影響蔡司三坐標(biāo)測量機的精度和長期穩(wěn)定性的因素

• 機械精度：

（一）21項蔡司三坐標(biāo)測量機的機械制造誤差。

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

ⅰ. 蔡司三坐標(biāo)的定位誤差

•  δx(x) —沿X軸運動時延X方向的定位誤差； δy(y) —沿Y軸運動時延Y方向的定位誤差； δz (z) —沿Z軸運動時延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軸運動時延Y方向的直線度誤差；δz(x) —沿X軸運動時延Z方向的直線度誤差；δx(y) —沿Y軸運動時延X方向的直線度誤差；δz(y) —沿Y軸運動時延Z方向的直線度誤差；δx(z) —沿Z軸運動時延X方向的直線度誤差；δy(z) —沿Z軸運動時延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。
• 動態(tài)誤差：

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

ⅳ. 三坐標(biāo)的轉(zhuǎn)度誤差（角運動誤差）

• εx(x) —沿X軸轉(zhuǎn)動時繞X方向的轉(zhuǎn)動誤差（滾轉(zhuǎn)誤差）；εy(y) —沿Y軸轉(zhuǎn)動時繞Y方向的轉(zhuǎn)動誤差（滾轉(zhuǎn)誤差）； εz(z) —沿 Z軸轉(zhuǎn)動時繞Z方向的轉(zhuǎn)動誤差（滾轉(zhuǎn)誤差）；εy(x) —沿X軸轉(zhuǎn)動時繞Y方向的轉(zhuǎn)動誤差（俯仰誤差）；εx(y) —沿Y軸轉(zhuǎn)動時繞X方向的轉(zhuǎn)動誤差（俯仰誤差）；εy(z) —沿Z軸轉(zhuǎn)動時繞Y方向的轉(zhuǎn)動誤差（俯仰誤差）；εx(z) —沿Z軸轉(zhuǎn)動時繞X方向的轉(zhuǎn)動誤差（俯仰誤差）；εz(x) —沿X軸轉(zhuǎn)動時繞Z方向的轉(zhuǎn)動誤差（偏擺誤差）；εz(y) —沿Y軸轉(zhuǎn)動時繞Z方向的轉(zhuǎn)動誤差（偏擺誤差）；

3．21三坐標(biāo)項機械制造誤差的產(chǎn)生原因

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

a .三坐標(biāo)三軸的氣動

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

b.三坐標(biāo)中央滑架的設(shè)計

中央滑架直接將橫梁和Z軸兩軸的運動相連接，其剛性結(jié)構(gòu)的強弱，也直接影響著運動部分的結(jié)構(gòu)動態(tài)變形、動態(tài)運動誤差及其機械結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性。

c.三坐標(biāo)橫梁的設(shè)計               

• 移動橋架的機械結(jié)構(gòu)的其運動部分質(zhì)量越輕，在高速、高加速度運動時所產(chǎn)生的慣性力越小，變形量也越小，特別是對于掃描測量，結(jié)構(gòu)動態(tài)變形所引起的誤差非常重要。

（二）三坐標(biāo)機械結(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)振動時效處理采用振動實驗臺，利用高頻的振動從而引起材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微觀離子分布變化，以達到取除材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力；

ⅲ.三坐標(biāo)自然時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)所進行的變形。線性溫度結(jié)構(gòu)變形可以通過測量軟件進行完全修正。
21. 機械結(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)變形無法通過測量軟件進行完全修正。
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)軟件的溫度補為適應(yīng)于車間環(huán)境，克服溫度變化所引起的變形，可進行線形或?qū)崟r溫度補償。

（三）三坐標(biāo)計量基準(zhǔn)—光柵尺的變形

1．三坐標(biāo)光柵尺的種類：

?。甊ENISHAW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)測量機基本上已不太采用，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 Renishaw	德國Heidhan	玻璃光柵尺
1		工作原理
2

 

 

 

 

主要包括控制器、光柵尺、細分器、電機、驅(qū)動器和操作盒組成。

• 控制器由PC控制計算機與控制軟件組成。PC控制計算機采用具有高速運算功能的

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

制計算機的硬件結(jié)構(gòu)、功能相關(guān)連。

1. 精確、實時地讀取空間坐標(biāo)值

•  控制軟件要對空間坐標(biāo)值定時讀取，以實現(xiàn)對測量機的狀態(tài)監(jiān)控和位置控制；
•  當(dāng)測頭系統(tǒng)發(fā)出采樣信號時，要實時地將當(dāng)前空間坐標(biāo)值讀取，作

三坐標(biāo)的測量軟件的

輸入數(shù)據(jù)；

1. 運動軌跡的控制

•  三坐標(biāo)具有FLY（飛行）功能即具有連續(xù)軌跡插補技術(shù)和真正三維矢量運動功能，可實 

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

高了機器的工作效率。

1. 狀態(tài)監(jiān)控

• 對測量機的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，對故障進行自診斷處理，如坐標(biāo)軸移動到行

 程極限、運動速度超速、光柵幅值過高或過低、跟隨誤差過大、氣壓過低、測頭

觸測或誤碰、環(huán)境溫度等，對系統(tǒng)進行相應(yīng)的處理；

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

 轉(zhuǎn)換為測量速度和法矢方向接觸工件，采點完成后，測頭再按原路徑和設(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)、機器行程參數(shù)、機器速度與加速度、光柵分辨率、到位窗口

的設(shè)置、跟隨誤差極限的設(shè)置、測頭與測座的型號等。

1. 數(shù)據(jù)通訊功能；

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

系統(tǒng)的狀態(tài)與數(shù)據(jù)回送給測量軟件及與測頭控制器通訊，管理測頭的更換和旋轉(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自動調(diào)試軟件：具有自動生成PID參數(shù)、自動調(diào)整光柵參數(shù)及功率驅(qū)動器參數(shù)的功能；
• 動態(tài)測試：

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

測試和/Settling到位測試；

• 21項誤差的補償功能
• 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)；

• 細分器的功能

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

• 直流電機/測速機伺服機組及伺服驅(qū)動器的功能；

• PWM（Pulse-Width Modulation）驅(qū)動器即脈寬調(diào)制系統(tǒng)，是按一個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、起動性能好的特點；其還具有過壓、過流、過速、過熱等多種保護。
• 三軸的伺服驅(qū)動控制：X、Y、Z軸；
• 四軸的伺服驅(qū)動控制：X、Y、Z軸及旋轉(zhuǎn)軸；必須具有針對旋轉(zhuǎn)軸的補償修正的功能，不然旋轉(zhuǎn)軸三坐標(biāo)沒有精度。四軸的三坐標(biāo)測量機驗收標(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，使用和維護方便；

• 支持多種溫度補償系統(tǒng)

• 線形溫度補償：
• 結(jié)構(gòu)溫度補償：

• 支持多測頭系統(tǒng)

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

• 支持雙光柵/雙驅(qū)動系統(tǒng)
• 遠程控制功能
• 功能擴展接口

• 測探系統(tǒng)：
• 測量軟件：
  1. 檢測評定參數(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PTB的算法認證;

德國國家物理技術(shù)研究院（PTB）認證：

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

1. 運動狀態(tài)控制
2. 測量軟件的編程語言

⑴ 擴展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. 測量評定

   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)基本測量元素的評定

⑶ 三坐標(biāo)構(gòu)造元素的評定

⑷ 三坐標(biāo)形狀誤差的評定

⑸ 三坐標(biāo)位置誤差的評定

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)模自動編程；

⑶ 三坐標(biāo)CAD數(shù)模的模擬運行及測量；

⑷ 三坐標(biāo)曲線、曲面的測量評定；

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

 

 

三坐標(biāo)測量機技術(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：新型高強度輕質(zhì)鋁合金橫梁技術(shù)，溫度控制較松。