坐标测量机动态误差补偿的分析与建模

　　0　引言

　　坐标测量机是一种具有高精度、万能性、数字化特点的大型通用检测仪器。随着测量速度的提高，测量机的动态误差相应也会增大。如何减小坐标测量机 的动态测量误差，是精密测量中的一个重要问题[1]。Weekers等[2]通过测量机运动机构以及弱刚性连接部件的动态变形建立了动力学数学模型，提供 了动态误差源理论分析的依据。Salleh等[3]提出了一种运用有限元建模简化测量机构的方法，从理论上对测量机机构部件和测头的动态变形产生的误差进 行了输入模拟。杨洪涛[4]提出了基于贝叶斯原理的测量机系统动态误差模型，并对测量机的综合动态误差进行了补偿。

　　实际上，影响坐标测量机动态误差的因素很多，如何合理地选择影响因素并基于此建立误差补偿模型，是研究的热点之一。笔者基于Global　 Class9158型坐标测量机探索与研究了动态误差源，利用神经网络建模方式建立了测量机的动态误差模型，并对测量机的动态误差进行了补偿，避免了复杂 数学关系的推导，提高了三坐标测量机的动态测量精度。

　　1　坐标测量机的主要误差源分析

　　三坐标测量机的动态误差是由测量机本身的实际动态特性偏离理想动态特性产生的。能够引起动态误差的误差源很多，只有正确分析坐标测量机的各个动态误差来源，才能确定神经网络模型的输入参数。

　　Global　Class　9158型测量机采用移动桥式单边驱动结构，容易在动态测量中产生很大的系统误差，因为X方向标尺设置在工作台的一 侧，不符合阿贝原则，在Y方向上存在很大的阿贝误差。加之气浮导轨的弱刚性，当测量速度变化时，会造成各运动部件绕Z轴的偏转，引起爬行现象，因此机体结 构为坐标测量机主要动态误差源之一。

　　坐标测量机各运动部件产生的惯性力和测量机的测量速度有很大的关系，测速越高，所产生的惯性力越大。对于测头本身，测量速度的提高对测头的动态 特性会产生很大的影响，扩大了测头的预行程误差、各向异性误差等动态误差。测量机采用的光栅测量系统具有体积小、安装方便等优点。随着测量速度的加大，光 栅会产生“丢数”现象，导致测量机的坐标读数产生一定的误差。

　　光栅测量系统的动态测量精度受到定栅、动栅之间相对运动速度和测量位置的影响[5]。因此，测头系统和测量系统也是坐标测量机的动态误差源之一。

　　上述各个误差因素并不是相互独立的，这些误差源互相作用，共同影响坐标测量机的动态测量精度。由于测量机的结构参数(测杆长度、质量等)和测量 参数(测端直径、运动速度、加速度等)与测量机动态误差的产生有着密切的联系，因此，我们将这两类参数进行组合，研究不同组合条件下测量机的动态特性，分 析测量机的动态误差。实验中，环境温度((20±0.2)℃)、湿度(55%)、震动(2级)等都为实验室中理想值，所以在对动态误差的研究中，并未将工 作环境的影响考虑进去。从测量机的结构参数和测量参数出发，考虑到坐标测量机的测量特点，逼近速度、测端直径、工作面X方向和Y方向的坐标值以及测杆长度 这5个参数最为关键。为获得坐标测量机这5个参数对动态误差的影响，可对标准球做测量实验以获得不同条件下的测量误差。实验中，标准球直径为 15.8754mm，测量前的稳定时间为30min。