[发明专利]测量三坐标测量机21项机构误差的测量系统及测量方法

说明书

本发明属于长度计量与测试技术领域。

现已有的进行三座标测量机机构误差检测的方法很多，从误差的表现形式上分为三大类，即21项机构误差测量法、误差矢量直接测量法和相对综合误差测量法。

一、21项机构误差测量法

三座标测量机共有21项机构误差，包括三个轴向的三项位置误差，六项直线度误差和九项角运动误差以及三个轴相互之间的垂直度误差。21项机构误差测量法是指通过测量获得测量机21项机构误差的测量方法。目前可用的测量方法有单项测量法和22线测量法。单项测量法是用双频激光干涉仪测位移装置或步距规等测量位置误差;用激光干涉仪测直线度装置，或矩形平尺和测微仪等测量直线度误差;用激光干涉仪测角装置或自准直仪等测量三个轴的俯仰偏摆角运动误差;用电子水平仪测量水平方向两个轴的滚动角度误差，用测微仪和直角尺测量垂直轴向的滚动角误差;用激光干涉仪测垂直度装置，或测微仪和四方角尺，或测微仪和直角尺测量垂直度误差。一般要根据座标测量机的精度要求和所具有的测量装置选择要使用的测量装置。对于高精度要求的测量需用双频激光干涉仪进行。在G.Zhang，Error    Compensation    of    Coordinate    Measuring    Machines.Annals    of    the    CIRP    Vol.34/1/1985中对实施这种单项测量法有较详细的说明。K.Busch    et    al.，Calibration    of    Coordinate    Measuring    Machines，Precision    Engineering，Vol.7/3/1985中也有类似的介绍。

22线测量法只用一种长度测量装置即双频激光干涉仪测位移装置测量空间选定的22条线（包括9条平行于轴向的直线和13条平面对角线），通过各线上定点处位置误差的测量及代数运算获得21项机构误差。见G.Zhang    et    al.，A    Displacement    Method    for    Machine    Geometry    Calibration，Annals    of    the    CIRP    Vol.7/1/1988.

二、误差矢量直接测量法

空间矢量误差是指座标测量机测量空间内任一点的矢量误差，即测量空间内测量点实际座标与理想座标系中的理想座标的差值，为空间矢量，它主要是由21项机构误差合成产生的，属于综合机构误差。现有的主要测量方法如下：

1.由碳素纤维四面框架支承钢球测量装置

碳素纤维四面体的杆是由单项碳纤维增强塑料制成，线膨胀系数为-1×10^-6/℃，具有很高的比刚度，多球的线膨胀系数为11×10^-6/℃，合适的配比可消除温度的影响。这种结构性能使球心距变化很小，可以忽略。位于四面体四个顶点处的钢球间的球心距已由其它高精度仪器测出，即这四个球心构成了一个标准四面体，将其放在测量机上测量时，由测量获得四个钢球球心并构成测量四面体，通过与标准四面体进行比较计算，可以求出测量机空间某些位置的矢量误差。见J    BURY，The    Direct    Measurement    of    Volumetric    Errors    of    3    Dimensional    Coordinate    Machines，NELEX    76。

2.光学空间构架测量法

光学空间构架是由一块底板和其上具有多块菲涅耳带片按二维排列构成的。这些带片和凹镜相似可以确定曲率的中心，因而使用不同曲率半径的带片可以确定在该板上方的三维空间的点。

测量过程中有两种光学测头可供选择使用。一种是微型干涉仪，通过一条单模光纤把激光传到测头，并产生干涉条纹，以显示该测头与列阵中各元件的相对位置，然后通过光纤束把测头中的条纹送至摄相机，并在电视屏幕上显示出来。另一种测头是使用一个象限光电池来检测阵列中一个元件所构成的图象及输入纤维端主件的位置，测头偏离规定点的位移以电量测出，而且可在三个仪表（对应于X，Y和Z座标位移）上显示出来，或直接输入计算机。见K.F.Poulter    et    al.，The    NPL    Optical    Spaceframe，Annals    of    the    CIRP    Vol.32/1/1983。