精密测量系统的误差分析

凌雪

摘要：随着我国经济的迅速持续发展，我国的各行各业都得到了蓬勃发展。测量技术作为一门具有自身专业体系、涵盖多种学科、理论性和实践性都非常强的前沿科学，在日益增长的社会需求下也得到了蓬勃发展。世界范围内的各种加工测量新技术和新产品不断地涌现出来。数字化，信患化成为了现在精密量具，精密测量仪的主要发展方向。就以目前的机械工业行业为例，三坐标测量机在机械工业行业的生产发展中应用的比例越来越大。但三坐标测量机在使用时也遇到了许多的问题，其中最为迫切需要解决的是测量误差。三坐标测量机在产品测量过程中均会存在测量误差，其原因是多样的，本文主要针对三坐标测量机的软硬件误差以及测量环境等因素进行逐项的误差分析。

关键词：测量误差；随机误差；热变形误差；力变形误差；逐项分析

一、直线移动运动部件时产生的误差

（一）定位误差

定位误差主要有阿贝误差与光栅刻划误差两类。测量机在在移动部件时的实际位移量与相关的移动指令移动量不相等就会产生定位误差。作为定位误差主要的误差原因之一光栅刻划误差一般指光栅读数系统部分对电路，细分刻度误判造成的。除此之外的阿贝误差即受力方向与移动方向在一条直线或延长线上。在三坐标测量机中Z轴一般基本符合阿贝原则，而阿贝原则对X，Y两轴则并不适用。当以X轴为参考在工作台上移动的部件所造成的误差是由阿贝误差与定位误差共同造成的。而在不同的Y，Z轴位置上因为阿贝臂的不同相对应产生的误差也不同，一般当阿贝臂越长其造成的误差就会越大。

（）直线运动误差

此下以三坐标测量机的z轴为例，当z轴的移动距离为200毫米时，实际情况下的移动轨迹不肯能与Z轴保持完全的一致。它会在X，Y两轴方向上存在或多或少的偏移。这是因为坐标轴是由导轨系统综合生产的，再生产过程之中加工时导轨已经存在了一定误差。这种误差无法避免虽然已经极力精心缩小但依旧会对直线运动产生误差。

（三）角动误差

三坐标测量机的运动部件在沿着导轨运动时还会产生绕轴的角运动误差。角运动误差主要来源于三个方面。即滚转误差，俯仰误差，偏转误差，滚转误差是指直线运动方向转动的角运动误差。俯仰误差是指绕与运动方向垂直的水平轴转动的误差。偏转误差是指绕与主运动方向垂直的铅垂轴转动的角运动误差。这三种误差产生的原因除了认为操作不当造成的以外，还因为设备在制造时自己就会存在一定的系统误差。所以我们这里讨论的滚转误差，俯仰误差，偏转误差已经将机器自身的系统误差忽略，只考虑测量误差。

二、力变形误差

在实际的测量过程中，力变形是一个普遍存在无法完全避免的现象。其中对误差产生较大影响的因素包括留个方面。即重力造成的构件变形，不同地区不同经纬度的变化都会导致重力对测量结果的影响，测量力发生变化引起的变形，气浮导轨气模上的气膜厚度产生变化，测头检测部件的跟换产生的影响以及被测构件因为夹具加紧时产生形变，以及构件自身受到重力影响。

（一）简单力的变形误差分析

力变形是普遍存在的，比如重力很容易对三坐标测量机的z轴造成影响，z轴会因为重力作用伸长，这样尽管由于它的变形是一个常量不会影响测量误差但在z轴有运动部件移动时会对横梁产生影响使得横梁变形，间接影响测量误差。对于这种现可以对横梁一个补偿力抵消形变。

（二）复杂力的变形误差分析

与简单力的变形不同复杂力的变形在于其受到影响的梨一般在两个或者两个以上，分析起来较为复杂，这些力的不同影响体现在不同的坐标函数中，以龙门式三坐标测量机为例子，龙门产生变形不但与横梁在x方向的位置有关，还与移动部件在y轴上的运动有关，横梁在x，y轴不同的位置时龙门产生的形变就会随之不同其造成的系统測量误差也就发生改变。

（三）负载变化造成的力变形误差

三坐标测量机对于可测构建的最大重量都有明确的规定，构件在工作台的摆放位置也是有相关规定。构件的重量一般对固定式工作台测量工机的影响不大，但对移动式测量机的影响极其大，因为气垫在工作台移动时会造成气浮导轨的气息变化会产生角运动误差与直线运动误差。

三、热变形误差

热变形误差是应为三坐标测量机的工作环境引起的误差，一般如果被测物体和三坐标测量机的温度差超过20℃时会造成热变形误差。还有如果当被测物体与三坐标测量机的耐受温度被超过，被测物体的机械性能尺寸受到温度的影响，三坐标测量机的精确性能也会改变。所以进行测量时要保证测量环境的温度在规定限度。并且环境内的空间温度梯度合理。

四、结语

高质量的产品的生产制造不仅需要有高精度的加工制造设备，还需要有高精密的检测设备来保障。三坐标测量机正逐渐成为机械制造业尤其是自动化生产制造中实现质量控制的主导检测设备。三坐标测量机虽然其精密性很高但是我们知道只要是精密测量系统就必定会有误差的产生。误差只可能不断地被缩小但永远不可能被消除。因此对精密系统中的误差分析就对精密系统如何降低误差有着极为重要的意义。所以我们应该对精密测量系统的误差分析不断地进行研究，降低误差范围。以此保障各个制造行业生产处高品质，高标准的产品。由此可见对于精密测量系统的误差分析是具有重大的现实意义的，是值得我们投入大的精力去钻研，去攻克的一项难题。