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记三坐标测量机设计经历

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发表于 2019-9-8 21:55:53 | 显示全部楼层 |阅读模式
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。
高精度XYZ运动平台设计概念.png

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。

公号,罗罗日记,老铁,我等你来

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发表于 2019-9-8 22:20:28 | 显示全部楼层
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
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 楼主| 发表于 2019-9-8 22:48:38 | 显示全部楼层
|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
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发表于 2019-9-8 22:49:54 | 显示全部楼层
初期准备做多大台面的?这个其实很重要。
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发表于 2019-9-8 23:06:42 | 显示全部楼层
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。
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 楼主| 发表于 2019-9-8 23:14:43 | 显示全部楼层
|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
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 楼主| 发表于 2019-9-8 23:15:19 | 显示全部楼层
|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
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发表于 2019-9-9 14:01:02 | 显示全部楼层
牛逼,第一次见这么高精度的设备开发过程
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 楼主| 发表于 2019-9-9 17:52:07 | 显示全部楼层
|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
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发表于 2019-9-9 20:59:13 | 显示全部楼层
膜拜一下楼主
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