影响三坐标测量机的精度因素探讨.doc

影响三坐标测量机的精度和长期稳定性的因素

一． 机械精度：
（一）21项机械制造误差。

1． 静态误差：
由定位误差（3个）+直线度误差（6个）+垂直度误差（3个）共12项误差组成。测
量软件可进行补偿修正，但必须用双频激光干涉仪、激光准直仪、光学平尺等检测出
误差值的大小，按照其补偿数学模型进行修正。
ⅰ. 定位誤差
Ø δx(x) —沿X軸運動時延X方向的定位誤差；
Ø δy(y) —沿Y軸運動時延Y方向的定位誤差；
Ø δz (z) —沿Z軸運動時延Z方向的定位誤差。
ⅱ. 直線度誤差
Ø δy(x) —沿X軸運動時延Y方向的直線度誤差；
Ø δz(x) —沿X軸運動時延Z方向的直線度誤差；
Ø δx(y) —沿Y軸運動時延X方向的直線度誤差；
Ø δz(y) —沿Y軸運動時延Z方向的直線度誤差；
Ø δx(z) —沿Z軸運動時延X方向的直線度誤差；
Ø δy(z) —沿Z軸運動時延Y方向的直線度誤差。
ⅲ .垂直度誤差
Ø αxy —X、Y軸間的垂直度誤差；
Ø αxz —X、Z軸間的垂直度誤差；
Ø αyz —Y、Z軸間的垂直度誤差。
2． 动态误差：
由滚转误差（3个）+俯仰误差（4个）+偏摆误差（2个）共9项误差组成。测量软件
可进行补偿修正；但必须用双频激光干涉仪、激光准直仪、电子水平仪等检测出误差
值的大小，按照其补偿数学模型进行修正。
ⅳ. 轉度誤差（角运动誤差）
Ø εx(x) —沿X軸轉動時繞X方向的轉動誤差（滚转误差）；
Ø εy(y) —沿Y軸轉動時繞Y方向的轉動誤差（滚转误差）；
Ø εz(z) —沿 Z軸轉動時繞Z方向的轉動誤差（滚转误差）；
Ø εy(x) —沿X軸轉動時繞Y方向的轉動誤差（俯仰误差）；
Ø εx(y) —沿Y軸轉動時繞X方向的轉動誤差（俯仰误差）；
Ø εy(z) —沿Z軸轉動時繞Y方向的轉動誤差（俯仰误差）；
Ø εx(z) —沿Z軸轉動時繞X方向的轉動誤差（俯仰误差）；
Ø εz(x) —沿X軸轉動時繞Z方向的轉動誤差（偏摆误差）；
Ø εz(y) —沿Y軸轉動時繞Z方向的轉動誤差（偏摆误差）；
3．21项机械制造误差的产生原因
ⅰ. 静态误差：
Ø 主要是花岗岩工作台、横梁和Z轴的制造误差；
Ø 机械结构的装配误差；
ⅱ. 动态误差：
Ø 传动系统传动的平稳性及传动的方式（即中央或单边驱动）；
Ø 运动控制对于运动轨迹的控制能力；
Ø 运动部分即移动桥的重量；
Ø 运动部分即移动桥的结构重心的高低；
Ø 运动部分即移动桥的的跨度的大小；
Ø 机械结构的装配误差；
Ø 机械结构的受力布局状况；
a .三轴的气动布局
空气轴承在三轴导轨面上的布局状况：受力的受力平衡、受力支撑点的数量及
各受力支撑点的大跨距的分布，来提高运动部件的抗扭摆的能力。
b.中央滑架的设计
中央滑架直接将横梁和Z轴两轴的运动相连接，其刚性结构的强弱，也直接影
响着运动部分的结构动态变形、动态运动误差及其机械结构的长期稳定性。
c.横梁的设计

Ø 移动桥架的机械结构的自重
其运动部分质量越轻，在高速、高加速度运动时所产生的惯性力越小，变形量
也越小，特别是对于扫描测量，结构动态变形所引起的误差非常重要。
（二）机械结构的微观变形量
主要由结构刚性、外力、自重、内应力及温度等变形构成；
1． 机械结构刚性引起的变形量
2． 材料自身内应力引起的变形量
主要是材料材质的质量和冶炼、铸造技术工艺所决定的。
Ø 材料内部结构的微观离子的均匀性-------引起的材料内应力
ⅰ.热处理时效处理
可取除95%以上的材料内部结构的应力；
ⅱ.振动时效处理
采用振动实验台，利用高频的振动从而引起材料内部结构的微观离子分布变
化，以达到取除材料内部结构的应力；
ⅲ.自然时效处理
可取除残留的材料内部结构的应力；
3．材料的热变形
ⅰ．线性温度结构变形：由于材料存在“热胀冷缩”的物理现象，不同材料按照不同的热膨胀系数所进行的变形。
u 线性温度结构变形可以通过测量软件进行完全修正。
u 机械结构的线性变形主要在于材料的热传导性的好坏。
ⅱ．复杂温度结构变形：由于材料结构内部所存在的温度梯度（即温度的不均衡）所造成的变形。
u 复杂温度结构变形无法通过测量软件进行完全修正。
u 复杂温度结构变形是由材料的热传导性较差所引起的。
ⅲ．在不同的材料之间，由于其自身的材料导热率、热膨胀系数的不同，其由于
环境温度所引起的热弯曲变形量是不同的。
研究数据表明：铝导轨对热弯曲具有最佳的适应性。其热弯曲变形量是花岗岩的1/10，是陶瓷的1/6，是钢的1/18。
材料性能参数指标
花岗岩
陶瓷
铝合金
钢
材料密(g/cm3)
2.8
3.7
2.7
7.9
导热系数( W/m.K)
2.5
24.7
237
80
热膨胀系数(um/m.℃)
7
8.2
23.2
80
横截面热阻及温度梯度（ΔT ）
1
0.5
0.025
0.75
弹性模量(Gpa)
70
300
78
200
弯曲变形量
100%
60%
10%
180%
4．软件的温度补偿
为适应于车间环境，克服温度变化所引起的变形，可进行线形或实时温度补偿。

（三）计量基准—光栅尺的变形
1．光栅尺的种类：
ⅰ．RENISHAW金属光栅尺：
ⅱ．HEIDENHAIN Aurodur金属光栅尺：
ⅲ．玻璃光栅尺：
目前在三坐标测量机基本上已不太采用，主要用在小量程的光学影像仪。
2．光栅尺的技术比较：
光栅尺系统
英国 Renishaw
德国Heidhan
玻璃光栅尺
1
工作原理
用反射光产生莫尔条纹计数
用透射光产生莫尔条纹计数
2
分辨率
0.1um
0.039um
0.2um
3
控制技术

电路细分技术要求简单，细分精度低，抗电磁干扰能力差
电路细分技术要求复杂
，细分精度高， 抗电磁
干扰能力强
电路细分技术要求简单，细
分精度低，抗电磁干扰能力
差
注：由于Renishaw光栅尺要求的控制技术水平较低，而Heidhan光栅尺要求的控制技术水平复杂；有许多控制系统能够控制Renishaw，却无法控制
Heidhan光栅尺。
4
调试方法
有红、黄、绿三色灯
显示安装位置。
需要用示波器进行精密
调试安装位置
需要用示波器进行调试安装
位置。
5
测量温度
由于金属光栅尺同被测金属零件具有相近的热
膨胀系数，所以其对温度的适应能力较强；
玻璃同零件的热膨胀系数相
差较大，其对温度要求较高；
适合于温度梯度变
化不大的工作环境；
适合于温度梯度和温度
变化较大的工作环境；
适合于温度梯度变化不大的
工作环境；
6
安装方式
自贴安装：直接采用将光栅尺用胶粘贴在机器的本体上，如粘贴铝合金表面或花岗岩工作台的表面。
弹性安装：先将光栅尺装配到金属导轨上，一边固定在导轨上，另一边自由伸缩；再将金属导轨固定到机器的本体上。
固定安装：
光源和读数头在光栅尺同一侧
光源和读数头在光栅尺两侧
由于金属光栅尺与三轴的导轨面（花岗岩或铝合金）的线膨胀系数不同，当温度偏离标准温度20℃较大时，光栅尺会产生非线形温度变形，严重时甚至产生″光栅尺鼓包″现象，造成机器精度下降或丧失。
由于金属光栅尺与三轴的导轨面（花岗岩或铝合金）采用弹性安装，虽然它们之间的线膨胀系数不同，当温度偏离20℃较大时，光栅尺会产生线形温度变形，通过软件修正补偿，机器精度不会下降，更不会产生″光栅尺鼓包″现象。
由于金属光栅尺与三轴的导轨面（花岗岩或铝合金）的线膨胀系数不同，当温度偏离标准温度20℃较大时，光栅尺会产生非线形温度变形，造成机器精度下降。
特点
安装空间小；
安装空间小；
安装空间很大；
读数头和光栅尺的
间距为 0.8±0.1；
读数头和光栅尺的间
距为 0.08；
读数头和光栅尺的间0.03；
安装空间要求较低；
安装空间要求较低；
安装空间要求较大；
维修简单不易划伤；
维修简单不易划伤；
维修较难，易划伤、损坏；
用于全行程测量机；
用于全行程测量机；
用于小行程测量机；
7
价格
低
高
低

二． 控制系统：
主要包括控制器、光栅尺、细分器、电机、驱动器和操作盒组成。
（一） 控制器由PC控制计算机与控制软件组成。PC控制计算机采用具有高速运算功能的
DSP（Digital Signal Process即数字信号处理器）；控制软件的软件结构与PC控
制计算机的硬件结构、功能相关连。
1． 精确、实时地读取空间坐标值
Ø 控制软件要对空间坐标值定时读取，以实现对测量机的状态监控和位置控制；
Ø 当测头系统发出采样信号时，要实时地将当前空间坐标值读取，作为测量软件的
输入数据；
2． 运动轨迹的控制
Ø 具有FLY（飞行）功能即具有连续轨迹插补技术和真正三维矢量运动功能，可实
现大幅降低移动桥架的动态误差，减小了跟随误差，提高了定位误差，同时也提
高了机器的工作效率。
3． 状态监控
Ø 对测量机的运行状态进行实时监控，对故障进行自诊断处理，如坐标轴移动到行
程极限、运动速度超速、光栅幅值过高或过低、跟随误差过大、气压过低、测头
触测或误碰、环境温度等，对系统进行相应的处理；
Ø 防碰撞保护功能；
4． 测头系统的管理
Ø 测量机速度分为运行速度和测量速度。软件控制测头以高速运行到工件表面，再
转换为测量速度和法矢方向接触工件，采点完成后，测头再按原路径和设定的速
度回退到安全距离。
5． 参数的管理和初始化
Ø 参数有：PID参数、机器行程参数、机器速度与加速度、光栅分辨率、到位窗口
的设置、跟随误差极限的设置、测头与测座的型号等。
6． 数据通讯功能；
Ø 控制系统与测量软件进行通讯；接收测量软件所发出的命令并进行解释，将控制
系统的状态与数据回送给测量软件及与测头控制器通讯，管理测头的更换和旋转
等；
Ø RS232串口数据通讯传输功能；
Ø 网卡数据通讯传输功能：大数据量的高速传输方式，主要用于扫描测量中的数据
的传输。
（二） TESTSOFT调试软件
Ø 具有专利技术的AUTOTUNE自动调试软件：具有自动生成PID参数、自动调整光栅参数及功率驱动器参数的功能；
Ø 动态测试：
按照美国B89标准要求：Repeatability（重复性测试）/Tunneling 空间定位
测试和/Settling到位测试；
（三） 21项误差的补偿功能
（四） 光栅尺的功能
Ø 支持RENISHAW光栅系统；
Ø 支持HEIDENHAIN光栅系统；
Ø 支持玻璃光栅系统；
（五） 细分器的功能
Ø 电路细分：将移相电阻链与数字逻辑电路相结合的方法对于脉冲信号进行细分。它的细分倍数一般为5的倍数，常见的细分倍数有：20倍、40倍、100倍等几种；
Ø 软件细分：以A/D转换器及CPU组成，对于脉冲信号进行细分。它的细分倍数一般为8的倍数；
（六） 直流电机/测速机伺服机组及伺服驱动器的功能；
Ø PWM（Pulse-Width Modulation）驱动器即脉宽调制系统，是按一个固定的频率来接通和断开直流电源，广泛应用于赶精度伺服控制中；具有调速比高、响应速度快、起动性能好的特点；其还具有过压、过流、过速、过热等多种保护。
Ø 三轴的伺服驱动控制：X、Y、Z轴；
Ø 四轴的伺服驱动控制：X、Y、Z轴及旋转轴；必须具有针对旋转轴的补偿修正的功能，不然旋转轴没有精度。四轴的三坐标测量机验收标准：执行《ISO10360-3的标准》；
（七） 操作盒的功能
Ø 操作盒以单片机为核心，由手操杆和功能键组成,功能全且具有调试和自检功能，使用和维护方便；
（八） 支持多种温度补偿系统
Ø 线形温度补偿：
Ø 结构温度补偿：
（九） 支持多测头系统
Ø 接触式测头系统：
² 包括触发式测头：TP2. TP20. TP7M.TP200等；
² 扫描式测头系统：SP600.SP25M.SP80.LSP-X3.LSP-X5等；
² 支持测头更换架：ACR1.SCR等；
Ø CCD光学影像测头；
Ø 激光测头：包括点激光测量系统和线扫描激光测量系统；
（十） 支持双光栅/双驱动系统
（十一） 远程控制功能
（十二） 功能扩展接口
三． 测探系统：
四． 测量软件：
1． 检测评定参数的数学算法的数学模型的准确性和合理性----- 通过德国PTB的算法认证;
德国国家物理技术研究院（PTB）认证：
测试方法：针对测量软件进行，被侧元素分为直线、平面、圆、圆柱和球，被测参数包括这些元素的基本参数与相互关系，采用的评定准则均为最小二乘法。
2． 运动状态控制
3． 测量软件的编程语言
⑴ 扩展BASIC等的其它编程语言为核心的编程语言
⑵ DMIS语言
ⅰ.用DMIS语言为核心的编程语言；
ⅱ.仅有DMIS语言接口；
4． 测量评定
⑴ 坐标系的建立方法：3-2-1，最佳拟合法及叠代法；
⑵ 基本测量元素的评定
⑶ 构造元素的评定
⑷ 形状误差的评定
⑸ 位置误差的评定
5． CAD系统的应用
⑴ 双向导入导出功能；
⑵ CAD数模自动编程；
⑶ CAD数模的模拟运行及测量；
⑷ 曲线、曲面的测量评定；
6． 编程方式：自学习编程、CAD数模自动编程及高级编程；
7． 测头系统的控制功能

三坐标测量机技术的发展过程：
花岗岩横梁技术 ---- 焊接钢板横梁技术
----- 精密型：以陶瓷横梁技术为主，但要求严格的温度控制。
生产型：新型高强度轻质铝合金横梁技术，温度控制较松。