支撑３Ｔ．ｆｌ：４移动‘Ｉ：作台５丝杠６游动端支撑图３．１２Ｘ向传动系统示意图设计参数如表３．４所示。表３．４设计参数丝杠规格右旋磨制丝杠游动端到工作台的极限长度０７０ｌ胁固定端到工作台的极限长度ｔ７０Ｉ）ｍｍ工作台最大移动速度１，一３００ｒａｍ滚动摩擦系数∥０．０５电机最高转速刀一１５００ｆ／ｒａｉｎ工作台和工件重量Ｍ２００ｋｇ由于丝杠工作在无切削工况条件下，其轴向阻力为：Ｅ＝，必＝０．０５ｘ２００ｘ９．８＝９８Ｎ（３．２）丝杠导程：（３．３）一，ｚ咖Ｘｐ，：一ｋ：旦盟：１２ｍ胁ｉ１５００ｘｌ若丝杠寿命厶＝２４０００１作ｄ、时，则其回转寿命为：￡＝厶×聍哟。×６０＝２４０００ｘ１５００ｘ６０＝２．１６ｘ１０９转次（３．４）由于丝杠工作在普通条件下，取系数口＝１．８则丝杠额定动载荷为：第３章ＡＰＯＤＥ设备主机设计Ｃｏ＝Ｆｘｃｔｘ３活＝４２１ｘ１．８×、ｆＪ２．１６蚕ｘ。１０９：堋蛙８Ⅳ（３．５）以ｃａ值从ＦＩＸ；系列表为‘３可得ＵＮＤ精密滚珠丝杠类型为ＦＳＧ４０Ｘ１２，其额定动裁荷为３８２９８Ｎ２）Ｙ向传动系统Ｙ向传动也采用了直流伺服电机＋丝杠螺母副得方式，为了弥补Ｘ方向滚动导轨在震动情况下的较大位移误差，Ｙ方向采用了空气静压导轨：为了减小Ｚ轴移动部件的惯性对测量误差的影响，Ｙ向滑架和Ｚ轴支撑件均采用了高强度铝合金。由于Ｙ向丝杠工作在无切削工况条件下，其轴向阻力为：ｔ２鹏２０・０２５×６００Ｘ９・８２１４７Ｎ（圳劬丝杠导程：一ｐ，＝上Ｌ：里盟≈１０删万州Ｘ慨㈠）ｉ２０００ｘ１若丝杠寿命厶＝２４０００－ｒ作ｄ、时，则其回转寿命为：三＝厶Ｘ刀一Ｘ６０＝２４０００ｘ２０００ｘ６０＝２．８８ｘ１０９转次强潲◇由于丝杠工作在普通条件下，取系数口＝１．２则丝杠额定动载荷为：ｅ＝，×口×√嘉＝１３４７ｘ１．２ｘｌｆ２．８。８。ｘ。１０９—２２９９７Ⅳ，ｋ＆川，以Ｃａ值从ＦＩＸ；系列表可得ＵＮＤ精密滚珠丝杠类型为ＦＳＧ３２×１０，其额定动载荷为２５６４９Ｎ３）Ｚ向传动系统直线电机进给系统的优势在于利用电能直接产生直线运动，无需任何中间转换机构，结构简单。其推力大、行程长、精度高，在高速加工中心、大行程数控机床进给系统和精密检测装置中得到了广泛的应用。为此Ｚ向传动采用了直线电机带动Ｚ向立柱和立柱末端的摄像装置沿Ｚ向上下运动。直线电机的选择主要依据设备所需要的力和行程来决定，另外～个重要的因素是直线电机所运行的环境应该具有较好的空气流通条件，否则，电机产生的较高的温度不但影响到电机的性能甚至可能烧坏电机。鉴于整个Ｚ轴在Ｙ向滑架上移动且其重心沿Ｙ轴中心线是非对称的，因此Ｚ轴加速运动时的加速度不宜太大，以免给本来就刚性不好的Ｙ轴增加动念误差。结合本课题情况，Ｚ轴移动部件质量为ｍ，＝３２ｋｇ，其加速度为口．＝０．２３ｍ／ｓ２，测量范围为，．＝２１２ｍｍ，则可知其需推力为：ｆ＝ｍ．口．＝３２Ｘ０．２３＝７．３６Ｎ（３．１０）第３章ＡＰＯＤＥ设备士机设计由，ｚ＝２１２ｒａｍ和Ｃ＝７．３６Ｎ可知可选用Ｒ本ＮＰＭ的线性磁轴电机Ｓ１６０Ｄ，其主要参数瞅１如表３．５示。表３．５线性磁轴电机Ｓ１６０Ｄ参数轴径滑块长滑块重标准行程额定额定电加速加速电推力定ｍｍ度咖量ｋｇｍｍ推力流Ａ推力流Ａ数ｌ（ｆＮＮＮ／ａｍｐ然兰勰警票飘羞嚣要塞磊１６±０．２８００．１５１００￣１０５０１０Ｏ．６４０２．５１６为了进一步减小Ｚ向移动部件的质量，采用了柔性活塞杆气缸作三坐标测ｚ轴机架上。ｚ轴活塞杆由两段不同材质的活塞杆支莱也缎支莱／‘ｉ匕三通碱。料制成的刚性活塞杆；而作为可移动缸筒的活塞霍黼≯压一组成。通过外螺纹与机架相固定的是采用金属材饕羡＝＊＝＿争杆采用了塑料ＰＦＡＮ柔性活塞杆，该活塞杆在满足疆盘缸筲一定刚度的条件下具有足够的柔性，可以使得缸ｉｉ《．筒沿Ｚ轴直线运动时的偏差与活塞杆和检测装置ｉ防气腔小孔无关Ｂ”。由于空气静压轴承具有较低的摩擦系数，较高的刚度和很强的防止载重偏离和外部震动的楚铲像装置黼能力，采用了空气静压轴承作为Ｚ向导轨。。图３．１３柔性活塞杆气缸结构３．５ＡＰＯＤＥ的虚拟装配在ＵＧ中完成零件的三维实体造型后，接下来就是将各个零件按一定的顺序进行装配，以检验各个零件的结构尺寸是否合理，是否能够满足装配要求，装配建模的设计方法证是基于这种要求而进行的。本文采用自顶向下的装配方式，图３．１２显示了所装配的ＡＰＯＤＥ样机模型图３．１２ＡＰＯＤＥ样机模耻第３章ＡＰＯＤＥ没备主机设计３．６装配体的干涉检查装配体的干涉检查主要分为静态干涉检查和动态干涉检查，前者主要是指装配体各个零部件之问在相对静止的条件下是否存在干涉：而后者是指装配体的零部件在运动过程中是否存在零部件之间的运动干涉。干涉大致可以分为接触干涉、硬干涉、软干涉及包容干涉四种类型停引。通常情况下，接触干涉哂和硬干涉钍比较普遍。例如对前面装配好的整机的底座和传动箱体进行干涉检查，然后打开ｆｕＪ隙浏览器可以很清楚地查看部件之间的干涉情况，如图３．１３所示，组件ｘ—ｂｏｘ和ｘ—ｂａｓｅｍｅｎｔ—ｕｐ产生了接触干涉哂，因此需要对二组件的尺寸和定位重新修改，使修改后的模型在装配体中不再发生干涉。．鞋的组件吕昼千涉ｊ‘’１…………ｃｌ卫地＾扼船”ｌ千涉组件版本：１一…’…‘删：Ｏ间隙集：ｃ垭ｃｘ０白ｒ被忽略的日黾蕊墨匿圈啊■■■■墨罡墨露曩匝固—＿。丽昼列表１鳓昼列表２…昼ｒ要检查的附加对图３．１３部件干涉图｝ｌ；本章小结本章主要论述了ＡＰＯＤＥ设备的主机设计方案，选择了相关部件的材料，对检测设备主机的关键部件进行了详细设计，包括底座、工作台、滑架、导轨以及传动系统部件如丝杠、平衡汽缸等。最后在ＵＧ软件中，将部件进行了装配并进行了干涉检查，从而建立起了ＡＰＯＤＥ设备的整机模型。２４第４章基丁ＡＤＡＭＳ的仿真分析第４章基于ＡＤＡＭＳ的仿真分析所谓仿真，是将被研究的对象抽象成数字化模型以后，通过对模型的实验操作及其结果的分析来探讨和推断对象本身所具有的性质及其运动变化规律瞄１。通过仿真来分析所建立的模型是否满足预定的要求，同时也给出解决问题的思路。前面在ＵＧ中已建立了系统模型，现在要把ＵＧ模型导入ＡＤＡＭＳ中，通过创建约束，定义运动，添加属性等建立仿真模型，从受力、运动等方面进行仿真研究。４．１ＡＰＯＤＥ模型导入４．１．１ＡＤＡＭＳ软件简介ＡＤＡＭＳ是美国ＭＤＩ公司（ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＤｙｎａｍｉｃｓＩｎｃ．）ｊ．一发的机械系统动力学分析软件（ＡｕｔｏｍａｔｉｃＤｙｎａｍｉｃＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ），被全世界各行各业的数百家主要制造商家广泛采用。根据１９９９年的统计资料，ＡＤＡＭＳ软件占据了机械系统动态仿真分析软件５１％的国际市场份额㈨１。ＡＤＡＭＳ一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析；另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。一方面，ＡＤＡＭＳ软件是虚拟样机分析的应用软件，其使用交互式图形环境和零件库、力库、约束库等，创建完全参数化的机械系统几何数字模型，它采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗同方程方法作为求解器，通过建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、动力学和运动学仿真分析，输出位移、速度、加速度和作用力曲线。ＡＤＡＭＳ软件的仿真分析可用于预测机械系统的性能、碰撞检测、运动范围、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。另一方面，ＡＤＡＭＳ软件又是虚拟样机的分析开发工具，ＡＤＡ．、｜Ｓ具有开放性的程序结构瞄ｎ，可以作为特殊行业用户进行比较特殊类型虚拟样机分析的二次丌发工具平台；ＡＤＡＭＳ具有多种接口，支持同大多数ＣＡＤ、Ｆｌｅｘ、ＵＧ及控制、设计类软件包之间的双向通讯。ＡＤＡＭＳ软件主要由用户界面模块、求解器模块以及后处理模块组成。１）用户界面模块（ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ）ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ是ＡＤＡＭＳ系核心模块之一，其主要采用以用户为中心的交互式图形环境，将图形操作与交互式图形建模、仿真、显示、优化设计和数据打印等集成为一体。ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ采用Ｐａｒａｓｏｌｉｄ内核进行实体建模，并通过简单的第４章基丁ＡＤＡＭＳ的仿真分析分层方式来完成嘲１。ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ提供了丰富的零件图形库、约束库和力／力矩库等，除支持布尔运算外，还提供了丰富的位移、速度，加速度函数、用户子程序函数以及常量和变量等。２）求解器模块（ＡＤＡＭＳ／Ｓｏｌｖｅｒ）ＡＤＡＭＳ／Ｓｏｌｖｅｒ是ＡＤＡＭＳ产品系列中处于心脏地位的仿真器。该软件自动构建机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运动学及动力学的运算结果。它具有多种建模和求解选项，可以对刚体和弹性体进行仿真研究。用户不但可以输出位移、速度、加速度和力／力矩，还可以输出用户自己定义的数据，通过用户自己定义的子程序添加不同的约束以及施加单点外力等。３）后处理模块（ＡＤＡＭＳ／ＰｏｓｔＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）后处理模块主要用来显示动画、处理仿真结果数据等，其不但能够在ＡＤＡＭＳ／ＶＩｅｗ环境中运行，也可脱离该环境独立运行。ＡＤＡＭＳ／ＰｏｓｔＰｒｏｃｅｓｓｏｒ为用户观察模型的运动提供了必需的环境。可以载入实体动画，显示曲线的数据位置，观察运动与参数变化的对应关系瞄９１；可以选择最佳观察视角，使用户更容易地完成模型排错任务；也可以输入测试数据，将测试数据与仿真结果数据进行绘图比较，选择合理的设计方案；可以帮助用户再现ＡＤＡＭＳ中的仿真分析数据，提高设计报告的质量。４．１．２ＵＧ模型转换为ＡＤＡＭＳ模型在对机械系统静力学、运动学和动力学问题分析方面，ＡＤＡＭＳ具有较强的分析能力，但对于较为复杂的数字模型建模，其能力较弱。通常情况下，先利用具有较优建模功能的ＣＡＤ软件完成设计和装配，然后再导入ＡＤＡＭＳ中进行仿真分析。像ＵＧ、Ｐｒｏ／Ｅ、ＡｕｔｏＣＡＤ等软件构建的三维模型都可以直接导入到ＡＤＡＭＳ中。由于这些软件之间采用了标准的图形数据格式ＳＴＥＰ、ＩＧＥＳ和Ｐａｒａｓｏｌｉｄ，故能够互相导入与导出。其中ＩＧＥＳ和ＳＴＥＰ格式输出时问长，效率较低并且有较多的出错信息。因此一般采用标准的Ｐａｒａｓｏｌｉｄ格式实现模型的无缝转换。在ＵＧ软件中建立了ＡＰＯＤＥ三维模型以后，导入步骤如下㈣３：选择下拉菜单文件一导出－－＇－Ｐａｒａｓｏｌｉｄ，之后选择整个要输出的图形，另存为木－ｘｍｔｔｘｔ格式。然后启动ＡＤＡＭＳ，新建一个模型，进入工作窗口。执行Ｆｉｌｅ—Ｉｍｐｏｒｔ命令，弹出如图４．１所示的对话框，在ＦｉｌｅＴｙｐｅ下拉框中选择Ｐａｒａｓｏｌｉｄ类型，就可将ＵＧ中输出的模型成功导入ＡＤＡＭＳ中。；Ｆ谴尊．ｒ。Ｒ・簟蜡降鞭溺弑简鬲蕊溉蕊忑瓦蠹——一｜ＦｔｌｅＴｙｐｅｌｐ矗ｒａ搴ｏ・Ｉｄ（．ｘｍｔ—ｌ＊ｔ．。鼻～１．’ｘｍｔ—ｂｍ．’ｘ—ｂ－＿＿ｔ脚学Ｔｙｐｅ弘丽１；群淼砰黼≯一翟晒黼蔽嚣嚣并——————————一ｉ｝ｌ。。…ｊ一。，。ｊ…？。．…？，，……～…，．？。。。。…～………。。—，一。。一．—，。。。一。～Ｉ。・ｌ曼跫墨１．苎旦壁芝ｌ曼１２１１１ｌ幽４．１文什导入对话框第４章基丁ＡＤＡＭＳ的仿真分析４．２ＡＰＯＤＥ振动分析由于ＡＰＯＤＥ主要用于在线检测，车间恶劣的环境特别是振动对检测设备的影响不可忽略，为尽可能的消除或减少车Ｉ＇日Ｊ环境特别是振动所产生的机构误差，有必要通过振动分析以优化设备的抗振性能。４．２．１建立振动模型为了优化设备的抗振性能，其关键部件的选择是重要而且必须的。实践表明，在系统的机构误差中７０％多与导轨有关阳¨。为此，有必要对精密仪器上常用的两种导轨副：空气静压导轨副和基于ＮＨＫ的ＬＭ辊子的滚动导轨副进行振动分析，比较二者在一定频率范围下的振动特性，为ＡＰＯＤＥ的导轨选择提供较好的理论参考依据。所要讨论的Ｘ向导轨副模型如图４．２所示。…—二二：■—＿二１—一１１．移动工作台２．ＬＭ辊子／空气静压轴承３．双Ｖ形导轨４．丝杠副５底座＿一差图４．２导轨副模型由于ＡＰＯＤＥ应用于在线检测，车间的振动源主要来自于其他设备沿车间地面方向传来的垂直振动传递，为了简化样机模型，将连接Ｘ向工篡～卫、作台和底座的空气静压导轨副和ＬＭ辊子滚动导轨副作为具有一定弹性和阻尼的粘弹系统哺引，Ｉｌｌ为移动工作台的质量，并将其平衡位置设为坐标原点。建立的振动模型如图４．３所示。骧对质量块Ｍ做受力分析，在任意时刻，有牛图４．３Ｘ方向．１：作台振动模璀顿第二定律：●●●●Ｋ（ｙ—ｘ）＋Ｃ（ｙ－ｘ）＝ｍｘ（４．１）即朋；＋ｃ二＋Ｋｘ：ＣｏＪＹｃｏｓ珊ｆ＋ＫＹｓｉｎ缈ｆ（４．２）由上式可以看出地面通过弹簧和阻尼分别将力以ＫＹｓｉｎＣＯｔ和ｃ砌ｃｏ。彩ｆ传递给工作台，方程的通解为：４．２．２振动模型与放大系数ｚ（，）＝Ｐ一和／（ｃ－ｃ。ｓｑ第４章基Ｔｆ＋ｃ：ｓｉｎ％ｆＡＤＡＭＳ的仿真分析）＋了ｉ器×ｓｉＩｌ（（４・３）√（１一五‘）二＋（２弘）‘研＋口一妒）其中稳态解为：ｈ：］』丝姜墼。ｉｎ（ａｇ＋口一缈）（４．４）、『（１一Ｘ－＂）２＋（２弘）２将（４．４）带入（４．３）得动力放大系数为：ｄ；ｆ弘１ｆＦ砰ｉ万！±笪！（４．５）一一７由式（４．５）可以看出，工作台在外在简谐振动下的输出振幅与五有关，强迫振动振幅的大小具有重要的工程意义，是导致构架疲劳破坏的主要原因，当Ａ≤√芝时，动力放大系数口≥１．没有任何的减震效巢．萁力之间的向量关系如图４．４所示，当Ａ＞＞√芝时，国很大，在较大的工作台惯性力下，外力几乎全部用来克服惯性力，使工作台根本来不及改变振动方向就趋于平衡位置，因此振幅逐渐衰减。为此有必要估算口，用来验证振动实验的正确性。图４．４力的向量关系４．２．３空气静压导轨副结构与参数估算空气静压导轨副的刚度计算是一个比较复杂的问题，其与导轨内的气体压力梯度、＠＠每～ｌＪ节流孔个数、节流孔半径、导轨材料及导轨工作间隙有关。图４．５所示为本课题设计的ＩＪ／＠＠＠空气静压导的内表面结构。在滑动导轨两个图４．５空气静压导轨副内表面结构侧面上均匀对称排列等直径空气静压轴承作为节流器，在每个侧面中心部分开深度１０ｕｍ的等压槽形成负压腔，这样可以增大了空气高压区的面积，有效提高空气静压导轨的阻尼和平均刚度。本设计的多孔质空气静压导轨副，依据在多孔质层内气体流动的Ｄａｒｃｙ定律，空气静压导轨副的刚度计算公式ｍ３１为：吒：生坚４地（４．６）力式中：ｒ——刚度系数；‘，．——多孔质材料的直径ｍｉｌｌ：第４章基丁．ＡＤＡＭＳ的仿真分析Ｐ．——导轨供气压力Ｐａ：碥——工作环境压力Ｐａ：胛——每个单面节流孔个数。１ｈ——导轨工作间隙／ａｍ；依据空气静压导轨副精度及安装尺寸，各参数如下：ｘ－－Ｏ．４：厂２２０ｍｍ：见２７ｘ１０５儿：Ｐｏ＝１．Ｏｘｌ０５以：行２１２：ｈ。ｌＯ／慵ｎ：足。：生型■垂业：３６１．７３Ｎ／／ｍｌ（４．７）‘ｈｘｃ于－Ｙ－ＬＷ辊子组成的滚动导轨副系统：其刚度ｑ＝１．４１１×１０８Ｎ／ｍ，粘性系数：ｃｌ＝ＩＫＮｓｍ～，则该系统的固有频率‰为：妒厝式中ｍ。为Ｘ向移动工作台质量：ｍ，＝３４．６９ｋｇ婀得：‰＝厝娟３３阳挑由频率比：以２考一－．５８（４．８）阻尼比：乞＝去－ｏ崩３ｘ－ｏ。（４．９）≈阿枷５８０５Ｉ。—ｎ；Ｑｎ；（４．１０）¨Ｈｗ对于空气静压导轨副系统：其刚度Ｋ．：３．７６８×１０８Ｎ／ｍ，粘性系数：Ｃ。：０．６７ＫＮｓ肌～，则该系统的固有频率甜＾为：肾跞式中ｍ．，为Ｘ向移动工作台质量：ｍ，．＝６５．６９ｋｇ则可得：‰＝√鲁划６雕∞俐ｂ妒。？带入式（４．６）得：４．２．４估算导轨副动力放大系数将式（４．８），ｚ－￡（４．９）带入（４．５）得滚动导轨副系统的动力放大系数吒为：ｔｕｐｔｕｏＹ＿用，一第４章基ＴＡＤＡＭＳ的仿真分析频率比：五：盟：２．０４（４．１１）’‰阻尼比六＝芸Ｌ＝２．９×１０—５（４．１２）将式（４．１０），式（４．１１）代入式（４．５）得空气静压导轨副系统的动力放大系数吼为：％２√巧赫≈阿一６３口。：ｆｒ乓譬芷一≈ｒｋ：０３１６３（４．１３）＿“驯４．２．５模态分析模态分析脚１是用来研究机械结构动力学特性的一种近代方法，是工程振动领域中应用的系统辨别方法。模态是机械结构的固有特性，每一个模念具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。可以通过计算或试验分析来取得这些这些模念参数，这样的分析过程就称为模念分析。模态分析是动力学分析的起点和基础，在动力学分析中占有很重要的地位，其主要目的是为了在了解部件结构基本动态特性（固有频率和振型）的基础上，采取一定的措施避免外力频率和部件结构的固有频率相同，防止共振现象的发生。因此，模态分析是设备故障诊断以及结构动态设计的重要方法。对于其它的动态分析，例如瞬态动力学分析、谐响应分析和频谱分模态分析属于线性分析嘲。对于ＬＭ辊子组成的滚动导轨副，其静态分析中的非线性特性将予以忽略。滚动导轨副参数参考产品样本，取刚度：Ｋ．：１．４ｌｌ×ＩＯｓＮＩ脚；其阻尼为：Ｃ．：ｌＩｂｌ．Ｊ／肘建立的模态分析模型如图４．６所示。由于该测量设备用于在线检测，在车间的振动主要为垂直振动，故建立一个沿垂直方向Ｙ的正弦力及激振器输入通道：ＩＮＰＵＴ，使其产生Ｙ向振动：然后再建立两个输出通道：ｙ和ｏｕｔ＿ａｃｃＹ以观察Ｙ向位移和加速度输出激励。表４．１显示了在输入激励ｙ：ＡＪｉＩｌ㈣＋们下的滚动导轨副以及空气静压导轨副模态响应值，这罩取彳户ｌ，妒：０．由表４．１可知，对于空气静压导轨副，Ｙ向影响最大的是第４模态；而对于滚动导轨副来讲，Ｙ向影响最大的是第６模念。第４章基ｙ－ＡＤＡＭＳ的仿真分析，，输…通道输入通道寸７，／、－一一…～一一一．移动ｌ：作台．－…堡…ｊ二二一施眺Ｌ——‘、，：ｊｊｉｊ、，：Ｌ—————————一。ｚ图４．６导轨副模态分析模型表４．１导轨副的各个模态响应值空气静压导轨副的模态响应值滚动导轨副的各个模态响应值Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ＝３４．４７４７ＨｚＦｒｅｑｕｅｎｃｙ＝２４．６０７３ＨｚＭｏｄｅＩＮＰＵ＾，Ｍｏｄｅ烈ＰＵｌ’＿Ｙｌ５．２８８４ｅ．００５ｌ３．６０７４ｌｅ．００５２Ｏ．０００５９９２３９２５．１１８３５ｅ．００６３Ｏ．Ｏ００８５４３２３１．１５１４８ｅ－０１０４Ｏ．９９８４９２４Ｏ．Ｏ００４９５２９７５１．８９２２４ｅ＿０１０５Ｏ．０００８５２１４１６１．９９８２８ｅ．００６６０．９９８６０７。：Ａｄａｍｓ／Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ振动分析模块是Ａｄａｍｓ针对Ａｄａｍｓ／ａｉｒｃｒａｆｔ，Ａｄａｍｓ／ｃａｒ，ｌｉｅ等模块添加的频域分析功能插件。使用ＡＤＡＭＳ振动分析模块可以图４．７显示了空气静压导轨副组成的Ｘ向传动系统加速度、位移及其相位３Ｉ４．２．６垂直振动特性分析Ａｄａｍｓ／ｅｎｇｉ在ＡＤＡＭＳ模型中进行受迫振动分析，较好的模拟系统在输入激励下的振动反应。对空气静压导轨副组成的传动系统和ＬＭ辊子滚动导轨副组成的传动系统的振动分析结果如图４．７、图４．８所示．的频率响应曲线。图４．８为ＬＭ辊子滚动导轨副组成的Ｘ向传动系统加速度、位移及其相位的频率响应曲线。第４章基丁ＡＤＡ．～ＩＳ的仿真分析ＯＯＯＯＯＯ．ｔ‘冒ＩＯＯＯＯ＇Ｏ－ＯＦｎｑ¨ｎｃｙＩＨｚＩ’∞・Ｏ叠帅ｌ讯。量¨了主．＇螂．｜婚＾Ｏ茎耋匡鍪一，一一蛳ｔ＿一…一．麴想塑壁嫩瞍苎鲤空垒塑１ｔ●Ｆ哪啊伸Ｉ＇蝴ｉｉ¨；｜｜１啪詹图４．８滚动导轨副的幅值和相位频率响应曲线由图４．７可知，在第４模态，沿垂直方向，空气静压导轨副组成的传动系统的加速度分量幅值（ｑ）为：３８．００５７，位移分量幅值为：－５４．８５９７：由图４．８可知，在第６模态，ＬＭ辊子滚动导轨副组成的传动系统的加速度分量幅值（口．）为：３１．２６６９，位移分量幅值为：一５４．０５２６，由此看来，在给定的频率范围内，相对于空气静压导轨副组成的传动系统，滚动导轨副组成的传动系统具有较好的抗冲击性能（ａ。＝３１．２６６９＜ａ。＝３８．００５７）；但是其却比空气静压导轨副组成的传动系统具有较大的位移传递率ｋ。：０．５８０５＞口。：０．３１６３），较大的位移传递率将加大检测设备的点位误差，为了减小位移传递率，有必要进一步改善ＬＭ辊子滚动导轨副组成的系统的阻尼和刚度特性，使其系统的位移分量幅值完全小于空３２第４章基ｙ－ＡＤＡＭＳ的仿真分析气静压导轨副组成系统的位移分量幅值。从而使ＬＭ辊子组成的滚动导轨副具有较优越的振动特性。４．２．７滚动导轨副模态分析为了进一步改善ＬＭ辊子滚动导轨副组成的系统的整体性能，降低加速度、位移幅值分量以及改善相位滞后现象，依据赫兹接触理论，现改变滚动导轨副辊子的直径及辊子接触法线与垂直方向的夹角，以改变系统的刚度并保持其阻尼系数基本不变，结合本课题的滚动导轨副的结构尺寸，其刚度估计式№１为：．，ｌ《咖小Ｐ（万４ｆ－１人Ｙ面ＦＪ：１３“・１４）其中：Ｋ．’一滚动导轨刚度，口一刚度修正系数，托一辅助角ｃｏｓｆ的函数取１．８９８，厂一曲率半径比，取０．９８，Ｄ。一辊子直径，，一外载荷ｆ一滚道数，ｚ一接触辊子数，≯一辊子接触法线与Ｙ轴夹角结合本课题情况：Ｄ。＝８咖，１＝ｏ．９８，矿＝６０‘，ｉ＝４，ｚ＝６４，Ｆ＝６８６．４２Ｎ计算可得：Ｋ。’＝１３９．７６Ｎ／／ａｍ为此，滚动导轨的刚度和阻尼分别为：１３９．７６Ｎ／ＩＪ．ｍ和０．９４ｋｎ・ｓ／ｍ，表４．２显示了改变阻尼刚度特性以后的滚动导轨副模态响应值，由表４．２可知，对滚动导轨副来讲，Ｙ向影响最大的是第三模态，其系统固有频率为３１．６２２８ＨＺ，图４．９显示了对滚动导轨副影响最大的第三模态曲线图。●誓黾Ｃ；Ｕｏｉ＇ｏ：图４．９滚动导轨副的第３模态曲线ｉ．ｊ‘・‘……一ｗ值幅量分移位的小较；）第４章基ｙ－ＡＤＡＭＳ的仿真分析表４．２滚动导轨副的各个模态响应值ＭｏｄａｌｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｔａｂｌｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙ＝３１．６２２８ＨｚｍｏｄｅＩＮＰＵ￡ｙｌ１．２６６ｅ．００５２０．０００２１９４３０．９９１９７５８４９．６８７６２ｅ蜥５４．５４０１６ｅ－０１２６３．６３１７ｅ．００７４．２．８振动模拟的结果分析使用ＡＤＡＭＳ振动分析模块可以较好的模拟系统在输入激励下的振动反应。滚动导轨副组成的传动系统的振动分析结果如图４．１０所示。图４．１０为改进后滚动导轨副组成的Ｘ向传动系统加速度、位移及其相位的频率响应曲线。由图４．１０可知，在第３模态，沿垂直方向，ＬⅥ辊子滚动导轨副组成的传动系统的加速度分量幅值（口．）为３２．９０１８，位移分量幅值为：－５８．１９６４；其相位转角频率为：３１．６２２８毖。与图５空气静压导轨副组成的传动系统相对应，其加速度分量幅值（口．）为：３８．００５７，位移分量幅值为：－５４．８５９７，其相位转角频率为：３４．５Ｈｚ．比较两者可知，ＬＭ辊子滚动导轨副组成的传动系统具有较好的抗冲击性能（ａ；．３２９０１８＜口．：．３８００５７（Ａ．：－－５８．１９６４＜以：－５４．８５９７）及超前相位（纯：３１．６２２８Ｈｚ＜仇：３４．４７４７Ｈｚ），其各自的参数如表４．３所示。综上可以看出，无论是加速度、位移或相位，ＬＭ辊子滚动导轨副组成的传动系统都比空气静压导轨副组成的系统有较优的特性，因此，测量设备Ｘ方向选用滚动导轨副组成的传动系统为较优的选择。表４．３导轨副参数比较类别加速度分昔幅值位移分鼙幅值相位转角频率动力放人系数空气静乐导轨副３８．００５７．５４．８５９７３４．４７４７月２３８．００５７ＬＭ辊子滚动导轨副３２．９０１８．５８．１９６４３１．６２２８月ｒｚ３２．９０１８第４章基丁ＡＤＡＭＳ的仿真分析枷２０．ＯＯ．Ｏ｛．２０ＹＯ暑舢０§－６０．０蔓４１０．ｏ．＇∞．０．＇２ｎＯ．＇４０’ｏ’Ｏ，ＯＦ嗍喇Ｉｃｙ触，１∞・Ｏ图４．１０改进后滚动导轨副的幅值及相位频率响廊曲线ＡＰＯＤＥ结构分析’随着虚拟技术的发展，虚拟样机作为一门新兴的并行设计技术，在工程领由于该设备应用于现场在线检测，在点位扫描测量中，悬空的Ｚ轴再加上ＡＰＯＤＥ样机模型是比较复杂的，其借鉴了已成熟的三坐标测量机（ＣＭＭ）固．矗４．３域得到愈来愈广泛的应用。ＡＤＡＭＳ是美国ＭＤＩ公司推出的著名机械系统仿真软件，使用该软件建立机械系统的数字模型用来替代物理样机，在虚拟环境中真实地模拟系统的运动，并对其运动过程的受力情况及其结构进行仿真分析是当前国内多数研究群体的首选方案№‘１，不仅大大缩短了研发时问，而且降低了产品成本。摄像装置本身的重量，就会在检测设备频繁启停过程中对Ｙ向滑架产生较大的冲击。较大的加速度分量突变会增大设备检测的动态误差，削弱设备构件之间的连接刚性，甚至使检测仪构件提前失效损坏。因此，为保证ＡＰＯＤＥ的检测精度，有必要通过优化其构件结构尺寸来减小测头相对于工件上任意点的加速度分量，从而改善其动态性能。４．３．１简化样机模型定桥式结构，如图４．１ｌ所示，其Ｘ，Ｙ，Ｚ三个方向的运动在空间上相互独立，Ｙ向滑架带动Ｚ向传动系统和Ｚ向测头沿Ｙ轴方向运动，Ｚ向测头装在ｚ轴滑柱的木端。无论是Ｙ向滑架与Ｙ轴的连接还是Ｚ轴滑柱与Ｚ轴的连接都存在弱刚性现象，是产生动态误差的主要误差源一…。沿Ｘ方向工作台是有Ｘ向电机驱一ｋｃａｒｂ＿）１。第４章基ｙ－ＡＤＡＭＳ的仿真分析动，其运动相比于ＹＺ轴是相对独立的，不会对ＹＺ轴产生误差传递，并且其采用中间驱动方式，阿贝误差较小。为了进～步简化机构模型，有必要重点优化ｙ向滑架与Ｚ轴连接件的结构尺寸以减小测头相对于工件上任意点的加速度分量，从而进一步减小测头在频繁的启动与停止时对Ｚ轴的冲击，优化结构动态性能。由于ＡＤＡＭＳ建模功能相对于一些比较大型的专用三维建模软件如ＵＧ，ＰＲＯ／Ｅ，ＣＡＲＴＩＡ等较弱。因此，对于较为复杂的数字模型一般在ＵＧ等平台上建立图４．１ｌ简化的样机模型３Ｄ模型以后，在将其直接导入ＡＤＡＭＳ进行分析。基于导入的实体模型的复杂性，去除或忽略某些构件的外在特征对运动学分析来讲是必要而必须的。根据样机各轴之间的运动关系，样机模型（图４．１１）作了如下简化：１）利用ＡＤＡＭＳ中的Ｌｉｎｋ工具在大地上以点Ａ（ｒｏａｄ—ｆ）和点Ｂ（ｒｏａｄｂ）创建连杆表示Ｙ向导轨，点Ｃ（ｓｌｉｄｅ）在连杆ＡＢ上，Ｃ、Ｄ（两点组成Ｙ轴连接件，在Ｃ点，Ｙ向连接件＿和ｒＹ向导轨以移动副ｓ相ｌｉ互ｄｅ连ｂ接ｒａ，ｃｋ由于．Ｙ向滑架与Ｚ轴支架有较好的刚性，Ｚ轴向滑架和Ｙ向连接件以刚性连接，Ｙ向连接件带动整个机构沿Ｙ向导轨平动。２）Ｄ、Ｆ（ｓｌｉｄｅ—ｂｒａｃｋ＿ｕ）两点构成Ｚ向滑架，Ｅ（ｍｓ—ｐｌ－ｄ）点在ＤＦ上，由于在实际机构中，Ｚ轴连接件和Ｙ轴连接件都具有较弱的刚性，因此在简化机构中，以柔性杆Ｇ（ｍｓ＿ｐｌ—ｒ）、Ｅ两点表示机构的弱刚性，考虑到实际机构绕Ｚ向的转角误差，Ｚ轴连接件和Ｚ向滑架在Ｅ点以圆柱副连接；３）在Ｇ点，Ｇ、Ｈ（ｍｓ＿ｐｌ＿ｒ）两点构成的Ｚ轴立柱与柔性杆刚性连接，在扫描测量中，Ｈ点用来搭载摄像装置，为了测量Ｈ点在运动过程中相对于工作台上任意点的加速度分量，在工作台上任取一点Ｐ作为参考点。坐标如表４．４所示。表４．４参考点坐标ｐｏｉｎｔＳｌｉｄｅ＿ｌ：ｎ＇ａｃｋ＿．ｒＳｌｉｄｅ＿ｂｒａｃｋ＿ｌＳｌｉｄｅｂｒａｃｋ＿ｕＭｓｐｌ＿ｒＬｏｃ０－６０－６０．６０．２５０．２５０ＯＯｘＬｏｃ＿ｙＯＯ６００４００４００１５０ＯＯ‰ｚＯ００００Ｏ２００．２００Ｍｓ＿ｐｌ１Ｍｓ＿ｐｌ＿ｄＲｏａｄｆＲｏａｄｂ第４章基丁ＡＤＡＭＳ的仿真分析４．３．２机构运动仿真阶跃函数是一般数学计算中常用的函数，具有特定的频率响应特性。在通常情况下，系统的性能指标根据系统对阶跃函数的输入的响应得到，一方面ｔ要是因为产生阶跃函数比较容易，在实际中很多的输入与阶跃输入相似：另一方面，阶跃输入又往往是实际中最不利的输入情况；因此，为了模拟ＡＰＯＤＥ在频繁启停时的动态特性，现采用阶跃函数作为输入函数。其形式旧１为：ＳＴＥＰ（Ｘ，ｂｅｇｉｎａｔ，ｉｎｉｔｉａｌｆｕｎｃｔｉｏｎｖａｌｕｅ，ｅｎｄａｔ，ｆｉｎａｌｆｕｎｃｔｉｏｎｖａｌｕｅ）其中Ｘ为自变量：１）当Ｘ小于ｂｅｇｉｎａｔ时，Ｘ取ｉｎｉｔｉａｌｆｕｎｃｔｉｏｎｖａｌｕｅ；２）当Ｘ大于ｅｎｄａｔ时，Ｘ取ｆｉｎａｌｆｕｎｃｔｉｏｎｖａｌｕｅ，，３）当Ｘ位于ｂｅｇｉｎａｔ与ｅｎｄａｔ之｜＇日Ｊ时，因变量依据一定的规律光滑过渡。采用阶跃函数可以避免出现数值过渡突变，微分值不连续。本实验样机的各轴输入的阶跃函数为：Ｙ轴传动：（ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，０．１，０．０，０．４，３．０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，０．４，３．０，０．９，０．０））・１００Ｚ轴传动：（ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，０．２，０．０，０．５，２．０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，０．５，２．０，０．９，０．０））・１００为了直观的显示出检测设备的摄像装置相对于工件上任意一点在频繁启停下的加速度幅值响应，在Ｚ轴立柱底端的Ｈ点位置设置标志点ｍｓ＿ｐｌ—ｒ，然后在Ｘ轴工作台上任选一点Ｐ设置标志点：ｒｅｆｅｒ＿ｐｏｉｎｔ，被测相对加速度函数为：ｆｌｅｘｒｅｌａｔｅ＿ａｃｅ＝ＡＣＣＭ（ｍｓ＿＿ｐｌｒ，ｒｅｆｅｒ＿＿ｐｏｉｎｔ，Ｍａｒｋｅｒ＿ｌＯ）通过该函数计算仿真Ｈ点在空间运动的过程中相对于参考点Ｐ的相对加速度幅值，输入具体的参数设计值可得到相对加速度幅值随时间变化的曲线（图４．１２）。由图可知，当检测设备启停时，Ｈ点的相对加速度值变化较大，由于柔性杆的存在，使Ｈ点受到交变应力的作用，这样就使Ｈ点的摄像装置震荡的比较严重，在扫描测量中，摄像装置的摄像时间ｔ／＞０．０５ｓ，但是相对加速度产生震荡的时间却为０．７５ｓ，这样就会影响图像采集质量和定位精度，因此有必要迸一步优化设备结构参数，减小相对加速度幅值和缩短加速度突变时间。贫１．５一ｌ驴苫三１．０ｚｌ旷ＣＯ亏Ｑ５，ｌ妒ｏ■墨ｏＯ０．５１．０Ｔｉｍｅ（ｓｅｃ）图４．１２相对加速度随时间变化的曲线３７ｅｔａｌｅｒ＿敏的高较有第４章基于ＡＤＡＭＳ的仿真分析４．３．３参数化样机模型４．３．３．１定义设计变量利用ＡＤＡＭＳ的参数化设计能很方便地研究设计参数对检测设备动态性能的影响。首先在ＡＤＡＭＳ／ｂｕｉｌｄ／ｄｅｓｉｇｎｖａｒｉａｂｌｅ中把各关键点坐标值定义成设计变量（表４．５），并对设计变量定义一个初值及其变化范围，然后ＡＤＡＭＳ分别针对设计变量进行仿真，以图形的形式输出结果。４．３．３．２设计变量对相对加速度的敏感度各个关键点坐标变量变化范围是在满足检测仪的测量行程下的要求而设定的（表４．７），ＡＤＡＭＳ依据各个变量的取值范围在给定实验次数下分步取值，为了确定各个设计变量对被测被测相对加速度函数为：ｆｌｅｘ—ｒｅｌａｔｅ—ａｃｃ影响的敏感度，需要将各个设计变量逐一加以迭代计算，以便比较其在初始条件下对被测相对加速度函数的影响程度大小。表４．６为各个设计变量对相对加速度敏感度值。由表４．８可以很清楚的看出各个设计变量在每次迭代时的相对加速度值，敏感度以及ｆｌｅｘｒｅｌａｔｅ．一ａｃｃ随设计变量的变化情况。综上可知，表４．８给出了各个设计变量对相对加速度函数敏感度值的分析结果，由迭代计算后结果可以看出设计变量ＤＶ４，ＤＶ９，ＤＶＩＯ对相对加速度函数ｆｌｅｘ＿ａｃｃ感度。表４．５变量坐标ｐｏｉｎｔＬｏｃＸＬｏｃｙＬｏｃｚＳｌｉｄｅ．．ｂｌａｃｋ．．ｒＯＯＤＶ３Ｓｌｉｄｅ—．ｂｒａｃｋ．．１ＤＶ４ＯＤＶ３Ｓｌｉｄｅ—．ｂｒａｃｋ．．ｕＤＶ４ＤＶ６ＤＶ３Ｍｓ＿ｐＥｒＤＶ４ＤＶ７ＤＶ３ＭｓｐｌＪＤＶ９ＤＶ７ＤＶ３Ｍｓ＿ｐｌ＿ｄＤＶ９ＤＶｌ０ＤＶ３ＲｏａｄｆＯ０ＤＶ２ＲｏａｄｂＯＯＤＶＩ第４章基丁ＡＤＡＭＳ的仿真分析表４．６设计变堵对相对加速度敏感度值设计变茧迭代次数ｌ迭代值５９７．７７５９７．７７５９７．７７５９７．７７５９７．７７７６３．２７７１４．６４５９７．７７６２６．８９３６９．１ｌ１８６．１２３８２９．６１６２．６５１４８２．３３３６．２８５９７．７７３８６．８５５９７．７７７４７．４３３８６．８５４０８．１８敏感度－４．０３５９ｅ－６．３．３６０４ｅ．６２．４７４９ｅ－６Ｉ．８２９２ｅ－６－３．９７６４ｅ－６－Ｏ．４８６２９－０．８２７５ｌ—０．４３８７７．１．１４３３－２．５７７８２４２．９’ＶＶ刚．－０．７８２２７．７８．２４２５．７８７４－７６．４０３—２１．０９２．３．０２０ｌｅ－－６１８．０２９．１０．５４６－３６．０５８１．５８４４０．２３７８．１．７３７６－Ｏ．７５３５２０．８５９３．２４．０３８—１４．９２３２７．３４１３１．８２８３．１６５９．７２．５２２．３０．２１４．２７．３３９１３２．８８３３２．５２１０∞．Ｏ留５．ａ翱１７．７５ｆｌｅｘｒｅｌａｔｅａｃｃ变化曲线删ｎ瑚＇ｔ靼７．Ｂ２ＤＶ２３４ｍ’箱．ｏ２剐翻．０５ｌ２ＤＶ３３４瓣锄．Ｏ５ｌ２一—∞囊０．０‘一．－７０．０６００．０２００．０Ｄｗ３４撇ＯｎＯ５ｌ２ＤＶ６３４５瓤口－４０跚＇ｌ矾＾—遍ｏｌ２ＤＶ７３４“５．８４４７９．５２１２４．５７２５３．４７５６０．７２３８０．４３３３６．８７７９０．５５８１４．２９钌５用伯ｏ．ｏ０．０啪．Ｏ／弋ｏ躺．０一．＼．。一＇５ｃ．０６２０．０６００．０●５ｌ２ＤＶ９３４＇々Ｅ＾５１２一ｊ勘，Ｏ＼／－２３０８９９．９１５３７．３５９７．７７２６３．９１１９２６．５ＤＶｌ０３４５／１６０．ＯＵ１．Ｕ４０．Ｏ３９第４章基丁ＡＤＡＭＳ的仿真分析表４．７参考点变鼙范围变域初始值范Ｉ硐●■■●＿■■●■＿■■＿■＿●■■●＿＿●一ｍＩＩｍＩ●＿＿■－ＤＶｌ．２００．２１０，－２０５ＤＶ２２００１８０，２２０ＤＶ３０．２００，２００ＤＶ４—６１．１３－９０，＿４０ＤＶ５０・１．１ＤＶ６６００５８０，６２０ＤＶ７４０００，６００ＤＶ８０．１，ｌＤＶ９．２５０．２２－２６０，．２３０ＤＶｌ０１５０．０８１４０，１６０ＤＶｌｌ０－２００，２００表４．８设计变鼙的分析结果变量名ＤＶ２ＤＶ３ＤＶ４ＤＶ６ＤＶ７ＤＶ９ＤＶｌ０初始坐标值２０００．６０６００４ＩＤ０．２４２１５０最优值２００．７０６２０４５０－２４５１５５初始敏感度２．４７４９Ｅ．６－０．４３８７．７８．２４２１８．０２９－０．７５３５２２７．３４１．２７．３３９４．３Ａ优化设计的数学模型机械机构优化设计的主要内容是在保证机构约束的前提条件下，尽可能达到质量轻、体积小、形状合理、成本最低以及力学方面最大限度地减缓过渡区应力集中等。在通常情况下机械机构优化设计的一般数学模型盯伽为：ｍｉｎ／（；），；∈ＤｃＲ４，；＝（‘，屯．…・・‘）７ｓ：ｔ．ｇ。（；）≤０，“＝Ｉ’‘’．２…．，朋（４・１５）＾．（；）＝Ｏ，ｖ＝１，２，……ｐ＜刀式中：ｘ为设计变量；／（ｘ）为目标函数；ｇ。（ｘ）≤０，ｈ，（ｘ）＝０为所要满足的约束条件；Ｄ为设计变量ｘ在设计空间尺”的取值范围，称为可行域；ｓ１．为约束条件。如前所述，这一机械机构进行优化设计主要是在满足测量行程要求的前提下，使摄像装置具有较小的加速度启停值，从而减小摄像装置在启停时对机构的冲击，提高定位精度和摄像质量。其目标函数ｆ（ｘ）＝ｒａｉｎ｛ｆｌｅｘ＿ｒｅｌａｔｅａｃｃ｝：山表４．８ＡＤＡＭＳ／ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ对各个影响检测设备届停加速度值的设计变量的分第４章基丁－ＡＤＡＭＳ的仿真分析析结果可以看出，设计变量ＤＶ４，ＤＶ９，ＤＶＩＯ对相对加速度函数ｆｌｅｘ—ｒｅｌａｔｅａｃｃ有较高的敏感度，依据机械机构优化设计数学模型三要素的选择原则，设计变量ｘ＝（五，Ｘ２，黾７＝（ＤＶ４，ＤＶ９，ＤＶｌｏ）ｒ：约束条件主要根据前面所述的设计要求确定。此外，还考虑了其他一些方面的因素，给定约束条件如下：（１）考虑到滑架机构本身的弱刚性，Ｚ轴连接件设置为柔性杆：（２）确保构件之间空间的相互运动位置关系：在当前空问坐标系下，各个构件的长度由构件端点的参数点坐标值来表示，通过设置参数点坐标束控制各个点的相互位置关系，除柔性体外，各构件均为刚性体。（３）边界约束：ｇｌ（工）＝Ｘｌ≤－－４０，９２（工）＝五－－Ｘ２≤９０，９３（ｘ）＝而≤１５５．４．３．５机构优化计算分析利用ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ提供的优化分析工具，通过参数化建模，可以将各构件在空间的坐标值设置为变量。在分析过程中，只需改变机构模型中有关参数值，程序可以自动更新整个机构模型ｍ１。更进一步，还可以由程序根据预先设置的可变参数，自动地进行一系列的仿真分析，观察在不同参数值下加速度值的变化，图４．１３显示了参数的优化分析设置。通过优化分析，可以获得在给定的设计变量变化范围内，目标对象达到最大或最小值的工况。在实验样机的ＹＺ轴输入相同的阶跃函数后，选择ＤｅｓｉｇｎＥｖａｌｕａｔｉｏｎ菜单开始仿真优化计算。表４．９显示了优化结果和原设计的参数列表值对比。图４．１４图４．１５分别显示了在机构优化前后相对加速度幅值随时间变化的曲线。钿僦～霉－槲翻黼蚋客献鬈孽ｕ嘞戢４一一’１．瓤Ｉ醐憾．．套幻嘲如峨・嘲—■ｌ栩Ｉ朔蝇飘，蝌协魄．．ｍ杈・．Ｉｌ＿巩ｓｈｌ带Ｍ穗劬慵・ｒｏ哟尊蛹坩■■ｏ＿ｗ－＿＿＿＿＿＂＿＿目＿＿‘＿＿■＿■■＿■■■■＿ｏ’●■＿－＿－－＿－＿“～Ｉ“－＿Ⅲ＿＿＿＿＿＿■■＿■＿＿－■＿＿＿ｏ＿＿ｏ＿■■■－＿－●■＿■＿■■■■■■■■■■＿＿■＿■＿●■■■一Ｍｉｎｉｍｕｍｏｆ．＝■ｌｌ触ｘ＿瞪凯ｅ－ａｃｃ；ｒＤ蝴ｓ¨移广Ｏ・确肿■Ｅｍｐ，ｍｍ＇ｍｒｔａ秽Ｏ州喊茹曲∞～一ｒ—一∥氟地ｓＭｌＭｒ，ｍ＇ｍ嘲■■■■■■■■■■ＨＨ＊■“Ⅷ＊■■■＾■■■■■一■■■■■＿＊■＊ｍＨ”＊Ｍ■№■＿■Ｈ■■■■■岬／Ｏｂｅｅｃｔｒｖｅ、曼燃｜璺竺！！黧！ｌ■ＧｏａｋＤ瓠Ｍ㈣图４．１３优化分析设置４ｌ第４章基丁ＡＤＡＭＳ的仿真分析表４．９优化设计结聚比较Ｌ５ｄＩ伊ＬＯｎＩ栌Ｑ５ｎｌ铲Ｏ●图４．１４机构优化前的相对加速度幅值曲线４５×ｌ置５ＸｌＺ－ｎＸｌＬ５ＸＩ震苫曼量琶誊童ａ５Ｘｌ舻铲妒舻妒０ｏ．５ｗ咐（ｓ删ｌ・０图４．１５机构优化后的相对加速度幅值曲线其中而，而，黾分别表示优化变量ＤＶ４，ＤＶ９，ＤＶＩＯ之值，由表４．９可以看出，而，为的取值对Ｈ点的摄像装置相对加速度ｆｌｅｘ＿ｒｅｌａｔｅ岛决定了Ｙ向滑架质心相对于Ｙ向导轨的对中程度，即阿贝误差的大小，在允许的测量范围内，其值愈大，阿贝误差愈小，机构的刚度愈高：五决定了Ｚ轴立柱的长度，在摄像装置质量一定，Ｚ轴测量行程一定的情况下，其允许的变动范围很小。从图４．１４图４．１５的相对加速度曲线可以看出，设备启动时的加速度峰值由１．２６ｘ１０６ｍｍ／ｓ２降为４．０５×１０５ｍｍ／ｓ２；与优化前相比，优化后的设备摄像装置在停止时具有较小的相对加速度幅值变化。综上可知，利用机构优化分析的结果从而进一步改进了滑架结构，改进前后的Ｙ向滑架结构如图４．１６所示。通过机构仿真优化分析，不但进一步提高了Ｙ向移动构件的刚性，而且增加了摄像装置的定位精度和提高了摄像质量。４２第４章基ＴＡＤＡＭＳ的仿真分析改进前滑架改进后滑架图４．１６Ｙ向滑架将在ＵＧ平台上建立的３Ｄ模型导入ＡＤＡＭＳ，通过对样机Ｘ方向导轨副的振动分析以及机构的优化仿真，为样机导轨副的选择以及样机关键结构部件尺寸的选择提供了较为合理的参数。４３本章小结第５章ＡＰＯＤＥ的误差分析第５章ＡＰＯＤＥ的误差分析５．１ＡＰＯＤＥ的主要误差源分析本论文所研究的ＡＰＯＤＥ是一种用于汽车冲压件在线检测的中小型智能化仪器，其将机械、光学和数控技术溶为一体，是现代制造技术、质量控制和工业检测中必不可少的重要检测设备，尤其对提高汽车冲压件的在线检测效率和精度都具有深远的现实意义。对ＡＰＯＤＥ的首要要求就是检测精度，检测设备的示值与被测量的真值之间的误差称为检测设备的测量误差ｎ引。ＡＰＯＤＥ产生测量误差的主要原因包括检测设备本身的误差（其中包括机构运动误差、视值误差以及软件误差等）以及与各种检测条件相关联的因素（例如检测方法、动态误差、环境条件等）引起的误差，图５．１显示了其主要误差源。ｈＰＯＩ＇Ｅ主要误差灌图５．１ＡＰＯＤＥ主要误差源５．２ＡＰＯＤＥ静态误差分析与修正由于ＡＰＯＤＥ部件繁多，结构较为复杂，因此影响其检测精度的误差源复杂多样。在满足其在线检测精度要求和效率的前提下，把所有影响在线检测设备精度的误差源全部分离出来然后加以修正是相当困难的，因此我们一般只修证那些对ＡＰＯＤＥ精度影响比较大的和较易分离的误差源即系统误差。与随机误差和粗大误差¨３１相比，在对同一被测件多次测量的情况下，系统误差将显示一定的规律性，因此在有限次测量条件下找出其规律性，然后对其进行修正，是一种可操作性的方法。第５章ＡＰＯＤＥ的误筹分析５．２．１ＡＰＯＤＥ静态误差源考虑ＡＰＯＤＥ的机械精度，可以分离出三种毛要的静念误差源：１）．由于机体构件（如导轨，横梁，主轴等）的有限精度造成的几何误差。其主要由构件本身的制造精度和安装维护中的调整精度来决定。２）．与ＡＰＯＤＥ机体构件的有限刚度相关的误差。主要由移动部件的重量引起。如Ｘ方向移动工作台在被测件自重下的力变形：Ｙ向导轨在Ｙ向滑架件自重下的力变形等。这些误差由机体构件的刚度、重量以及和机体空ｌ’日Ｊ结构来决定。３）．热误差，包括单一温度变化和温度梯度引起的导轨膨胀和弯曲，光栅尺在单一温度变化和温度梯度下的扭曲和变形等。这些误差由ＡＰＯＤＥ的机体结构、材料和温度分布决定，并受内热源（如驱动及执行装置）和外热源（如车问温度）的影响㈣１。５．２．２ＡＰＯＤＥ静态误差分析ｃ由分离出的三种主要的静态误差源可知，其误差分述如下：１）几何误差ＡＰＯＤＥ具有三个相互垂直的轴。对于沿每一个轴的运动部件，有三个线位移误差和三个转角误差共六项基本误差。线位移误差用ｉｔｊ来表示，即沿ｉ轴运动时在ｊ方向的线位移误差。当ｉ＝ｊ时为所在轴的标尺误差：当ｉ≠ｊ时为所在轴的直线度误差。转角误差用ｉｒｊ来表示，即沿ｉ轴运动时绕ｊ轴的转角误差。当ｉ＝ｊ时为滚转角误差：当ｉ≠ｊ时为偏摆角或俯仰角误差。以沿Ｘ方向的运动为例，六项基本误差为Ｃ７５］：①ｘｔｘ一沿Ｘ轴向运动时在Ｘ轴向的标尺误差；②ｘｔｙ一沿Ｘ轴向运动时在Ｙ轴向的直线度误差：③ｘｔｚ一沿Ｘ轴向运动时在ｚ轴向的直线度误差；④ＸＦＸ一沿Ｘ轴向运动时绕Ｘ轴的滚转角误差：⑤ｘｒｙ一沿Ｘ轴向运动时绕Ｙ轴的俯仰角误差；⑥ｘｒｚ一沿ｘ轴向运动时绕ｚ轴的偏摆角误差；以上三个轴共１８项误差，加上ｘｙｚ三个轴之间的垂直度误差，共２ｌ项几、一何误差（图５．２）。２）．定位误差当指令系统让某运动部件移动△Ｘ时，运动部件的实际位移并不一定是△Ｘ，二者之差即定位误差。由于车间环境恶劣，特别是振动干扰较大，为此ＡＰＯＤＥ的传动部分无法采用高精度的气浮导轨，只能采用抗干扰能力强、精度较低的滚动导轨以及滚珠丝杠副进行传动。同时也无法采用通用的ＣＭＭ隔振机体结构形式，只能采用类似精密机床堆栈式结构。州。因此在ＡＰＯＤＥ的设计中，滚珠丝杠副传动误差６ｌ和导轨定位误差６２是影响其定位误差的主要因素。在本设计中，ＡＰＯＤＥＸ，Ｙ两个方向采用滚珠丝杠传动。其移动的位移是４５第５章ＡＰＯＤＥ的误筹分析通过编码器得出的。因此滚珠丝杠的传动误差６ｌ对ＡＰＯＤＥ的定位误差具有很大的影响。滚珠丝杠副传动误差主要包括偏斜误差、螺距误差、传动问隙误差等。根掘螺旋传动原理，螺母与丝杠的相对位移：￡．：翌：三：旦２ｎ＂（５．１）式中：、Ｉ，一丝杠和螺母问的相对转角；Ｚ一螺旋线头数，对于精密传动Ｚ＝Ｉ；Ｐ一丝杠螺距。对上式进行全微分得：缸＝三鲤：垒±２：垒翌！（５．２）式（５．２）表明，滚珠丝杠的螺母与丝杠的相对位移误差取决于△缈（转角误差）及ＡＰ（螺距误差）。螺距误差△Ｐ包括了螺距本身的误差以及导轨运动系统的误差，如偏斜误差、轴向窜动等。３）．垂直度误差ＡＰＯＤＥ是以正交坐标系为基础的，由于安装、调整和加工误差，Ｘ，Ｙ，Ｚ三轴线间的夹角不可能完全是９０。，从而造成轴线闯的垂直度误差。垂直度误差是两个运动方向间的误差，与三轴的位移函数误差无关。一旦设备安装完成，其值便是一个定值。４）．温度误差由于ＡＰＯＤＥ直接用于在线检测，当车图５．２ｘ轴运动方向的人项基本误差间温度超过２０。Ｃ时将会引起显著的温度偏差。如检测设备的导轨或标尺随温度发生变化等。由于ＡＰＯＤＥ关键部件的材料基本相同，故只产生简单的线膨胀热变形，而不存在弯曲、扭曲等复杂变形。由热变形引起的测量误差盯刀为：△，＝，．Ａｔ．ｂＰ—ｑ）（５．３）式中：Ｊ『一被测工件长度；口。一被测件的线膨胀系数（１／℃）；口。一滚珠丝杠的线膨胀系数（１／℃）；△ｔ一被测件及标尺相对于２０℃的温度偏差（℃）。５）结构力变形误差引起结构力变形的主要影响因素有：扫描系统及其附件的重力变化引起横梁的力变形：运动过程中测量加速度变化导致的惯性力引起的力变形。本文中Ｘ轴向由于是过定位双Ｖ形导轨支撑，被测件引起的重力变化最后都直接作用在底座上，因此该方向的力变形取决于导轨的制造与安装精度。Ｙ方向横梁要承受Ｚ轴部件及扫描装置的重力及其加减速时产生的惯性力，当Ｚ轴部件运动第５章ＡＰＯＤＥ的误筹分析到Ｙ轴的不同位置时，其受力会变化影响到滚珠丝杠副的传动误差、导轨直线度运动和线值误差的大小，因此有必要重点分卜霉一粥ｌ析Ｙ轴的受力情况。Ｙ轴的受力情况可以简化成一简支梁盯州（图５．３）。》‘当任一组集中力Ｐ；在简支梁上移动ＥＯ双．ｏ．５ｆ一］Ｉ１时，选任一集中力所，其与固定支座Ａ『Ｐ］的距离为ｘ，用ａ表示一组集中力Ａ的合图５．３Ｙ轴的受力分析力Ｆ与ｐ，的距离，则有罗Ｍ。＝０得：Ｅ＝—Ｆ．（丁ｇ－ａ－ｘ）（５．４）Ａ作用点的弯矩为：州加掣一ｆ其中：ｆ为常数，是Ａ以左的梁上载荷对只作用点的力矩之和。对式（５．５）两边取对数：坐幽：兰：丝二！二型：ｏｄｘｆ（５．６）￡一口得：．Ｉｆ＝一２（５．７）此时最大弯矩为：ｋ掣２一ｆ慨８，通过式（５．８）依次来计算Ｙ梁的最大弯矩，然后在这些弯矩中选出绝对最大弯矩值，就可以以此来分析最大弯矩处梁的变形量。５．２．３ＡＰＯＤＥ静态误差补偿办法、误差修币技术是计量测试与仪器制造领域的重要研究内容之一。它具有较４７第５章ＡＰＯＤＥ的误筹分析为显著的经济效益，能以低廉的成本大幅度提高精度，是误差理论的霞要研究内容。本设计的ＡＰＯＤＥ是在车问内对三维空Ｉ’Ｂｊ的零件形状、尺寸、位置等进行测量的。针对影响其静态误差精度最大的阿贝误差及测量误差．其措施有。讨。：１）对有限刚度造成的误差，应遵循合理的结构设计原则，如：最简单壕ｉ则，阿贝原则，基面统一原则等，按分配的精度指标设计各个部件：标准件的选择应充分考虑其在线检测的要求，如：震动，温差变化，灰尘等；使部件具有良好的工艺性，提高各零部件的加工精度：提高整机装配精度。２）系统误差的修正：对几何误差的修正主要采用基于刚体假设的误差修讵模型，通常为两种方法：空间网格法和误差合成法；对系统误差的补偿，除了按一定设计精度要求制造修诈导轨以及提高导轨副装配精度的补偿梁结构外，还可以采用软件补偿。与硬件补偿相比，软件补偿具有成本低、耗时少、补偿效果显著等优点，特别对于温度的误差补偿，几乎是唯一的一种方法。５．３ＡＰＯＤＥ动态误差分析与修正汽车冲压件在线检测的效率由检测设备部件的运动速度以及摄像装置软件点云图像的处理速度来决定。相比于前者，软件处理速度可以忽略。因此在检测设备部件高速运动情况下，动态误差对检测精度的影响不可忽略。５．３．１ＡＰＯＤＥ动态误差分析图５．４所示为ＡＰＯＤＥ示意图。桥框２和基座１为一体是固定的，Ｘ向工作台５沿基座ｌ上的导轨７可自由移动。当检测设备在Ｙ方向作加速运动时，主轴４连接部件（包括摄像机构，直线伺服电机，平衡汽缸）和滑架３等在内的所有运部件都会产生惯性力。这些惯性力会使这些部件变形。变形的大小与惯性力，即质量与速度的乘积成Ｊ下比，与构件的刚度成反比阳１。Ｚ轴驱动结构简图如图５．５所示。５．４ＡＰＯＤＥ示意图随着Ｚ向平衡气缸即摄像装置的位置发生变化，由Ｙ向滚珠丝杠驱动的整个Ｚ向机构的重心位置发生变化，由于Ｙ向驱动力通常与Ｚ向机构的总惯性力不作用在同一点上，二者之问存在着一定的阿贝臂，因此便构成了一个力矩＾ｌ，它使整个Ｙ向运动部件产生绕Ｚ轴的回转ｙｒｚ与绕Ｘ轴的回转ｙｒｘ，二者分别与总转矩Ｍ在Ｚ，Ｘ方向的分量平衡。相对于角度变化所产生的动念误差，构件线变形误差的影响几乎可以忽略。ｘ方向：采用中间驱动方式，阿贝误差较小；其运动相比于ＹＺ轴是相对独Ⅱ的，不会对ＹＺ轴产生误差传递。Ｚ方向：由于其驱动力与重力在一个方向上，阿贝臂很小，基本上没有角度动念误差。现重点讨论Ｙ方向上的动念误差。当Ｙ轴滑架带动Ｚ轴部件沿Ｙ方向加速运动时，由于Ｚ轴部件本身的有限刚度，滑架将产生绕Ｘ轴和Ｚ轴的各项偏转角误差一¨（图５．６）。１）．滑架绕Ｚ轴的俯仰角误差ｙｒｚ滑絮及绕Ｘ轴的偏摆角误差ｙｒｘ滑架；２）．Ｚ支柱弯曲造成的Ｚ支柱上端绕Ｘ轴的偏摆角误差ｙｒｘ移柱和绕Ｚ轴的俯仰角误差ｙｒｚ旁柱；３）．Ｚ向主轴与导轨扭转造成绕Ｚ轴的偏摆角误差ｙｒｚｔ轴和绕Ｘ轴方向的俯仰角误差ｙｒｘ卜轴。图５．５Ｚ向机构原理图滑集戮．≯≮＜：Ｘ啸；畏喊ｙ碹牲螽彬蜒ｒ飞蹬图５．６沿Ｙ向加速时偏转角误差５．３．２ＡＰＯＤＥ动态误差建模所谓数学模型，就是针对或参照某种系统内在的主要特征或数量依附关系，通过利用数学的概念、方法和理论深入的分析和研究之后，采用形式化的语言概括或近似地反映系统客观实际的一种数学结构ｍ刳，为了确定ＡＰＯＤＥ各项原始误差对ＡＰＯＤＥ进行测量时的精度影响，有必要对ＡＰＯＤＥ作一些结构上的简化和假设，导出其传递函数及各项误差的叠加关系式。５３．２．１单轴的误差计算模型首先做如下假设：当￡取极小角度值时，ＣＯＳ＝ｌ，ｓｉｎｅ＝占。已简化的模型和ＡＰＯＤＥ实际几何构件之间的差异并不影响对线位移及角位移误差的分析。角位移误差有很强的独立性，有效臂长对其有放大作用。除此之外，不易受其它误差的影响㈣，这罩我们以Ｙ轴与Ｚ轴之间的连接件来确定：平移误差与阿贝误差相关。该分析的方法是单独计算各种误差对摄像机成像平面中心空问位置４９ｓ＝［｜『；］慨９，肛豳慨㈣硝中［『｜；］（５．１１）因此只重点讨论Ｙ向滑架在加速运动时带来的动态误差勺。令Ｙ轴的平移误差铲圈慨埘‘＝圈慨㈣胪阴㈣㈣、．驴１］慨㈣５０第５章ＡＰＯＤＥ的误筹分析Ｐ，２Ｐ，一Ｐｇ＝ｌｙ一０ｌ（５．１６）【ｚ＋乞。－ｌ，ｊ斜ｗ胪刚剐引（５．１７）图５．７ＡＰＯＤＥ坐标不恿图由式（５．１７）可知，工，Ｙ，ｚ的值直接有标尺读出，ｌ＝，ｌｙ，Ｚ们Ｚ：之值由ＡＰＯＤＥｙｒｚ＝占。（５．１８）ｙｔｙ＝艿。（５．１９）式（５．１８）表示沿Ｙ轴加速运动时，ＹＺ连接件绕Ｚ轴的转角误差；式（５．１９）５．３．２．２单轴的误差表达方法的具体结构决定，因此要确切计算出Ｙ轴的总误差ｅ∥首要的是计算Ｙ轴的平移误差矢量和角旋转误差矢量。由于所有部件都是连续体，其变形也是连续的；Ｚ轴与Ｙ轴的连接件臂长较短，刚性较好，产生的附加变形可以忽略：Ｙ轴滑架带动Ｚ轴及其部件在Ｙ导轨上沿Ｙ方向加速运动，假定Ｚ轴处于最低位置，则摄像机成像平面中心位置将会产生绕Ｘ轴，Ｙ轴的旋转，并产生相应的位移误差嘲１（图５．８）。其变形与误差之间的关系为：表示沿Ｙ轴加速运动时，ＹＺ连接件沿Ｙ轴方向的线性位移误差。则：第５章ＡＰＯＤＥ的误著分析铲””料刚剐＝６。ｘ●艿，，●●＋１％艿。ｓ珏６ｙｘ七￡毒Ⅸ＋ｓ，１．／；＝二－；：ｘ：一ｔ］。５．２。，ｙｏ七ｓｙ３丙一￡ｙ心＋ｌｙ＋ｌｊ＝＼６瞪七￡眄ｌ。＋ｓ料ｚ＋ｓ眄ｌ丙一ｓＭｔｘ＋ｔｙ＋ｌｊ６蛇＋￡ｌ？ｚｔ试＋ｓ雌ｚ＋ｓｎＪｚｏ—ｓＨｂ＋ｌｙ＋ｌｊ由式（５．２０）可以看出，在Ｙ向加速运动时所产生的动态误差值可以有其相应的变形量得到。其实际上包含了三项单轴方向的动态误差，这罩只分析了沿Ｙ向加速运动时所产生的动态误差分量，Ｘ轴及Ｚ轴也有类似的误差效应。图５．８Ｙ向加速运动时Ｚ轴变形５．３．３减少ＡＰＯＤＥ动态误差的方法为了使ＡＰＯＤＥ获得满足汽车冲压件工艺检测要求的检测精度，必须尽量减小动态误差对检测精度的影响。其补偿与修正方法基于以下几个方面：１）．合理的结构设计合理的结构设计包括经济合理的系统精度分配原则及合理的调整公差的误差补偿方法惭１。经济合理的系统精度分配是将系统允许的总误差分配到各个零部件上，制定出具有较好工艺性的零部件公差及技术要求。合理的调整公差的误差补偿方法主要通过构件的自补偿。例如在导轨上添加嵌条。由于阿贝误差不可避免且对测量精度影响较大，为减小转角误差对摄像部件位置精度的影响，尽可能的使部件具有较高的对称结构；为降低ＡＰＯＤＥ对动态误差的灵敏度，尽可能减小从摄像部件到驱动电机的整个结构环的路径：对于构件在加速运动中的变形，除了一些标准连接件，如丝杠，轴承等弱刚度的连接以外，应尽量在对热传导和热膨胀等不敏感的部件使用较高刚度的材料，考虑到加速时较大的惯性力使部件所产生的偏斜误差，应使部件的质量尽可能的轻；最后，环境的干扰同样使得测量精确性降低，对于这种在工业现场工作的检测设备，振动是不可避免的，为此需要通过适当的设计措施（如隔震，适当的增大阻尼，运动控制等）予以减小。５２第５章ＡＰＯＤＥ的误筹分析２）．误差补偿若仅从ＡＰＯＤＥ构件的制造与安装上提高整体精度是有相当难度的，依据传统加工概念上的“母性”原则，ＡＰＯＤＥ的装配精度依赖于零件本身的加：ｆ精度，而零件加工精度依赖于更高精度的机床。即机床的精度要高于零件加工精度。采用这种方法满足精度要求，不但在经济上要付出相当大的代价，而且在技术上提升的空『自Ｊ也很小㈨３。但是误差补偿却弥补了这方面的缺点，它是在零部件精度和装配精度均不高的基础上提高设备的整体精度。由于ＡＰｏＤＥ结构类似于目前广泛使用的ＣＭＭ，因此可以采用其许多误差补偿理论。其中比较典型的有天津大学张国雄提出的三坐标测量机的准刚体误差修正模型。但是该方法只能修讵测量机的几何误差中的系统误差，而对几何误差中的随机误差、弱刚度结构引起的误差、动态误差和热变形误差不太适用。ＡＰＯＤＥ热变形误差主要有由于结构变形引起的垂直度、直线度误差，测量对象的热变形误差以及测量系统（光栅等）热误差引起的示值误差一引。前者属于复杂热变形误差，后者属于简单热变形误差。对于热变形误差修证，只有简单热变形误差有比较合适的模型，而复杂的热变形误差现在主要使用神经网络，通过实验方法测得若干点的温度作为输入，将要确定的角位移和线位移进行训练，从而用获得的输出与各个输入之问的函数关系式进行修ｊ下。ＡＰＯＤＥ动态误差修Ｊ下技术研究的核心是建立检测设备动态误差模型，即确定动态误差与检测设备的结构参数和运动参数的关系。同时在考虑到其空间性、实时性和时变性的基础上利用神经网络和事先测得的动态误差数据建立机体动态误差模型。本章小结首先论述了ＡＰＯＤＥ静态误差源。其次分析了各个运动部件在三个方向驱动力和惯性力作用下，传递到摄像机的位置动态误差，初步建立了单轴的误差计算模型，给出了单轴的总误差表达式；最后分析了减少ＡＰＯＤＥ动态误差的方法。第６章控制系统设计第６章．控制系统设计控制系统的功能是根据预定的方案，将上位控制系统做出的决策命令变成某种期望的机械运动，按照设定的轨迹得到确定的位移、速度、加速度等参数来实现对工件的测量。目前，运动控制系统的各个部件已经模块化，一个完整的运动控制系统通常由上位机、运动控制器、功率驱动装置、电机、执行机构和反馈检测装置（如测速机、光栅、限位开关等）等部分组成旧１，其结构框图如图６．１所示。上位机将人工输入的指令经分析、计算转变为决策命令以数字或模拟电压信号的形式送到运动控制器中，解释后输入给功率驱动装置，驱动器驱动伺服电机通过带动执行结构，就得到预期的运动形式。为了区别于本章分析中建立的坐标轴，定义在线检测设备的三个运动轴为Ｘ，Ｙ，Ｚ轴。图６．１三坐标测量机运动控制系统组成６．１运动控制系统的分类运动控制系统根据有无反馈装置，一般可分为开环、半闭环和闭环三种基本的控制方案州。１）开环控制系统无位置反馈装置，其执行电机一般采用步进电机。该系统最大的特点是控制方便，结构简单，经济。但由于机械传动误差无法经过反馈校正，所以通常用于位置精度要求不高的场合。２）半闭环控制系统位置反馈一般采用转角检测元件，直接安装在伺服电机端部。由于具有位置反馈控制，可获得相对较大的定位精度。由于大部分机械传动环节未包括在闭环环路内，因此可以获得较稳定的控制特性。丝杠等机械传动误差无法通过反馈校正，但可采用软件补偿的方法来适当提高其精度。３）全闭环控制系统采用光栅等检测元件进行位置反馈，可以消除从电机到被控单元之间整个机械传动链中的传动误差，得到较高的静态定位精度。但由于机械传动环节的摩擦特性、刚性和问隙均为非线性，并且整个机械传动链的动态响应时间与电气响应时间相差又特别大，因此整个闭环系统的稳定性校证起．来比较困难嘲”。第６章控制系统设计６．２控制系统功能ＡＰＯＤＥ的测量过程主要包括数据采集和数据处理。而控制系统主要完成数据采集的任务，其主要包括：１）实现对Ｘ、Ｙ、Ｚ轴的机械运动控制，使每个轴的运动平稳可靠，以保证每个轴的运动精度。２）保证按设定的空间轨迹进给，实现空间插补控制，自动完成测量任务。读取各运动部件限位器的状态，确保测量机在非正常的事件发生时自动保护传动部件和测头。３）读取Ｘ、Ｙ、Ｚ轴直线光栅的实测值，并输入反馈伺服控制系统，而且在需要的时候，将空间坐标采样读入。６．３总体结构目前，很多复杂的控制系统多采用主从式的二级控制结构归¨，客户终端操作在计算机中的人机操作界面完成，然后传达给执行机构。根据本课题检测没备功能要求，将设备的控制系统分成几个主要部分：工控机、运动控制器、伺服放大器、直流伺服电机、光栅、手持控制器组成。它们通过总线连接起来，构成一个分布式ＣＮＣ型设备控制系统。系统的结构如图６．２所示。，一工一控＾—＾慧钒。ｔ叫撬。蚓之乡卧瞥爿黼黼ｌ蚓竺皇蚓删－ｌｄ坝鞠蠡ｌｔ－－图６．２设备控制系统总体结构６．４部件选择随着控制系统模块化的发展，运动控制系统可以通过变换控制模块的组合状态使系统的性能达到最优。控制模块的选择要综合考虑部件的类别、加工工艺、控制特性、材料及客户要求等因素，才能达到较优的性价比㈣川。由于ＡＰＯＤＥ类似于机床的运动控制要求，需要满足对轴的控制（单轴或多轴联动），这是一个运动控制系统的重要组成部分。为了达到上述目的，就需要在充分理解电机、检测设备的机械部件与其执行机构部件之Ｉ’日Ｊ的关系上选择各个模块。５５第６章控制系统殴计６．４．１直流伺服电机直流伺服电机在现代运动控制系统中得到了广泛的应用，相对于交流伺服电机．直流伺服电机具有较大的启动转矩，较小的转动惯毓，较好的可控性、调速性等优越的机械特性。由于在线检测设备对系统的启动性能要求比较严格，Ｘ，Ｙ轴向传动采用了直流电机驱动。１）计算负载惯量Ｘ向传动系统采用了直流伺服电机通过联轴器带动滚珠丝杠螺母副做旋转运动，滚珠丝杠螺母副带动工作台在滚动导轨上实现沿Ｘ轴方向的直线移动．因此，等效到直流伺服电机轴上的负载总惯量包括联轴器的旋转惯量，滚珠丝杠螺母副的旋转惯量以及工作台等轴向移动物体的惯量的线性叠加之和”‘。（１）滚珠丝杠，芯形弹性联轴器绕其中心轴旋转，其惯量计算式为：Ｊ：ｐ—ｎ，ＨＤ—４’３２（６．１）式中：夕一材料密度（ｋｇ／ｍ３）：卜圆柱体直径（ｍ）：卜圆柱体长度（ｍ）：具体到本课题，滚珠丝杠参数：Ｈ，圭７６１ｒａｍ，Ｄ，＝４０ｒａｍ；芯形弹性联轴器参数：Ｈｆ＝２４ｍｍ，Ｄ，＝２５ｍｍ，ｐ＝７．８ｘ１０３ｋｇ／ｍ３带入得：滚珠丝杠转动惯量为：Ｊ，＝７．８ｘ１０３×／ｔ＂×０．７６１×０．０４４÷３２＝１．４９２×１０—３ｋｇｍ２联轴器转动惯量为：Ｊ，＝７．８ｘ１０３×万×０，０２４ｘ０．０２５４÷３２＝７．１７９×１０－６ｋｇｍ２（２）工件、工作台沿Ｘ轴方向导轨的直线移动，惯量计算式为：．，＝鸳４万２（６．２）式中：卜工件、工作台的重量（ｋｇ）；卜滚珠丝杠导程（ｍ）：工件、工作台直线移动惯量为．ＩＪｒ＝６５×０．０１２２÷４÷万２＝２．３７×１０１４ｋｇｍ２２．计算负载转矩负载转矩的计算公式因传动系统选用的传动方式及构件而不同，但最后都必须求出折算到电机轴上的负载转矩。对于滚珠丝杠螺母副传动，折算到直流伺服电机轴上的负载转矩公式为：ＭＬ－丽ＦＬ＋Ｍ。（６．３）式中：，７一传动系统的效率；Ｆ一工件、工作台所受的轴向力；Ｌ一滚珠丝杠导程（ｍ）；Ｍ。一丝杠螺母和轴承部分的粘滞阻尼力产生的转矩值（Ｎｍ）；折算到Ｘ轴传动系统电机轴上的负载转矩为：第６章控制系统设计Ｍ。：—４２１×—０．０１２＋０．１５；０．９５＾锄‘２×７／＂×ｌ折算到直流伺服电机轴上的负载惯量‘，，．的大小将直接影响直流伺服ｒｃ！机的灵敏度以及整个伺服进给系统的运动定位精度。当负载惯量Ｊ，．小于直流伺服电机本身的转子惯量以时，上述影响几乎可以忽略；但当负载惯量以大于等于直流伺服电机本身的转子惯量－，。的５倍，此时将会严重影响直流伺服电机的灵敏度和对系统的响应时间ｍ１。电机惯量以通常情况耿值为：‘≤以＜５‘：又‘＝‘＋正＋以＝１．７３６ｘ１０－３ｋｇｍ２则有１．７３６ｘ１０－３≤Ｊｓ＜８．６８ｘ１０．３工件、工作台直线运动的最大加速度：口：旦＝丝：６．４聊／ｓ２口＝一＝一＝，＂，Ｓ’肘６５可得电机功率为：一，，ｐ＝Ｍ￡ｘ÷×２ｚ．厶借鉴Ｍｉｃｒｏ－Ｈｉｔｅ３Ｄ系列最大运动速度是：ｖ＝３００ｍｍ／ｓ；贝４电机功率为：ｐ：０．９５×型×２万：１４９．８７ｗ１２（６．４，转速为：靠：６０×兰：６０×３００：１５００，．／ｍｉｎ６．４．２伺服放大器伺服放大器在直流伺服电机驱动中担任着重要的角色，它是将从控制器中发出的弱电控制信号经过转换、放大成强电信号以后用来驱动直流伺服电机的，在控制器和直流伺服电机之问起着桥梁的作用。伺服放大器主要有线性和脉宽调制（Ｐ删）两种类型‰１，由于是线性放大，前者的驱动功率比较低，一般在ＩＯＯＷ以下；而后者的驱动功率却可以达到几百瓦左右，因此大功率驱动的情况下，～般会选择脉宽调制放大器。表征放大器的主要特征参数有：伺服放大器最大供电电压、峰值电流以及连续电流。一般情况下，选择伺服放大器时除了其电气参数（比如电感，带宽等）必须与伺服电机的各项性能参数匹配之外，其最大供电电压必须大于电机在加速时产生的峰值电压。选用了ＣＭＣ公司的ＰＬＡＴＥＦＯＲＭ３５０系列的３５１５电机瑚’，则Ｘ方向传动系统所需的峰值电压为：‘‘５７第６章控制系统设计圪：—Ｋｒｘ—ＲＰＭ＋丝堕＋％‘”１３５０Ｋ，。。５（６．５）其中：Ｋｒ一电机力矩常数ＯＺ—ｉｎ／Ａ，ＲＰＭ一电机转速ｒ／ｍｉｎ，Ｍ，一Ｘ轴方向传动折算到电机轴上的负载转矩ＯＺ—ｉｎ，Ｒ。一电机绕组电阻、电刷阻抗Ｑ，圪一电机电刷压降ｙ。根据３５１５电机的性能参数以及本课题实际情况，各参数取值如下：Ｂ＝１．２６１ｂ—ｉｎ／Ａ＝２０．１６０ｚ—ｉｎｌＡ，电机最高转速ＲＰＭ＝１５００ｒｌｍｉｎ．Ｘ轴方向传动折算到电机轴上的负载转矩Ｍ，＝０．９５Ｎｍ＝１３４．５３５０ｚ—ｉｎ，电机绕组电阻、电刷阻抗凡＝０．８４．０．，电机电刷压降％＝２Ｖ，带入式（６．５）得：。。矗ｖ．－巡１３５０＋丝Ｋ堕Ｔ＋％：—２０．１６ｘ—１５００．４．－．！塑：！！！兰Ｑ：坠．４．－，‘＝…一１３５０２０．１６＝３０矿Ｚ（６．６）、、，・ｖ，则其输出的峰值电流为：Ｌ：丝；—１３４．—５３５：６．６７３Ａ２０．１６”疋综上可知，其ＰｗＭ直流电机伺服放大器型号及各主要参数表６．１所示。表６．１伺服放大器型参数伺服放人器峰值电压１０Ａ１００６０Ｖ２０ＡｌＯＡ峰值电流工作电流最小负载感应系数２００开关频率３３ＫＨｚ：ｌ：作温度Ｏ。Ｃ—６５。Ｃ６．４．３ＰＭＡＣ运动控制器ＰＭＡＣ全称可编程多轴控制器（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＭｕｌｔｉｐｌｅ－ＡｘｉＳＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）。Ｐ姒Ｃ是美国ＤＥＬＴＡＴＡＵ公司于１９９１年推出的Ｐｃ机平台上的运动控制器，具有完全开放的系统环境。ＰＭＡＣ实际上是一台独立的微型计算机，其本身具有独立的内存和进行各种运算操作的能力阳引。ＰＭＡＣ的ＣＰＵ主要采用了Ｍｏｔｏｒｏｌａ的ＤＳＰ５６００１芯片，其与Ｐｃ机的ＣＰＵ构成主从式双ＣＰＵ结构实现灵活控制。上位机的ＣＰＵ主要负责处理人机界面输入、实时监控等系统管理工作；而下位机ＣＰＵ主要用来负责实时处理所有运动控制的细节，例如升降速计算、行程控制和多轴插补等。通常情况下不占用任何内存资源。ＰＭＡＣ可以同时控制８根完全独立的轴，因此一块ＰＭＡＣ可以同时操纵８台不第６章控制系统设计同机器的８个单轴，或者两者之间的任意组合。一台Ｐｃ机上可以同时插入４块ＰＭＡＣ卡，因此一台ＰＣ机可以最多控制３２根轴。另外ＰＭＡＣ内置的Ｐ１．Ｃ能够１．Ｊｌｔ，ｔ支持３２个异步ＰＬＣ程序，其非专用的Ｉ／Ｏ口，用来完成控制面板的操作、位置反馈和手持控制器等的输入输出控制。基于以上分析本课题ＡＰＯＤＥ采用了ＰＭＡＣ运动控制器。６．５运动控制系统建模及仿真ＡＰｏＤＥ具有两个独立运动的轴ＸＹ，再加上Ｚ轴直线电机的Ｚ向移动，从而可使测头在空间任一点对汽车冲压件进行扫描或点接触３Ｄ检测。由于测量的目的是为了获取冲压件在空间的３Ｄ坐标值，这些点坐标的精度依赖于各轴直线运动的精度，因此，轴的运动精度是保证测量精度的基础。另一方面，无论是扫描测量还是接触测量，摄像机或测头的轨迹都是点位运动，因此，电机的频繁启停是不可避免而且是必要的。电机在外在负载变化下的转速变化不但影响轴的运动精度，而且对整个检测设备的动态误差也有一定的影响。因此，优化电机在外在负载下的启动性能是重要而且必要的。６．５．１直流伺服电机建模根据直流伺服电机的工作原理和基尔霍夫定律，由图６．３直流电机的控制结构图可列出电枢回路的平衡方程。电压平衡方程为：”（ｆ）：Ｒｉ（ｆ）＋￡望掣＋“ｆ）（６．７）转矩平衡方程为：－，警＋ｆｃｏ（卅州ｆ）．刚ｎ（６．８）由电磁感应关系得电机反电势：Ｐ（ｆ）＝ｅ国（ｆ）（６．９）式（６．７）、（６．８）、（６．９）中，Ｐ（ｆ）为电机反电势，Ｇ转矩常数，ｅ反电动势常数。若以转角ｐ为输出量，则选取状念变量Ｘｌ＝ｆ，Ｘ２＝缈，屯＝０，输出Ｙ＝０＝ｘ３代入式（６—７）、（６—８）、（６－９）经整理得系统空间状态表达式为：５９第６章控制系统设计拈一兰毛一导”三“工Ｉ２一了毛一—产工２＋７“．‘Ｊ』Ｊ．‘Ｊ枷争矿吾屯一等“（６．ＩＯ）●ｘ３＝乇ｙ＝屯一矩阵形式为：●＾一垒０ｌ—Ｈ●０屯卢｜Ｚ一数，＝ｌｏＩ｝ｊ（６．１１）●一乡仉｜Ｏ屯ＩＯ‘ｌＪ控制系统的结构图如图６．４所示。由以上计算可知，Ｘ方向传动系统选用了美国ＣＭＣ公司的Ｐｌａｔｅｆｏｒｍ３５００系列的３５１５电机㈨１，其参数表６．２所示。ＭＬ∞，图６．３直流电机的控制结构图图６．４控制系统结构图表６．２３５１５电机参数电枢同路电枢同路转矩常数反电动势粘性摩擦旋转部分转动电阻Ｒ电感Ｌｃ＿常数Ｃ系数，惯鼍Ｊ０．８４Ｑ０．００１２６Ｈ０．１４２４Ｎｍ｜Ａ０．１４２ｙ／ｒａｄｏ・１ｍ玎７朋Ｊ：１・７３６入１０一３劬：第６章控制系统设计６．６运动控制系统仿真实际研究中，阶跃输入对系统来讲是最恶劣的情况，许多输入与阶跃输入非常相似，并且从系统对单位阶跃输入的响应可以比较容易得到对任意输入的响应，而且阶跃信号也比较容易获得，因此在通常情况下，系统的性能指标有对单位阶跃输入的响应给出，为此，研究电枢电压的单位阶跃响应是必要的。６．６．１电机空载的单位阶跃响应由图６．４所示控制系统结构图可知，当外负载Ｍ，（ｆ）输入为０，即单独有”（ｆ）输入时，为研究方便，以电动机的转动速度ｃｏ（ｔ）输出为受控量，在ＭＡＴＬＡＢ中模拟电动机在无负载下阶跃响应啪１，程序清单为：Ｒ＝Ｏ．８４：Ｌ＝Ｏ．００１２６；ＣＭ＝Ｏ．１４２４：ＣＥ＝Ｏ．１４２：ｆ＝Ｏ．１：Ｊ＝Ｏ．００１７３６：％设定变量并赋值ｎＵｌＩＦ［ＬＲ］：ｄｅｎ＝ＥＪｆ］：…。Ｇ１＝ｔｆ（Ｃ地ｎｕｍ）：．Ｇ２＝ｔｆ（１，ｄｅｎ）：％前向通道传递函数ｐｒｅＧ＝ｓｓ（Ｇ２）木［１３１。１］：ｐｒｅＧ＝ｆｅｅｄｂａｃｋ（ｐｒｅＧ，ＣＥ，１，１）：％闭环系统传递函数ＳＭ＝ｔｆ（ｐｒｅＧ）；Ｓｔｅｐ（ｐｒｅＧ（１））由此得到系统传递函数为Ｇ，（ｓ）：型：一ｊ盟塑一，。”＠）Ｊ‘＋７２４．３ｓ＋４７６５０Ｇ，０）：盟：下翌壁塑坠殳Ｌ。则系统在空载下的单位阶跃响应曲线如图６．５示，。ＭＬ（ｓ）ｓ‘＋７２４．３ｓ＋４７６５０可知其调节时间为０．０３２９，上升时间为０．０１８１，稳态值为０．８６４Ｏ．ｏＯ．７耋吼５量Ｏ．３ｏ．＇图６．５电机空载单位阶跃响应曲线６．６．２电机负载的阶跃响应为了迸一步改善电机的阶跃响应参数，增加对负载扰动的抑制作用，现增第６章控制系统设计加－－Ｌｔ例环节Ｋ，设定电机转速输入“（ｓ）＝１，控制系统结构图６．６所示。图６．６比例环：１了的控制系统框图不妨设定Ｋ－－－０．７３２，引入外负载Ｍ￡（，）一０．２Ｎｍ扰动时，电机在外载变化下的输出ｃｏ（ｔ）（图６．７）值变化为一Ｏ．６，可知输出严重偏离期望值。因此增加前导比例环节不能很好的在较短时间内将电机转速恢复到给定值，因此其抗外在负载变化的能力不够理想。图６．７增加比例环节后输出响应为了提高系统的抗干扰能力，在系统输入端增加了一积分环节（图６．８），可以很好的消除系统的稳态误差，使输出值即使受到外载干扰的情况下也能迅速恢复到期望值，以保持电机输出转速的稳定。程序清单为：Ｒ＝Ｏ．８４：Ｌ＝Ｏ．００１２６：ＣＭ＝０．１４２４：ＣＥ＝Ｏ．１４２：ｆ：０．１：Ｊ＝Ｏ．００１７３６：％设定变量并赋值ｎｕｍ＝［ＬＲ］：ｄｅｎ＝［Ｊｆ］：Ｇｌ＝ｔｆ（ＣＭ，ｎｕｍ）：Ｇ２＝ｔｆ（１，ｄｅｎ）：％前向通道传递函数Ｇ３＝ｓｓ（Ｇ２）木［Ｇ１，１］：ｔｏＧ：ｆｅｅｄｂａｃｋ（Ｇ３，ＣＥ，ｌ，１）：％闭环系统传递函数ＳＧ＝ｔｆ（ｔｏＧ）：Ｓｔｅｐ（ｔｏｇ（１））；％绘制空载阶跃响应曲线ｋ＝Ｏ．７３２：ｔ＝Ｏ：０．１：１２：％设定外负载扰动时间ＭＬ＝一０．２水（ｔ＞４＆ｔ＜８）：ＩＮｓｇ：［ｏｎｅｓ（ｓｉｚｅ（ｔ））：ＭＬ］：６２第６章控制系统设计ｓｔａｉｎ＝ｔｏＧ＊ｄｉａｇ（［ｋ，１］）：％引入静态增益ｌｓｉｍ（ｓｙｓ，’ｂ木’，ｓｔａｉｎ，ｔ）％绘制系统在外载扰动下的曲线ｇｆ＝ｔｆ（１，［１０］）：％引入积分坏节ｓｙｓ＝ｆｅｅｄｂａｃｋ（ｔｏＧ＊ａｐｐｅｎｄ（ｇｆ，１），ｌ，ｌ，１）：％闭环系统传递函数Ｉｓｉｍ（ｓｙｓ，’ｂ术＇，ｓｔａｉｎ，’．’，ＩＮｓｇ，ｔ）图６．８增加积分环‘例空制系统框图由图６．９增力ｎ－ｆｉ；Ｊ导积分环节和反馈环节后的控制系统输出曲线可以看出，与采用全负反馈之前的系统相比，在外负载变动情况下，电机轴的角速度输出曲线保持了较好的稳定性，再加上系统单位阶跃反馈时较优的特征参数，完全可以满足汽车冲压件在在线检测时所要求的电机频繁启停的要求，不但消除了系统的稳念误差，而且对整个ＡＰＯＤＥ的动态误差也有很好的抑制作用呻３。怎图６．９增加积分／反馈环：岿后的输出响应本章在分析ＡＰＯＤＥ运动控制系统的功能和结构的基础上，提出了采用工控机关键部件进行了计算和选型；通过对ｘ向运动控制系统的建模与仿真，获得了本运动控制系统的电机在外在负载变化下输出角速度的动念性能，通过对系统采取不同的控制策略进一步改善了电机的启动性能，使其能够满足Ａ１１０ＤＥ在线检测时需要电机频繁启停的动态要求。６３６．７本章小结＋运动控制器的主从式的二级全闭环控制结构；然后对ＡＰＯＤＥ的Ｘ向传动系统的第７章结论与展望第７章结论和展望７．１工作总结基于光学扫描原理，将以逆向工程的点云获取方法和３Ｄ对齐比较技术应用于本课题的ＡＰＯＤＥ增强了冲压件检测的全面性，准确性和可靠性：减少了检测人员的劳动强度，提高了检测效率，完善了企业零部件加工质量数据库，为企业产品的数字化集成奠定了理论基础。主要完成的研究工作概述如下：１）ＡＰＯＤＥ工作原理。在分析了设备检测原理的基础上，基于３Ｄ点云对齐技术，阐明了在线检测设备的总体结构、参数及功能。２）ＡＰＯＤＥ主机结构设计。从设备使用车间现场环境入手，通过对常用三坐标测量机ＣＭＭ的结构和功能的分析，归纳出了设备的总体设计结构方案，根据振动标准设置了隔振底座。对设备各关键部件进行了详细设计，在ＵＧ中建立了样机的三维数字模型，进行了装配干涉和检查。３）基于ＡＤＡＭＳ的设备仿真分析。为了提高样机的抗振特性，将精密仪器上常用的两种导轨副：空气静压副和滚动副导轨进行了抗震特性比较分析。然后为了减小测量机构的动态误差，将模型参数化并进行了动力学仿真，进一步优化了设备的动态特性。４）ＡＰＯＤＥ静态和动态误差分析与修正。首先论述了ＡＰＯＤＥ的静态误差源。其次分析了检测设备各个运动部件在三个方向驱动力和惯性力作用下，传递到摄像机的位置动态误差，初步建立了单轴的误差计算模型，给出了单轴的总误差表达式；最后分析了减少ＡＰＯＤＥ动念误差的方法。５）检测设备数控系统的设计。首先论述了数控系统的总体结构设计，关键部件的选择；然后利用ＭＡＴＬＡＢ软件进行了数控运动仿真，分析了电机在外载变化下的启动性能，从而通过改变控制策略，使电机的启动性能达到最优。主要创新点如下：面对当前汽车冲压件检测的弊端和缺点，在充分分析了传统三坐标测量机的结构和工作原理的基础上提出了一种新的基于逆向工程３Ｄ对齐技术以及与扫描检测相结合的新型汽车冲压件在线检测设备，完成了导轨振动分析选择以及样机机构参数化优化分析，最终建立了样机的３Ｄ数字模型，为后续研究提供了理论基础。第７章结论与展望７．２工作展望该文对ＡＰＯＤＥ进行了初步设计研究，包括主机关键部件的结构设计、运动仿真、误差分析以及控制系统设计等。但限于本人能力以及时间的限制，还有不足之处尚待进一步深入和完善。１）由于ＡＰＯＤＥ用于在线检测，车间振动对设备检测精度的影响不能忽略，对整机结构的二自由度振动有待进一步分析；对一些关键部件，比如横梁，还有待进一步细化结构，进行力学变形分析，优化设计。２）ＡＰＯＤＥ的Ｙ、Ｚ轴运动控制系统还需要进一步的细化和完善，包括硬件的选择计算，控制策略以及控制系统软件的歹ｆ：发等，都有待进一步补充完善。童致谢致谢我首先要感谢的是柳和生老师和饶锡新老师对我三年来的耐心教诲，没有他们的关爱和指导，要完成本论文是不可能的。也Ｊ下是这两位恩师带我踏入了科研的殿堂。在科学研究上，他们以渊博的知识、高度的责任感以及一丝不苟的求实精神深深影响着我，成为了我以后人生道路上一笔宝贵的财富，同时也让我感觉自己是如此的幸运，在人短暂的一生中能够遇到他们。在学术上，他们以自己敏锐的洞察力、严谨的治学态度、高尚无私的品格与个人魅力深深打动着我，给予我在以后科研求学的道路上树立了榜样和目标。我会把这一切都装进背包里，无论以后我走到哪里我都会把它带在身边。其次要感谢的是我的小师弟们，他们为本论文的研究提出了许多宝贵的建议和无私的帮助；他们共同营造了一个和谐关爱的环境，使我能够快乐的学习和生活。最后要感谢我年老的双亲，他们给予了我所能给予的一切，用无法言说的爱包容了我一切的过失和过错，在他们的目光里让我自由的飞翔。感谢上帝让我遇到了这么好的恩师和挚友，从而也让我这么愚钝的人能够有幸向他们道声珍重：谢谢！祝福您们永远幸福安康。何康２０１０年６月参考文献参考文献【１】曾令云，干焕然．汽车焊接７Ｆ体尺寸精度控制（一）【Ｊ】．电焊机，２００１（４）：２８—２９．【２】Ｍｏｄａｙｕｒ，Ｌ．ＱＳ．ＡＣＡＤ－ｂａｓｅｄｓｙｓｔｅｍｆｏｒａｕｔｏｍａｔｅｄｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｏｆｍａｃｈｉｎｅｄｐａｒｔｓ【Ａ】．Ｉｎ：【Ｃ】．ＲｅｌｅｉｇｈＮＣ，１９９２．【３】Ｈａｍｂｌｉ，Ｒ．Ｍｅｔａｌｆｌｏｗｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇｓｈｅｅｔ－ｍｅｔａｌｐｕｎｃｈｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｕｓｉｎｇｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ【Ｊ】．ＴｈｅＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７（１１）：ｌ１０６一ｌｌ１３．【４】Ｋｏ，Ｔ．，Ｐａｒｋ，Ｊ．Ｏｎ－ｍａｃｈｉｎｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｕｓｉｎｇａｎｏｎｃｏｎｍｃｔＳｅｎｓｏｒｂａｓｅｄｏｎａＣＡＤｍｏｄｅｌ【Ｊ］．ＴｈｅＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７（７）：７３９—７４６．【５】曹春梅．虚拟设计在机械行业具有广泛的前景【Ｊ】．机械制造与自动化，２００４（５）：１－４．【６】李粤，张永波．虚拟样机的内涵及其在机械产品开发中的实现【Ｊ】．华南热带农业学院学报，２００６，１２（１）６４’６９．。ｚｆ７】ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．０２０１７．ｎｅｔ／ｐｒｏｄｕｃｔ／ＣＥｈｔｍｌ【８】朱止德．汽车覆盖件检具的原理及应．｝｝ｊ【Ｊ】．工具技术，２０００，１０（１）：７８—８１．【９】Ｃｅｃｉｌ，Ｊ．，Ｋａｎｃｈｍｍｐｉｂｏｏｎ，Ａ．Ｖ＇ａｔｕａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｒｏａｃｈｅｓｉｎｐｒｏｄｕｃｔａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｄｅｓｉｇｎ［Ｊ］．ＴｈｅＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７（９）：８４６－８５６．ｏ】ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｄｏｃｉｎ．ｃｏｍ／ｐ－３５４８５３３８，ｈｔｍｌ１】ｈｔｔｐ：／／ｂａｉｋｅ．ｂａｉｄｕ．ｃｏｒｎ／ｖｉｅｗ／１０５９８．ｈｕｎ２】ｈｔｔｐ：／／ｂａｉｋｅ．ｂａｉｄｕ．ｃｃ唧惭∞ｙ／１３６９６．ｈｔｍ＃１３】ｈｔｔｐ：／／ｗｅｎｌｍ．ｂａｉｄｕ．ｃｏｍ／ｖｉｅｗ／ｃ８１５６ｃ３２３１１２６代ｌｂ６ｎａｌ０１８．ｈｔｍｌ４】ｈｔｔｐ：／／ｂａｉｋｅ．ｂ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