三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的誤差分析

1、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的誤差分析摘要： 現(xiàn)代的機(jī)械制造與加工工業(yè)正邁向更精密， 快速、 自動(dòng)化與高效率的方向發(fā)展，而三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是為因應(yīng)此需 求而設(shè)計(jì)誕生的一種大型精密智能儀，其己被廣泛應(yīng)用于機(jī) 械制造、科學(xué)儀器制造、電子工業(yè)、汽車工業(yè)以及航天和國(guó) 防工業(yè)等各部門，具有廣闊的發(fā)展與應(yīng)用前景。但是現(xiàn)有的 低效率、檢驗(yàn)繁復(fù)而代價(jià)高昂的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)方法卻在一 定程度上限制了它的推廣應(yīng)用，尤其是資金短缺，使為數(shù)眾 多的中小企業(yè)的運(yùn)用更受到影響。關(guān)鍵詞：三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)；誤差；測(cè)頭1.1.三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)誤差分析概述 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的靜態(tài)誤差來(lái)源主要有： 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)本 身的誤差， 如導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的誤差 （直線、 回轉(zhuǎn)）、基

2、準(zhǔn)坐標(biāo)系 的變形、測(cè)頭誤差、標(biāo)準(zhǔn)量的誤差；與測(cè)量條件相關(guān)聯(lián)的各 種因素引起的誤差，如測(cè)量環(huán)境的影響（溫度、塵埃等） 、 測(cè)量方法的影響以及一些不確定因素的影響等。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的誤差源紛繁復(fù)雜，很難將它們一一檢測(cè) 分離出來(lái)并加以修正，一般只修正那些對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)精度 影響比較大的誤差源和那些比較容易分離的誤差源。目前研 究最多的是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的機(jī)構(gòu)誤差。生產(chǎn)實(shí)踐中使用的三 坐標(biāo)測(cè)量機(jī)絕大多數(shù)是正交坐標(biāo)系三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，對(duì)于一般 的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)而言，機(jī)構(gòu)誤差主要是指直線運(yùn)動(dòng)部件誤差， 包括定位誤差、直線度運(yùn)動(dòng)誤差、角運(yùn)動(dòng)誤差、以及垂直度 誤差。圖 1.11.1 給出了三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)主要誤差源的分解示意

3、圖。2.2.三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)主要誤差分析 對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)精度評(píng)定或?qū)嵤┱`差修正，要以坐標(biāo)測(cè) 量機(jī)固有誤差的模型為基礎(chǔ)，其中，必須給出各誤差項(xiàng)的定 義，分析，傳遞及誤差合成后的總誤差。所謂的總誤差，在 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的精度檢定中，是指反映坐標(biāo)測(cè)量機(jī)精度特性 的綜合誤差，即指示精度，重復(fù)精度等：在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的 誤差修正技術(shù)中，則是指空間點(diǎn)的矢量誤差。2.12.1 機(jī)構(gòu)誤差分析 分析三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的機(jī)構(gòu)特征，導(dǎo)軌對(duì)被它引導(dǎo)的部件 限制五個(gè)自由度，測(cè)量系統(tǒng)控制運(yùn)動(dòng)方向上的第六個(gè)自由度，因此導(dǎo)向部件在空間的位置，由導(dǎo)軌及其所屬的測(cè)量系統(tǒng)確 定。2.22.2 測(cè)頭誤差分析 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)頭分為兩種：接觸式測(cè)頭

4、按其結(jié)構(gòu)又 分為開(kāi)關(guān)式 （又稱觸發(fā)式或動(dòng)態(tài)發(fā)訊式） 和掃描式 （又稱比 例式或靜態(tài)發(fā)訊式） 兩大類。 開(kāi)關(guān)式測(cè)頭的誤差由開(kāi)關(guān)行程， 測(cè)頭各向異性，開(kāi)關(guān)行程分散性，復(fù)位死區(qū)等引起。掃描式 測(cè)頭的誤差由測(cè)力一位移關(guān)系，位移一位移關(guān)系，交叉耦合干擾等引起測(cè)頭的開(kāi)關(guān)行程為測(cè)頭與工件接觸至測(cè)頭發(fā)訊，測(cè)頭所 偏擺的一段距離。這是測(cè)頭的系統(tǒng)誤差。測(cè)頭的各向異性是 開(kāi)關(guān)行程在各個(gè)方向上的不一致性。它是系統(tǒng)誤差，但通常 作隨機(jī)誤差處理。開(kāi)關(guān)行程的分解性指重復(fù)測(cè)量時(shí)開(kāi)關(guān)行程 的離散程度。實(shí)際測(cè)量時(shí)，以某一方向開(kāi)關(guān)行程的標(biāo)準(zhǔn)偏差 計(jì)算。復(fù)位死區(qū)指測(cè)頭測(cè)桿偏離平衡位置后，撤除外力，測(cè)桿 在彈簧力的作用下復(fù)位，但由于摩

5、擦力的作用，測(cè)桿不能回 到原始位置，它與原始位置的偏差就是復(fù)位死區(qū)。3.3.三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的相對(duì)綜合測(cè)量誤差和空間誤差3.13.1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的相對(duì)綜合誤差所謂相對(duì)綜合誤差就是坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量空間內(nèi)點(diǎn)與點(diǎn) 距離的測(cè)量值于真值之間的差，可用下式表示：相對(duì)綜合誤差 = =距離測(cè)量值一距離真值進(jìn)行三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)額度驗(yàn)收和定期檢定時(shí)，不需要精確 知道測(cè)量空間內(nèi)各個(gè)點(diǎn)的誤差，只需要了解坐標(biāo)測(cè)量工件的 精度情況，這可采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的相對(duì)綜合誤差來(lái)評(píng)定。相對(duì)綜合誤差不直接反映誤差源和最終的測(cè)量誤差，只 進(jìn)行與距離有關(guān)的尺寸測(cè)量時(shí)反映誤差的大小，測(cè)量方法比 較簡(jiǎn)單。3.23.2 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的空間矢量誤差空間矢

6、量誤差指的是坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量空間內(nèi)任意一點(diǎn) 處的矢量誤差，它是測(cè)量空間內(nèi)任意一個(gè)固定點(diǎn)在理想的直 角坐標(biāo)系中與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)建立的實(shí)際坐標(biāo)系中對(duì)應(yīng)的三 維坐標(biāo)的差值。理論上講，空間矢量誤差是該空間點(diǎn)的所有誤差通過(guò)矢 量合成得到的綜合矢量誤差。通過(guò)空間矢量誤差可以直觀地 了解坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量誤差的大小，范圍及分布。4.4.三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的靜態(tài)誤差組成三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量精度要求很高，且其部件繁多，結(jié) 構(gòu)復(fù)雜，影響測(cè)量誤差因素多。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)這種多軸機(jī)器 主要有以下四種的靜態(tài)誤差源：（ 1 1）由于結(jié)構(gòu)件（如導(dǎo)軌和測(cè)量系統(tǒng)）的有限精度造 成的幾何誤差。這些誤差由這些結(jié)構(gòu)件的制造精度和安裝維 護(hù)中的調(diào)整精度來(lái)

7、決定，其主要種類如圖 1 1 所示。（2 2）與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的機(jī)構(gòu)件的有限剛度有關(guān)的誤差。 主要由移動(dòng)部件的重量引起。這些誤差由結(jié)構(gòu)件的剛度、重 量和它們的配置來(lái)決定。（ 3 3）熱誤差，例如單一溫度變化和溫度梯度引起的導(dǎo) 軌的膨脹和彎曲。這些誤差由三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的機(jī)器結(jié)構(gòu)、材 料特性和溫度分布決定，并受外熱源（如環(huán)境溫度）和內(nèi)熱 源（如驅(qū)動(dòng)裝置）的影響。（ 4 4）測(cè)頭與附件誤差，主要包括由于更換測(cè)頭、加接長(zhǎng)桿、加接其它附件引起的測(cè)頭測(cè)端半徑的變化；測(cè)頭在不同方向和位置觸測(cè)時(shí)的各向異性誤差；分度臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的誤結(jié)論現(xiàn)代機(jī)械加工工業(yè)正向著自動(dòng)化，高效率的方向發(fā)展， 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)作為一種大型精密智能適應(yīng)了這一發(fā)展的需 要，它已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造，儀器制造，電子工業(yè)，汽 車工業(yè)，航空和國(guó)防各部門，具有廣闊的發(fā)展前景。三坐標(biāo) 測(cè)量機(jī)具有測(cè)量精度和可靠性高，操作方便，使用性強(qiáng)等特 點(diǎn)，它的研究和應(yīng)用得到了國(guó)內(nèi)外的普遍