測控儀器設(shè)計(jì)第2章——第2節(jié)

1、精度（誤差）精度（誤差）分析分析 如何進(jìn)行儀器誤差分析： 尋找儀器誤差源； 分析計(jì)算各個(gè)源誤差對(duì)儀器精度的影響； 精度綜合。根據(jù)所得到的結(jié)果估計(jì)儀器的總誤差，并判斷儀器總誤差是否滿足設(shè)計(jì)要求。滿足設(shè)計(jì)成功；不滿足設(shè)計(jì)失敗，需要進(jìn)行調(diào)整。是誤差的反義詞。誤差大精度低；誤差小精度高所以，所以，又稱為又稱為第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)2第二節(jié)第二節(jié) 儀器誤差的來源與性質(zhì)儀器誤差的來源與性質(zhì) 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)生產(chǎn)生產(chǎn)使用使用原理誤差原理誤差 系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差制造誤差制造誤差運(yùn)行誤差運(yùn)行誤差隨機(jī)誤差隨機(jī)誤差儀器誤差：指儀器本身所具有的誤差。在儀器制成以后，儀器誤差：指儀器本身所具有的誤差。在儀器制成以后，在規(guī)定的使用條件

2、之下，儀器誤差就已經(jīng)基本確定。在規(guī)定的使用條件之下，儀器誤差就已經(jīng)基本確定。儀器誤差產(chǎn)生的原因：儀器誤差產(chǎn)生的原因：難點(diǎn)難點(diǎn)3 儀器設(shè)計(jì)中采用了儀器設(shè)計(jì)中采用了近似的理論近似的理論、近似的數(shù)學(xué)模近似的數(shù)學(xué)模型型、近似的機(jī)構(gòu)近似的機(jī)構(gòu)和和近似的測量控制電路近似的測量控制電路所引起的誤所引起的誤差。它只與儀器的設(shè)計(jì)有關(guān)，而與制造和使用無關(guān)。差。它只與儀器的設(shè)計(jì)有關(guān)，而與制造和使用無關(guān)。具體情況有：具體情況有：一、原理誤差一、原理誤差4（一）線性化（一）線性化： 將儀器的實(shí)際非線性特性近似地視為線性，采用線性的技術(shù)處理措將儀器的實(shí)際非線性特性近似地視為線性，采用線性的技術(shù)處理措施來處理非線性的儀器特

3、性，由此而引起原理誤差施來處理非線性的儀器特性，由此而引起原理誤差。激光掃描測徑儀激光掃描測徑儀 11激光器激光器 2 2、33反射鏡反射鏡 4 4透鏡透鏡 5 5多面棱鏡多面棱鏡 66透鏡透鏡 7 7被測工件被測工件 8 8透鏡透鏡 9 9光電二極管光電二極管激光測徑儀工作原理激光測徑儀工作原理P26P26激光測徑儀原理動(dòng)畫演示激光測徑儀原理動(dòng)畫演示6激光掃描測徑儀激光掃描測徑儀 1激光器激光器 2、3反射鏡反射鏡 4透鏡透鏡 5多面棱鏡多面棱鏡 6透鏡透鏡 7被測工件被測工件 8透鏡透鏡 9光電二極管光電二極管注意之處：注意之處：1. 1. 測量時(shí)（測量時(shí)（5 5）轉(zhuǎn)動(dòng)而（）轉(zhuǎn)動(dòng)而（7 7

4、）不動(dòng)，（）不動(dòng)，（6 6）和（）和（8 8）之間的光為平行光；）之間的光為平行光；2.2.（5 5）、（）、（6 6）之間的距離）之間的距離= =（6 6）的焦距；）的焦距；3.3.（5 5）轉(zhuǎn)動(dòng)）轉(zhuǎn)動(dòng) t t，激光反射光束轉(zhuǎn)動(dòng)，激光反射光束轉(zhuǎn)動(dòng) 2 2 t t。f7激光測徑儀實(shí)物圖激光測徑儀實(shí)物圖8激光測徑儀實(shí)物激光測徑儀實(shí)物9某品牌激光測徑儀技術(shù)參數(shù)某品牌激光測徑儀技術(shù)參數(shù)激光測徑儀的工作原理：激光測徑儀的工作原理： 通過光電二極管來測量激光光束被工件遮擋的通過光電二極管來測量激光光束被工件遮擋的脈沖數(shù)，將脈沖數(shù)乘以脈沖當(dāng)量（脈沖數(shù)，將脈沖數(shù)乘以脈沖當(dāng)量（mm/mm/脈沖），脈沖），即可

5、得到被測直徑大小。即可得到被測直徑大小。原理誤差發(fā)生在哪里？原理誤差發(fā)生在哪里？11設(shè)計(jì)中近似地認(rèn)為在與光設(shè)計(jì)中近似地認(rèn)為在與光軸垂直方向上激光光束的軸垂直方向上激光光束的掃描線速度是勻速的掃描線速度是勻速的 的焦距透鏡的轉(zhuǎn)速多面棱鏡的角速度多面棱鏡6:5:5:4222fnfnfnfv激光掃描光束在距透鏡光激光掃描光束在距透鏡光軸為軸為y y 的位置與多面棱的位置與多面棱體旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系：體旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系：)4tan()2tan(tnftfy在與光軸垂直方向上的在與光軸垂直方向上的掃描線速度為掃描線速度為 )(14)4(tan14)4(sec42220fynfntnfntnfdtdyv

6、yf2tv v0 0與與y y有關(guān)。有關(guān)。y y越大，越大，v v0 0越大。與在光軸垂直方向勻速掃描的假設(shè)相違背。越大。與在光軸垂直方向勻速掃描的假設(shè)相違背。假定：假定：實(shí)際：實(shí)際：fyt )2tan(計(jì)數(shù)脈沖頻率為計(jì)數(shù)脈沖頻率為MM2.5MHz2.5MHz，則脈沖當(dāng)量，則脈沖當(dāng)量q q：脈沖/03775. 0105 . 210373.9463mmMvq設(shè)計(jì)中近似地認(rèn)為在設(shè)計(jì)中近似地認(rèn)為在與光軸垂直方向上激光與光軸垂直方向上激光光束的掃描線速度是均光束的掃描線速度是均勻的勻的 秒則：秒轉(zhuǎn)假設(shè)：/373.94/502 .150mvnmmffnfv4212該原理誤差有多大？該原理誤差有多大？13

7、引起的原理誤差引起的原理誤差300300000)2(32)2(3122)2arctan(2fdfdfdfdfdfdfddd儀器指示的被測直徑儀器指示的被測直徑)2arctan(240fdffnTvTqMTqNd在在 T T 時(shí)間段內(nèi)所計(jì)脈時(shí)間段內(nèi)所計(jì)脈沖數(shù)沖數(shù)6105.2TMTN設(shè)鋼絲直徑為設(shè)鋼絲直徑為 d d0 0，所用時(shí)間為所用時(shí)間為T T)2arctan(21)/(14121202/022/0000fdndyfyfndyvTdd想要減小想要減小 小，小， 大。大。d0df假定假定f=150.2mm不變不變 1mm -3.7X10-6mm 10mm -3.7X10-3mm 50mm -0.

8、46mm0dd將上面的將上面的T帶入帶入14產(chǎn)生原理誤差的根本原因是將實(shí)際為產(chǎn)生原理誤差的根本原因是將實(shí)際為非線性的掃描速度非線性的掃描速度簡化視簡化視為為線性線性。理論上掃描速度為：理論上掃描速度為：實(shí)際掃描速度為：實(shí)際掃描速度為：一旦設(shè)計(jì)完成，此誤差也就確定。一旦設(shè)計(jì)完成，此誤差也就確定。fnfv42)(1 420fynfv小結(jié)：小結(jié)：15（二）近似數(shù)據(jù)處理方法（二）近似數(shù)據(jù)處理方法 模模/數(shù)轉(zhuǎn)換過程中的數(shù)轉(zhuǎn)換過程中的量化誤差量化誤差輸出輸出4Q4Q2Q2Q6Q6Q2Q2Q4Q4Q6Q6Q輸入輸入o o輸入輸入誤差誤差Q Qo o若模若模/數(shù)轉(zhuǎn)換有效位為數(shù)轉(zhuǎn)換有效位為n，輸入模擬量的變化范

9、圍為，輸入模擬量的變化范圍為V0 ，通常用通常用二進(jìn)制最小單位二進(jìn)制最小單位（量子（量子 ）去度量一個(gè)實(shí)際的模擬量去度量一個(gè)實(shí)際的模擬量，當(dāng)，當(dāng) 時(shí)，時(shí)，模模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果為數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果為 由此產(chǎn)生量化誤差，不會(huì)超由此產(chǎn)生量化誤差，不會(huì)超過一個(gè)過一個(gè) 。nVQ2/0QNVNQ) 1(NQQ 圖圖27 量化誤差量化誤差 a)量化過程量化過程 b) 量化誤差量化誤差量化誤差量化誤差 3-bit ADCAmplitudecode widthTime02010012014040608010.0010.757.506.255.003.752.501.2501111101000110100010002 23

10、3=8=8份份1 1份份=1.25V=1.25V2 21616=65536=65536份份1 1份份=0.0001526V=0.0001526V16-bit ADC17（三）機(jī)械結(jié)構(gòu)（三）機(jī)械結(jié)構(gòu)凸輪凸輪 為了減小磨損，常需將動(dòng)桿的端頭設(shè)計(jì)成半徑為為了減小磨損，常需將動(dòng)桿的端頭設(shè)計(jì)成半徑為 r r 的圓球頭，的圓球頭，將引起誤差：將引起誤差：18凸輪機(jī)構(gòu)的組成及其特點(diǎn)凸輪機(jī)構(gòu)的組成及其特點(diǎn)凸輪凸輪1從動(dòng)件從動(dòng)件2機(jī)架機(jī)架3O1 1當(dāng)凸輪作等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，迫使從動(dòng)件完成某種預(yù)期的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)凸輪作等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，迫使從動(dòng)件完成某種預(yù)期的運(yùn)動(dòng)。V2凸輪凸輪1從動(dòng)件從動(dòng)件 2（或稱推桿）（或稱推桿）機(jī)架機(jī)架3凸

11、輪機(jī)構(gòu)的凸輪機(jī)構(gòu)的組成組成由由組成組成19凸輪機(jī)構(gòu)的分類：凸輪機(jī)構(gòu)的分類：（一）按凸輪的形狀分：（一）按凸輪的形狀分：盤形凸輪盤形凸輪移動(dòng)凸輪移動(dòng)凸輪圓柱凸輪圓柱凸輪20盤形凸輪：最基本的形式，結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng) 用最為廣泛移動(dòng)凸輪：凸輪相對(duì)機(jī)架做直線運(yùn)動(dòng)圓柱凸輪：空間凸輪機(jī)構(gòu)21（二）按從動(dòng)件上高副元（二）按從動(dòng)件上高副元素的幾何形狀分：素的幾何形狀分：尖頂從動(dòng)件尖頂從動(dòng)件滾子從動(dòng)件滾子從動(dòng)件平底從動(dòng)件平底從動(dòng)件 22尖端能以任意復(fù)雜的凸輪輪廓保持接觸，從而使從動(dòng)件實(shí)現(xiàn)任意的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。但尖端處極易磨損，只適用于低速場合。凸輪與從動(dòng)件之間為滾動(dòng)摩擦，因此摩擦磨損較小，可用于傳遞較大的動(dòng)力。從動(dòng)件與凸

12、輪之間易形成油膜，潤滑狀況好，受力平穩(wěn)，傳動(dòng)效率高，常用于高速場合。但與之相配合的凸輪輪廓須全部外凸。23（三）按從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)分：（三）按從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)分：擺動(dòng)從動(dòng)件擺動(dòng)從動(dòng)件移動(dòng)從動(dòng)件移動(dòng)從動(dòng)件偏置移動(dòng)從動(dòng)件偏置移動(dòng)從動(dòng)件對(duì)心移動(dòng)從動(dòng)件對(duì)心移動(dòng)從動(dòng)件移動(dòng)從動(dòng)件：移動(dòng)從動(dòng)件：從動(dòng)件作往復(fù)移動(dòng)，其從動(dòng)件作往復(fù)移動(dòng)，其運(yùn)運(yùn) 動(dòng)軌跡為一段直線；動(dòng)軌跡為一段直線；擺動(dòng)從動(dòng)件：擺動(dòng)從動(dòng)件：從動(dòng)件作往復(fù)擺動(dòng)，其從動(dòng)件作往復(fù)擺動(dòng)，其運(yùn)運(yùn) 動(dòng)軌跡為一段圓弧。動(dòng)軌跡為一段圓弧。24滾子從動(dòng)件盤型凸輪機(jī)構(gòu)輪廓曲線的設(shè)計(jì)步驟：滾子從動(dòng)件盤型凸輪機(jī)構(gòu)輪廓曲線的設(shè)計(jì)步驟：（1）畫出滾子中心的軌畫出滾子中心的軌跡跡 （稱為

13、理論輪廓稱為理論輪廓）（2）以以理論輪廓理論輪廓為圓心，為圓心，滾子半徑滾子半徑rS為為半徑畫圓，再半徑畫圓，再畫滾子圓族的包絡(luò)線，則為畫滾子圓族的包絡(luò)線，則為從動(dòng)件凸輪的工作輪廓曲線從動(dòng)件凸輪的工作輪廓曲線（稱為實(shí)際輪廓曲線稱為實(shí)際輪廓曲線）。）。注意：注意：（1）理論輪廓與實(shí)際輪廓互為等距曲線；）理論輪廓與實(shí)際輪廓互為等距曲線；（2）凸輪的基圓半徑凸輪的基圓半徑r0是指理論輪廓曲線的最小向徑。是指理論輪廓曲線的最小向徑。nnBCr0rS實(shí)際輪廓曲線實(shí)際輪廓曲線 理論輪廓曲線理論輪廓曲線25 圖圖2-8 凸輪機(jī)構(gòu)原理誤差凸輪機(jī)構(gòu)原理誤差為壓力角22sintancossincoscos rrr

14、rrOBOAOBOAh書上書上P27P27的圖的圖有錯(cuò)誤！有錯(cuò)誤！A公切線公切線高度誤差：高度誤差：26（四）測量與控制電路（四）測量與控制電路 t)(txa)a)(XHHd)d)b)b)t)(tTTe)e)(Tsf)f)(Xst)(txc)c)g)g)Tt)(txi)i)(Xsh)h)(H采樣采樣 用一系列時(shí)間離散序列用一系列時(shí)間離散序列 來描述連續(xù)的模擬信號(hào)來描述連續(xù)的模擬信號(hào) 。)(*tx)(tx當(dāng)脈沖采樣頻率當(dāng)脈沖采樣頻率 并且采樣脈沖為理想脈沖時(shí)，采樣信號(hào)并且采樣脈沖為理想脈沖時(shí)，采樣信號(hào) 能夠正確反映連續(xù)信號(hào)能夠正確反映連續(xù)信號(hào) ，因?yàn)椴蓸有盘?hào)頻譜，因?yàn)椴蓸有盘?hào)頻譜 的主瓣與連續(xù)信

15、的主瓣與連續(xù)信號(hào)頻譜號(hào)頻譜 一致。一致。采樣脈沖有一定寬度時(shí)，采樣信號(hào)采樣脈沖有一定寬度時(shí)，采樣信號(hào) 不能夠正確反映連續(xù)信號(hào)，因不能夠正確反映連續(xù)信號(hào)，因?yàn)椴蓸有盘?hào)頻譜為采樣信號(hào)頻譜 的主瓣與連續(xù)信號(hào)頻譜的主瓣與連續(xù)信號(hào)頻譜 不一致，有失真，不一致，有失真，進(jìn)而引起誤差。進(jìn)而引起誤差。Hs2)(*X)(*X)(tx)(X)(X)(*tx)(*tx模擬信號(hào)模擬信號(hào)理想采樣脈沖理想采樣脈沖理想離散信號(hào)理想離散信號(hào)模擬信號(hào)頻譜模擬信號(hào)頻譜理想采樣脈沖頻譜理想采樣脈沖頻譜理想離散信號(hào)頻譜理想離散信號(hào)頻譜=d)和和e)的卷積的卷積理想離散信號(hào)理想離散信號(hào)實(shí)際脈沖采樣結(jié)果實(shí)際脈沖采樣結(jié)果實(shí)際采樣脈沖頻譜實(shí)

16、際采樣脈沖頻譜實(shí)際脈沖采樣頻譜實(shí)際脈沖采樣頻譜：采樣頻率：采樣頻率：模擬信號(hào)的最高頻率分量：模擬信號(hào)的最高頻率分量Hs27（五）總結(jié)（五）總結(jié) （1 1）采用近似的理論和原理進(jìn)行設(shè)計(jì)是為了）采用近似的理論和原理進(jìn)行設(shè)計(jì)是為了簡化設(shè)計(jì)、簡化制造工簡化設(shè)計(jì)、簡化制造工藝、簡化算法和降低成本。藝、簡化算法和降低成本。在有些情況下，是由于理想的原理在設(shè)在有些情況下，是由于理想的原理在設(shè)計(jì)中難以實(shí)現(xiàn)。計(jì)中難以實(shí)現(xiàn)。 （2 2）原理誤差屬于）原理誤差屬于系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差，使儀器的準(zhǔn)確度下降，應(yīng)該，使儀器的準(zhǔn)確度下降，應(yīng)該設(shè)法減小設(shè)法減小或消除或消除。（3 3）減小或消除原理誤差的方法：）減小或消除原理誤差

17、的方法： 采用采用更為精確的、符合實(shí)際的理論和公式更為精確的、符合實(shí)際的理論和公式進(jìn)行設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算進(jìn)行設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算 。 研究原理誤差的規(guī)律，研究原理誤差的規(guī)律，采取技術(shù)措施采取技術(shù)措施避免原理誤差。避免原理誤差。例如凸輪機(jī)構(gòu)，用半徑等于頂桿球端半徑的刀具來加工。例如凸輪機(jī)構(gòu)，用半徑等于頂桿球端半徑的刀具來加工。 采用采用誤差補(bǔ)償措施誤差補(bǔ)償措施。原理誤差是系統(tǒng)誤差，通過研究其規(guī)律，可以。原理誤差是系統(tǒng)誤差，通過研究其規(guī)律，可以補(bǔ)償?shù)?。補(bǔ)償?shù)簟?8二、制造誤差二、制造誤差 產(chǎn)生于產(chǎn)生于制造、裝配以及調(diào)整中的不完善制造、裝配以及調(diào)整中的不完善所引起的誤差。所引起的誤差。 主要由儀器主要由儀器的

18、零件、元件、部件和其他各個(gè)環(huán)節(jié)在尺寸、形狀、相互位置以及其他的零件、元件、部件和其他各個(gè)環(huán)節(jié)在尺寸、形狀、相互位置以及其他參量等方面的制造及裝調(diào)的不完善所引起的誤差。參量等方面的制造及裝調(diào)的不完善所引起的誤差。 由于由于滾動(dòng)體的形狀誤差滾動(dòng)體的形狀誤差使使?jié)L動(dòng)軸系在回轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生滾動(dòng)軸系在回轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生徑向和軸向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)誤差。徑向和軸向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)誤差。xy測桿與導(dǎo)套的配合間測桿與導(dǎo)套的配合間隙隙使測桿傾斜，引起測使測桿傾斜，引起測桿頂部的位置誤差。桿頂部的位置誤差。xy測桿測桿導(dǎo)導(dǎo)套套29 儀器的制造誤差無法避免。除了在制造過程中提高加工精度儀器的制造誤差無法避免。除了在制造過程中提高加工精

19、度和裝配精度外，在設(shè)計(jì)過程中對(duì)制造誤差進(jìn)行控制的方法還有：和裝配精度外，在設(shè)計(jì)過程中對(duì)制造誤差進(jìn)行控制的方法還有：（1 1）合理地分配誤差和確定制造公差。）合理地分配誤差和確定制造公差。（2 2）正確應(yīng)用儀器設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)原則，如阿貝原則、變形最?。┱_應(yīng)用儀器設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)原則，如阿貝原則、變形最小原則等。原則等。（3 3）合理地確定儀器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。）合理地確定儀器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。（4 4）合理的結(jié)構(gòu)工藝性。設(shè)計(jì)零件時(shí)，應(yīng)注意遵守）合理的結(jié)構(gòu)工藝性。設(shè)計(jì)零件時(shí)，應(yīng)注意遵守基面統(tǒng)一原基面統(tǒng)一原則則，以減少制造誤差?；娲篌w上可以分為三種：，以減少制造誤差。基面大體上可以分為三種： a) a) 設(shè)計(jì)

20、基面設(shè)計(jì)基面：零件工作圖上注尺寸的基準(zhǔn)面：零件工作圖上注尺寸的基準(zhǔn)面 b) b) 工藝基面工藝基面：加工時(shí)，用它定位去加工其他面：加工時(shí)，用它定位去加工其他面 c) c) 裝配基面裝配基面：以它為基準(zhǔn)，確定零件間的相互位置：以它為基準(zhǔn)，確定零件間的相互位置 應(yīng)盡可能地把以上三個(gè)面統(tǒng)一起來，以利保證精度。應(yīng)盡可能地把以上三個(gè)面統(tǒng)一起來，以利保證精度。（5 5）設(shè)置適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和補(bǔ)償環(huán)節(jié)。）設(shè)置適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和補(bǔ)償環(huán)節(jié)。30三、運(yùn)行誤差三、運(yùn)行誤差 儀器在儀器在使用過程中所產(chǎn)生使用過程中所產(chǎn)生的誤差。如力變形誤差、磨損和間隙造成的的誤差。如力變形誤差、磨損和間隙造成的誤差，溫度變形引起的誤差，材料的內(nèi)摩

21、擦所引起的彈性滯后和彈性后效，誤差，溫度變形引起的誤差，材料的內(nèi)摩擦所引起的彈性滯后和彈性后效，以及振動(dòng)和干擾等以及振動(dòng)和干擾等 。（一）（一）力變形誤差力變形誤差 由于儀器的測量裝置由于儀器的測量裝置(測量頭架等測量頭架等)在測量過程中的移動(dòng)，使儀器結(jié)構(gòu)件在測量過程中的移動(dòng)，使儀器結(jié)構(gòu)件(基座和支架等基座和支架等)的受力大小和受力點(diǎn)的的受力大小和受力點(diǎn)的位置發(fā)生變化，從而引起儀器結(jié)構(gòu)件位置發(fā)生變化，從而引起儀器結(jié)構(gòu)件的變形。的變形。大型測量儀器中，對(duì)測量大型測量儀器中，對(duì)測量精度有較大的影響。精度有較大的影響。搖臂式坐標(biāo)測量搖臂式坐標(biāo)測量 設(shè)橫臂為設(shè)橫臂為a b50 200mm的等截面梁，的

22、等截面梁，選用鋁合金材料，長度選用鋁合金材料，長度l3000mm， l1400mm，測頭部件的自重，測頭部件的自重W200N。 圖圖210 懸臂式坐標(biāo)測量機(jī)原理圖懸臂式坐標(biāo)測量機(jī)原理圖1立柱立柱 2平衡塊平衡塊 3讀數(shù)基尺讀數(shù)基尺 4橫臂橫臂 5測頭部件測頭部件 6z向測量軸向測量軸31產(chǎn)生誤差的原因產(chǎn)生誤差的原因 當(dāng)測頭部件位于橫臂最外端當(dāng)測頭部件位于橫臂最外端A處和最里端處和最里端B處時(shí)，由于測頭部件處時(shí)，由于測頭部件的集中負(fù)荷在橫臂上的作用點(diǎn)發(fā)生變化引起立柱和橫臂的受力狀態(tài)發(fā)生變化，引起的集中負(fù)荷在橫臂上的作用點(diǎn)發(fā)生變化引起立柱和橫臂的受力狀態(tài)發(fā)生變化，引起橫臂上橫臂上A、B兩點(diǎn)處的撓曲

23、變形和截面轉(zhuǎn)角變化，從而引起測量誤差。兩點(diǎn)處的撓曲變形和截面轉(zhuǎn)角變化，從而引起測量誤差。 測頭部件集中測頭部件集中負(fù)荷負(fù)荷橫臂自重均勻橫臂自重均勻負(fù)荷負(fù)荷立柱所受轉(zhuǎn)矩立柱所受轉(zhuǎn)矩當(dāng)測頭部件在最外端當(dāng)測頭部件在最外端A處時(shí)處時(shí) mmyyyyAMAqAWA56. 3radAMAqAWA31056. 1qllWMA25 . 0當(dāng)測頭部件在最內(nèi)端當(dāng)測頭部件在最內(nèi)端B處時(shí)處時(shí) qlWlMB2115 .0mmyB13.0radB31046.0AWyl lW WAWAqAqyq qAMAMYM MA AAM圖圖211懸臂式坐標(biāo)測量機(jī)受力變形懸臂式坐標(biāo)測量機(jī)受力變形彎曲力矩彎曲力矩?fù)锨冃螕锨冃谓孛孓D(zhuǎn)角截面

24、轉(zhuǎn)角32測頭部件從測頭部件從B點(diǎn)移到點(diǎn)移到A點(diǎn)時(shí)，在測量方向點(diǎn)時(shí)，在測量方向Z向上引起的測量誤差為向上引起的測量誤差為mmyyBA43. 3假設(shè)測量線至橫臂上基準(zhǔn)尺的距離假設(shè)測量線至橫臂上基準(zhǔn)尺的距離s1000mm時(shí)，時(shí)，X向引起的測量向引起的測量誤差為：誤差為： mmssBABA11. 1)()tan(阿貝誤差測量儀器的軸線與待測工件的軸線須在同測量儀器的軸線與待測工件的軸線須在同一直線上。否則即產(chǎn)生誤差，此誤差稱為一直線上。否則即產(chǎn)生誤差，此誤差稱為阿貝誤差阿貝誤差(Abbe Error)。 圖圖210 懸臂式坐標(biāo)測量機(jī)原理圖懸臂式坐標(biāo)測量機(jī)原理圖1立柱立柱 2平衡塊平衡塊 3讀數(shù)基尺讀數(shù)

25、基尺 4橫臂橫臂 5測頭部件測頭部件 6z向測量軸向測量軸S阿貝誤差阿貝誤差BA33由上可知：由上可知： 對(duì)于大型儀器，由力變形引起的測量誤差是相當(dāng)大的。對(duì)于大型儀器，由力變形引起的測量誤差是相當(dāng)大的。對(duì)策：對(duì)策：在設(shè)計(jì)中提高儀器結(jié)構(gòu)件的剛度在設(shè)計(jì)中提高儀器結(jié)構(gòu)件的剛度合理選擇支點(diǎn)位置和材料合理選擇支點(diǎn)位置和材料適當(dāng)采用卸荷裝置適當(dāng)采用卸荷裝置34懸臂式懸臂式三坐標(biāo)測量機(jī)三坐標(biāo)測量機(jī) 特點(diǎn)：工作面開闊，工件裝卸容易；但懸臂特點(diǎn)：工作面開闊，工件裝卸容易；但懸臂結(jié)構(gòu)易變形，一般用于結(jié)構(gòu)易變形，一般用于低精度低精度測量。測量。移動(dòng)橋式移動(dòng)橋式三坐標(biāo)測量機(jī)三坐標(biāo)測量機(jī)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，敞開性好，工件安

26、裝在固特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，敞開性好，工件安裝在固定工作臺(tái)上，承載能力強(qiáng)。但這種結(jié)構(gòu)的定工作臺(tái)上，承載能力強(qiáng)。但這種結(jié)構(gòu)的X X向向驅(qū)動(dòng)位于橋框一側(cè)，橋框移動(dòng)時(shí)易產(chǎn)生繞驅(qū)動(dòng)位于橋框一側(cè)，橋框移動(dòng)時(shí)易產(chǎn)生繞Z Z軸軸偏擺。因而該結(jié)構(gòu)主要用于偏擺。因而該結(jié)構(gòu)主要用于中等精度中等精度的中小的中小機(jī)型。機(jī)型。 zXY固定橋式固定橋式三坐標(biāo)測量機(jī)三坐標(biāo)測量機(jī)特點(diǎn)：其橋框固定不動(dòng)，特點(diǎn)：其橋框固定不動(dòng)，X X向標(biāo)尺和驅(qū)動(dòng)機(jī)向標(biāo)尺和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可安裝在工作臺(tái)下方中部。其主要部件的構(gòu)可安裝在工作臺(tái)下方中部。其主要部件的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性好，運(yùn)動(dòng)誤差小，適用于運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性好，運(yùn)動(dòng)誤差小，適用于高精度高精度測量，但工作臺(tái)負(fù)載能力小，

27、結(jié)構(gòu)敞開性不測量，但工作臺(tái)負(fù)載能力小，結(jié)構(gòu)敞開性不好，主要用于高精度的中小機(jī)型。好，主要用于高精度的中小機(jī)型。 精精度度低低高高35（二）二）測量力測量力 測量力作用下的測量力作用下的接觸變形接觸變形和測桿變形和測桿變形也會(huì)對(duì)測量精度產(chǎn)生影響，引起也會(huì)對(duì)測量精度產(chǎn)生影響，引起運(yùn)行誤差。運(yùn)行誤差。 靈敏杠桿靈敏杠桿 如圖如圖2-122-12設(shè)靈敏杠桿長為設(shè)靈敏杠桿長為70mm70mm，直徑為約，直徑為約8mm8mm，測球直徑為，測球直徑為4mm4mm，測桿和被測零件材料同為鋼，在測，測桿和被測零件材料同為鋼，在測量力量力F=0.2NF=0.2N的作用下，將引起測球與被測的作用下，將引起測球與被測

28、平面之間的平面之間的接觸變形接觸變形約為約為0.1m0.1m。同時(shí)在。同時(shí)在此測量力的作用下，測桿的此測量力的作用下，測桿的彎曲變形彎曲變形為約為約為為0.54m0.54m，這兩項(xiàng)誤差對(duì)工具顯微鏡瞄準(zhǔn)，這兩項(xiàng)誤差對(duì)工具顯微鏡瞄準(zhǔn)精度產(chǎn)生直接的影響。精度產(chǎn)生直接的影響。F F 圖圖212 測量力引起的測桿變形測量力引起的測桿變形 接觸變形量的大小與接觸表面的形狀、材料、表面粗糙度以及作用接觸變形量的大小與接觸表面的形狀、材料、表面粗糙度以及作用力大小有關(guān)。而測桿的彎曲變形量與測桿的長度和測量力大小有關(guān)。力大小有關(guān)。而測桿的彎曲變形量與測桿的長度和測量力大小有關(guān)。36 之所以不在所有測量中都使用長

29、測針，是因?yàn)闇y針越長，精度損失之所以不在所有測量中都使用長測針，是因?yàn)闇y針越長，精度損失就越大。就越大。一個(gè)好方法是盡可能選擇短而且剛性強(qiáng)的測針。一個(gè)好方法是盡可能選擇短而且剛性強(qiáng)的測針。盡管測針不是盡管測針不是此特定誤差的直接原因，但誤差確實(shí)隨著測針長度的增大而增大。誤差此特定誤差的直接原因，但誤差確實(shí)隨著測針長度的增大而增大。誤差源自于需要在各個(gè)方向觸發(fā)測頭的不同測力。大多數(shù)測頭不是在測針和源自于需要在各個(gè)方向觸發(fā)測頭的不同測力。大多數(shù)測頭不是在測針和工件發(fā)生接觸的瞬間觸發(fā)的；它們需要測力不斷加大，以超過傳感器機(jī)工件發(fā)生接觸的瞬間觸發(fā)的；它們需要測力不斷加大，以超過傳感器機(jī)構(gòu)內(nèi)的彈簧負(fù)荷。

30、此彈力迫使測針變形。構(gòu)內(nèi)的彈簧負(fù)荷。此彈力迫使測針變形。 摘自摘自RenishawRenishaw公司網(wǎng)頁。公司網(wǎng)頁。 解決辦法：解決辦法： 1. 1.測針采用高強(qiáng)度的材料，包括不銹鋼、碳化鎢、陶瓷和碳纖維等。測針采用高強(qiáng)度的材料，包括不銹鋼、碳化鎢、陶瓷和碳纖維等。 2. 2.測頭采用高硬度材料，如紅寶石、氧化鋯、氮化硅等。測頭采用高硬度材料，如紅寶石、氧化鋯、氮化硅等。三坐標(biāo)測量機(jī)的測頭和測針三坐標(biāo)測量機(jī)的測頭和測針37觀看觀看CMMCMM錄像錄像38（三）（三）應(yīng)力變形應(yīng)力變形 結(jié)構(gòu)件在結(jié)構(gòu)件在加工和裝配過程中形成的內(nèi)應(yīng)力釋放所引發(fā)加工和裝配過程中形成的內(nèi)應(yīng)力釋放所引發(fā)的變形的變形同樣影

31、響儀器精度。零件雖然經(jīng)過同樣影響儀器精度。零件雖然經(jīng)過時(shí)效處理時(shí)效處理，內(nèi)應(yīng)，內(nèi)應(yīng)力仍可能不平衡，金屬的晶格處于不穩(wěn)定狀態(tài)。例如未充力仍可能不平衡，金屬的晶格處于不穩(wěn)定狀態(tài)。例如未充分消除應(yīng)力的鑄件毛坯，經(jīng)切削加工后，由于除去了不同分消除應(yīng)力的鑄件毛坯，經(jīng)切削加工后，由于除去了不同應(yīng)力的表層，破壞了材料內(nèi)部的應(yīng)力平衡，經(jīng)過一段時(shí)間應(yīng)力的表層，破壞了材料內(nèi)部的應(yīng)力平衡，經(jīng)過一段時(shí)間會(huì)使零件產(chǎn)生變形，在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生誤差。會(huì)使零件產(chǎn)生變形，在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生誤差。三坐標(biāo)三坐標(biāo)測量機(jī)測量機(jī)等高精密儀器的等高精密儀器的工作臺(tái)：工作臺(tái)：采用采用“泰山青泰山青”（花崗巖花崗巖）來來代替鑄鐵或鑄鋼。代替鑄鐵或鑄鋼。3

32、9（四）（四）磨損磨損 磨損使零件產(chǎn)生尺寸、磨損使零件產(chǎn)生尺寸、形狀、位置誤差，配合間隙形狀、位置誤差，配合間隙增加，降低儀器的工作精度增加，降低儀器的工作精度的穩(wěn)定性。磨損與摩擦密切的穩(wěn)定性。磨損與摩擦密切相關(guān)。由于零件加工表面存相關(guān)。由于零件加工表面存在著在著微觀不平度微觀不平度，在運(yùn)行開，在運(yùn)行開始時(shí)，配合面僅有少數(shù)頂峰始時(shí)，配合面僅有少數(shù)頂峰接觸，因而使局部單位面積接觸，因而使局部單位面積的比壓增大，頂峰很快被磨的比壓增大，頂峰很快被磨平，從而迅速擴(kuò)大了接觸面平，從而迅速擴(kuò)大了接觸面積，磨損的速度隨之減慢。積，磨損的速度隨之減慢。0 0t tt t1 1t t2 2f ff fh h

33、圖圖213 213 實(shí)際的磨損過程實(shí)際的磨損過程40（五）（五）間隙與空程間隙與空程 配合零件之間存在間隙，造成空程，影響精度。配合零件之間存在間隙，造成空程，影響精度。在在滑動(dòng)軸系滑動(dòng)軸系中，中，軸與套之間的間隙軸與套之間的間隙制約著軸系的回轉(zhuǎn)精度的提高；制約著軸系的回轉(zhuǎn)精度的提高；在在開環(huán)伺服定位系統(tǒng)開環(huán)伺服定位系統(tǒng)中，通常以蝸輪蝸桿或精密絲杠驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)作直線中，通常以蝸輪蝸桿或精密絲杠驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)作直線位移或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，位移或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，蝸輪與蝸桿之間的齒側(cè)間隙或絲杠與螺母之間的配合蝸輪與蝸桿之間的齒側(cè)間隙或絲杠與螺母之間的配合間隙間隙直接引起工作臺(tái)的定位誤差。直接引起工作臺(tái)的定位誤差。 彈性

34、變形彈性變形在許多情況下，會(huì)引起在許多情況下，會(huì)引起彈性空程彈性空程，同樣會(huì)影響精度。，同樣會(huì)影響精度。減小空程誤差的方法有減小空程誤差的方法有：（1 1）使用儀器時(shí)，采用單向運(yùn)轉(zhuǎn)，把間隙和彈性變形預(yù)先消除，然后再）使用儀器時(shí)，采用單向運(yùn)轉(zhuǎn)，把間隙和彈性變形預(yù)先消除，然后再進(jìn)行使用；進(jìn)行使用；（2 2）采用間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，把間隙調(diào)到最??；）采用間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，把間隙調(diào)到最??；（3 3）提高構(gòu)件剛度，以減少彈性行程；）提高構(gòu)件剛度，以減少彈性行程；（4 4）改善摩擦條件，降低摩擦力，以減少由于摩擦力造成的空程。）改善摩擦條件，降低摩擦力，以減少由于摩擦力造成的空程。41（六）（六）溫度溫度舉例：1m

35、長的傳動(dòng)絲杠均勻溫升1，軸向伸長0.011mm，引起傳動(dòng)誤差。水準(zhǔn)儀的軸系在的-40+40的工作環(huán)境下，軸系為間隙配合從過盈2.4um間隙4.8um ；軸系間隙的變化量達(dá)7.2um。溫度的變化可能引起電器參數(shù)的改變及儀器特性的改變，引起溫度靈敏度漂移和溫度零點(diǎn)漂移。溫度的變化使?jié)櫥偷恼扯认陆?，使系統(tǒng)剛度和運(yùn)動(dòng)精度下降、磨損加快。 結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生彎曲變形，改變了儀器各組成部件之間的位置關(guān)系。42（七）（七）振動(dòng)與干擾振動(dòng)與干擾 當(dāng)儀器受振時(shí)，儀器除了隨著振源作整機(jī)振動(dòng)外，各主要部件及其當(dāng)儀器受振時(shí)，儀器除了隨著振源作整機(jī)振動(dòng)外，各主要部件及其相互間還會(huì)產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，從而破壞了儀器的正常工作狀

36、態(tài)，影相互間還會(huì)產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，從而破壞了儀器的正常工作狀態(tài)，影響儀器精度。響儀器精度。如在如在瞄準(zhǔn)讀數(shù)瞄準(zhǔn)讀數(shù)中，振動(dòng)可能使被瞄準(zhǔn)件和刻尺的像抖動(dòng)而變模糊；中，振動(dòng)可能使被瞄準(zhǔn)件和刻尺的像抖動(dòng)而變模糊；振動(dòng)頻率高時(shí)，還會(huì)使緊固件松動(dòng)。振動(dòng)頻率高時(shí)，還會(huì)使緊固件松動(dòng)。若外界振動(dòng)頻率與儀器的自振頻率相近，則會(huì)發(fā)生若外界振動(dòng)頻率與儀器的自振頻率相近，則會(huì)發(fā)生共振共振，損壞儀器。，損壞儀器。減小振動(dòng)影響的辦法：減小振動(dòng)影響的辦法：（1 1）在高精度計(jì)量儀器中，盡量避免采用間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，而用連續(xù)掃描）在高精度計(jì)量儀器中，盡量避免采用間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，而用連續(xù)掃描或勻速運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；或勻速運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；（2 2）零部件的自振頻率要避開外界振動(dòng)頻率，防止產(chǎn)生共振；）零部件的自振頻率要避開外界振動(dòng)頻率，防止產(chǎn)生共振；（3 3）采取各種防振措施，如防振墻、防振地基、防振墊等；）采取各種防