三坐標(biāo)測量動態(tài)誤差實驗說明
[2013-05-04]
為了提高三座標(biāo)測量機的測量速度，縮短測量周期，分析了影響給定的三座標(biāo)測量機動態(tài)誤差的因素。對三座標(biāo)測量機的具體結(jié)構(gòu)作了分析，用電感測微儀進行了動態(tài)偏轉(zhuǎn)角誤差的測量，并推導(dǎo)出由動態(tài)偏轉(zhuǎn)誤差得到三坐標(biāo)測頭處的動態(tài)位移誤差的方法。同時，對由導(dǎo)軌的直線度造成的誤差進行了討論。指出動態(tài)誤差主要是由各構(gòu)件繞氣浮導(dǎo)軌連接處的偏轉(zhuǎn)和各運動構(gòu)件本身的彎曲變形造成的。從理論上可以證明，在氣浮導(dǎo)軌力矩剛度和橫梁彎曲剛度已知的情況下，只要測量出兩側(cè)氣浮導(dǎo)軌滑架的偏轉(zhuǎn)角誤差，就可以得到三坐標(biāo)測頭位置處的動態(tài)位移誤差。
除了靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)誤差外，三座標(biāo)測量機測量結(jié)果的精度還受到動態(tài)誤差的影響。測量機速度的加快使動態(tài)誤差對測量結(jié)果的影響更大。
隨著三座標(biāo)測量機的動態(tài)誤差對測量結(jié)果的影響越來越大，對三座標(biāo)測量機動態(tài)誤差的研究也越來越受到人們的重視。動態(tài)誤差主要是由三座標(biāo)測量機的結(jié)構(gòu)特性，如質(zhì)量的分布、構(gòu)件剛度、阻尼特性、控制及干擾力所決定的，由各構(gòu)件繞氣浮導(dǎo)軌連接處的偏轉(zhuǎn)和各運動構(gòu)件本身的彎曲變形造成的。當(dāng)測量速度較低時，這一誤差很小，可以忽略不計。當(dāng)測量速度較高時，尤其在高速掃描測量中，這一誤差對測量結(jié)果影響較大。
三座標(biāo)測量機運行過程中的典型負載變化情況
實驗過程及結(jié)果
在實驗中，往往測量各構(gòu)件繞氣浮導(dǎo)軌連接處的偏轉(zhuǎn)角誤差是比較容易而且可行的。各構(gòu)件的動態(tài)偏轉(zhuǎn)誤差綜合起來，成為三坐標(biāo)測頭位置處的動態(tài)位移誤差。測量各構(gòu)件繞氣浮導(dǎo)軌連接處的偏轉(zhuǎn)角誤差有很多方法，例如用激光干涉儀就可以準(zhǔn)確地得到測量結(jié)果。但是激光干涉儀的測量結(jié)果受環(huán)境參數(shù)影響較大，對使用環(huán)境要求較高。在實際中，往往希望用較簡單的方法來完成測量任務(wù)。為達到這一目的，我們在所研究的三座標(biāo)測量機上用其它方法進行了實驗，采用的儀器是微位移傳感器。實驗中實際應(yīng)用的是電感測微儀。
實驗過程及結(jié)果
以測量A點繞Z軸的偏轉(zhuǎn)角εZ（Y）A為例（見圖4），2個經(jīng)過標(biāo)定的電感測微儀三坐標(biāo)測頭分別布置在1點和2點并垂直于Y向?qū)к壝?。設(shè)在1點的電感測微儀的測量值為D1，在2點的電感測微儀的測量值為D2，1、2兩點間沿X軸方向上的距離為L，則A點繞Z軸的偏轉(zhuǎn)角εZ（Y）A為
其它各角度誤差可用類似的方法測出。εZ（Y）A測量結(jié)果見圖5A。此時，測量機的速度為100MM／S，加速度為100MM／S2。
在測量過程中，我們發(fā)現(xiàn)導(dǎo)軌面的平面度對測量結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大的影響。為了消除這一誤差因素，我們對A點繞Z軸的偏轉(zhuǎn)角εZ（Y）A進行了準(zhǔn)靜態(tài)測量。這時測量機的速度為10MM／S，加速度為10MM／S2。測量結(jié)果見圖5B。
圖5測量結(jié)果
對比圖5A和圖5B的結(jié)果，我們可以看出，起動和減速階段的慣性力造成了滑架的偏轉(zhuǎn)。這一偏轉(zhuǎn)量將導(dǎo)致三坐標(biāo)測頭位置處的位移誤差。同樣，由于導(dǎo)軌面的平面度也可導(dǎo)致滑架的偏轉(zhuǎn)，從而引起三坐標(biāo)測頭位置處的位移誤差。在本實驗中，由于導(dǎo)軌面的平面度導(dǎo)致滑架的最大偏轉(zhuǎn)為0.012MRAD，最大動態(tài)偏轉(zhuǎn)誤差為0.018MRAD。
3、氣浮導(dǎo)軌剛度測量
可以看出，氣浮導(dǎo)軌仍然是剛度較差的環(huán)節(jié)，其主要原因是氣膜剛度較差。在實際的研究過程中，為了了解氣浮導(dǎo)軌的剛度，往往采取直接測量的方法。目前，關(guān)于氣體軸承剛度的實驗研究，仍停留在靜態(tài)測試階段。三座標(biāo)測量機在實際應(yīng)用中，速度是有一定限制的。即使在高速運動過程中（V＝1000MM／S），速度與音速相比仍然比較低，所以可以用靜態(tài)剛度來代替這里的動態(tài)剛度。
圖6測量裝置
氣浮導(dǎo)軌力矩剛度的測量裝置見圖6。用不同重量的重塊進行加載?；艿霓D(zhuǎn)角變化用電感測微儀測出。測量方法與圖4所示相同。設(shè)力矩變化為ΔM，轉(zhuǎn)角變化為Δθ，則力矩剛度為
4、結(jié)論
三座標(biāo)測量機的動態(tài)誤差主要是由各構(gòu)件繞氣浮導(dǎo)軌連接處的偏轉(zhuǎn)和各運動構(gòu)件本身的彎曲變形造成的。當(dāng)測量速度較低時，這一誤差往往很小，可以忽略不計。當(dāng)測量速度較高時，尤其在高速掃描測量中，這一誤差對測量結(jié)果影響較大。在對動態(tài)誤差的實驗研究中，往往測量各構(gòu)件繞氣浮導(dǎo)軌連接處的偏轉(zhuǎn)角誤差是比較容易而且可行的。各構(gòu)件的動態(tài)偏轉(zhuǎn)誤差綜合起來，成為三坐標(biāo)測頭位置處的動態(tài)位移誤標(biāo)測量機坐構(gòu)，得到動的具體結(jié)差。因此，要針對三態(tài)偏轉(zhuǎn)誤差和三坐標(biāo)測頭處的動態(tài)位移誤差的轉(zhuǎn)換關(guān)系。運用本文提出的方法，可以方便地估計三坐標(biāo)測量機動態(tài)誤差的大小。在三座標(biāo)測量機的設(shè)計和測量方案的優(yōu)化中都有很大作用。
