（精密仪器及机械专业论文）坐标测量机误差建模与修正技术研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 现代制造业的发展对三坐标测量机提出更高的速度和精度要求本文根据作者近年来 所承担的几项科研课题的研究成果，选择通用的移动桥式测量机作为研究对象，重点对中 等精度常规三坐标测量机的动态误差建模与修正技术进行较系统和深入的分析研究不同 结构测量机的测量精度要求不同，所应用的误差建模与修正技术有很大差别因此本文对 高精度小型纳米测量机和低精度在线坐标测量机的误差建模与修正技术也进行了系统的研 究论文的主要研究工作包括：1 ) 研究了三种类型三坐标测量机不同结构特点对静、动态 精度的影响；2 ) 深入研究了三坐标测量机静、动态测量误差建模的几个问题；3 ) 建立了 误差分离实验装置，利用误差测量数据验证三种测量机误差建模与修正技术的理论研究结 果论文的研究内容和创新点如下： 对三坐标测量机的静态误差源进行了分析归纳在研究纳米测量机和在线坐标测量机 结构特征和受力分析基础上，对纳米测量机和在线坐标测量机的静态相关性误差源进行分 析分析了移动桥式测量机各动态误差源及相互关系对引起测量机桥架振动的原因进行 了原理性研究，推导了测量机机体动变形和测量机测量误差之间的理论关系式，研究了测 头系统动态特性、光栅动态特性对测量机动态测量精度的影响从惯性力、滚动导轨的振 动特性和悬臂的放大作用等方面对在线坐标测量机的动态误差源进行了详细分析，从理论 上研究了滚动导轨的振动特性对测量机振动的影响，分析了在线坐标测量机动态误差的表 现形式 根据三种类型三坐标测量机误差分布的特征，提出了利用三次样条原理和双三次样条 函数建立测量机一维和二维相关性误差模型根据在线坐标测量机结构特点和零位不重合 的特征，利用齐次变换矩阵建立测量机的误差修正模型为了解决传统建立高精度单维动 态误差模型需要大量样本数据的缺点，研究了利用有选择性插入标准量的贝叶斯预测建模 方法的理论基础和算法，准备应用于建立移动桥式坐标测量机单项动态误差模型介绍了 卵神经网络和支持向量机的特点和算法，准备应用于建立移动桥式坐标测量机在不同空间 结构状态下的测量系统三维动态误差相关性模型 为了验证对三种测量机误差建模与修正技术的理论研究结果，修正测量机的静，动态 测量误差，提高测量机的静、动态测量精度，利用双频激光干涉仪和辅助夹具建立移动桥 式测量机动态误差分离装置，分析了测量机测量系统动态精度与各个特性参数之间的关系， 得到了测量机取得最佳测量精度的测量速度和测量空闻利用贝叶斯一步预测、多步预测、 等间隔插入标准量和有选择性插入标准量方法建立测量机测量系统动态误差一维模型利 用双三次样条、髓神经网络和支持向量机方法建立不同空间结构下的测量机测量系统三维 动态误差模型，并进行建模效果比较根据纳米测量机的结构和精度要求。选用测量头和 激光源分开的三光束平面反射激光干涉仪s p 2 0 0 0 - t r 设计误差分离装置，设计了纳米测量 机各单项误差的分离方案，实现了测量机示值误差、直线度角运动误差、线值误差的一次 性分离进行了利用直角棱镜进行转折光路和绝对零位对测量结果影响的理论研究。设计 了相关的误差分离原理验证实验进行验证研究基于速度瞬时中心的工作台导轨误差高精 度分离方法，认为工作台实际瞬时中心是时变的。进行了工作台速度中心坐标和任意点的坐 n 标误差的计算公式的理论推导，从理论上设计了基于运动瞬时中心的误差分离与修正方法 利用双频激光干涉仪长度测量系统、小角度测量系统、电感测徽仪、角尺设计并建立了在 线坐标测量机的误差分离系统，进行了测量机x 、y 、z 三个方向示值误差、直线度偏摆和 滚转误差的分离，分析获得的误差数据特征，对测量机的单轴定位误差进行了修正 关键词：移动桥式三坐标测量机 在线坐标测量机；纳米坐标测量机；误差源；静态误差； 动态误差 相关性误差l 误差建模l 误差分离；误差修正 a b s t r a c t d e v e l o p m e n to fm o d e mm a n u f a c t u r i n gh a sp u tf o r w a r dh i g h e rs p e e da n da c c u r a c y r e q u i r e m e n tf o rc m m , c e o r d i n gt os o l n er e s e a r c hf r u i t so f s 州e r a lr e s e a r c hp r o j e c t su n 山玎扭k b yt h ea t t t h o r , t h ed y n m i ce a 啊m o d e l i n gn n de o r t e e t i n t gt e c h n i q u eo ft h em e d i u mp t i s i o n c m m 躲s y s t e m a t i c a l l ya n dd e a l ta n a l y z e da n dr e s e a r c h e d 蚵c h o o s i n gt h eu n i v e r s a lm o b i l e b r i d g ec m ma s 曲bp r o j e c ti n v e s t i g a t e x tt h o s ec m mh a v i n gd i f f e r e n ts t r u c t u r eh a v ed i f f e r e n t d e m a n do f t h em e a s u r i n gp r e c i s i o n t h e r ee x i s t sg r e a td i f f e r e n c ea m o n gt h e i ra n r o l rn a o d e l i n ga n d c o r r e c t i n gt e c h n i q u e s ot h ed y n a m i c 锄rm o d e l i n ga n de o l r e c t i n gt e c h n i q u eo f h i g hp r e c i s i o n n a n oc m mk n ，i f i gm i i l i 孤i s t r u c t u r ea n dt h el o wi m e i s i o no n - l i n ec m ma l es y s t e m a t i c a l l y r e s e a r c h e d m a i nr e s e a r c hw o r ko f 埒p a p e ri n c l u d e ： ) t h ei n f l u e n c et ot h es t a t i ca n dd y n a m i c p r e c i s i o no ft h r e et y p ec m mc 砒e db yt l a e i rd i f f e r e n ts t l a l e t u a 糟i n v e s t i g a t e d 2 ) s o m e 删ca n dd y n a m i cc l t o l rm o d e l i n gp r o b l e m so ft h ec m m 批a e e p l yr e s e a r c h e d 3 ) 1 1 壕c 删 s e p a r a t i n gs y s t e ma 坞b u i l ta n dt h ee f f e c to f e l t o rm o d e lb u i l d i n ga n d rc o r r e c t i n gt e c h n i q u e 玳v e r i f i e db yt l l ee l t o l pm e a s u r i n gd a t a m a i nr e s e a r c hw o r ka n dc r e a t i v ep o i n t so f t h ep a p e rl l l r e s h o w na sf o l l o w s ： f i l es t 眦i ce 嘣u 脯o f 碡c m ma 地n l y z 脚a n dg e n e r a l i z e d o nt h ek 醯o f r e s e a r c h i n g 吼m c 呲e h a r a e t o r i s t i en n df o r c ea n a l y s i so fn a n oc m ma n do n - l i n ec m m , r s m j 僦so fs t a t i c ：e o r r e l a t i 锄o f t h e s et w om a c h i n e sa 糟n l r z e d e a c hd y n a m i co n o rs o u r c ea n d t h e i rr e l a t i o n s h i po fm o b i l eb r i d g ec m ma 坤r e s e a r c h e d 1 1 ”i e a l l k sc a u s i n gt h ev i b r a t i o no f b r i d g ef l a m ea e x p l o r e di np r i n c i p l e t h e o l - t i e a lr e l a t i o n s h i pb e t w c e ，l ld y n a m i cd e f o r m a t i o no f c m mb o d ya n dm 翻吼埘踟删e r ro fc m mi sd e d u c e d t h ej | 】田唧c eo fd y n a m i cp r o p e r t y p a r a m e t e ro fg a u g i n gh e a d 删g r a t i n gd y n a m i cp r o p e r t yp a r a m e t e ro nd y n a m i cm e a s u r i n g p r e c i s i o no fc m ma r e s e a r c h e d d y l l a n l i cc l t o l s o t n - c 8o fo n - l i n ec m ma 糟s p e c i f i c a l l y a n a l y z e df r o mi n e r t i af o r c e ，v i b r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fr o l l i n gg u i c l e , a n dm a g n i f y i n ge f f e c to f c a n t i l e v e r n 峙i n f l u e n c eo fv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fr o n i n gg u i d eo l lc m mv i b r a t i o n 眦 r e s e a r c h e dt h e o r e t i c a l l y r e t o r t i n gf o r m so f d y n a m i cc i y o l so f o n - l i n ec m m a 地鲫i a l 删 a c c o r d i n g t od i f f e r e n tc h a 矗靶耐躺o f c m mc 1 1 0 1 d i s t r i b u t i o n , s i n g l ee l t o ti l l e a s u r c l l l t e n t m o d e li sb u i l tb yc u b i cs p l i n ep r i n c i p l ea n dd o u b l ec u b i cs p l i n ef u n c t i o n a c c o r d i n gt os 血u c t u r o c h a r a c t e r i s t i c so fo n - l i n ec m ma n dt t l ep r o p e r t yo fn o n - c o i n c i d e n tz e l e op o i n t , e n 饼c o t l t c l 出o n m o d e lo fc m mi sb u i l tb yh o m o g e n e o u st r a n s f o r m a t i o nm 嘶】li no r d e r 幻o v e l c o m et h e s h o r t c o m i n g so f n e e d i n gal a r g em o u n to f s a m p l ed a t at ob u i l dh i g h - a c c u r a c ys i n g l e - d i m e m i o n d y n a m i c 姗rm o d e l , t h et h e o r e t i c a lb a s i sa n da r i t h m e t i co fi n s e r t i n gs t a n d a r dq u a n t i t y s e l e c t i v e l yo fb a y e s i a nt h e o r y 哦r e s e a r c h e dw h i c hw i l lb eu s e dt ob u i l dt h ed y n a m i c 嘲 m o d e lo fm o b i l eb r i d g ec m mi nm 鹭d i r e c t i o n t h ec h a t l c t c r j s l i ca n da l g o r i t l n no fb p 喇a n d l s $ v ma 糟i n t r o d u c e dw h i c hw i nb eu s e dt ob u i i dt h ed y n a m i cc l y o l c o r r e l a t i v e 枷 o d e io f m o b i l eb r i d g ec m l do nt h ed i f f e r e n ts p a t i a lm c w r i l l gi 瑚i t i o m i no r d e rt o 删8t h ec 脑髓o f e r r o rm o d e li , u i l d i n ga n d 锄re o r r e a i n gt e e h n i q t ka n dt o i v c o r r e c tt h es t a t i c ：n n dd y n a m i c l r o fo ft h ec m ma n dt oi m p r o v et h es t o i c 柚dd y n a m i c m e a s u r i n gp r e e i s i o t a , m o b i l ei , t i c t 辨c m md y n a m i ce 嗽p a r a t i o ne x p e r i m e n te q u i p m e n ti s b u i l tb yt h el a s e ri n t e r f e r o m e t 盯a n da i d i n gc l a m p s t h er e l a t i o n s h i ph 帆煳d ) 恤蜘血ca c c u r a c y o f 删n g s y s t e ma n d e a c h p r o p e r t y p a r a m e t e r a 托a n a l y z e d c o n c e p t s o f o p t i m u m m e a s u r i n g s p e e di m dm e , a s u r i n g 印e 玳p r e s e n t e d d y n a m i cc , i t o ro n e - d i m e n s i o n a lm o d e lo f m e a s u r i n g s y s t e mi sb u i l tw i t ht h em e t h o do fo t m - s t e pp r e d i c a t i o n , m u l t i - s t e p sp r e d i c a t i o t l , e 慨i n t e r v a l 如鞠m i 唱s t a n d a r dq u a n t i t y _ 证s e l e c t i v e l y 细o e f t i 鹕髓鲫删q t m t i t yo f1 3 n y e s i ml t l l e o f y o d y n a m i ce l t o rm o d e lo fm 删e n ts y s t a t l ao fm o b i l eb f d 鲈c m m0 1 1 t h ec l i f f e t l m ts l , a t i a t m e a s u r i n gp o s i t i o n si sb u i l tw i t ht h em e t h o do f d o u b l ec u b i cs p l i n ee t l u r v lf a c em o d e l - b u i l d i n g , b pn c ta n di , s - s v mt oc o m p a r et h ee f f e c to fm o d e lb u u d i n i ； e e o r d i n gt ot h e 蚰w 瓤髓a n d 麟胃口d e m a n do fn a n oc m m , 锄r 簧p 锄洳e x p e l j m c n te q u i p m e n ti sc o m p o 鲥o ft r i p l e t i g h tb 嘲p l a n e 坞n e d 溉i 矗8 薛i l m 算凫如啦k 由盯s p 2 0 0 0 - r rw i t ht h ed e p a r t u r eo f m e m r i n gh e a d a n dl a s e rs o u i 优s e p l l r 舡i o ns o l u t i o no f e a c hs i n g l ca t o fo f n a n oc 删i s _ c l e s i g n c d o n e - t i m e 阳僦o n o f i n d i e a t i o t l 黜a r i d l i n e a r t ：i t o i i sr e a l i z e d r b e o r e t i e a lr e s e a r c h o n t h e i n f l u m m o f d e f l e c t i n gl i g h tp a t ha n dn b s o l u t ez a t op o i n to l lm e n s t u i n gr e s u l ta i c a r r i e do u tc o r r e l a t i v e 弘钾i c we x p e r i m e n ti s , l c s i g 棚t ov e , i 鸟t h ei n f l u e n c e h i g h - l l e c u r a e ys c p a l l l l j o t am e t h o do f w o r l 渤b l eg u i d ec r l u l b a s e do nm o t i o ni n s t a n tc e n t e rj 5 越d l e dw h i c hc o n s i d e r i n gt h a tt h e 杈蜘a lr o t a t i n gc e n t t a i ss u p p o s e dt oe l s ew i t ht l 砖t i 眦n 地e a l l e u | a t i o nf o r m d ao f c o o r d i n a t e e , n o l ro fw o r k - t a b l cs p 钟dc c n t c l ra n dr a n d o mp o i n t sa r cd e d u c e dt h e o i l i c a l l ya n dt h e c o r r e s p o n d i n gc 蝌s 嘞l l l l t i o na n dc o n e c t i o n 珏嶂啦db a s e do i lt h es p e e di n s t a n tc e n t e ra 鹕 d e s i g n e dt h e o r e t i c a l l y e r r o rs e p a r a t i o ns y s t e mo fo n - l i n ec m mi sb u i l tb yu s i n gl e n g t h m e a s u r i n gs y s t e ma n ds m a l l i n g l em e a s u r i n gs y s t e m o f1 1 1 l fi n t e r f e r o m e t e r , h u 嘶鼢 m e a s u r i n gi n s t r u m e n t , a n d 舯g l er t t l c r i n d i c a t i n g 册i n ) 【ya n dzd i r e c t i o n s ，b e 啦a n dp i t c h o 榭a m e a s u r e d n mo b t a i n e de 1 1 0 1 td a r nc h a r a e t e r j s t i e sa ”a n a l y z e d t h es i n f l c - a x i s o o s i t i o n i n g t o l t so f c m m 眦c o l r e e t c d k e y w o r d s ：m o b i l eb r i d g ec m m ；o n - l i n ec m m , n a n oc m m ；e i t o i s o u r c e ；s t a t i c 册d cd y n a m i c e r r o r ；, c o r r e l a t i v ee r r o r ；e l t o tm o d e lb u i l d i n g ；d n o rs e p a r 砒i o n ；e l t o l c o r r e c t i o n 插图清单 图2 - 1 三坐标测量机误差源分解示意图 1 5 图2 - 2 三次样条拟合软件界面图1 8 图2 - 3 双三次样条数据曲目拟合程序界面”2 1 圈2 _ 4 在线坐标测量机结构图2 1 图2 5y 轴导轨产生的6 项几何误差一- 2 2 图2 - 6 齐次坐标变换的示意图2 2 圈2 - 7 在线坐标测量机坐标系关系图”2 4 图3 - 1 测量机主要动态误差源2 6 图3 _ 2 测量机结构图”2 7 圈3 - 3x 轴气垫位置图2 8 图3 - 4 加速度曲线图“2 8 图3 - 5 气浮导轨振动分析模型2 9 图3 - 6 测量机桥架左端部力矩分析”2 9 图3 - 7 机体结构动态变形产生机理示意图 3 1 图3 8 移动桥架沿j 正向加速运动时的偏转角误差”3 2 图3 - 9 横粱的悬臂粱结构模型”z 2 图3 - 1 0 触发式测头结构简图3 5 图3 - 1 1 尺寸测量( 左) 外尺寸( 右) 内尺寸3 5 圈3 1 2a - q u a d - b 信号3 6 图4 - 1 移动桥式测量机结构系统动态误差分离实验装置原理图3 9 图4 - 2 测量机结构系统x 向动态误差测量装置3 9 图4 - 3 测量机结构系统y 向动态误差测量装置 3 9 图4 - 4 光栅读数头接口电路4 0 图4 - 5 激光干涉仪动态读数界面图”4 0 图4 - 6 空闻测量位置 4 0 图4 - 7 测量机y 向结构系统动态误差曲线图 4 1 圈4 - 8 测量机x 向结构系统动态误差曲线图4 2 图4 - 9 测量机y 向结构系统动态误差比较图( 移动桥架位置的影响) 4 2 图4 - 1 0 测量机主轴z 向位置对y 向结构系统动态测量精度的影响4 3 图4 - 1 1 测量机主轴z 向位置对x 向结构系统动态测量精度的影响4 3 图4 - 1 2 测量机主轴x 向位置对x 向结构系统动态测量精度的影响4 3 图4 - 1 3 贝叶斯预测递推算法4 5 图4 - 1 4 测量机动态误差分解结果5 0 图4 - 1 5 贝叶斯一步预测建模结果5 0 图4 - 1 6 贝叶斯一步预测建模结果细节5 0 图4 - 1 7 贝叶斯建模结果比较” 5 1 图4 - 1 8 贝叶斯建模结果比较5 l 圈4 - 1 93 层b p 网络模型框架5 3 图4 - 2 0b p 神经网络训练误差曲线”5 5 图4 - 2 1 测量机y 向动态误差建模比较( b p 神经网络) 5 5 图4 - 2 2 线性可分情况下的最优分类线5 6 圈 2 3 支持向量机示意图”5 7 图4 - 2 4 测量机y 向动态误差建模比较( 支持向量机) 5 9 图4 - 2 5 测量机x 向测量系统动态误差建模结果”“ 图4 2 6 测量机y 向测量系统动态误差建模结果一6 l 图4 - 2 7 测量机y 向动态误差建模比较( 取三次样条) 6 1 图5 - 1 纳米兰坐标涮量机结构图6 3 圈5 - 2 传统】( 1 二维平台6 3 图5 - 3 共平面x y 工作平台6 4 图5 - 4z 轴6 4 圈5 - 5 阿贝误差原理图6 5 圈5 - 6 导轨线值误差原理图- , 6 5 图5 - 7 导轨的垂直度误差原理图6 6 图5 - 8 ) ( 1 工作平台误差相关性分析“6 6 图5 - 9z 轴变形量大小6 7 图5 - 1 0 机台变形分析6 7 图5 - 1 lx 轴方向示值误差分离示意图”6 9 图5 - 1 2 滚转误差分离原理图6 9 图5 - 1 3z 轴误差分离示意圈6 9 图5 - 1 4 利用4 5 。反射镜转折测量光路原理图- 6 9 图5 - 1 5 使用光电自准直仪测量俯仰和偏摆角误差7 1 图5 - 1 6 使用激光干涉仪测量工作台示值误差7 1 圈5 - 1 7y 向导轨偏摆误差瞌线图7 2 图5 - 1 8 定位平台y 向定位误差原始曲线及修正结果( 无绝对零点) 7 2 图5 - 1 9 定位平台y 向定位误差原始曲线及修正结果( 有绝对零点) 7 2 图5 - 2 0 定位平台x 向定位误差原始曲线及修正结果( 有绝对零点) 7 2 图5 - 2 1 测量机误差测量装置结构图7 3 图5 - 2 2 可调支架和微调镜架结构图7 3 图5 - 2 3 工作台速度瞬时中心原理图7 5 图6 - 1 测量机结构和安装图7 9 图6 吨惹臂、滑座受力分析图8 2 图6 - 3 立柱受力分析图8 2 图6 - 4 悬臂截面示意图8 4 图6 - 5 悬臂的拉压变形图”8 4 图6 - 6y 向导轨系统的俯仰误差曲线图8 4 圈6 - 7 滚珠丝杆受力示意圈一8 5 v 图6 - 8 工作台振动模型8 7 图6 - 9 测头x 向附加误差来源8 9 图6 - 1 0 测量机振动模态分析9 0 圈6 - 1 1 激光干涉仪测量x 向示值误差三维图嘈l 圈6 - 1 2 激光干涉仪小角度测量系统测量y 轴的俯仰和偏摆误差9 2 图6 - 1 3 自准宜仪测量z 轴导轨俯仰偏摆角“9 2 圈6 - 1 4 垂直度误差测量三维图”9 2 图6 - 1 5 x 轴示值误差曲线( y 轴滑座在y o m 位置，番臂在z 向三个位置) ”9 3 图6 - 1 6 滑座在y s l l m 位置的x 轴俯仰偏摆角9 4 图6 - 1 7x 轴示僵误差、俯仰、偏摆角误差在y o ，y 1 9 2 。，3 8 4 ，y 5 1 1 位置的眈较一9 4 图6 - 1 8y 轴示值误差、俯仰和偏摆角误差的比较( x 6 5 0 z o 。3 9 6 ，7 8 2 n ) 9 5 圈6 - 1 9x o ，2 6 0 ，3 9 0 ，6 5 0 = = 四个位置的y 轴示值误差、俯仰和偏摆误差9 6 圈6 - 2 0x o ，y o ，1 9 2 ，5 l l 一位置z 轴示值误差、俯仰和偏摆误差比较9 7 图6 2 lx 轴四个位置定位误差修正阿贝误差前后比较”9 8 图6 - 2 2y 轴示值误差修正阿贝误差前后比较”9 9 翻6 - 2 3z 轴示值误差修正阿贝误差前后比较9 9 v i 表格清单 表i - i 测量各误差的参考基准和仪器旧 表2 - i 精度比较( 单位 u m ) 1 8 表4 - ia - q u a n d - b 口引脚与光栅信号线相应引出线对照表3 9 表6 - i 测头三维附加误差来源9 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果据我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包含为获得 金厦王些盍堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名t 辛乃竣旃 签字日期：孑7 年6 月圹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒肥王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金壁王些太 堂一可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名； 栖i 夏i 匀 导师签名： 签字日期：婶占月，厂日签字日期：汐吵年二月旷日 学位论文作者毕业去向： 工作单位： 安徽理工大学 通讯地址：安徽淮南 电话：0 5 5 4 - 6 6 3 3 1 0 9 邮编；2 3 2 0 0 1 v 致谢 本学位论文的全部研究工作都是在敬爱的导师费业泰教授的悉心指导下完成的，论文 自始至终都倾注着费老师的大量心血费老师给我提供了良好的学习和科研条件，从课程 学习到论文的选题、研究、实验和总结中，费老师给了我精心的指导，使课题的研究和学 位论文得以顺利完成导师严谨治学的作风、平易近人的态度和谦虚坦荡的胸怀，给我以 永久的指导并使得我受益终身在此，谨向费老师表示最衷心的感谢 感谢仪器科学与光电工程学院陈晓怀教授，余晓芬教授、胡鹏浩教授、黄强先教授、 张勇老师等多年的指导、支持和帮助 感谢实验中心王宏涛高工、周耀新老师、刘巧云高工、王会生高工在课题研究中提供 了大量的帮助和支持，为课题的完成提供了保证 感谢共同进行课题研究的金飞翔、王琦、章立军、卫兵、王继臣、夏聩雪、陈宝钢、 盛立、张梅、程真英等学弟学妹提供的大量帮助和支持，也特别感谢本实验室的同门师兄 弟师妹，汪平平，夏豪杰，蒋敏兰、王春花、徐婷婷、程文涛、李光柯、程方等与本人一 起寒窗苦读，并给予本人的帮助与支持 特别感谢我的妻子吴天凤多年来对我学习上的支持和生活上的照顾，她的关心和支持 给了我极大的鼓舞，伴我完成课题的研究和论文的撰写感谢我的家人对我工作和学习的 支持 感谢所有帮助过本人的老师与同学 杨洪涛 2 0 0 7 年5 月于合肥工业大学 第一章绪论 第一章绪论 1 1 三坐标测量机精度理论及其发展现状 三坐标测量机伽( c o o r d i n a t ei i e a s u r i n gm a c h i n e ) 是一种集机械、光学、电子、数控 技术和计算机技术为一体的大型精密智能化仪器是现代工业检测、质量控制和制造技术中 不可缺少的重要测量设备。其技术水平是现代测量技术和制造技术水平高低的一个重要标 志，因此，对伽理论和技术的研究一直是国内外学术界和工业界关注的热点l 川 1 9 5 6 年，英国f e r r a n t il t d 公司数控部的h a r r yo g d e n 发明了世界上第一台三坐标测 量机，至今三坐标测量机已走过了四十年的发展时期。目前市场上广泛应用的坐标测量机 主要是以笛卡尔坐标系结构为主的直角坐标测量机，种类繁多、形式各样、性能各异，按 照结构形式可以分为移动桥式、露定桥式、龙门式、悬臂式、水平臂式、坐标镗式和仪器 台式等坐标测量机各个组成部分功能的实现方法、规格及精度的不同，决定了测量机的 规格、总体待度和性能的差异在运期问人们针对坐标测量机开展了大量的研究工作l “i 随着坐标测量机的应用领域不断扩大，测量机开始向大型化、高速化、小型高精度化和非 正交坐标测量等方向发展测量机在在大型化方面主要是为了适应制造业的发展趋势：设 备大型化和高精度化，倒如d 队的大型坐标测量机测量范围可以达到2 5 0 0 x1 6 0 0 x 6 0 0 ： 测量机在高速化方面主要为了满足提高生产和测量效率的目的，例如美国b r o w n 矗s h a r p 的 g l o b a l 系列测量机的速度可以达到8 6 6 m = s ，加速度达到2 6m s 2 ；测量机在发展非正交坐 标测量系统方面主要为了解决大型正交系坐标测量机存在的成本高，测量精度难以保证、 无法用于大型工件的在线测量等缺点。例如有1 9 8 6 年由日本小坂研究所提出的关节式坐标 测量机1 9 1 、1 9 9 6 年- l o t z e 提出的s c a n m a x 型坐标测量机 a o l 、1 9 9 7 年由哈尔滨工业大学 c q c t 研究室研制的新型关节式坐标测量机m 。”和2 0 0 4 年合肥工业大学仪器精度工程研 究中心的柔性兰坐标测量机n “q 等等测量机的小型高精度化主要是为了适应2 l 世纪发展 最迅速、研究最广泛、投入最多的科学技术的发展；纳米技术和m 酬s 技术”“纳米技 术所涵盖的尺寸范匿从1 0 0 纳米到0 t 纳米目前迅速发展的徽器件的几何特征尺寸， 多集中于数毫米至数微米，耩度参数多为徽纳米数量级如微齿轮，徽透镜，光开关。 光纤、i c 步进电机，纳米碳管、高密度资料记忆等从纳米技术的发展来看，纳米测 量技术的地位和作用是不容忽视的，而且已经成为了纳米技术发展的瓶颈因此，纳米测量 技术和测量装置，不仅是2 l 世纪纳米技术实用过程中必须关注的焦点，而且也是2 l 世纪计量 测试领域研究的重中之重“” 对于纳米技术和h e m s 技术中涉及到的微小测量对象，现有的工业级三坐标测 量机不仅体积庞大，而且存在以下缺点： 1 各轴定位及综合精度均只能达到微米等级，满足不了纳米测量的精度要求： 2 测量范围过大，难以实现纳米量级的分辨率； 3 探头直径最小为l n ，无法用于微型器件的测量； 4 测量力过大。对纳米测量会造成许多不确定的误差因素 2台肥工业大学博士学位论文 因此，近年来精度达到纳米级且体积微型化的三维测量系统的研制受到世界各 国的重视，得到充足的研究经费资助，如：( 1 ) 美国国家标准技术院n i s t 的分子测量 机( m o l e c u l a rm e a s u r i n gm a c h i n e 。m m m ) ；( 2 ) 英国国家物理实验室( n a t i o n a l p h y s i c a ll a b ，n p l ) 所承担的小型三维测量机s c m m 。 ( 3 ) 德国p t b 的s p e c i c a l c m m t = 1 ；( 4 ) 东京大学的n a n o - c m m o ；( 5 ) 美国m i t 与北卡大学合作的s u b a t o m i c 测量机“：( 6 ) 荷兰e i n d h o v e n 大学的高精度3 1 卜c t w ”：( 7 ) 德国i l m e n a u 大学j a g e r 教授研制的三维定位及测量机台；( 8 ) 韩田b u p e 的超高精度鲫”； ( 9 ) 台湾大学 的n a n a 枷m ； ( 1 0 ) 中国计量科学研究院研制的2 5 d 高精度纳米测量机：( i i ) 合肥工业大学正在研制的纳米三坐标测量机 上述分折可以看出，随着科学技术的发展。对三坐标测量机的精度提出了越来越高的 要求。从提高构件的制造精度和整机的装配精度着手来保证它的精度，不仅要花大量财力， 且其提高精度十分有限，有时甚至无法实现，因此误差建模和修正技术在三堂标测量机中 得到了广泛的应用测量机的结构类型不同，相应的误差建模和修正技术要求不同为实 现三坐标测量机误差修正，必须解决一系列的关键技术。主要是测量机误差源分析，静、 动态误差修正模型建立、误差分离与修正、测量机测量不确定度的评定等。这些技术主要 经历以下的发展历程 三坐标测量机具有不同的机构和相对运动关系。例如有移动桥式、固定桥式、龙门桥 式测量机等等这些测量机中各器件的相对运动关系不同，因此影响测量精度的因素也不 同，它们的误差修正模型也不同同样在不同环境温度下测量机的测量精度也不同传统 工业级坐标测量机首先通过提高测量机各器件的制造和安装精度例如提高光栅尺的刻划精 度、利用刮研的方法提高导轨系统的定位精度等来提高测量机测量精度，同时严格控制三 坐标测量机的使用环境温度但是这些方法成本较高，而且受到很多条件限制因此有些 学者提出了利用软件修正测量机静态误差的方法提高测量机的测量精度兰坐标的误差软 件修正具有很长的历史”“它不对测量机的运动轨迹作任何修正，而只是就它对测量结果 的影响进行修正，可以以较低的成本达到较高的测量精度三坐标测量机是一个复杂系统， 误差派较多因此出现较多的误差修正方法。其中比较典型的有天津大学张萄雄提出的基 于二十一项几何误差的准刚体误差修正模型但是该方法只能修正测量机的几何误差中 的系统误差，无法修正几何误差中的随机成分、测量机弱刚度结构引起的误差、动态误差 和熟变形误差同时这种分离的各个单项误差是非实时性测量，而测量机的测量精度具有 时变性。因此利用这种软件修正方法提高测量机的精度不符合测量机的实际使用要求 目前三坐标测量机中热变形误差主要来源于测量系统( 光栅