精密測量系統的誤差分析

凌雪

摘要：隨著我國經濟的迅速持續發展，我國的各行各業都得到了蓬勃發展。測量技術作為一門具有自身專業體系、涵蓋多種學科、理論性和實踐性都非常強的前沿科學，在日益增長的社會需求下也得到了蓬勃發展。世界范圍內的各種加工測量新技術和新產品不斷地涌現出來。數字化，信患化成為了現在精密量具，精密測量儀的主要發展方向。就以目前的機械工業行業為例，三坐標測量機在機械工業行業的生產發展中應用的比例越來越大。但三坐標測量機在使用時也遇到了許多的問題，其中最為迫切需要解決的是測量誤差。三坐標測量機在產品測量過程中均會存在測量誤差，其原因是多樣的，本文主要針對三坐標測量機的軟硬件誤差以及測量環境等因素進行逐項的誤差分析。

關鍵詞：測量誤差；隨機誤差；熱變形誤差；力變形誤差；逐項分析

一、直線移動運動部件時產生的誤差

（一）定位誤差

定位誤差主要有阿貝誤差與光柵刻劃誤差兩類。測量機在在移動部件時的實際位移量與相關的移動指令移動量不相等就會產生定位誤差。作為定位誤差主要的誤差原因之一光柵刻劃誤差一般指光柵讀數系統部分對電路，細分刻度誤判造成的。除此之外的阿貝誤差即受力方向與移動方向在一條直線或延長線上。在三坐標測量機中Z軸一般基本符合阿貝原則，而阿貝原則對X，Y兩軸則并不適用。當以X軸為參考在工作臺上移動的部件所造成的誤差是由阿貝誤差與定位誤差共同造成的。而在不同的Y，Z軸位置上因為阿貝臂的不同相對應產生的誤差也不同，一般當阿貝臂越長其造成的誤差就會越大。

（）直線運動誤差

此下以三坐標測量機的z軸為例，當z軸的移動距離為200毫米時，實際情況下的移動軌跡不肯能與Z軸保持完全的一致。它會在X，Y兩軸方向上存在或多或少的偏移。這是因為坐標軸是由導軌系統綜合生產的，再生產過程之中加工時導軌已經存在了一定誤差。這種誤差無法避免雖然已經極力精心縮小但依舊會對直線運動產生誤差。

（三）角動誤差

三坐標測量機的運動部件在沿著導軌運動時還會產生繞軸的角運動誤差。角運動誤差主要來源于三個方面。即滾轉誤差，俯仰誤差，偏轉誤差，滾轉誤差是指直線運動方向轉動的角運動誤差。俯仰誤差是指繞與運動方向垂直的水平軸轉動的誤差。偏轉誤差是指繞與主運動方向垂直的鉛垂軸轉動的角運動誤差。這三種誤差產生的原因除了認為操作不當造成的以外，還因為設備在制造時自己就會存在一定的系統誤差。所以我們這里討論的滾轉誤差，俯仰誤差，偏轉誤差已經將機器自身的系統誤差忽略，只考慮測量誤差。

二、力變形誤差

在實際的測量過程中，力變形是一個普遍存在無法完全避免的現象。其中對誤差產生較大影響的因素包括留個方面。即重力造成的構件變形，不同地區不同經緯度的變化都會導致重力對測量結果的影響，測量力發生變化引起的變形，氣浮導軌氣模上的氣膜厚度產生變化，測頭檢測部件的跟換產生的影響以及被測構件因為夾具加緊時產生形變，以及構件自身受到重力影響。

（一）簡單力的變形誤差分析

力變形是普遍存在的，比如重力很容易對三坐標測量機的z軸造成影響，z軸會因為重力作用伸長，這樣盡管由于它的變形是一個常量不會影響測量誤差但在z軸有運動部件移動時會對橫梁產生影響使得橫梁變形，間接影響測量誤差。對于這種現可以對橫梁一個補償力抵消形變。

（二）復雜力的變形誤差分析

與簡單力的變形不同復雜力的變形在于其受到影響的梨一般在兩個或者兩個以上，分析起來較為復雜，這些力的不同影響體現在不同的坐標函數中，以龍門式三坐標測量機為例子，龍門產生變形不但與橫梁在x方向的位置有關，還與移動部件在y軸上的運動有關，橫梁在x，y軸不同的位置時龍門產生的形變就會隨之不同其造成的系統測量誤差也就發生改變。

（三）負載變化造成的力變形誤差

三坐標測量機對于可測構建的最大重量都有明確的規定，構件在工作臺的擺放位置也是有相關規定。構件的重量一般對固定式工作臺測量工機的影響不大，但對移動式測量機的影響極其大，因為氣墊在工作臺移動時會造成氣浮導軌的氣息變化會產生角運動誤差與直線運動誤差。

三、熱變形誤差

熱變形誤差是應為三坐標測量機的工作環境引起的誤差，一般如果被測物體和三坐標測量機的溫度差超過20℃時會造成熱變形誤差。還有如果當被測物體與三坐標測量機的耐受溫度被超過，被測物體的機械性能尺寸受到溫度的影響，三坐標測量機的精確性能也會改變。所以進行測量時要保證測量環境的溫度在規定限度。并且環境內的空間溫度梯度合理。

四、結語

高質量的產品的生產制造不僅需要有高精度的加工制造設備，還需要有高精密的檢測設備來保障。三坐標測量機正逐漸成為機械制造業尤其是自動化生產制造中實現質量控制的主導檢測設備。三坐標測量機雖然其精密性很高但是我們知道只要是精密測量系統就必定會有誤差的產生。誤差只可能不斷地被縮小但永遠不可能被消除。因此對精密系統中的誤差分析就對精密系統如何降低誤差有著極為重要的意義。所以我們應該對精密測量系統的誤差分析不斷地進行研究，降低誤差范圍。以此保障各個制造行業生產處高品質，高標準的產品。由此可見對于精密測量系統的誤差分析是具有重大的現實意義的，是值得我們投入大的精力去鉆研，去攻克的一項難題。