三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)誤差分析概述

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的靜態(tài)誤差來(lái)源主要包括:三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)本身的誤差，如導(dǎo)向機(jī)構(gòu)(直線(xiàn)和旋轉(zhuǎn))的誤差、參考坐標(biāo)系的變形、測(cè)頭和標(biāo)準(zhǔn)量的誤差；與測(cè)量條件有關(guān)的各種因素引起的誤差，如測(cè)量環(huán)境(溫度、灰塵等)的影響。)，測(cè)量方法的影響和一些不確定因素等。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的誤差源比較復(fù)雜，很難一一分離并修正。一般只修正那些對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)精度影響較大的誤差源和容易分離的誤差源。目前研究*多的是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的機(jī)構(gòu)誤差。生產(chǎn)中使用的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)大多是正交坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。對(duì)于一般的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，機(jī)構(gòu)誤差主要是指直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)零件的誤差，包括定位誤差、直線(xiàn)度運(yùn)動(dòng)誤差、角運(yùn)動(dòng)誤差和垂直度誤差。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的主要誤差分析

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的精度評(píng)定或誤差修正應(yīng)基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的固有誤差模型，其中必須給出各誤差項(xiàng)的定義、分析、傳遞和誤差綜合后的總誤差。所謂總誤差，在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的精度驗(yàn)證中，是指反映三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)精度特性的綜合誤差，即示值精度、重復(fù)精度等。在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的誤差修正技術(shù)中，是指空間點(diǎn)的矢量誤差。

機(jī)構(gòu)誤差分析

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)是導(dǎo)軌對(duì)其所引導(dǎo)的零件限制五個(gè)自由度，測(cè)量系統(tǒng)控制運(yùn)動(dòng)方向上的第六個(gè)自由度，因此引導(dǎo)零件在空間中的位置由導(dǎo)軌及其所屬的測(cè)量系統(tǒng)決定。

探針誤差分析

CMM的探頭分為兩類(lèi):接觸式探頭根據(jù)其結(jié)構(gòu)分為兩類(lèi):開(kāi)關(guān)式(也稱(chēng)觸發(fā)式或動(dòng)態(tài)信號(hào)式)和掃描式(也稱(chēng)比例式或靜態(tài)信號(hào)式)。開(kāi)關(guān)探針誤差由開(kāi)關(guān)行程、探針各向異性、開(kāi)關(guān)行程離散、復(fù)位死區(qū)等因素引起。掃描探針的誤差由力-位移關(guān)系、位移-位移關(guān)系、交叉耦合干涉等引起。

探頭的開(kāi)關(guān)行程是從探頭與工件接觸到探頭偏轉(zhuǎn)的距離。這是探頭的系統(tǒng)誤差。探頭的各向異性是開(kāi)關(guān)行程在各個(gè)方向上的不一致性。這是一個(gè)系統(tǒng)誤差，但通常被視為隨機(jī)誤差。開(kāi)關(guān)行程分解是指重復(fù)測(cè)量時(shí)開(kāi)關(guān)行程的離散程度。在實(shí)際測(cè)量中，是通過(guò)開(kāi)關(guān)行程在某一方向的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)計(jì)算的。

復(fù)位死區(qū)是指當(dāng)探針桿偏離平衡位置后，外力被去除，探針桿在彈簧力的作用下復(fù)位，但由于摩擦力的作用，探針桿無(wú)法回到原來(lái)的位置，其偏離原來(lái)位置的地方就是復(fù)位死區(qū)。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的相對(duì)綜合測(cè)量誤差和空間誤差

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的相對(duì)綜合誤差

所謂相對(duì)綜合誤差，就是坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量空間中點(diǎn)到點(diǎn)距離的測(cè)量值與真值之差，可以用以下公式表示:

綜合誤差=距離測(cè)量值-距離真值

在進(jìn)行三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)定額驗(yàn)收和周期檢定時(shí)，不需要準(zhǔn)確知道測(cè)量空間內(nèi)各點(diǎn)的誤差，只需要知道坐標(biāo)測(cè)量工件的精度即可，可以用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的相對(duì)綜合誤差來(lái)評(píng)價(jià)。

綜合誤差并不直接反映誤差來(lái)源和*終測(cè)量誤差，只是在測(cè)量與距離有關(guān)的尺寸時(shí)反映誤差的大小。測(cè)量方法相對(duì)簡(jiǎn)單。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的空間矢量誤差

空間矢量誤差是指三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量空間中任意一點(diǎn)的矢量誤差，是測(cè)量空間中任意一個(gè)固定點(diǎn)在理想直角坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)建立的實(shí)際坐標(biāo)系之間的差值。

理論上，空間矢量誤差是空間點(diǎn)所有誤差的矢量合成得到的綜合矢量誤差。通過(guò)空間矢量誤差，我們可以直觀(guān)地知道三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量誤差的大小、范圍和分布。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的靜態(tài)誤差合成

坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM)對(duì)測(cè)量精度要求較高，且其部件眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響測(cè)量誤差的因素較多。坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是一種多軸機(jī)床，主要有以下四種靜態(tài)誤差來(lái)源:

(1)結(jié)構(gòu)件(如導(dǎo)軌、測(cè)量系統(tǒng))精度有限造成的幾何誤差。這些誤差是由這些結(jié)構(gòu)件的制造精度和安裝維護(hù)中的調(diào)整精度決定的。

(2)與坐標(biāo)測(cè)量機(jī)機(jī)構(gòu)的有限剛度有關(guān)的誤差。主要是運(yùn)動(dòng)部件的重量造成的。這些誤差由結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度、重量和結(jié)構(gòu)決定。

(3)熱誤差，如單一溫度變化和溫度梯度引起的導(dǎo)軌膨脹和彎曲。這些誤差是由三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的機(jī)器結(jié)構(gòu)、材料特性和溫度分布決定的，受外部熱源(如環(huán)境溫度)和內(nèi)部熱源(如驅(qū)動(dòng)裝置)的影響。

(4)探頭與附件的誤差，主要包括更換探頭、增加延長(zhǎng)桿等附件引起的探頭端半徑變化；探針在不同方向和位置接觸時(shí)的各向異性誤差；由索引表的旋轉(zhuǎn)等引起的錯(cuò)誤。