精密測(cè)量系統(tǒng)的誤差分析

凌雪

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速持續(xù)發(fā)展，我國(guó)的各行各業(yè)都得到了蓬勃發(fā)展。測(cè)量技術(shù)作為一門具有自身專業(yè)體系、涵蓋多種學(xué)科、理論性和實(shí)踐性都非常強(qiáng)的前沿科學(xué)，在日益增長(zhǎng)的社會(huì)需求下也得到了蓬勃發(fā)展。世界范圍內(nèi)的各種加工測(cè)量新技術(shù)和新產(chǎn)品不斷地涌現(xiàn)出來。數(shù)字化，信患化成為了現(xiàn)在精密量具，精密測(cè)量?jī)x的主要發(fā)展方向。就以目前的機(jī)械工業(yè)行業(yè)為例，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在機(jī)械工業(yè)行業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展中應(yīng)用的比例越來越大。但三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在使用時(shí)也遇到了許多的問題，其中最為迫切需要解決的是測(cè)量誤差。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在產(chǎn)品測(cè)量過程中均會(huì)存在測(cè)量誤差，其原因是多樣的，本文主要針對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的軟硬件誤差以及測(cè)量環(huán)境等因素進(jìn)行逐項(xiàng)的誤差分析。

關(guān)鍵詞：測(cè)量誤差；隨機(jī)誤差；熱變形誤差；力變形誤差；逐項(xiàng)分析

一、直線移動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件時(shí)產(chǎn)生的誤差

（一）定位誤差

定位誤差主要有阿貝誤差與光柵刻劃誤差兩類。測(cè)量機(jī)在在移動(dòng)部件時(shí)的實(shí)際位移量與相關(guān)的移動(dòng)指令移動(dòng)量不相等就會(huì)產(chǎn)生定位誤差。作為定位誤差主要的誤差原因之一光柵刻劃誤差一般指光柵讀數(shù)系統(tǒng)部分對(duì)電路，細(xì)分刻度誤判造成的。除此之外的阿貝誤差即受力方向與移動(dòng)方向在一條直線或延長(zhǎng)線上。在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中Z軸一般基本符合阿貝原則，而阿貝原則對(duì)X，Y兩軸則并不適用。當(dāng)以X軸為參考在工作臺(tái)上移動(dòng)的部件所造成的誤差是由阿貝誤差與定位誤差共同造成的。而在不同的Y，Z軸位置上因?yàn)榘⒇惐鄣牟煌鄬?duì)應(yīng)產(chǎn)生的誤差也不同，一般當(dāng)阿貝臂越長(zhǎng)其造成的誤差就會(huì)越大。

（）直線運(yùn)動(dòng)誤差

此下以三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的z軸為例，當(dāng)z軸的移動(dòng)距離為200毫米時(shí)，實(shí)際情況下的移動(dòng)軌跡不肯能與Z軸保持完全的一致。它會(huì)在X，Y兩軸方向上存在或多或少的偏移。這是因?yàn)樽鴺?biāo)軸是由導(dǎo)軌系統(tǒng)綜合生產(chǎn)的，再生產(chǎn)過程之中加工時(shí)導(dǎo)軌已經(jīng)存在了一定誤差。這種誤差無(wú)法避免雖然已經(jīng)極力精心縮小但依舊會(huì)對(duì)直線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生誤差。

（三）角動(dòng)誤差

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件在沿著導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)時(shí)還會(huì)產(chǎn)生繞軸的角運(yùn)動(dòng)誤差。角運(yùn)動(dòng)誤差主要來源于三個(gè)方面。即滾轉(zhuǎn)誤差，俯仰誤差，偏轉(zhuǎn)誤差，滾轉(zhuǎn)誤差是指直線運(yùn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角運(yùn)動(dòng)誤差。俯仰誤差是指繞與運(yùn)動(dòng)方向垂直的水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)的誤差。偏轉(zhuǎn)誤差是指繞與主運(yùn)動(dòng)方向垂直的鉛垂軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角運(yùn)動(dòng)誤差。這三種誤差產(chǎn)生的原因除了認(rèn)為操作不當(dāng)造成的以外，還因?yàn)樵O(shè)備在制造時(shí)自己就會(huì)存在一定的系統(tǒng)誤差。所以我們這里討論的滾轉(zhuǎn)誤差，俯仰誤差，偏轉(zhuǎn)誤差已經(jīng)將機(jī)器自身的系統(tǒng)誤差忽略，只考慮測(cè)量誤差。

二、力變形誤差

在實(shí)際的測(cè)量過程中，力變形是一個(gè)普遍存在無(wú)法完全避免的現(xiàn)象。其中對(duì)誤差產(chǎn)生較大影響的因素包括留個(gè)方面。即重力造成的構(gòu)件變形，不同地區(qū)不同經(jīng)緯度的變化都會(huì)導(dǎo)致重力對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，測(cè)量力發(fā)生變化引起的變形，氣浮導(dǎo)軌氣模上的氣膜厚度產(chǎn)生變化，測(cè)頭檢測(cè)部件的跟換產(chǎn)生的影響以及被測(cè)構(gòu)件因?yàn)閵A具加緊時(shí)產(chǎn)生形變，以及構(gòu)件自身受到重力影響。

（一）簡(jiǎn)單力的變形誤差分析

力變形是普遍存在的，比如重力很容易對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的z軸造成影響，z軸會(huì)因?yàn)橹亓ψ饔蒙扉L(zhǎng)，這樣盡管由于它的變形是一個(gè)常量不會(huì)影響測(cè)量誤差但在z軸有運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)橫梁產(chǎn)生影響使得橫梁變形，間接影響測(cè)量誤差。對(duì)于這種現(xiàn)可以對(duì)橫梁一個(gè)補(bǔ)償力抵消形變。

（二）復(fù)雜力的變形誤差分析

與簡(jiǎn)單力的變形不同復(fù)雜力的變形在于其受到影響的梨一般在兩個(gè)或者兩個(gè)以上，分析起來較為復(fù)雜，這些力的不同影響體現(xiàn)在不同的坐標(biāo)函數(shù)中，以龍門式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)為例子，龍門產(chǎn)生變形不但與橫梁在x方向的位置有關(guān)，還與移動(dòng)部件在y軸上的運(yùn)動(dòng)有關(guān)，橫梁在x，y軸不同的位置時(shí)龍門產(chǎn)生的形變就會(huì)隨之不同其造成的系統(tǒng)測(cè)量誤差也就發(fā)生改變。

（三）負(fù)載變化造成的力變形誤差

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)于可測(cè)構(gòu)建的最大重量都有明確的規(guī)定，構(gòu)件在工作臺(tái)的擺放位置也是有相關(guān)規(guī)定。構(gòu)件的重量一般對(duì)固定式工作臺(tái)測(cè)量工機(jī)的影響不大，但對(duì)移動(dòng)式測(cè)量機(jī)的影響極其大，因?yàn)闅鈮|在工作臺(tái)移動(dòng)時(shí)會(huì)造成氣浮導(dǎo)軌的氣息變化會(huì)產(chǎn)生角運(yùn)動(dòng)誤差與直線運(yùn)動(dòng)誤差。

三、熱變形誤差

熱變形誤差是應(yīng)為三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的工作環(huán)境引起的誤差，一般如果被測(cè)物體和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的溫度差超過20℃時(shí)會(huì)造成熱變形誤差。還有如果當(dāng)被測(cè)物體與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的耐受溫度被超過，被測(cè)物體的機(jī)械性能尺寸受到溫度的影響，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的精確性能也會(huì)改變。所以進(jìn)行測(cè)量時(shí)要保證測(cè)量環(huán)境的溫度在規(guī)定限度。并且環(huán)境內(nèi)的空間溫度梯度合理。

四、結(jié)語(yǔ)

高質(zhì)量的產(chǎn)品的生產(chǎn)制造不僅需要有高精度的加工制造設(shè)備，還需要有高精密的檢測(cè)設(shè)備來保障。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)正逐漸成為機(jī)械制造業(yè)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)制造中實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制的主導(dǎo)檢測(cè)設(shè)備。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)雖然其精密性很高但是我們知道只要是精密測(cè)量系統(tǒng)就必定會(huì)有誤差的產(chǎn)生。誤差只可能不斷地被縮小但永遠(yuǎn)不可能被消除。因此對(duì)精密系統(tǒng)中的誤差分析就對(duì)精密系統(tǒng)如何降低誤差有著極為重要的意義。所以我們應(yīng)該對(duì)精密測(cè)量系統(tǒng)的誤差分析不斷地進(jìn)行研究，降低誤差范圍。以此保障各個(gè)制造行業(yè)生產(chǎn)處高品質(zhì)，高標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。由此可見對(duì)于精密測(cè)量系統(tǒng)的誤差分析是具有重大的現(xiàn)實(shí)意義的，是值得我們投入大的精力去鉆研，去攻克的一項(xiàng)難題。