三坐標(biāo)測(cè)量動(dòng)態(tài)誤差實(shí)驗(yàn)說(shuō)明
[2013-05-04]
為了提高三座標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量速度，縮短測(cè)量周期，分析了影響給定的三座標(biāo)測(cè)量機(jī)動(dòng)態(tài)誤差的因素。對(duì)三座標(biāo)測(cè)量機(jī)的具體結(jié)構(gòu)作了分析，用電感測(cè)微儀進(jìn)行了動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)角誤差的測(cè)量，并推導(dǎo)出由動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)誤差得到三坐標(biāo)測(cè)頭處的動(dòng)態(tài)位移誤差的方法。同時(shí)，對(duì)由導(dǎo)軌的直線度造成的誤差進(jìn)行了討論。指出動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(cè)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(cè)頭位置處的動(dòng)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(cè)量機(jī)測(cè)量結(jié)果的精度還受到動(dòng)態(tài)誤差的影響。測(cè)量機(jī)速度的加快使動(dòng)態(tài)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響更大。
隨著三座標(biāo)測(cè)量機(jī)的動(dòng)態(tài)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響越來(lái)越大，對(duì)三座標(biāo)測(cè)量機(jī)動(dòng)態(tài)誤差的研究也越來(lái)越受到人們的重視。動(dòng)態(tài)誤差主要是由三座標(biāo)測(cè)量機(jī)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(yùn)動(dòng)構(gòu)件本身的彎曲變形造成的。當(dāng)測(cè)量速度較低時(shí)，這一誤差很小，可以忽略不計(jì)。當(dāng)測(cè)量速度較高時(shí)，尤其在高速掃描測(cè)量中，這一誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大。
三座標(biāo)測(cè)量機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的典型負(fù)載變化情況
實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果
在實(shí)驗(yàn)中，往往測(cè)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(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)誤差綜合起來(lái)，成為三坐標(biāo)測(cè)頭位置處的動(dòng)態(tài)位移誤差。測(cè)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(cè)量結(jié)果。但是激光干涉儀的測(cè)量結(jié)果受環(huán)境參數(shù)影響較大，對(duì)使用環(huán)境要求較高。在實(shí)際中，往往希望用較簡(jiǎn)單的方法來(lái)完成測(cè)量任務(wù)。為達(dá)到這一目的，我們?cè)谒芯康娜鶚?biāo)測(cè)量機(jī)上用其它方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，采用的儀器是微位移傳感器。實(shí)驗(yàn)中實(shí)際應(yīng)用的是電感測(cè)微儀。
實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果
以測(cè)量A點(diǎn)繞Z軸的偏轉(zhuǎn)角εZ（Y）A為例（見(jiàn)圖4），2個(gè)經(jīng)過(guò)標(biāo)定的電感測(cè)微儀三坐標(biāo)測(cè)頭分別布置在1點(diǎn)和2點(diǎn)并垂直于Y向?qū)к壝妗ＴO(shè)在1點(diǎn)的電感測(cè)微儀的測(cè)量值為D1，在2點(diǎn)的電感測(cè)微儀的測(cè)量值為D2，1、2兩點(diǎn)間沿X軸方向上的距離為L(zhǎng)，則A點(diǎn)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(cè)出。εZ（Y）A測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖5A。此時(shí)，測(cè)量機(jī)的速度為100MM／S，加速度為100MM／S2。
在測(cè)量過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)導(dǎo)軌面的平面度對(duì)測(cè)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(duì)A點(diǎn)繞Z軸的偏轉(zhuǎn)角εZ（Y）A進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量。這時(shí)測(cè)量機(jī)的速度為10MM／S，加速度為10MM／S2。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖5B。
圖5測(cè)量結(jié)果
對(duì)比圖5A和圖5B的結(jié)果，我們可以看出，起動(dòng)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(cè)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(cè)頭位置處的位移誤差。在本實(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)誤差為0.018MRAD。
3、氣浮導(dǎo)軌剛度測(cè)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(shí)際的研究過(guò)程中，為了了解氣浮導(dǎo)軌的剛度，往往采取直接測(cè)量的方法。目前，關(guān)于氣體軸承剛度的實(shí)驗(yàn)研究，仍停留在靜態(tài)測(cè)試階段。三座標(biāo)測(cè)量機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中，速度是有一定限制的。即使在高速運(yùn)動(dòng)過(guò)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(lái)代替這里的動(dòng)態(tài)剛度。
圖6測(cè)量裝置
氣浮導(dǎo)軌力矩剛度的測(cè)量裝置見(jiàn)圖6。用不同重量的重塊進(jìn)行加載。滑架的轉(zhuǎn)角變化用電感測(cè)微儀測(cè)出。測(cè)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(cè)量機(jī)的動(dòng)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(yùn)動(dòng)構(gòu)件本身的彎曲變形造成的。當(dāng)測(cè)量速度較低時(shí)，這一誤差往往很小，可以忽略不計(jì)。當(dāng)測(cè)量速度較高時(shí)，尤其在高速掃描測(cè)量中，這一誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大。在對(duì)動(dòng)態(tài)誤差的實(shí)驗(yàn)研究中，往往測(cè)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(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)誤差綜合起來(lái)，成為三坐標(biāo)測(cè)頭位置處的動(dòng)態(tài)位移誤標(biāo)測(cè)量機(jī)坐構(gòu)，得到動(dòng)的具體結(jié)差。因此，要針對(duì)三態(tài)偏轉(zhuǎn)誤差和三坐標(biāo)測(cè)頭處的動(dòng)態(tài)位移誤差的轉(zhuǎn)換關(guān)系。運(yùn)用本文提出的方法，可以方便地估計(jì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)動(dòng)態(tài)誤差的大小。在三座標(biāo)測(cè)量機(jī)的設(shè)計(jì)和測(cè)量方案的優(yōu)化中都有很大作用。
