三坐标测量机的误差分析

三坐标测量机的误差分析

摘要：现代的机械制造与加工工业正迈向更精密，快速、自动化与高效率的方向发展，而三坐标测量机是为因应此需求而设计诞生的一种大型精密智能仪，其己被广泛应用于机械制造、科学仪器制造、电子工业、汽车工业以及航天和国防工业等各部门，具有广阔的发展与应用前景。但是现有的低效率、检验繁复而代价高昂的坐标测量机检测方法却在一定程度上限制了它的推广应用，尤其是资金短缺，使为数众多的中小企业的运用更受到影响。

关键词：三坐标测量机；误差；测头

1.三坐标测量机误差分析概述

三坐标测量机的静态误差来源主要有：三坐标测量机本身的误差，如导向机构的误差（直线、回转）、基准坐标系的变形、测头误差、标准量的误差；与测量条件相关联的各种因素引起的误差，如测量环境的影响（温度、尘埃等）、测量方法的影响以及一些不确定因素的影响等。

三坐标测量机的误差源纷繁复杂，很难将它们一一检测分离出来并加以修正，一般只修正那些对三坐标测量机精度影响比较大的误差源和那些比较容易分离的误差源。目前研究最多的是三坐标测量机的机构误差。生产实践中使用的三

坐标测量机绝大多数是正交坐标系三坐标测量机，对于一般的三坐标测量机而言，机构误差主要是指直线运动部件误差，包括定位误差、直线度运动误差、角运动误差、以及垂直度误差。图1.1给出了三坐标测量机主要误差源的分解示意图。

2.三坐标测量机主要误差分析

对三坐标测量机精度评定或实施误差修正，要以坐标测量机固有误差的模型为基础，其中，必须给出各误差项的定义，分析，传递及误差合成后的总误差。所谓的总误差，在三坐标测量机的精度检定中，是指反映坐标测量机精度特性的综合误差，即指示精度，重复精度等：在三坐标测量机的误差修正技术中，则是指空间点的矢量误差。

2.1机构误差分析

分析三坐标测量机的机构特征，导轨对被它引导的部件限制五个自由度，测量系统控制运动方向上的第六个自由度，因此导向部件在空间的位置，由导轨及其所属的测量系统确定。

2.2测头误差分析

三坐标测量机的测头分为两种：接触式测头按其结构又分为开关式（又称触发式或动态发讯式）和扫描式（又称比例式或静态发讯式）两大类。开关式测头的误差由开关行程，测头各向异性，开关行程分散性，复位死区等引起。扫描式测头的误差由测力―位移关系，位移―位移关系，交叉耦合

干扰等引起。

测头的开关行程为测头与工件接触至测头发讯，测头所偏摆的一段距离。这是测头的系统误差。测头的各向异性是开关行程在各个方向上的不一致性。它是系统误差，但通常作随机误差处理。开关行程的分解性指重复测量时开关行程的离散程度。实际测量时，以某一方向开关行程的标准偏差计算。

复位死区指测头测杆偏离平衡位置后，撤除外力，测杆在弹簧力的作用下复位，但由于摩擦力的作用，测杆不能回到原始位置，它与原始位置的偏差就是复位死区。

3.三坐标测量机的相对综合测量误差和空间误差

3.1三坐标测量机的相对综合误差

所谓相对综合误差就是坐标测量机测量空间内点与点

距离的测量值于真值之间的差，可用下式表示：

相对综合误差=距离测量值一距离真值

进行三坐标测量机额度验收和定期检定时，不需要精确知道测量空间内各个点的误差，只需要了解坐标测量工件的精度情况，这可采用三坐标测量机的相对综合误差来评定。

相对综合误差不直接反映误差源和最终的测量误差，只进行与距离有关的尺寸测量时反映误差的大小，测量方法比较简单。

3.2三坐标测量机的空间矢量误差

空间矢量误差指的是坐标测量机测量空间内任意一点处的矢量误差，它是测量空间内任意一个固定点在理想的直角坐标系中与三坐标测量机建立的实际坐标系中对应的三维坐标的差值。

理论上讲，空间矢量误差是该空间点的所有误差通过矢量合成得到的综合矢量误差。通过空间矢量误差可以直观地了解坐标测量机测量误差的大小，范围及分布。

4.三坐标测量机的静态误差组成

三坐标测量机的测量精度要求很高，且其部件繁多，结构复杂，影响测量误差因素多。三坐标测量机这种多轴机器主要有以下四种的静态误差源：

（1）由于结构件（如导轨和测量系统）的有限精度造成的几何误差。这些误差由这些结构件的制造精度和安装维护中的调整精度来决定，其主要种类如图1所示。

（2）与三坐标测量机的机构件的有限刚度有关的误差。主要由移动部件的重量引起。这些误差由结构件的刚度、重量和它们的配置来决定。

（3）热误差，例如单一温度变化和温度梯度引起的导轨的膨胀和弯曲。这些误差由三坐标测量机的机器结构、材料特性和温度分布决定，并受外热源（如环境温度）和内热源（如驱动装置）的影响。

（4）测头与附件误差，主要包括由于更换测头、加接

长杆、加接其它附件引起的测头测端半径的变化；测头在不同方向和位置触测时的各向异性误差；分度台转动带来的误差等。

结论

现代机械加工工业正向着自动化，高效率的方向发展，三坐标测量机作为一种大型精密智能适应了这一发展的需要，它已被广泛应用于机械制造，仪器制造，电子工业，汽车工业，航空和国防各部门，具有广阔的发展前景。三坐标测量机具有测量精度和可靠性高，操作方便，使用性强等特点，它的研究和应用得到了国内外的普遍重视。

参考文献

[1] 费业泰，误差理论与数据处理，机械工业出版社，1992.

[2] 林慎旺，三次元坐标测量机评定及虚拟坐标系统研究。ISBN986―7688。71―6.1994.