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三坐标测量机动态误差源分析、建模与修正技术研究

马修水  
【摘要】:现代制造业的发展对三坐标测量机提出了更高的测量速度和精度要求,但测量机的动态特性限制了测量机测量速度的提高,其原因是测量机动态误差对测量精度有较大影响。本文以测量机主要动态误差源分析为理论基础,以测量机动态特性分析实验为依据,对测量机在不同速度参数和空间位置时进行动态误差建模研究。并采用软硬件相结合的方法进行动态误差修正,以提高动态测量精度。 在对测量机触发运行模式下的动态特性进行实验研究的基础上,阐明了测量机动态误差的来源和构成。重点研究了测头系统、机体结构、测量系统对测量机动态误差的影响。对于测头系统,研究了测头系统动态瞄准误差的构成,提出等效测头作用直径的概念,分析速度参数对作用直径的影响,建立了理论模型。对于机体结构,研究了机体动态变形产生机理,建立机体结构动态变形与位移误差转换模型,从理论和实验上验证机体动态变形的空间相关性。研究了光栅测量系统光栅栅线刻划误差、光栅副误差、电子系统误差、温度误差,为研发新型的光栅测量系统奠定了基础。 研制高精度动态误差数据采集对比实验系统,用双频激光干涉仪作为高精度的动态测量基准,实时测量在不同速度下测量机各轴的实际位移,并与光栅系统的读数相比较,二者之差为单轴动态误差。根据ISO 230-2标准处理实验数据,分析不同速度下测量机单轴稳定性及轴之间的相关性,实现比现行静态校准方法更精确的动态校准。 按照《测量不确定度表示指南》所确定的框架,使用已被校准工件对测量机测量不确定度评定。同时,基于Monte Canto方法对坐标测量机动态测量不确定度进行评定,与按照动态测量不确定度A类评定和B类评定结果相比较,该方法对动态测量不确定度评定更符合实际情况。 在动态误差源分析、建模的基础上,采用软硬件相结合的方法进行动态误差修正的研究,用2次样条拟合和shape-preserving函数拟合修正动态误差,用二元线性回归建立不同测位与速度变化时测量机综合动态误差模型,以此来修正动态误差。基于二次莫尔条纹原理探讨了纳米测量精度光栅测量标尺,将有可能改善目前光栅信号细分电路延时对测量机动态性能的影响。 基于坐标测量机动态特性的研究成果,对坐标测量机性能评定和精度评定的国际标准和国家标准进行了分析,重点对ISO 10360-2、ISO 10360-5、ISO 15530-2.2进行研究,并就有关技术条款的制定或修订提出建议。


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