影响三坐标测量机的精度和长期稳定性的因素

影响三坐标测量机的精度和长期稳定性的因素

一． 三坐标测量机的机械精度：

（一）21项三坐标测量机的机械制造误差。

1． 三坐标的静态误差: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. 三坐标的定位誤差

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. 三坐标的直線度誤差

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 .三坐标的垂直度誤差

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． 三坐标的动态误差：

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. 三坐标的轉度誤差（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）；

3．21三坐标项机械制造误差的产生原因

ⅰ. 三坐标静态误差: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. 三坐标动态误差：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

a .三坐标三轴的气动

 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.三坐标中央滑架的设计

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.三坐标横梁的设计               

Ø  三坐标移动桥架的机械结构的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）三坐标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．   三坐标机械结构刚性引起的变形量

2．  三坐标 材料自身内应力引起的变形量
 

三坐标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.三坐标热处理时效处理可取除95%以上的材料内部结构的应力；

ⅱ.三坐标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.三坐标自然时效处理可取除残留的材料内部结构的应力

3．三坐标材料的热变形

ⅰ．三坐标线性温度结构变形：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  三坐标线性温度结构变形可以通过测量软件进行完全修正。

u  三坐标机械结构的线性变形主要在于材料的热传导性的好坏。

ⅱ．三坐标复杂温度结构变形：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  三坐标复杂温度结构变形无法通过测量软件进行完全修正。

u  三坐标复杂温度结构变形是由材料的热传导性较差所引起的。

ⅲ．三坐标在不同的材料之间，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：三坐标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。

4．三坐标软件的温度补为适应于车间环境，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）三坐标计量基准—光栅尺的变形

1．三坐标光栅尺的种类：

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。

2．三坐标的光栅尺的技术比较：

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

三坐标的测量软件的

输入数据；

2． 三坐标运动轨迹的控制

Ø  三坐标具有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． 三坐标的状态监控

Ø 三坐标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  三坐标防碰撞保护功能；

4．      三坐标测头系统的管理

Ø  三坐标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．      三坐标的参数的管理和初始化

Ø  三坐标参数有：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．      三坐标的数据通讯功能；

Ø  三坐标的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  三坐标的RS232串口数据通讯传输功能；

Ø  三坐标的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）  三坐标的TESTSOFT调试软件

Ø  三坐标具有专利技术的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  三坐标动态测试：

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）  三坐标的21项误差的补偿功能

（四）  三坐标光栅尺的功能

Ø  三坐标支持RENISHAW光栅系统；

Ø  三坐标支持HEIDENHAIN光栅系统；

Ø  三坐标支持玻璃光栅系统；

（五）  三坐标细分器的功能

Ø  三坐标电路细分：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  三坐标软件细分：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）  三坐标直流电机/测速机伺服机组及伺服驱动器的功能；

Ø  三坐标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  三坐标三轴的伺服驱动控制：X、Y、Z轴；

Ø 三坐标 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，不然旋转轴三坐标没有精度。四轴的三坐标测量机验收标准：执行《ISO10360-3的标准》；

（七）  三坐标操作盒的功能

Ø  三坐标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）  三坐标支持多种温度补偿系统

Ø  三坐标线形温度补偿：

Ø  三坐标结构温度补偿：

（九） 三坐标 支持多测头系统

Ø  三坐标接触式测头系统：

² 三坐标 包括触发式测头：TP2. TP20. TP7M.TP200等；

²  三坐标扫描式测头系统：SP600.SP25M.SP80.LSP-X3.LSP-X5等；

² 三坐标 支持测头更换架：ACR1.SCR等；

Ø  三坐标CCD光学影像测头；

Ø 三坐标 激光测头：包括点激光测量系统和线扫描激光测量系统；

（十）  三坐标支持双光栅/双驱动系统

（十一）  三坐标远程控制功能

（十二）  三坐标功能扩展接口

三． 三坐标测探系统：

四． 三坐标测量软件：

1．三坐标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。

2．三坐标运动状态控制

3.三坐标  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．   三坐标测量评定

   ⑴ 三坐标系的建立方法：3-2-1，最佳拟合法及叠代法；

⑵ 三坐标基本测量元素的评定

⑶ 三坐标构造元素的评定

⑷ 三坐标形状误差的评定

⑸ 三坐标位置误差的评定

5．   三坐标CAD系统的应用

⑴ 三坐标双向导入导出功能；

⑵ 三坐标CAD数模自动编程；

⑶ 三坐标CAD数模的模拟运行及测量；

⑷ 三坐标曲线、曲面的测量评定；

6．   三坐标编程方式：自学习编程、CAD数模自动编程及高级编程；

7．三坐标 测头系统的控制功能