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。 . 定位誤差 x(x) 沿X軸運動時延X方向的定位誤差； y(y) 沿Y軸運動時延Y方向的定位誤差； z (z) 沿Z軸運動時延Z方向的定位誤差。. 直線度誤差 y(x) 沿X軸運動時延Y方向的直線度誤差； z(x) 沿X軸運動時延Z方向的直線度誤差； x(y) 沿Y軸運動時延X方向的直線度誤差； z(y) 沿Y軸運動時延Z方向的直線度誤差； x(z) 沿Z軸運動時延X方向的直線度誤差； y(z) 沿Z軸運動時延Y方向的直線度誤差。 .垂直度誤差 xy X、Y軸間的垂直度誤差； xz X、Z軸間的垂直度誤差； yz 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。. 轉度誤差（角运动誤差） x(x) 沿X軸轉動時繞X方向的轉動誤差（滚转误差）； y(y) 沿Y軸轉動時繞Y方向的轉動誤差（滚转误差）； z(z) 沿 Z軸轉動時繞Z方向的轉動誤差（滚转误差）； y(x) 沿X軸轉動時繞Y方向的轉動誤差（俯仰误差）； x(y) 沿Y軸轉動時繞X方向的轉動誤差（俯仰误差）； y(z) 沿Z軸轉動時繞Y方向的轉動誤差（俯仰误差）； x(z) 沿Z軸轉動時繞X方向的轉動誤差（俯仰误差）； z(x) 沿X軸轉動時繞Z方向的轉動誤差（偏摆误差）； z(y) 沿Y軸轉動時繞Z方向的轉動誤差（偏摆误差）； 321项机械制造误差的产生原因 . 静态误差： 主要是花岗岩工作台、横梁和Z轴的制造误差； 机械结构的装配误差； . 动态误差： 传动系统传动的平稳性及传动的方式（即中央或单边驱动）； 运动控制对于运动轨迹的控制能力； 运动部分即移动桥的重量； 运动部分即移动桥的结构重心的高低； 运动部分即移动桥的的跨度的大小； 机械结构的装配误差； 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 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。 材料内部结构的微观离子的均匀性-引起的材料内应力.热处理时效处理 可取除95%以上的材料内部结构的应力；.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；.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。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。 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)2.83.72.77.9导热系数( W/m.K)2.524.723780热膨胀系数(um/m.)78.223.280横截面热阻及温度梯度（T ）10.50.0250.75弹性模量(Gpa)7030078200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：RENISHAW金属光栅尺：HEIDENHAIN Aurodur金属光栅尺：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0.1um0.039um0.2um3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 0.80.1；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 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； 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 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 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； 防碰撞保护功能；4 测头系统的管理 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 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； 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； RS232串口数据通讯传输功能； 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 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； 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 支持RENISHAW光栅系统； 支持HEIDENHAIN光栅系统； 支持玻璃光栅系统；（五） 细分器的功能 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； 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； 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。 三轴的伺服驱动控制：X、Y、Z轴； 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 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 线形温度补偿： 结构温度补偿：（九） 支持多测头系统 接触式测头系统： 包括触发式测头：TP2. TP20. TP7M.TP200等； 扫描式测头系统：SP600.SP25M.SP80.LSP-X3.LSP-X5等； 支持测头更换架：ACR1.SCR等； CCD光学影像测头； 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 扩展BASIC等的其它编程语言为核心的编程语言 DMIS语言.用DMIS语言为核心的编程语言； .仅有DMIS