三坐標測量機的誤差分析

1、三坐標測量機的誤差分析摘要： 現(xiàn)代的機械制造與加工工業(yè)正邁向更精密， 快速、 自動化與高效率的方向發(fā)展，而三坐標測量機是為因應此需 求而設計誕生的一種大型精密智能儀，其己被廣泛應用于機 械制造、科學儀器制造、電子工業(yè)、汽車工業(yè)以及航天和國 防工業(yè)等各部門，具有廣闊的發(fā)展與應用前景。但是現(xiàn)有的 低效率、檢驗繁復而代價高昂的坐標測量機檢測方法卻在一 定程度上限制了它的推廣應用，尤其是資金短缺，使為數(shù)眾 多的中小企業(yè)的運用更受到影響。關鍵詞：三坐標測量機；誤差；測頭1.1.三坐標測量機誤差分析概述 三坐標測量機的靜態(tài)誤差來源主要有： 三坐標測量機本 身的誤差， 如導向機構的誤差 （直線、 回轉(zhuǎn)）、基

2、準坐標系 的變形、測頭誤差、標準量的誤差；與測量條件相關聯(lián)的各 種因素引起的誤差，如測量環(huán)境的影響（溫度、塵埃等） 、 測量方法的影響以及一些不確定因素的影響等。三坐標測量機的誤差源紛繁復雜，很難將它們一一檢測 分離出來并加以修正，一般只修正那些對三坐標測量機精度 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 究最多的是三坐標測量機的機構誤差。生產(chǎn)實踐中使用的三 坐標測量機絕大多數(shù)是正交坐標系三坐標測量機，對于一般 的三坐標測量機而言，機構誤差主要是指直線運動部件誤差， 包括定位誤差、直線度運動誤差、角運動誤差、以及垂直度 誤差。圖 1.11.1 給出了三坐標測量機主要誤差源的分解示意

3、圖。2.2.三坐標測量機主要誤差分析 對三坐標測量機精度評定或?qū)嵤┱`差修正，要以坐標測 量機固有誤差的模型為基礎，其中，必須給出各誤差項的定 義，分析，傳遞及誤差合成后的總誤差。所謂的總誤差，在 三坐標測量機的精度檢定中，是指反映坐標測量機精度特性 的綜合誤差，即指示精度，重復精度等：在三坐標測量機的 誤差修正技術中，則是指空間點的矢量誤差。2.12.1 機構誤差分析 分析三坐標測量機的機構特征，導軌對被它引導的部件 限制五個自由度，測量系統(tǒng)控制運動方向上的第六個自由度，因此導向部件在空間的位置，由導軌及其所屬的測量系統(tǒng)確 定。2.22.2 測頭誤差分析 三坐標測量機的測頭分為兩種：接觸式測頭

4、按其結(jié)構又 分為開關式 （又稱觸發(fā)式或動態(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。 開關式測頭的誤差由開關行程， 測頭各向異性，開關行程分散性，復位死區(qū)等引起。掃描式 測頭的誤差由測力一位移關系，位移一位移關系，交叉耦合干擾等引起測頭的開關行程為測頭與工件接觸至測頭發(fā)訊，測頭所 偏擺的一段距離。這是測頭的系統(tǒng)誤差。測頭的各向異性是 開關行程在各個方向上的不一致性。它是系統(tǒng)誤差，但通常 作隨機誤差處理。開關行程的分解性指重復測量時開關行程 的離散程度。實際測量時，以某一方向開關行程的標準偏差 計算。復位死區(qū)指測頭測桿偏離平衡位置后，撤除外力，測桿 在彈簧力的作用下復位，但由于摩

5、擦力的作用，測桿不能回 到原始位置，它與原始位置的偏差就是復位死區(qū)。3.3.三坐標測量機的相對綜合測量誤差和空間誤差3.13.1 三坐標測量機的相對綜合誤差所謂相對綜合誤差就是坐標測量機測量空間內(nèi)點與點 距離的測量值于真值之間的差，可用下式表示：相對綜合誤差 = =距離測量值一距離真值進行三坐標測量機額度驗收和定期檢定時，不需要精確 知道測量空間內(nèi)各個點的誤差，只需要了解坐標測量工件的 精度情況，這可采用三坐標測量機的相對綜合誤差來評定。相對綜合誤差不直接反映誤差源和最終的測量誤差，只 進行與距離有關的尺寸測量時反映誤差的大小，測量方法比 較簡單。3.23.2 三坐標測量機的空間矢量誤差空間矢

6、量誤差指的是坐標測量機測量空間內(nèi)任意一點 處的矢量誤差，它是測量空間內(nèi)任意一個固定點在理想的直 角坐標系中與三坐標測量機建立的實際坐標系中對應的三 維坐標的差值。理論上講，空間矢量誤差是該空間點的所有誤差通過矢 量合成得到的綜合矢量誤差。通過空間矢量誤差可以直觀地 了解坐標測量機測量誤差的大小，范圍及分布。4.4.三坐標測量機的靜態(tài)誤差組成三坐標測量機的測量精度要求很高，且其部件繁多，結(jié) 構復雜，影響測量誤差因素多。三坐標測量機這種多軸機器 主要有以下四種的靜態(tài)誤差源：（ 1 1）由于結(jié)構件（如導軌和測量系統(tǒng)）的有限精度造 成的幾何誤差。這些誤差由這些結(jié)構件的制造精度和安裝維 護中的調(diào)整精度來

7、決定，其主要種類如圖 1 1 所示。（2 2）與三坐標測量機的機構件的有限剛度有關的誤差。 主要由移動部件的重量引起。這些誤差由結(jié)構件的剛度、重 量和它們的配置來決定。（ 3 3）熱誤差，例如單一溫度變化和溫度梯度引起的導 軌的膨脹和彎曲。這些誤差由三坐標測量機的機器結(jié)構、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)動裝置）的影響。（ 4 4）測頭與附件誤差，主要包括由于更換測頭、加接長桿、加接其它附件引起的測頭測端半徑的變化；測頭在不同方向和位置觸測時的各向異性誤差；分度臺轉(zhuǎn)動帶來的誤結(jié)論現(xiàn)代機械加工工業(yè)正向著自動化，高效率的方向發(fā)展， 三坐標測量機作為一種大型精密智能適應了這一發(fā)展的需 要，它已被廣泛應用于機械制造，儀器制造，電子工業(yè)，汽 車工業(yè)，航空和國防各部門，具有廣闊的發(fā)展前景。三坐標 測量機具有測量精度和可靠性高，操作方便，使用性強等特 點，它的研究和應用得到了國內(nèi)外的普遍