影響蔡司三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性的因素

• 機(jī)械精度：

（一）21項(xiàng)蔡司三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的機(jī)械制造誤差。

1. 靜態(tài)誤差:由定位誤差（3個(gè)）+直線度誤差（6個(gè)）+垂直度誤差（3個(gè)）共12項(xiàng)誤差組成。測(cè)量軟件可進(jìn)行補(bǔ)償修正，但必須用雙頻激光干涉儀、激光準(zhǔn)直儀、光學(xué)平尺等檢測(cè)出誤差值的大小，按照其補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型進(jìn)行修正。

ⅰ. 蔡司三坐標(biāo)的定位誤差

•  δx(x) —沿X軸運(yùn)動(dòng)時(shí)延X方向的定位誤差； δy(y) —沿Y軸運(yùn)動(dòng)時(shí)延Y方向的定位誤差； δz (z) —沿Z軸運(yùn)動(dòng)時(shí)延Z方向的定位誤差。

ⅱ. 蔡司三坐標(biāo)的直線度誤差

•   δy(x) —沿X軸運(yùn)動(dòng)時(shí)延Y方向的直線度誤差；δz(x) —沿X軸運(yùn)動(dòng)時(shí)延Z方向的直線度誤差；δx(y) —沿Y軸運(yùn)動(dòng)時(shí)延X方向的直線度誤差；δz(y) —沿Y軸運(yùn)動(dòng)時(shí)延Z方向的直線度誤差；δx(z) —沿Z軸運(yùn)動(dòng)時(shí)延X方向的直線度誤差；δy(z) —沿Z軸運(yùn)動(dòng)時(shí)延Y方向的直線度誤差

 ⅲ .蔡司三坐標(biāo)的垂直度誤差

• αxy —X、Y軸間的垂直度誤差；αxz —X、Z軸間的垂直度誤差；αyz —Y、Z軸間的垂直度誤差。
• 動(dòng)態(tài)誤差：

由滾轉(zhuǎn)誤差（3個(gè)）+俯仰誤差（4個(gè)）+偏擺誤差（2個(gè)）共9項(xiàng)誤差組成。測(cè)量軟件可進(jìn)行補(bǔ)償修正；但必須用雙頻激光干涉儀、激光準(zhǔn)直儀、電子水平儀等檢測(cè)出誤差值的大小，按照其補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型進(jìn)行修正。

ⅳ. 三坐標(biāo)的轉(zhuǎn)度誤差（角運(yùn)動(dòng)誤差）

• εx(x) —沿X軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)繞X方向的轉(zhuǎn)動(dòng)誤差（滾轉(zhuǎn)誤差）；εy(y) —沿Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)繞Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)誤差（滾轉(zhuǎn)誤差）； εz(z) —沿 Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)繞Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)誤差（滾轉(zhuǎn)誤差）；εy(x) —沿X軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)繞Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)誤差（俯仰誤差）；εx(y) —沿Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)繞X方向的轉(zhuǎn)動(dòng)誤差（俯仰誤差）；εy(z) —沿Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)繞Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)誤差（俯仰誤差）；εx(z) —沿Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)繞X方向的轉(zhuǎn)動(dòng)誤差（俯仰誤差）；εz(x) —沿X軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)繞Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)誤差（偏擺誤差）；εz(y) —沿Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)繞Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)誤差（偏擺誤差）；

3．21三坐標(biāo)項(xiàng)機(jī)械制造誤差的產(chǎn)生原因

• ⅰ. 三坐標(biāo)靜態(tài)誤差:主要是花崗巖工作臺(tái)、橫梁和Z軸的制造誤差；機(jī)械結(jié)構(gòu)的裝配誤差；
• ⅱ. 三坐標(biāo)動(dòng)態(tài)誤差：傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)的平穩(wěn)性及傳動(dòng)的方式（即中央或單邊驅(qū)動(dòng)）；運(yùn)動(dòng)控制對(duì)于運(yùn)動(dòng)軌跡的控制能力；運(yùn)動(dòng)部分即移動(dòng)橋的重量；運(yùn)動(dòng)部分即移動(dòng)橋的結(jié)構(gòu)重心的高低；運(yùn)動(dòng)部分即移動(dòng)橋的的跨度的大小；機(jī)械結(jié)構(gòu)的裝配誤差；機(jī)械結(jié)構(gòu)的受力布局狀

a .三坐標(biāo)三軸的氣動(dòng)

 空氣軸承在三軸導(dǎo)軌面上的布局狀況：受力的受力平衡、受力支撐點(diǎn)的數(shù)量及各受力支撐點(diǎn)的大跨距的分布，來提高運(yùn)動(dòng)部件的抗扭擺的能力

b.三坐標(biāo)中央滑架的設(shè)計(jì)

中央滑架直接將橫梁和Z軸兩軸的運(yùn)動(dòng)相連接，其剛性結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱，也直接影響著運(yùn)動(dòng)部分的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變形、動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)誤差及其機(jī)械結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

c.三坐標(biāo)橫梁的設(shè)計(jì)               

• 移動(dòng)橋架的機(jī)械結(jié)構(gòu)的其運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量越輕，在高速、高加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力越小，變形量也越小，特別是對(duì)于掃描測(cè)量，結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變形所引起的誤差非常重要。

（二）三坐標(biāo)機(jī)械結(jié)構(gòu)的微觀變形量

 主要由結(jié)構(gòu)剛性、外力、自重、內(nèi)應(yīng)力及溫度等變形構(gòu)成；

1. 機(jī)械結(jié)構(gòu)剛性引起的變形量
2. 材料自身內(nèi)應(yīng)力引起的變形量
    

三坐標(biāo)主要是材料材質(zhì)的質(zhì)量和冶煉、鑄造技術(shù)工藝所決定的。

•  材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微觀離子的均勻性-------引起的材料內(nèi)應(yīng)力

ⅰ.三坐標(biāo)熱處理時(shí)效處理可取除95%以上的材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力；

ⅱ.三坐標(biāo)振動(dòng)時(shí)效處理采用振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，利用高頻的振動(dòng)從而引起材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微觀離子分布變化，以達(dá)到取除材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力；

ⅲ.三坐標(biāo)自然時(shí)效處理可取除殘留的材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力

3．三坐標(biāo)材料的熱變形

21. ⅰ．三坐標(biāo)線性溫度結(jié)構(gòu)變形：由于材料存在“熱脹冷縮”的物理現(xiàn)象，不同材料按照不同的熱膨脹系數(shù)所進(jìn)行的變形。線性溫度結(jié)構(gòu)變形可以通過測(cè)量軟件進(jìn)行完全修正。
21. 機(jī)械結(jié)構(gòu)的線性變形主要在于材料的熱傳導(dǎo)性的好壞。

ⅱ．三坐標(biāo)復(fù)雜溫度結(jié)構(gòu)變形：由于材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部所存在的溫度梯度（即溫度的不均衡）所造成的變形。

21. 復(fù)雜溫度結(jié)構(gòu)變形無法通過測(cè)量軟件進(jìn)行完全修正。
21. 復(fù)雜溫度結(jié)構(gòu)變形是由材料的熱傳導(dǎo)性較差所引起的。

ⅲ．三坐標(biāo)在不同的材料之間，由于其自身的材料導(dǎo)熱率、熱膨脹系數(shù)的不同，其由于環(huán)境溫度所引起的熱彎曲變形量是不同的。

研究數(shù)據(jù)表明：三坐標(biāo)鋁導(dǎo)軌對(duì)熱彎曲具有最佳的適應(yīng)性。其熱彎曲變形量是花崗巖的1/10，是陶瓷的1/6，是鋼的1/18。

4．三坐標(biāo)軟件的溫度補(bǔ)為適應(yīng)于車間環(huán)境，克服溫度變化所引起的變形，可進(jìn)行線形或?qū)崟r(shí)溫度補(bǔ)償。

（三）三坐標(biāo)計(jì)量基準(zhǔn)—光柵尺的變形

1．三坐標(biāo)光柵尺的種類：

ⅰ．RENISHAW金屬光柵尺：

ⅱ．HEIDENHAIN Aurodur金屬光柵尺：

ⅲ．玻璃光柵尺：目前在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)基本上已不太采用，主要用在小量程的光學(xué)影像儀。

2．三坐標(biāo)的光柵尺的技術(shù)比較：

 

光柵尺系統(tǒng)		英國(guó) Renishaw	德國(guó)Heidhan	玻璃光柵尺
1		工作原理
2

 

 

 

 

主要包括控制器、光柵尺、細(xì)分器、電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和操作盒組成。

• 控制器由PC控制計(jì)算機(jī)與控制軟件組成。PC控制計(jì)算機(jī)采用具有高速運(yùn)算功能的

DSP（Digital  Signal Process即數(shù)字信號(hào)處理器）；控制軟件的軟件結(jié)構(gòu)與PC控

制計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)、功能相關(guān)連。

1. 精確、實(shí)時(shí)地讀取空間坐標(biāo)值

•  控制軟件要對(duì)空間坐標(biāo)值定時(shí)讀取，以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量機(jī)的狀態(tài)監(jiān)控和位置控制；
•  當(dāng)測(cè)頭系統(tǒng)發(fā)出采樣信號(hào)時(shí)，要實(shí)時(shí)地將當(dāng)前空間坐標(biāo)值讀取，作

三坐標(biāo)的測(cè)量軟件的

輸入數(shù)據(jù)；

1. 運(yùn)動(dòng)軌跡的控制

•  三坐標(biāo)具有FLY（飛行）功能即具有連續(xù)軌跡插補(bǔ)技術(shù)和真正三維矢量運(yùn)動(dòng)功能，可實(shí) 

  現(xiàn)大幅降低移動(dòng)橋架的動(dòng)態(tài)誤差，減小了跟隨誤差，提高了定位誤差，同時(shí)也提

高了機(jī)器的工作效率。

1. 狀態(tài)監(jiān)控

• 對(duì)測(cè)量機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)故障進(jìn)行自診斷處理，如坐標(biāo)軸移動(dòng)到行

 程極限、運(yùn)動(dòng)速度超速、光柵幅值過高或過低、跟隨誤差過大、氣壓過低、測(cè)頭

觸測(cè)或誤碰、環(huán)境溫度等，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的處理；

•  三坐標(biāo)防碰撞保護(hù)功能；
  1. 測(cè)頭系統(tǒng)的管理
•  三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)速度分為運(yùn)行速度和測(cè)量速度。軟件控制測(cè)頭以高速運(yùn)行到工件表面，再

 轉(zhuǎn)換為測(cè)量速度和法矢方向接觸工件，采點(diǎn)完成后，測(cè)頭再按原路徑和設(shè)定的速

度回退到安全距離。

1. 參數(shù)的管理和初始化

•  三坐標(biāo)參數(shù)有：PID參數(shù)、機(jī)器行程參數(shù)、機(jī)器速度與加速度、光柵分辨率、到位窗口

的設(shè)置、跟隨誤差極限的設(shè)置、測(cè)頭與測(cè)座的型號(hào)等。

1. 數(shù)據(jù)通訊功能；

•  三坐標(biāo)的控制系統(tǒng)與測(cè)量軟件進(jìn)行通訊；接收測(cè)量軟件所發(fā)出的命令并進(jìn)行解釋，將控制

系統(tǒng)的狀態(tài)與數(shù)據(jù)回送給測(cè)量軟件及與測(cè)頭控制器通訊，管理測(cè)頭的更換和旋轉(zhuǎn)

等；

•  三坐標(biāo)的RS232串口數(shù)據(jù)通訊傳輸功能；
•  三坐標(biāo)的網(wǎng)卡數(shù)據(jù)通訊傳輸功能：大數(shù)據(jù)量的高速傳輸方式，主要用于掃描測(cè)量中的數(shù)據(jù)

的傳輸。

• TESTSOFT調(diào)試軟件

• 具有專利技術(shù)的AUTOTUNE自動(dòng)調(diào)試軟件：具有自動(dòng)生成PID參數(shù)、自動(dòng)調(diào)整光柵參數(shù)及功率驅(qū)動(dòng)器參數(shù)的功能；
• 動(dòng)態(tài)測(cè)試：

按照美國(guó)B89標(biāo)準(zhǔn)要求：Repeatability（重復(fù)性測(cè)試）/Tunneling 空間定位

測(cè)試和/Settling到位測(cè)試；

• 21項(xiàng)誤差的補(bǔ)償功能
• 光柵尺的功能

• 支持RENISHAW光柵系統(tǒng)；
• 支持HEIDENHAIN光柵系統(tǒng)；
• 支持玻璃光柵系統(tǒng)；

• 細(xì)分器的功能

• 電路細(xì)分：將移相電阻鏈與數(shù)字邏輯電路相結(jié)合的方法對(duì)于脈沖信號(hào)進(jìn)行細(xì)分。它的細(xì)分倍數(shù)一般為5的倍數(shù)，常見的細(xì)分倍數(shù)有：20倍、40倍、100倍等幾種；
• 軟件細(xì)分：以A/D轉(zhuǎn)換器及CPU組成，對(duì)于脈沖信號(hào)進(jìn)行細(xì)分。它的細(xì)分倍數(shù)一般為8的倍數(shù)；

• 直流電機(jī)/測(cè)速機(jī)伺服機(jī)組及伺服驅(qū)動(dòng)器的功能；

• PWM（Pulse-Width Modulation）驅(qū)動(dòng)器即脈寬調(diào)制系統(tǒng)，是按一個(gè)固定的頻率來接通和斷開直流電源，廣泛應(yīng)用于趕精度伺服控制中；具有調(diào)速比高、響應(yīng)速度快、起動(dòng)性能好的特點(diǎn)；其還具有過壓、過流、過速、過熱等多種保護(hù)。
• 三軸的伺服驅(qū)動(dòng)控制：X、Y、Z軸；
• 四軸的伺服驅(qū)動(dòng)控制：X、Y、Z軸及旋轉(zhuǎn)軸；必須具有針對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的補(bǔ)償修正的功能，不然旋轉(zhuǎn)軸三坐標(biāo)沒有精度。四軸的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：執(zhí)行《ISO10360-3的標(biāo)準(zhǔn)》；

• 操作盒的功能

• 操作盒以單片機(jī)為核心，由手操桿和功能鍵組成,功能全且具有調(diào)試和自檢功能，使用和維護(hù)方便；

• 支持多種溫度補(bǔ)償系統(tǒng)

• 線形溫度補(bǔ)償：
• 結(jié)構(gòu)溫度補(bǔ)償：

• 支持多測(cè)頭系統(tǒng)

• 接觸式測(cè)頭系統(tǒng)：
  • 包括觸發(fā)式測(cè)頭：TP2. TP20. TP7M.TP200等；
  • 掃描式測(cè)頭系統(tǒng)：SP600.SP25M.SP80.LSP-X3.LSP-X5等；
  • 支持測(cè)頭更換架：ACR1.SCR等；
• CCD光學(xué)影像測(cè)頭；
• 激光測(cè)頭：包括點(diǎn)激光測(cè)量系統(tǒng)和線掃描激光測(cè)量系統(tǒng)；

• 支持雙光柵/雙驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
• 遠(yuǎn)程控制功能
• 功能擴(kuò)展接口

• 測(cè)探系統(tǒng)：
• 測(cè)量軟件：
  1. 檢測(cè)評(píng)定參數(shù)的數(shù)學(xué)算法的數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性和合理性----- 通過德國(guó)PTB的算法認(rèn)證;

德國(guó)國(guó)家物理技術(shù)研究院（PTB）認(rèn)證：

測(cè)試方法：針對(duì)測(cè)量軟件進(jìn)行，被側(cè)元素分為直線、平面、圓、圓柱和球，被測(cè)參數(shù)包括這些元素的基本參數(shù)與相互關(guān)系，采用的評(píng)定準(zhǔn)則均為最小二乘法。

1. 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制
2. 測(cè)量軟件的編程語言

⑴ 擴(kuò)展BASIC等的其它編程語言為核心的編程語言

⑵ DMIS語言

ⅰ.用DMIS語言為核心的編程語言；

 ⅱ.僅有DMIS語言接口；

1. 測(cè)量評(píng)定

   ⑴ 三坐標(biāo)系的建立方法：3-2-1，最佳擬合法及疊代法；

⑵ 三坐標(biāo)基本測(cè)量元素的評(píng)定

⑶ 三坐標(biāo)構(gòu)造元素的評(píng)定

⑷ 三坐標(biāo)形狀誤差的評(píng)定

⑸ 三坐標(biāo)位置誤差的評(píng)定

1. CAD系統(tǒng)的應(yīng)用

⑴ 三坐標(biāo)雙向?qū)雽?dǎo)出功能；

⑵ 三坐標(biāo)CAD數(shù)模自動(dòng)編程；

⑶ 三坐標(biāo)CAD數(shù)模的模擬運(yùn)行及測(cè)量；

⑷ 三坐標(biāo)曲線、曲面的測(cè)量評(píng)定；

1. 編程方式：自學(xué)習(xí)編程、CAD數(shù)模自動(dòng)編程及高級(jí)編程；
2. 測(cè)頭系統(tǒng)的控制功能 

 

 

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)技術(shù)的發(fā)展過程：

花崗巖橫梁技術(shù) ---- 焊接鋼板橫梁技術(shù)

 -----  精密型：以陶瓷橫梁技術(shù)為主，但要求嚴(yán)格的溫度控制。

生產(chǎn)型：新型高強(qiáng)度輕質(zhì)鋁合金橫梁技術(shù)，溫度控制較松。