记三坐标测量机设计经历
罗罗，我听说你最近在做三坐标测量机？ 是的。你怎么知道的？ 我看你们最近都在开会，而且是固定周三。 对，就是那个会，烦得很。 三坐标测量机精度很高吧？ 是的，目前世界上最高精度的，是蔡司XENOS，其宣称精度达到Ex,y＝（0.3+L/600）um。 但是，他们讲解时说，实际测量，可以达到（0.15+L/600）um。 这么高的精度，那速度是不是很低？ 也不低，运行检测速度可以到150mm/s。空跑更是到200mm/s。 但是我听说，市场占有率最高的是海克斯康，不是蔡司，是这样吗？ 没错。 海克斯康技术不是最牛的，但是他们善于把握市场。 他们把客户分成不同的等级，根据不同的客户需求，设计出他们需要的机器，所以他们的客户面很广。 而蔡司更专注于技术，主要做高端市场，所以才有了这种市场局面。 那，你们如何定位，去和他们竞争？ 这个问题，问得很好。 如果是我来定位，首先会研究客户需求。 比如，走访正在使用三坐标机的用户，收集他们使用过程中，经常抱怨的地方，例如不方便，不人性化，不自动化等一些问题。 问问他们，使用过程中，有哪些问题是没有得到解决的，问题是否普遍，是否够痛苦。 然后一层一层分析下去，找到一两个客户最痛的点，作为研发产品驱动力。 或者，看看用户在哪一方面的测量需求，没有被现有的测量机所满足。 比如，专门测量某一类型的零件，但是因为测量设备供应商，看不上这种小市场，而放弃没有做，那我觉得，也是极好的机会。 然后呢？ 然后，分析我们的优势是什么。 把精力集中在，怎么结合自己的优势，去满足客户最痛的点上。 这是我想到的。 可惜，这个我说了不算，老板说了才算。 那你们最后的决策是什么，准备做一台什么样的设备？ 这个嘛，你知道的，目标当然是世界第一精度，也就是Ex=Ey=（0.3+L/600）um, Exy=(0.6+L/600)um。 我说了，我做不了主，老大定了，我们就照做。 这么高的目标，你们确定的优势是什么？ 优势是光学检测系统。 用我们自己开发的2D、3D、Ra光学检测系统，搭配高精度XYZ运动平台。 明白了，你们的设计进行到哪一步了？ 还在做方案。 其实，这个项目去年就开始了，中间经过了很多次的改动，目前概念如下图。你们是如何得出现在这个概念的？ 参考竞争对手的设计，并结合内部的技术，得出的。 这个图是什么原理，你可以解释一下吗？ 没问题。 整体结构上来看，分为外框和内框，外框是受力架，内框是测试架。 内框通过空气弹簧，支撑在外框上，空气弹簧用于衰减外部的振动。 Y轴：X轴花岗岩导向横梁，通过Y空气轴承，支撑在测量架上，可被位于受力架两侧的直线马达驱动，沿Y方向运动。 X轴：X轴框架，也通过空气轴承，支撑在X导向横梁上，驱动它的X马达，用线性导轨浮动在X导向横梁上。X轴马达反力，可以通过右侧导入到受力架上，避免了对内框的振动影响。 Z轴：Z运动模块，通过顶部的绳气缸平衡，Z轴也用空气轴承支撑，用固定于X框架顶部的线性马达驱动。 测试架上面，搭载了一个光栅尺架，用热稳定性好的因瓦材料做，避免测量基准因为热的问题，而产生太大的变形。 XY轴光栅尺，布置在光栅尺架上。 Y光栅尺两侧各竖直放置一个，另一个水平放置在光栅尺架的顶部。 X轴一根光栅尺放在光栅尺架底部上，另外两根垂直布置在光栅尺架前后侧面上。 为什么这样布置？有什么好处？可以参考我在《如何使用1DPlus光栅尺，实时监测运动平台的姿态？》中的说明。 等一下，你说得太多了，我要好好回放一下。 好吧，我等你。 好了。关于参考对手，可以说得具体一点吗？如何参考的？ 好的，没问题，这里我就多说一点。 好的，你说吧，我听着。 主要从以下几点出发。 1.从整机结构方面分析。对手主要是两种结构，固定桥式和移动龙门架式，两种结构各有优缺点。 固定桥式：Y轴在最下方，可以搭载检测工件。X轴导轨，支撑在左右两根花岗岩立柱上，Z轴搭建在X运动的框架上。 固定桥式的好处是：X轴上直接挂Z轴，不需要做Y方向运动，所以X轴上载荷小，但是Y轴上需要放置工件，在不同的工件质量，和工件放置位置的时候，都需要保证导轨的刚性，或者需要检测工件平台的姿态，以免影响精度，或者做补偿。这种结构Y轴载荷小。 移动龙门架式：和固定桥式不同，移动龙门架式的Y轴，架在左右两边支撑的立柱上，下方的检测放置平台不做运动，X搭建在Y轴上，Z轴搭建在X运动的框架上。 移动龙门架式的好处是：工件放置台没有Y方向的运动，取而代之的是，检测轴在XYZ向做运动，此结构对工件的不同重量，和放置位置不敏感，载荷大。缺点是测头Y向移动引入误差，需要做足此向刚性。 此两种结构，虽然各有优缺点，但都能做到（0.3+L/600）um的精度。 基于此，我们也做了两种方案，既固定桥式和移动龙门架式。 通过CAE团队的努力，分析两种方案，包括模态和瞬态分析，得到测量点与被测量点之间的误差，龙门架式误差更小，最终决定采取移动龙门架式。 2.从各个运动轴的构成分析对比。 比如轴的用料、何种驱动、传动、导向方式、光栅尺的位置等分析。机器的减振避振策略分析。 比如材料：通常工作台和立柱以及导轨面，采用花岗岩或者碳化硅，也有用高刚性和快速振动衰减特性的铸铁FCD600。 比如驱动：直流伺服马达＋无间隙滚珠丝杠；直线马达驱动；钢带驱动；同步带驱动等。Z轴根据不同配置可能有重量平衡器。 比如导轨：高精度测量都用空气轴承，低精度可以看到线性导轨。 比如光栅尺：高精度都采用近零膨胀系数，高分辨率的微晶玻璃光栅，同时放置的位置尽量靠近测头，减小阿贝误差。 比如减振：都采用主动减振系统。 3.与竞争对手技术交流，并到对手机器现场学习。 邀请竞争对手做技术分享会，报价等。并在合适的时间，去对手机器所在地，现场观察，演示学习等。 4.成本分析。 根据对手报价，及询问我们公司已有的对手机型，机器的构成部件等分析机器成本。 5.对手的机器模型重构，模态、瞬态分析。 根据现场拆卸，测量，拍照等数据采集，重构对手模型，并做模态，瞬态分析，热分析等，得出对手机器测量点和被测量点之间，相对位移数据。 好的，你说得挺详细的。 不过，我还想问一下，关于XYZ平台的设计，你们主要有哪些设计要点？ 好的，下面我就来谈一谈。 第一，光栅尺独立于运动平台。 因为光栅尺是基准，所以光栅尺放置，要跟运动轴导轨分开，避免导轨的形变引入过大的误差。 比如说，Y方向的运动轴，光栅尺是单独用因瓦材料结构作为支撑，同时X轴光栅尺，也是支撑在这个因瓦结构上面。 这样就保证了基准变形最小。因为当下面的运动平台，运动到不同的位置时，不会因为导轨发生变形，而产生光栅尺过大的变形。 同时，因为独立于我们的运动轴导轨，光栅尺的安装结构件，可以用对热不怎么敏感的因瓦材料。 这样光栅尺就不会因为温度的变化，产生过大的形变，或者热膨胀位移。 第二，光栅尺尽量靠近被测物体，减小阿贝误差。 比如说X轴上，我们用了三条1D plus光栅尺，两条竖放，一条水平放置水平。 水平放置那一条是在最下端，垂直放置的两条是在光栅尺横梁的两侧。 所以说，我们X轴的位置检测，是用最下面的那条光栅尺，因为它跟我们的检测头是距离最近的。 再比如说Z轴，我们也布置了两条光栅尺，分别贴在垂直的导轨两侧。 这样做的目的，是为了检测Z导轨的姿态，因为我们是用光学去拍照，所以说光学中心，要跟主光栅尺中心对齐，也是为了尽量减小阿贝误差。 虽然从结构上来说，看起来有一点奇怪，但是我们的刚性是满足要求的，是OK的。 第三，运动部件质心要跟驱动力中心对齐。 设计结果是，Y向用四个马达，X轴用两个马达，Z也是两个马达。 为了减小甚至消除振动，运动质量中心，需要跟力中心对齐。 我们对XYZ轴，都运用了不止一个马达的驱动。 比如X轴， 因为Z运动平台，会在Z方向不停地运动，这样就导致X运动平台的重心，会不断地变化。所以，我们至少需要两个马达，才能将驱动力中心，跟X运动质量中心对齐。当然，这里在控制上，使用了虚拟旋转中心，通过不同的力配比，使得结构不会绕虚拟中心旋转。 同理，Y轴也是一样的道理，因为Z的运动质量，以及X运动质量，是在不停地变化，所以，Y轴两边的力配置不一样。 同时，在Z方向上，运动质量在变化，为了把驱动力跟运动质心对齐，所以说，一侧需要配置至少两个马达，才能覆盖Z运动导致的质量变化，结果就用了一边两个，共4个马达，目的就是要做出这个概念。 第四，运动线（Moving Cable）的力平衡轴设计。 因为我们的运动平台，对力波动比较敏感，所以，我们专门设计了一个运动轴，来拖动主轴的运动线。 这一设计被运用在X轴和Y轴，因为X轴和Y轴上面的线比较多的，如果说不去做一个运动轴,来推动这个运动线，那么主轴在运动的时候,就会产生比较大的一个力波动。 这会对我们的精度带来影响，所以，我们专门设计了这样的一个运动轴。 当然，在设计的时候，我们也提出了两种的设计结构。 第1种，就是传统的同步带拖动结构，第2种，是用欧米茄式同步带来驱动，两种结构的最大区别在于，后者可以提供更高的刚性，可以提供更长的行程，更适合我们的运用。 当然，我们也考虑到，可能普通的AC伺服马达，跟不上主轴运动，所以也做了另外一个设计，就是用线性马达，去拖动主轴运动线，速度能够跟得上，所以，我们在设计的时候，是预留了这个线性马达硬件接口。 第五，所有的轴，都用空气轴承支撑。 配合磁铁做预载来做支撑，实现零摩擦，无热量产生。 这样做的另一些好处是结构简单，重量轻。 你们的设计考虑得真多。 还好吧，毕竟精度要求在那里，所以，这个机器确实有很大的难度。 是的，我也觉得难度太大了。0.3um，不是开玩笑的。 所以，一年了，你们现在还在做方案，情有可原。 别开我玩笑了，是自己实力不够，要是实力够，做方案也不用一年吧。 好了，不说了，说多了都是泪。 还是早点洗洗睡吧，出去别乱说，老板会不高兴的，虽然我也没说个啥具体的东西。 相信我，我嘴严得很，长杠杆都撬不开。 你牛。
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楼主很强悍，各种情况都在考虑范围内，也就关键数据没说外，其他任何细节都讲的有理有据的，很希望楼主多发此类技术文章 |Leo_20180309发表于 09-08 22:20楼主很强悍，各种情况都在考虑范围内，也就关键数据没说外，其他任何细节都讲的有理有据的，很希望楼主多发此类技术文章老铁这么晚还来看帖，不胜感激！有时间我就多写，忙就少写 初期准备做多大台面的？这个其实很重要。 Leo_20180309 发表于 2019-9-8 22:20
楼主很强悍，各种情况都在考虑范围内，也就关键数据没说外，其他任何细节都讲的有理有据的，很希望楼主多发 ...
关键数据肯定不能说呀。能把详细过程讲出来已经很不错了，起码有个学习的参考，有些地方可以避免走弯路。
|未来第一站发表于 09-08 22:49初期准备做多大台面的？这个其实很重要。XYZ=700*600*500。老铁，你有故事，快呈上来，我有酒 |晓昀发表于 09-08 23:06<br>关键数据肯定不能说呀。能把详细过程讲出来已经很不错了，起码有个学习的参考，有些地方可以避免走弯路。<br>老铁，你有故事，快呈上来，我有酒 牛逼，第一次见这么高精度的设备开发过程 |凸轮机械手发表于 09-09 14:01牛逼，第一次见这么高精度的设备开发过程老铁，你好 膜拜一下楼主