三坐标测量机的误差分析

1、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1.1.三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

2、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 1.11.1 给出了三坐标测量机主要误差源的分解示意

3、图。2.2.三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。2.12.1 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。2.22.2 测头误差分析 三坐标测量机的测头分为两种：接触式测头

4、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 测头的误差由测力一位移关系，位移一位移关系，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

5、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。3.3.三坐标测量机的相对综合测量误差和空间误差3.13.1 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。3.23.2 三坐标测量机的空间矢量误差空间矢

6、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。4.4.三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 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

7、决定，其主要种类如图 1 1 所示。（2 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 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 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