精密测量理论与关键技术.doc

目录第一章 绪论21.1引言21.2工业4.0背景下精密测量技术意义21.3工业4.0背景下纳米三坐标测量机国内外发呈现状4第二章 纳米三坐标测量机系统构造62.1纳米三坐标测量机“331”布局原则62.2“331”原则构造系统构成62.3测量机不完善性对“331”构造影响92.4纳米三坐标测量机构造系统102.4.1测量机总体构造构成102.4.2测量机测量系统简介112.4.3纳米三维测头122.4.4测量机力平衡系统及隔振控温系统132.5纳米三坐标测量机精度分析142.5.1激光干涉仪波长稳定度误差152.5.2激光反射镜误差162.5.3测量机几何误差172.5.4测量机几何误差总表达式19第三章 三坐标测量机在工业4.0背景下应用22参照文献23第一章 绪论1.1引言 德国“工业4.0”从倡议到形成国家战略，其发展过程可以简朴描述如下: ，在汉诺威工业博览会揭幕式致辞中，德国人工智能研究中心负责人和执行总裁Wolfgang Wahlster专家初次提出“工业4.0”这一词，旨在通过互联网推动，形成第四次工业革命雏形。 ，是“工业4.0”在德国发展非常迅速一年。德国信息通讯新媒体协会(巳工丁KOM)、德国机械设备及制造协会(VDMA)和电气电子行业协会(ZVEI)建立了“工业4.0”研讨平台，并在法兰克福设立秘书处，在互联网上开设了一种门户网站(http ：/ /www. plattform-i40. de/)。 ，德国成立了“工业4.0”工作组，并于同年4月在汉诺威工业博览会上发布了最后报告保障德国制造业将来:关于实行工业4.0战略建议(Securing the future of German manufactur-ing industry:Recommendations for implementing thestrategic initiative INDUSTRIE 4.0)。 ，德国联盟教研部与联邦经济技术部将其列为高技术战略十大将来项目之一。 12月，德国电气电子和信息技术协会刊登了德国首个“工业4.0”原则化路线图。4月，汉诺威工业博览会，主题:“融合工业下一步”。德国工业4.0为全球制造业描绘出了第四次工业革命宏伟蓝图：基于赛博一物理系统(Cyber-Physical System，CPS)，建立人机一体智慧工厂(Smart Factory）。实行工业4.0核心问题之一是构建智慧工厂生产线，即将大量先进技术组织为有机整体，并固化为生产线及管理模式，从而通过大幅提高生产效率，将生产线精益化水平推向新高峰。1.2 工业4.0背景下精密测量技术意义 随着科学技术发展，生产线硬件设备和技术手段不断更新换代。不可否认，硬件设备和技术手段更新换代使得生产线效率得到了很大提高。但同步也应当看到，生产线经常有半数以上潜能都没有得到发挥，其中有生产线设计不合理因素，也有实行管理因素，而这些正是精益最佳用武之地。生产线设计和实行都应当环绕着精益这个主题展开。对工业4.0生产线而言，网络化、数字化、物联网都是服务于精益技术手段，简朴地堆砌这些技术手段很难达到预期效果，这就犹如不从审美出发，堆砌高档服装达不到抱负衣着效果同样。 如上文所述，精益是生产线永恒主题，精益是将工业4.0各项先进技术组合为一体最佳工具。精益生产线设计核心是生产线价值流设计，一切设计工作都需要环绕着这个核心开展，新世纪测量技术得到了迅速发展，从离线测量发展为在线测量，从直接测量发展为间接测量，从接触式检查升级为非接触式检查。测量设备也逐渐自动化，不但有大型专用自动测量装置(如三座标测量机)，尚有小型便携式测量器具(如手持自动测量器具)。诸多自动化加工设备也已经集成了先进测量技术，可以实现加工过程中在机测量和自动矫正加工、换刀后自动测刀和数控程序自动插补。要在生产线上合流搭配各项测量设备，使其构成一套可以支撑精益生产线测量系统。测量系统设计核心在于将检测活动层次化、分散化，使生产价值流尽量地保持持续性，而对于检测活动重新划分，除了需要配备相应自动检测设备，更需要对检测工艺和管理方式做出调节。例如可将检测活动分为4个层次:第一层是加工过程中检测，通过自动化设备上在机检测模块，实现边加工边测量;第二层是加工工序流转前检测，该环节检测项目需要大幅减少，以减少由此带来生产线等待和价值流中断，要达到这个目，除了要配备便携式检测设备外，更需要优化工序分离面，将许多检测工作转移到在机检测环节;第三层是某阶段加工完毕后终端检查，由于终端检查是生产线一种环节，因此检查时间需要与生产线节拍相吻合;第四层是所有加工完毕后测量间检测，惯用有三坐标测量机等，与否将这某些测量移到生产线外并没有定论，需要综合考虑大型测量设备成本和运用率。下文将用纳米三坐标测量机讨论在工业4.0背景下精益生产线设计里精密测量技术。1.3 工业4.0背景下纳米三坐标测量机国内外发呈现状随着机械制造、汽车、航空航天和电了等工业发展，许多复杂零件生产和检查相应需要高精度测量仪器，因而可以满足三维测量三坐标测量机应运而生，并日趋成熟。三坐标测量机集成了机械、光学、电了、计算机等技术，可以进行零件和部件尺寸、形状及互相位置检测，也可以实现零件外轮廓尺寸测量。微系统(MEMS)是当代科技发展标志之一，为了保证微系统质量与精度，对微机电器件必要进行高精度检测。当工件尺寸在厘米量级且公差规定在微米级如下时，老式三坐标测量机便不再能满足测量规定，这就需要咱们研制测量范畴较小、精度高，可以实现测量精度在亚微米级三维测量仪器。因而研制小型纳米坐标测量机，已成为当代测试技术热点研究领域之一，近年来世界各国均投入巨资进行研究。纳米三坐标测量机作为一种三维测量仪器，继承了老式三坐标某些特点，同步在机械构造布局和材料构成等方面有诸多变化，以适应高测量精度规定。(1) 美国国标与技术研究院(National Institute of Standards and Technology，KIST)Teague于1987年开始进行研制分了测量机M3(Molecular Measuring Machine)，以满足工业上纳米器件和电路测量需求，设计目的为在测量机SOmmX50mm测量范畴内任何位置实现1 nm合成不拟定度。分了测量机被设计为二维测量仪器，x-y向位移感测由白行开发高辨别率Michelson激光干涉仪实现，:轴运动范畴约为1.5um测头系统是采用SPM系统(扫描探针显微镜)，整个测量机在数重环境控制罩保护下(隔震、隔音、真空、恒温恒湿)。当前，测量机已可实现50*50mm测量范畴，测量时温度稳定度控制在5 mK，干涉仪辨别率为亚纳米级。对于1 mm测量距离，测量不拟定度为5 Onm(仲展因了K=2)。为了减少测量不拟定度，该测量机当前还在进一步研制中。(2) 东京大学Takamatsu专家研究N ano-CMM，始于1995年。机台构造采用了老式CMM缩小化设计，由单一低热膨胀材料制成对称移动桥式机台，以增强测量稳定性，减少温度影响。测量机以双V型凹槽中放置精密圆棒方式构成x-y向导轨构造。用摩擦轮构造实现位移驱动。位移测量基准为Mitutoyo公司光学玻璃光栅尺，测量范畴为1 Omm，辨别率为1 Onm。接触式光学探头直径为50um，具备1 Onm辨别率，测量范畴0.6um测量机测量范畴为1OX10X10mm，导轨直线度误差50nm，位移重复性20nm。(3) 英国国家物理实验室(National Physical Lab，NPL)所研制小型三维测量机。测量机在Zeiss UPMC 550， Leitz PMM 12106等商品化坐标测量机工作平台上加装带有高精度位移测量系统微型工作台，并在原探头上加装可以便拆卸微型探头。(4) 瑞士联邦计量局Federal office of Metrology(METAS)研制Ultra precision uCMM，其构造设计采用计量系统和三维运动工作台分离方式，测量机三轴激光干涉仪与测头被安装在独立框架上，三轴干涉仪测量线相交与测头一点以在空问上满足阿贝原则。测量机x向和z向运动靠组合式V型导轨左右平移实现，导轨下装有空气轴承以隔离振三维运动工作台三面均装有平面反射镜，用于匹配各轴激光器位移测量。 （5）荷兰Eindhoven大学设计3D-CMM，采用对称式机台设计，各轴使用线性步进压电式马达驱动。各轴距离计量光栅尺采用符合阿贝原则布局方式，测头为电了式接触触发式探头，探头直径0.3 mm，不拟定度25nmo测量机测量范畴为100X100X100mm，各轴不拟定度为100nm，总体不拟定度也为100nm。国内单位尚有某些单位进行与纳米三坐标测量机有关研究工作，如中华人民共和国计量科学研究院研制2.5维纳米构造测量系统，其采用气浮工作台与气动锁紧装置位移台做大范畴位移，使用激光干涉仪和原了力测头构成测量系统，因而z向测量行程较小，测量机测量范畴为50mmX50mmX2mm;中华人民共和国长城计量测试研究院针对纳米级尺寸三维测量技术研究;天津大学与德国SIOS合伙，在SIOS商用纳米定位测量机基本上进行纳米测头研究;合肥工业大学与台湾大学合伙，进行纳米三维测量、纳米测量微型探头方面研究。第二章 纳米三坐标测量机系统构造2.1纳米三坐标测量机“331”布局原则一百近年以来，测量系统都遵循阿贝原则，即当测量时被测件被测尺寸线与测量仪器原则量尺寸线相重叠或者在其延长线上时，测量误差最小，不符合阿贝原则而产生测量误差称为阿贝误差。一维测量系统可以做到满足阿贝原则。而二维或三维测量系统，由于构造上限制，很难做到各方向都满足阿贝原则，导致测量系统不可避免存在阿贝误差。例如万能工具显微镜和三坐标测量机，构造系统布局均不符合阿贝原则，这种影响限制了测量仪器精度提高。误差修正及计算机技术发展使多维构造精度有了保证，但这种技术作用使有限，其对于高精度测量，特别是纳米精度测量是不合用。因此，必要谋求新原则，因而，咱们专门提出了合用于纳米三维测量“331”构造布局原则，能有效保证纳米级测量精度。2.2“331”原则构造系统构成“331”原则简述:设立三维测量系统X，Y，Z轴原则量尺寸线或其延长线互相垂直并相交于一交点上，以这三轴测量线为基准建立三维坐标系。设立测量系统中测量平台X轴导轨导向面、Y轴导轨导向面与X，Y轴原则量尺寸线所构成测量面重叠，从而建立运动面与测量面这三面共面测量平台。最后设立测头中心点与三条原则量尺寸线延长线交点重叠。完毕上述工作后，锁定三轴标尺与测头相对位置，建立起三维测量系统。 （1）三线共点如图2-1所示，调节使三维测量系统X，Y，Z三轴标尺1，2， 3尺寸线延长线互相垂直并相交与一点，从而建立整个测量系统机器坐标系。图2-1 三线共点示意图（2） 三面共面如图2-2所示，设立X向基座4X轴导轨导向面5和Y向基座6Y轴导轨导向面7处在同一高度，并与X，Y轴标尺1，2两测量线所构成X-Y测量面重叠，二维运动平台在X-Y方向导轨导向面和测量面共平面。Z台9嵌套在Y向基座内，可以沿Z向白由升降。图2-2 三面共面示意图如图2-3a，老式x-y两维运动台多由两个可一维运动工作台堆叠而成。导轨不完善性而导致运动台产生俯仰和偏摆运动，两个工作台在空问上存在高度差会将角运动放大反映到载物台所处测量平面上。例如二维测量平台，其两导轨运动面不重叠，存在S=5cm高度差，滑台运动倾斜角度为，则给上一级滑台导致运动定位误差，这个误差量级对于纳米测量是不可忽视。因而在测量系统机械机构布局上，使x、y两维导轨运动导向面与工作台测量面重叠(图2-3b)。这种导向与测量面共平面设计，消除了导轨角运动误差和导轨高度差对平台定位误差放大作用。在测量时，被测件放在工作台载物面上，对于MEMS微小零件，其厚度小，由高度差引起阿贝误差可予忽视，但对于有一定高度被测件，在测量时也许引起不可忽视误差。因而将Z台9设计成可作Z向位移组件，便可以保证任意测量点均落在三面共面测量面上。 图2-3 共平面工作台示意图（3） 点面重叠最后设立测量点落在重叠面上，并与三条原则量尺寸线或其延长线交点重叠。在忽视测头直径影响时，可以为测头中心位置就是测量点。完毕上述工作后，锁定三轴标尺与测头相对位置，建立起三维测量系统。采用这种三轴标尺线共点方式构建三维系统空问坐标系，使测头处在共点处。固定在测量平台上被测件随着测量平台运动，并向测头逼近实现测量，从而保证了任一被测点都处在原则量尺寸线上。这种共平面导向、原则量尺寸线共点和测量点与导向面重叠“331”构造，不但克服了老式三维运动系统堆栈式构造而带来不可避免阿贝误差问题，并且实现了三维测量空间上“零阿贝误差”。但由于这嵌套式共平面构造布局，限制了整个测量系统测量范畴，可合用于测量范畴较小，测量精度规定较高微纳米级测量。331”原则为高精度纳米级三维测量系统构造布局提供了创新设计原则，可减少仪器制导致本，具备广泛实用价值。2.3测量机不完善性对“331”构造影响在满足331原则三维测量构造中，由于三线共点设计，使阿贝误差对测量机精度影响降到极低。同步，共平面设计又有效减少了导轨运动直线度误差对三维工作台定位精度影响。在实际设计和装配中，应依照各条件规定有所侧重，下面就简要分析某些典型机械加工装配误差“331”构造影响。(1)三测量线不共点 如果由于标尺装配而导致三条测量线不共点，也就是说，测头必然与某一轴标尺线不重叠，这也就直接导致被测尺寸与标尺线不重叠，导致阿贝误差。设两条测量线不交于一点，这样，测头与其中一条测量线在空问一定存在L偏差。滑台运动倾斜角会导致阿贝误差。当L较小时，偏差可忽视不记，实现“零阿贝误差”。表2-1便列出了因测量线不共点，角运动在一定不共点误差下导致测量误差。表2-1 测量线不共点影响 不共点角误差0.5mm2.5nm5nm12.5nm1.0mm5nm10nm25nm2mm10nm20nm50nm （2）测量线共点，而导轨不共面假设按“331”原则搭建三维运动平台，可完全做到三线共点。这样，就不再存在测量阿贝误差。而事实上由于加工装配等偏差，其两导轨运动面与X，Y轴标尺线所构成测量面不重叠，也就是没有做到三面共面。但是，导向面和测量面不共面，会放大导轨直线度偏差，影响平台定位精度。设存在s=0.1mm距离，滑台运动倾斜角度为=1，则由滑台角运动产生附加定位偏差差 =0.48nm，影响非常小。在实际加工装配或控制中，两导轨导向面与测量面重叠误差可以做到更小，这样就可以将X，Y导轨直线度偏差差引起定位偏差大大减少。(3) 测量线不垂直各轴标尺测量线在设计时规定互相垂直，建立机器坐标系基准。但由于加工装配不完善性，各轴标尺互相之问在空问存在不垂直度。这个不垂直度对测量影响是有限，为二次误差。2.4纳米三坐标测量机构造系统2.4.1测量机总体构造构成：图2-4 测量机整体构造1、 花岗石基台2、x轴干涉仪3、x轴反射镜4、x轴压电电机5、y-x轴干涉仪6、y轴反射镜7、y轴压电电机8、z轴干涉仪9、力平衡系统10、悬臂梁11、 测头12、千斤顶纳米三坐标测量机整体构造布局如图2-4所示，为以便简介，图中各部件数字标号在本章图中始终沿用。测量机重要涉及花岗石基台与测头悬臂梁，三轴激光干涉仪，三轴激光反射面，三轴压电陶瓷驱动系统，三维运动工作台，力平衡系统及测头系统等。测量机主框架一一测量机基座和安装纳米测头悬臂梁均为花岗石材料，中问三维工作台运动范畴为50X50X50mm。测量时，被测工件摆放在中问三维运动工作台上，测头位置不动，由各轴压电陶瓷电机驱动工作台移动实现采点测量。工作台三面分别安装有镀银反射面，各轴都相应装有激光干涉仪，用于运动平台各轴运动位移感测。整个测量机被放置在独立恒温恒湿隔振系统中，恒温箱内温度控制精度可达到0.05摄氏度以内，从而有效避免因温度变化而导致构造变形，将热误差对测量影响降到最低。下面就分别对该测量机各某些构造进行详细简介，并阐述各核心部件有关关系。2.4.2测量机测量系统简介本测量机测量系统涉及两个某些:一某些为由三台回馈式干涉仪构成位移测量系统，各轴干涉仪测量范畴重要受限于反射镜尺寸，最大均为60mm以内;一某些为可输出相对偏移量数值三维软测头，其测量范畴为。在纳米测量机触发采点时，测点值由这两某些测量成果叠加构成。因而，测量机精度和辨别率由测头和激光器共同决定。测量机各轴位移测量由三台激光干涉仪实现，干涉仪为采用Nd:YAG微片激光器激光回馈式干涉仪。激光器具备极高光回馈敏感度并兼顾了相位外差测量办法高辨别率等长处，使用了准共路激光回馈干涉技术，可有效消除回馈干涉仪空程带来负面影响，大幅度地提高了干涉仪抗干扰能力。干涉仪辨别率为lnm测量范畴为50mm以上。干涉仪激光源由保偏光纤引入，以消除光源发热对干涉仪测量影响。 图2-5 回馈式干涉仪原理图2.4.3纳米三维测头该三维测头在x，y,z三个方向测量范畴均为，辨别率为1 nm。如图2-6左图所示，测头可同步测量三个白由度，其原理重要是运用迈克尔逊干涉仪测z向微位移和自制白准直仪系统测x-y方向二维小角度，且将迈克尔逊干涉仪和白制白准直仪合为一体，在迈克尔逊干涉仪基本上，通过一片分光镜将被测反射镜反射回某些光进入白准直仪中。这样就构成了一套单方向位移和两角度三白由度光学传感器。纳米三维测头属于接触式探头，且为软测头，在感测物体表面三维形貌同步，要保证不能破坏物体表面。这就需要一套高敏捷度力传递机构。本探头悬浮机构是由高敏捷度弹性元件被青铜簧片而构成。如图2-6右图所示，测量反射镜粘贴在悬浮四臂悬浮片，四臂悬浮片和圆环之问用四片被青铜簧片连接，悬浮片下面是带有红宝石测球探针。 图2-6 三维测头三白由度光路及悬浮机构原理这套力学机构牢牢限制了三臂悬浮片及其测量反射镜x， y位移和沿z旋转角三个白由度，同步仅仅保存了三臂悬浮片及其测量反射镜z向位移，沿x和沿Y旋转角三个白由度，并且保存这三个白由度正好和测球z向位移，Y向位移和x向位移一一相应。因此当探针测球接触物体而受力时，四个被青铜弹性簧片会发生变形，会将测球三方向位移转换成中问悬浮片及其测量反射镜相应位移和二维角度变化，此变化可以由上部位移和二维角度传感器感测。同样当探头测球在物体表面接触扫描时，物体表面三维形貌可以由此探头感测出。2.4.4测量机力平衡系统及隔振控温系统在精密机械仪器测量部件构成系统中，为了保证整体精度，需要从构造构成和构件精度两方面获取有效办法，其中构造构成是较重要方面。通过度析影响机械系统整体精度各因素可知，构件作用力、特别是运动状态下动态作用力，会对机械整体精度导致影响。它使测量仪器系统构成部件产生微位移和微变形，或使整个系统力平衡状态受到破坏，对精密测量产生不可忽视测量误差，这对于纳米级测量仪器将会是重要影响因素之一。当前，在各种精密测量机械机构构成中，由于整体系统运动状态不同，因此采用作用力平衡机构也不同。在精密机械系统中作用力重要有两方面用途:一方面，对于接触式测量测头需要受到一定测力，以使测头接触状态良好，但会导致接触变形，因而要恰当控制测力p，使接触面受力变形误差s、在一定范畴(图2-7 左图);另一方面对于非接触式测量，没有接触变形误差影响，但对工作台驱动力大小及方式也有一定规定。驱动力大小要适当，驱动方式要对整个工作台运动需具备力平衡特点。因而精密机械仪器系统作用力及力平衡机构在其整体系统设计中需全面考虑，以使相应机构设计合理。图2-7 测头接触力变形和重锤式力平衡系统常用三坐标测量机、精密测长仪及各种测微仪等，均有合用于其白身构造系统作用力及平衡机构，例如重锤、弹簧及气动力等，但它们均具备其特定合用性，并且多只合用于一维运动系统。下面以常用图2-7右图所示立式测长仪力平衡机构为例阐明。被测件置于仪器底座上，测量滑杆受白重G1使测头与被测件表面接触。为了使接触力恰当，由立柱孔内可上下运动重锤重力G2通过滑轮使两者作用力平衡，并由附加调节祛码来控制被测件表面接触力p在一定范畴内。由于导轨支撑位置固定不变，因此这种构造只合用一维运动系统。这种简朴力平衡机构作用可靠，应用普遍，对于惯用二维、三维测量仪器，必要采用其她形式力平衡系统。在“331”构造纳米三坐标测量机中，为保证各部件力变形做到最小，同步使部件沿导轨移动时轻便而平稳，测量机也同样必要配有力平衡机构。对平衡机构重要规定是:尽量地减少电机驱动阻力;减小测量机重力变形影响;测量机各运动部件在任意位置时，平衡力大小和方向应保持不变。2.5纳米三坐标测量机精度分析与老式三坐标测量机类似，纳米三坐标测量机误差源重要来自于各轴测量系统示值误差、导轨直线度误差、残存阿贝误差、反射镜形貌误差、反射镜垂直度误差、测头瞄准误差、动态误差和热变形误差等，而纳米三坐标测量机自身特有“331”构造布局又使得这些误差因素对测量成果影响不再与常规三坐标相似，下面便先结合本测量机详细构造对激光干涉仪波长稳定度误差、激光反射镜误差、测量几何误差进行详细简介和分析。2.5.1激光干涉仪波长稳定度误差本测量机用回馈式激光干涉仪基于外差干涉测量原理，当测量反射镜移动时，产生多普勒频移效应，返回光频率有频移量，它包括了被测反射镜位移信息。由于干涉仪使用是平面反射镜，测量光束光程变化为测量反射镜位移2倍，产生多普勒效应可以用下面式了来表达: 式中，c为光速，v为测量反射镜移动速度，f为出射到反射镜表面光光频。对式（1）中移动速度v进行时间积分便可以获得反射镜移动距离L: 为测量光波长值，频率时问积分在解决电路中体现为计数器脉冲计数值N: 式3便为测量机所使用干涉仪原理公式，式中波长兄为测量时刻波长值，因而，波长稳定性将直接影响到测量机各运动轴位移量测量。因而需要单独搭建波长测试系统，对测量机各轴激光器波长精确值和波长稳定性进行单独测试，获得波长不拟定度。阿伦方差计算是相邻时问段内平均值差值平方和，因而可以消除信号缓慢变化影响。因而，使用阿伦方差来表征激光器波长稳定性，将更为适当某些，它带有时问参数，反映了测量时问对测量值影响。阿伦方差定义式：表2-2 各轴激光干涉仪阿伦方差值从上面测量成果可以看出，各轴激光器波长稳定性(1000s)均在量级以内，因而在这个时间段内，以测量机50X50X50mm测量范畴来计算，测量机因激光器波长变化引起测量误差最大不超过8nm。如按原则差方式来计算，各轴激光器波长在3小时内原则差也在nm量级左右，在测量机最大行程内引起测量误差也约为8nm，式中为激光器波长值，约为1064nm。2.5.2激光反射镜误差 图2-8 x-y反射镜垂直度误差影响示意图如图2-8所示，由于装配调节误差，工作台x，y反射镜之间存在垂直度误差，为以便分析，咱们将坐标系Y向建在x反射镜方向上。因而当工作台沿x向平移距离后，测量机Y轴激光器因Y反射镜不垂直度而产生附加输出值。靠自准直仪和垂直度原则件比对办法，由于瞄准误差和反射镜装夹力变形等因素影响，装调后反射镜仍会有10左右垂直度误差残留。由于x-y反射镜之问夹角在安装完毕后便固定不变，因而这项误差为一次误差，且为一种与位移关于常数值。10“垂直度误差，在50mm行程中就会对测量导致约500nm偏差。图2-9 Z反射镜垂直度误差影响示意图如图2-9所示，测量机z轴反射镜安装在测量机z台上，咱们分两种状况分析垂直度误差影响。当z轴保持不动时，随着平台在x-y方向二维运动，x-z反射镜之间垂直度误差和y-z反射镜之间垂直度误差会给z轴测量带来附加输出值。 如图2-9，当平台运动到x-y平面某个位置停下后，再沿z台上下运动，由于z导轨角运动误差，z反射镜和x，y反射镜之问空间夹角会随之不断变化，这也就意味着z反射面垂直度误差是与z轴位移关于一元函数,而不是如x-y反射镜垂直度误差那样是个定值。z轴俯仰角和偏摆角误差会叠加在z反射镜垂直度误差上，即z轴测量误差变为: 因而，再加上z反射镜自身形貌误差,z反射镜对测量机z向测量带来误差为与三轴位移均关于函数，Z轴误差修正需要建立一种三维空问误差模型。 2.5.3测量机几何误差 图2-10 测量机简化构造一方面，将测量机简化为如图2-10所示简化刚体模型，整个构造被分为3个刚性某些:测头和激光干涉仪构成测量系统、装有x，y反射镜y滑台、装有z反射镜z台。在这3个相对运动部件上分别建立直角坐标系， 和。建立在测量系统上，由于测量系统安装固定在工作台上，因而该坐标系可以以为是固定不变世界坐标系，测头相对该坐标系相对位置关系拟定不变。在初始位置，3个坐标系原点重叠,x,y,z方向也重叠，测量坐标系原点建立在三测量线交点上，Y轴方向与x轴反射镜平行。由于在建立误差模型时，会考虑到测头位置偏离三线共点交点位置而导致残存阿贝误差，因而设定测头点并不在测量坐标系原点，而是在三个方向上偏离一种微小位移，相称于在世界坐标系下坐标为()在三坐标测量机测量被测件上某一种点坐标时，测量成果由测头与工件坐标系相对位置来决定。如测头初始位置为点，工作台分别沿x,y,z轴移动距离(激光干涉仪显示值)，在测量机各部件为抱负状态没有误差状况下，它应当走到()位置。而在事实上测头在工作台坐标系下坐标为()，其中便为测量机各轴测量误差。（1） x-y二维运动图2-11 测量机x-y二维运动几何误差示意图如图2-11所示，Y滑台先在x方向移动,y方向移动，平移坐标变换关系用来表达。由于在移动过程中存在角运动误差，旋转变换用表达.式中指是，是x轴在位置角运动误差和y轴在位置角运动误差叠加，其他轴以此类推。 下面分别为Y滑台x-y二维运动过程中各轴激光器实际输出值(以光程增长为正): (2)z向运动 咱们再假设测量机在x，y向二维运动后，z工作台z向移动距离。在这个运动过程中，工作台坐标系从变到，这个过程坐标变换用表达。 在这个过程中，激光器输出值即： 2.5.4测量机几何误差总表达式前面分析将测量机三维运动提成一次x-y轴运动和一次z轴运动，为了得到最后测头P点在工作台坐标系下坐标()。由于存在测头偏心误差，因此测头初始坐标为()，展开后将微小相乘项约去: 依照化简后得到： 上式给出了本节所述所有几何误差传递系数与合成关系，为测量机在测量空间某一任意测量点误差修正式，在测得三坐标测量机某一项几何误差后，可以代入上式进行修正。从表达式中可以清晰看出，残存阿贝误差对测量成果影响。式中考虑到了各轴残存阿贝误差，结合x，y轴角运动误差会对测量产生影响。或者是如果通过控制加工和装配精度，将测头在三线共点处位置偏差控制在0.1 -0.2mm以内，三轴误差修正式中与相乘变量量级均在5nm以内，对测量成果影响有限。在残存阿贝误差较小时，x，y轴直线度误差和角运动误差对测量成果无影响，因而在实际几何误差修正中，这些阿贝误差项是被忽视不计。相比其她两轴，z轴误差项较多，重要误差源为底面反射镜平面度和垂直度误差，其导致z向测量误差与测量机空问位置关于，也就是说，是一种以x,y,z坐标为变量函数，是一种三维空问误差函数。第三章 三坐标测量机在工业4.0背景下应用 工业4.0预示着第四次工业革命到来，每次工业革命都必然导致生产线升级换代。精密测量技术是生产线永恒主题，工业4.0生产线更应当是精益。只有从精益出发设计生产线，才可以使得工业4.0各项新技术组合为有机整体;只有从精益出发实行生产线运作管理，才可以保证工业4.0生产线高效运营。 随着工业4.0到来，许多复杂零件生产和检查相应需要高精度测量仪器，因而可以满足三维测量三坐标测量机应运而生，并日趋成熟。三坐标测量机集成了机械、光学、电了、计算机等技术，可以进行零件和部件尺寸、形状及互相位置检测，也可以实现零件外轮廓尺寸测量。微系统(MEMS)是当代科技发展标志之一，为了保证微系统质量与精度，对微机电器件必要进行高精度检测。当工件尺寸在厘米量级且公差规定在微米级如下时，老式三坐标测量机便不再能满足测量规定，这就需要咱们研制测量范畴较小、精度高，可以实现测量精度在亚微米级三维测量仪器。因而研制小型纳米坐标测量机，已成为当代测试技术热点研究领域之一，近年来世界各国均投入巨资进行研究。纳米三坐标测量机作为一种三维测量仪器，继承了老式三坐标某些特点，同步在机械构造布局和材料构成等方面有诸多变化，以适应高测量精度规定。三坐标测量原理是:将被测物体置于三坐标测量机测量空问内，通过测量机在被测物体表面采点方式来获得被测面上某些点坐标位置，再将这些点坐标数值通过数学运算，拟合获得被测儿何元素尺寸、形状和位置。因而，对任何复杂儿何表面与形状，只要测量机测头可以瞄准(或感受)到地方(接触法与非接触法均可)，就可测出它们儿何尺寸和互相位置关系，并借助于计算机完毕数据解决。因而，三坐标测量机是机械制造、工业检测和质量控制技术中不可缺少重要设备，其技术水平也直接反映了当代制造和测试技术水平高低。三坐标测量机浮现是儿何量测量中革命，它将各种儿何量统一为坐标测量，给生产、科学研究带来了很大以便.参照文献1陈志文.“工业4.0”在德国：从概念走向现实.世界科学，.5.2张伦彦.面向工业4.0精益生产线设计和实行办法.航空制造技术，.3郭洪杰，杜宝瑞，赵建国，张辉.飞机智化装配核心技术能.航空制造技术，.4王伟丽.纳米三坐标测量机机械构造及接触式测头技术研究D.合肥工业大学博士论文，.5王晨晨.异端类型三坐标测量机构造原理及误差修正技术研究D.合肥工业大学博士论文，.6张国雄.坐标测量技术发展方向J.红外与激光工程.7刘柞时，倪潇娟.三坐标测量机(CMM)现状和发展趋势J.机械制造. 8李源，栗大超，胡小唐.应用于纳米测量机MEMS微接触式测头构造设计和优化J，传感技术学报，19(5)，1512-1515.9王伟丽，范光照，程方.新型纳米级二维工作台参数测试J.机械制造，44(2):64-67.10荣烈润.三坐标测量机现状和发展动向J.机电一体化.11张国雄.三坐标测量机M.天津:天津大学出版社，1999.12林述温，吴昭同，李刚.三坐标测量机非刚性效应测量误差分布特性J.仪器仪表学报，22(2):172一175.13汪平平，费业泰，林慎旺.柔性三坐标测量臂标定技术研究J西安交通大学学报.(03)：284-288.14汪平平，费业泰，尚平，等.柔性坐标测量机参数辨识办法J.农业机械学报.，38(07):129-132.15张英，姚燕安，查建中.基于平面连杆机构积极平衡器Jl.上海交通大学学报.(12):1727-1734.