專利名稱：三坐標(biāo)測量機21項機構(gòu)誤差的一維球列測量法和測量裝置及裝置的自檢方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于長度計量與測試技術(shù)領(lǐng)域。
現(xiàn)已有的進行三座標(biāo)測量機機構(gòu)誤差檢測的方法很多，從誤差的表現(xiàn)形式上分為三大類，即21項機構(gòu)誤差測量法，誤差矢量直接測量法和相對綜合誤差測量法。
一.21項機構(gòu)誤差測量三座標(biāo)測量機共有21項機構(gòu)誤差，包括三個軸向的三項位置誤差，六項直線度誤差和九項角運動誤差以及三個軸相互之間的垂直度誤差。21項機構(gòu)誤差測量法是指通過測量獲得測量機21項機構(gòu)誤差的測量方法。目前可用的測量方法有單項測量法和22線測量法。單項測量法是用雙頻激光干涉儀測位移裝置或步距規(guī)等測量位置誤差;用激光干涉儀測直線度裝置，或矩形平尺和測微儀等測量直線度誤差;用激光干涉儀測角裝置或自準(zhǔn)直儀等測量三個軸的俯仰偏擺角運動誤差;用電子水平儀測量水平方向兩個軸的滾動角度誤差，用測微儀和直角尺測量垂直軸向的滾動角誤差;用激光干涉儀測垂直度裝置，或測微儀和四方角尺，或測微儀和直角尺測量垂直誤差。一般要根據(jù)座標(biāo)測量機的精度要求和所具有的測量裝置選擇要使用的測量裝置。對于高精度要求的測量須用雙頻激光干涉儀進行。在G.Zhang，Error compensation of coordinate Measuring Machines.Annals of the CIRP vol.34/1/1985中對實施這種單項測量法有較詳細的說明。K.Busch et al.，calibration of coordinate measuring machines，Precision Engineering，vol.7/3/1985中也有類似的介紹。
22線測量法只用一種長度測量裝置即雙頻激光干涉儀測位移裝置測量空間選定的22條線(包括9條平行于軸向的直線和13條平面對角線)，通過各線上定點處位置誤差的測量及代數(shù)運算獲得21項機構(gòu)誤差。見G.Zhang et al.，A Displacement Method for Machine Geometry Calibration，Annals of the CIRP Vol.7/1/1988.
二.誤差矢量直接測量法空間矢量誤差是指座標(biāo)測量機測量空間內(nèi)任一點的矢量誤差，即測量空間內(nèi)測量點實際座標(biāo)與理想座標(biāo)系中的理想座標(biāo)的差值，為一空間矢量，它主要是由21項機構(gòu)誤差合成產(chǎn)生的屬于綜合機構(gòu)誤差?，F(xiàn)有的主要測量方法如下1.由碳素纖維四面框架支承鋼球測量裝置碳素纖維四面體的桿是由單向碳纖維增強塑料制成，線膨脹系數(shù)為-1×10-6/℃，具有很高的比剛度，多球的線膨脹系數(shù)為11×10-6/℃，合適的配比可消除溫度的影響。這種結(jié)構(gòu)性能使球心距變化很小，可忽略。位于四面體四個頂點處的鋼球相互球心距已由其它高精度儀器測出，即這四個球心構(gòu)成了一個標(biāo)準(zhǔn)四面體，將其放在測量機上測量時，由測量獲得四個鋼球球心并構(gòu)成測量四面體，通過與標(biāo)準(zhǔn)四面體進行比較計算，可以求出測量機空間某些位置的矢量誤差。見J BURY，The Direct Measurement of Volumetric Errors of 3 Dimensional Coordinate Machines，NELEX 762.光學(xué)空間構(gòu)架測量法光學(xué)空間構(gòu)架是由一塊底板和其上具有多塊菲涅耳帶片按二維排列構(gòu)成的。這些帶片和凹鏡相似可以確定曲率的中心，因而使用不同半徑曲率的帶片可以確定在該板上方的三維空間的點。
測量過程中有兩種光學(xué)測頭可供選擇使用。一種是微型干涉儀，通過一條單模光纖把激光傳到測頭，并產(chǎn)生干涉條紋，以顯示該測頭與陣列中各元件的相對位置，然后通過光纖束把測頭中的條紋送至照像機，并在電視屏幕上顯示出來。另一種測頭是使用一個象限光電池來檢測陣列中一個元件所構(gòu)成的圖象及輸入纖維端主件的位置，測頭偏離規(guī)定點的位移以電量測出，而且可在三個儀表(對應(yīng)于X，Y和Z座標(biāo)位移)上顯示出來，或直接輸入計算機。見K.F.Poulter et al.，The NPL Optical Spaceframe，Annals of the CIRP Vol.32/1/19833.通過測量空間點與點之間的距離求誤差矢量Makoto OYA et al.，A study on Improvement of the Accuracy of a Three-cordinate Measuring Machine，JSME International Journal.Vol.30，No.260，1987中介紹了用不同已知長度的量塊和球棒頭在測量機空間某個網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中測量網(wǎng)格結(jié)點兩兩之間的距離。設(shè)有n個網(wǎng)格結(jié)點，則可以測量得到n(n-1)/2個距離誤差方程，通過最小二乘法計算可以求出各點的誤差矢量。
三.相對綜合誤差測量法相對綜合誤差也是主要由21項機構(gòu)誤差合成的綜合機構(gòu)誤差，但不同于空間矢量誤差，它是一種點與點距離尺寸的綜合誤差，不能直接反映誤差源或空間某一點的誤差，只能在進行與距離有關(guān)尺寸測量時反映出被測距離的誤差大小。常用的測量方法有1.標(biāo)準(zhǔn)量塊和步距規(guī)法這是一種被廣泛用在測量機驗收和檢定時的一種方法，將不同長度的量塊放在測量空間幾個對角線位置進行測量，與標(biāo)準(zhǔn)長度值比較可以求得測量機在相應(yīng)位置處的相對綜合誤差。也可以用步距規(guī)進行更細致的檢測。
2.固定結(jié)構(gòu)陣法用一系列點組成具有固定點距的點陣結(jié)構(gòu)作為空間長度標(biāo)準(zhǔn)，其中點可用圓球或圓孔來具體體現(xiàn)，用測量出的各點相互距離與標(biāo)準(zhǔn)長度比較，可以求得一系列長度位置處的相對綜合誤差。見G.Belforte，Coordinate Measuring Machines and Machine Tools selfcalibration and Error correction，Annals of the CIRP Vol.36/1/19873.球頭棒測量法一種方法是將兩端固定有高精度鋼球的球頭棒直接置于測量機測量空間的不同位置，用測頭測量兩球決定球心位置并計算出球心距，與標(biāo)準(zhǔn)球心距相比即可求出測量機相應(yīng)兩點之間的相對誤差。這種方法也是一直為國內(nèi)外廣泛采用的。
另一種方法是將上述球棒與精密磁性球座一起進行測量。在具有可脫開式氣浮導(dǎo)軌的三座標(biāo)測量機上，固定在工作臺上的固定磁性球座與一球相吸合，另一球與裝在測頭座上的活動磁性球座吸合，并可繞固定球做任意方向的轉(zhuǎn)動測量。在其它不能脫開式的三座標(biāo)測量機上用測頭代替活動磁性球座，固定球只需測量一次定出球心，活動球可轉(zhuǎn)動到不同位置由測頭對球進行測量，以決定球心位置，然后計算球心距誤差，以此確定測量機在相應(yīng)圓周上若干點距圓心的距離誤差。固定球座的位置可以改變，棒長也可以改變，由此可完成覆蓋測量空間的不同位置和半徑的圓周測量。見J.B.Bryan，A simple Method for Testing Measuring Machines and Machine Tools，Precision Engineering，April，1982，Vol.44.圓盤測試法將一精密的薄型圓盤置于測量機測量空間的不同方位，由測頭測量圓盤的圓周邊緣，若測量機和圓盤無誤差，則測量軌跡為一理想圓。由測量的實際軌跡可以判定測量機的誤差變化。還可用另一個直徑較小的精密圓盤進行同樣的測量以確定測頭的測量誤差。在上述大直徑圓盤測量中除于這部分誤差，可以得到圓周上各點的綜合機構(gòu)誤差。見W.Knapp，Circular test for Three-coordinate Measuring Machines and Machine tools，Precision Engineering，1983.
上述三類用于三座標(biāo)測量機機構(gòu)誤差檢測的方法各有其特點，使用場合和使用的局限性。
通過21項機構(gòu)誤差的測量，測量機制造者可以以此判和修正;使用者也可以此判斷測量機的基本性能，從而與別的測量機進行比較。利用21項機構(gòu)誤差還可以進行比較全面的和完善誤差補償，以大幅度提高測量機的測量精度。所以21項機構(gòu)誤差測量法是測量機驗收、檢定及進行有效的誤差補償時使用最廣泛的測量方法。但單項測量法需使用六種以上的測量裝置，測量過程復(fù)雜、測量時間長。雙頻激光干涉儀盡管對四種誤差可以進行高效率、高精度的測量，但光路調(diào)整復(fù)雜，需專門人員進行操作，而且儀器價格昂貴，不適用大多數(shù)用戶自行進行誤差檢測，所以這種方法盡管可以有效地測得21項機構(gòu)誤差，但不利于在用戶中大面積推廣使用。22線測量法盡管所需測量裝置少，但也存在雙頻激光干涉儀價格昂貴的問題，也不利于廣泛使用。
誤差矢量的直接測量法使用測量裝置結(jié)構(gòu)簡單，價格較低，但誤差只表示測量空間各點的綜合誤差大小，不能直接給出各項機構(gòu)誤差源的分布。用誤差矢量進行誤差補償，所需誤差數(shù)據(jù)占用計算機內(nèi)存太大，這類方法不易得到很密集的測量數(shù)據(jù)，整個測量空間的補償效果不十分明顯，所以這些方法只是由少數(shù)研究單位提出和使用，而未得到廣泛的應(yīng)用。
相對綜合誤差測量法一般使用的測量裝置結(jié)構(gòu)簡單，測量速度快，成本很低，能反映測量機的綜合誤差效果，通常在驗收和檢定測量機時用這類方法檢測三座標(biāo)測量機空間綜合誤差是否超差。但這類方法不能了解各項機構(gòu)誤差源的分布，也不能進行誤差補償。
綜合而言，上述進行座標(biāo)測量機機構(gòu)誤差測量的三類方法以21項機構(gòu)誤差測量法和相對綜合誤差測量法應(yīng)用最為廣泛，在現(xiàn)有的幾個測量機檢定規(guī)程中幾乎都列入了這兩類方法，分別用來檢測座標(biāo)測量機的單項機構(gòu)誤差和綜合誤差，但整個測量過程所用測量裝置較多，測量復(fù)雜，需要較長的測量時間。在進行誤差補償方面，盡管利用誤差矢量測量法得到的誤差矢量也能進行誤差補償，但所需計算機內(nèi)存較大，精度不高，一般很少使用。21項機構(gòu)誤差測量法可以進行比較完善的全誤差補償。但由于測量裝置復(fù)雜，價格昂貴，不能在大多數(shù)用戶中廣泛使用。所以由于現(xiàn)有進行座標(biāo)測量機機構(gòu)誤差測量和補償?shù)姆椒ǘ即嬖谥煌矫娴娜秉c各使用的局限性，需要探尋新的測量方法力圖用這種測量法能同時滿足下列要求，這也下是本發(fā)明的任務(wù)。
1)可以進行較高精度的21項機構(gòu)誤差的測量并能用這些誤差數(shù)據(jù)進行有效的誤差補償;
2)可以進行空間綜合誤差的測量;
3)使用的測量裝置成本盡可能低;
4)測量裝置的制造和尺寸檢測要容易;
5)測量裝置結(jié)構(gòu)簡單，體積要小，便于攜帶和安裝，操作要容易、簡便;
6)測量時間要盡可能短;
7)能普遍應(yīng)用于生產(chǎn)廠家和用戶。


圖19表示本發(fā)明中用于測量三座標(biāo)測量機21項機構(gòu)誤差的一維球列測量裝置。
圖19中①是基體，②是3至50個精密鋼球，③是磁性球座，建立一維球列座標(biāo)系為聯(lián)接首尾兩個鋼球②的球心直線從左向右為u軸正向，基體①的上表面外法線方向為w軸正向，作v軸使uvw座標(biāo)系為右手直角座標(biāo)系，左側(cè)第一個球心為座標(biāo)原點。
圖20表示一維球列測量裝置與三座標(biāo)測量機組成的測量系統(tǒng)，圖20中④是測量機的測頭座，⑧為測量機的工作臺。各部分相互關(guān)系和工作原理如下，基體①和鋼球②為剛性不可拆卸聯(lián)接，3至50個鋼球②在基體①上等間距排成一列，構(gòu)成一維球列測量系統(tǒng)⑦，具體所需鋼球數(shù)和間距大小由三座標(biāo)測量機的測量范圍和測量要求決定。磁性球座③對鋼球②具有較強的吸合力，③與鋼球②的接觸測量面有3個等距排列支點，磁性球座③聯(lián)接于測量機測頭座④上構(gòu)成測量機測量系統(tǒng)⑤，一維球列⑦置于工作臺⑧上，磁性球座與鋼球②吸合定位時，由測量機的三座標(biāo)讀數(shù)給出該鋼球的球心座標(biāo)位置。
本發(fā)明中用于測量三座標(biāo)測量機21項機構(gòu)誤差的一維球列在使用之前要進行自檢，自檢內(nèi)容是一維球列中第i個(i≥2)球心偏離等間距位置的u軸方向的誤差δu(i)，一維球列中第i個(i≥2)球心偏離u軸在v方向的直線度誤差δv(i)，一維球列中第i個(i≥2)球心偏離u軸在w軸方向的直線度誤差δw(i)，對誤差δu(i)進行自檢的技術(shù)方案，如圖15和16所示。一維球列⑦為uvw右手直角座標(biāo)系，三座標(biāo)測量機⑤為XYZ右手直角座標(biāo)系，Z＝0為水平面，自下而上為Z軸正向，在圖15中u軸與X軸同向，v軸與Y軸同向，兩座標(biāo)原點重合。測量機⑤對每一鋼球②進行定位讀數(shù)，在XYZ座標(biāo)系中的讀數(shù)為Xi(x，15)，Yi(x，15)，Zi(x，15)，X，Y，Z表示測量機⑤的讀數(shù)值，括號內(nèi)的字母X表示球列沿X軸放置，數(shù)字15表示球列坐標(biāo)系以第十五種位置放置，i表示球列中第i個球。在圖16中沿X軸平移球列，使球列座標(biāo)原點沿X軸正向移動到第十五種位置的第二個球心位置，由測量機⑤對每一鋼球②進行定位讀數(shù)，讀數(shù)記作Xi(x，16)，Yi(x，16)，Zi(x，16)，括號內(nèi)數(shù)字16表示球列坐標(biāo)系以第十六種位置放置。Xi(x，15)和Xi(x，16)可以分別表示為Xi(x，15)＝(i-1)D+δu(i)-δx(Xi) 1)Xi(x，16)＝(i-1)D+δu(i)-δx(Xi+1)+δ(X2) 2)式中D為等間距，設(shè)通過測量一個已知標(biāo)準(zhǔn)距離的量塊或球頭棒已獲得第I個球心位置處的位置誤差δx(XI)。由式1)和式2)可進一步推導(dǎo)得到
將式3)代入式2)和式1)可以逐步計算出各間距點處的位置誤差δx(X)。
所說誤差δv(i)和δw(i)的自檢方法如圖17和圖18所示。球列座標(biāo)系為uvw右手直角坐標(biāo)系，三座標(biāo)測量機⑤為XYZ右手直角坐標(biāo)系。將球列放置在測量機工作臺⑧上。在圖17中u軸與X軸同向，w軸與Y軸同向，兩座標(biāo)原點重合。測量機⑤對鋼球②逐個定位讀數(shù)，在XYZ座標(biāo)系中的讀數(shù)記作Xi(x，17)，Yi(x，17)，Zi(x，17)，括號內(nèi)數(shù)字17表示球列座標(biāo)系以第十七種位置放置。在圖18中改變球列放置位置，u軸與X軸同向，w軸與Y軸反向，兩座標(biāo)原點重合，即將以第十七種位置放置的球列轉(zhuǎn)位了180°。測量機⑤對鋼球②在xyz座標(biāo)系中逐個定位讀數(shù)，讀數(shù)記作Xi(x，18)，Yi(x，18)，Zi(x，18)，括號內(nèi)數(shù)字18表示球列以第十八種位置放置。由Yi(x，17)和Yi(x，18)可計算得到球列W軸方向的直線度誤差δW(i)，計算公式為δw(i)＝ 1/2 〔Yi(x，17)-Yi(x，18)〕由Zi(x，17)和Zi(x，18)可計算得到球列v軸方向的直線度誤差δv(i)，計算公式為δv(i)＝ 1/2 〔Zi(x，18)-Zi(x，17)〕本發(fā)明中的一維球列測量法是指用一維球列⑦及磁性球座③測量三座標(biāo)測量機的21項機構(gòu)誤差。這21項機構(gòu)誤差包括三項軸向位置誤差沿X軸運動時沿x向的位置誤差δx(X)沿Y軸運動時沿y向的位置誤差δy(Y)沿Z軸運動時沿z向的位置誤差δz(Z)六項直線度誤差沿X軸運動時沿y向的直線度誤差δy(X)沿X軸運動時沿z向的直線度誤差δz(X)沿Y軸運動時沿x向的直線度誤差δx(Y)沿Y軸運動時沿z向的直線度誤差δz(Y)
沿Z軸運動時沿x向的直線度誤差δx(Z)沿Z軸運動時沿y向的直線度誤差δy(Z)九項角運動誤差沿X軸運動時繞x軸的滾動角誤差εx(X)沿X軸運動時繞y軸的俯仰角誤差εy(X)沿X軸運動時繞z軸的的偏擺角誤差εz(X)沿Y軸運動時繞x軸的俯仰角誤差εx(Y)沿Y軸運動時繞y軸的滾動角誤差εy(Y)沿Y軸運動時繞z軸的偏擺角誤差εz(Y)沿Z軸運動時繞x軸的角運動誤差εx(Z)沿Z軸運動時繞y軸的角運動誤差εy(Z)沿Z軸運動時繞z軸的角運動誤差εz(Z)三項垂直度誤差X軸與Y軸之間的垂直度誤差αxy，X軸與Z軸之間的垂直度誤差αxz，Y軸與Z軸之之間的垂直度誤差αyz。
以圖21所示龍門移動氣浮可脫式測量機為例，說明用一維球列測量三座標(biāo)測量機21項機構(gòu)誤差的具體過程和計算公式。圖中龍門移動方向為Y軸方向，橫梁運動方向為X軸，立柱運動方向為Z軸方向，構(gòu)成的座標(biāo)系為XYZ右手直角座標(biāo)系，Z＝0為水平面，自下而上為Z軸正向。
一維球列⑦所在座標(biāo)系為uvw右手直角座標(biāo)系，聯(lián)接首尾兩個球心的直線從左向右為u軸正向，基體①的上表面外法線方向為w軸正向，左側(cè)第一個球心為uvw系座標(biāo)原點。如圖19所示。
選定球列⑦的座標(biāo)系uvw與被測三座標(biāo)測量機⑤的座標(biāo)系XYZ分別有14種相對位置，在該14種相對位置由被測三座標(biāo)測量⑤上得到14組三座標(biāo)測量讀數(shù)，將14組測量讀數(shù)進行代數(shù)運算可得到測量機的21項機構(gòu)誤差。
14組測量讀數(shù)的統(tǒng)一記錄格式為Xi(r，n)，Yi(r，n)，Zi(r，n)，XYZ表示測量機⑤的三座標(biāo)定位讀數(shù)，i表示一維球列⑦中第i個球，r分別取x，y，z，表示一維球列⑦沿X軸或Y軸或Z軸放置，n分別取1，2，3……，14，表示一維球列坐標(biāo)系按第1，2，3，……，14種位置放置。
14種位置之中的第1種位置如圖1所示。u軸與X軸方向一致，w軸與Z軸方向一致，兩座標(biāo)原點重合。由直接裝有磁性球座③的三座標(biāo)測量機⑤對每一鋼球②進行定位讀數(shù)，讀數(shù)記作Xi(x，1)，Yi(x，1)，Zi(x，1)。
14種位置之中的第2種位置如圖2所示，將第1種位置的球列沿Z軸正向平移距離Zm，(Zm為三座標(biāo)測量機Z軸的最大測量范圍)由測量機⑤對鋼球②進行定位讀數(shù)，讀數(shù)記作Xi(x，2)，Yi(x，2)，Zi(x，2)。
14種位置之中的第3種位置如圖3所示。將球列由第1種安放位置沿Y軸正向平移距離1/2Ym(Ym為座標(biāo)測量機的Y軸最大測量范圍)，在測量機測頭座④上裝一伸長方向與Y軸正向一致的伸長桿⑥，在⑥的末端連接磁性球座③，由測量機⑤對每一鋼球②進行定位讀數(shù)，(圖22表示在⑤上裝有伸長桿⑥的測量系統(tǒng))，讀數(shù)記作Xi(x，3)，Yi(x，3)，Zi(x，3)。
14種位置之中的第4種位置如圖4所示。將球列保持第3種安放位置不變，測量機測頭座④上所裝伸長桿⑥的伸長方向與Y軸負(fù)向一致，⑥的末端聯(lián)接磁性球座③，由測量機⑤對鋼球②進行定位讀數(shù)，讀數(shù)記作
Xi(x，4)，Yi(x，4)，Zi(x，4)14種位置之中的第5種位置如圖5所示。u軸與Y軸方向一致，w軸仍與Z軸方向一致，兩座標(biāo)原點重合。由直接裝有磁性球座的測量機⑤對每一鋼球②進行定位讀數(shù)，讀數(shù)記作Xi(y，5)，Yi(y，5)，Zi(y，5)14種位置之中的第6種位置如圖6所示。將球列由第5種位置沿Z軸正向平移距離Zm，由測量機⑤對每一鋼球②進行定位讀數(shù)，讀數(shù)記作Xi(y，6)，Yi(Y，6)，Zi(y，6)14種位置之中的第7種位置如圖7所示。將球列由第5種位置沿X軸正向平移距離Xm(Xm是測量機X軸的最大測量范圍)。由測量機⑤對每鋼球②進行定位讀數(shù)，讀數(shù)記作Xi(y，7)，Yi(y，7)，Zi(y，7)14種位置之中的第8種位置如圖8所示。u軸與z軸正向一致，w軸與y軸負(fù)向方向一致，球列座標(biāo)原點位于測量機z＝0水平面大致中心位置。在測量機測頭座④上裝一伸長桿⑥，伸長桿的伸長方向與X軸正向一致。伸長桿末端裝有磁性球座③，由測量機⑤對每一鋼球②進行定位讀數(shù)，讀數(shù)記作Xi(z，8)，Yi(z，8)，Zi(z，8)14種位置之中的第9種位置如圖9所示。將球列保持第8種位置不變，在測量機測頭座④上仍裝有伸長桿⑥，但⑥的伸長方向與X軸負(fù)向一致，⑥的末端裝有磁性球座③，由測量機⑤對每一鋼球②進行定位讀數(shù)，讀數(shù)記作Xi(z，9)，Yi(z，9)，Zi(z，9)14種位置之中的第10種位置如圖10所示。u軸與Z軸正向一致，w軸與X軸正向一致，球列座標(biāo)原點位于Z＝0水平面的大致中心位置。在測頭座④上仍裝有伸長桿⑥，⑥的伸長方向與Y軸正向一致，⑥的末端裝有磁性球座③，由測量機⑤對每一鋼球②進行定位讀數(shù)，讀數(shù)記作Xi(z，10)，Yi(z，10)，Zi(z，10)14種位置之中的第11種位置如圖11所示。將球列保持第10種位置不變，在測頭座④上仍裝有末端聯(lián)有③的伸長桿⑥，⑥的伸長方向與Y軸負(fù)向一致，由測量機⑤對每一鋼球②進行定位讀數(shù)，讀數(shù)記作Xi(z，11)，Yi(z，11)，Zi(z，11)14種位置之中的第12種位置如圖12所示。u軸沿Z＝0的xy平面對角線方向，w軸與Z軸正向一致，兩座標(biāo)原點重合。用直接裝有磁性球座③的測量機⑤對每一鋼球②進行定位讀數(shù)，讀數(shù)記作Xi(12)，Yi(12)，Zi(12)14種位置之中的第13種位置如圖13所示。u軸沿Y＝0的xz平面對角線方向，v軸與y軸正向一致，兩座標(biāo)原點重合，用測量機⑤對每一鋼球②進行定位讀數(shù)，讀數(shù)記作Xi(13)，Yi(13)，Zi(13)14種位置之中的第14種位置如圖14所示。u軸與X＝0的yz平面對角線方向，v軸與x軸負(fù)向一致，兩座標(biāo)原點重合，由測量機⑤對每一鋼球②進行定位讀數(shù)，讀數(shù)記作Xi(14)，Yi(14)，Zi(14)三座標(biāo)測量機的21項機構(gòu)誤差分別由上述14種球列放置位置處的定位讀數(shù)和已知的球列直線度誤差及球間距誤差通過代數(shù)運算可以獲得，計算公式如下
δx(Xi)＝-Xi(x，1)+(i-1)D+δu(i)δy(Xi)＝-Yi(x，1)+δv(i)δz(Xi)＝-Zi(x，1)+δw(i)εy(Xi)＝ 1/(Zm) 〔-Xi(x，2)+Xi(x，3)〕εz(Xi)＝ 1/(2R) 〔-Xi(x，4)+Xi(x，3)〕εx(Xi)＝ 1/(2R) 〔Zi(x，4)-Zi(x，3)〕δx(Yi)＝-Xi(y，6)-Oev(i)δy(Yi)＝-Yi(y，6)+(i-1)D+Oeu(i)δz(Yi)＝-Zi(y，6)+Oew(i)εx(Yi)＝ 1/(Zm) 〔-Zi(y，5)+Yi(y，6)〕εy(Yi)＝ 1/(Xm) 〔Zi(y，7)-Zi(y，5)〕εz(Yi)＝ 1/(Xm) 〔-Yi(y，7)+Yi(y，5)〕δx(Zi)＝-Xi(z，8)-δv(i)δy(Zi)＝-Xi(z，10)-δv(i)δz(Zi)＝ 1/2 〔-Zi(z，8)-Zi(z，9)+2(i-1)D+2δu(i)〕
εx(Zi)＝ 1/(2R) 〔-Zi(z，10)+Zi(z，11)〕εy(Zi)＝ 1/(2R) 〔Zi(z，8)-Zi(z，9)〕εz(Zi)＝ 1/(2R) 〔Xi(z，10)-Xi(z，11)〕式中R為伸長桿的長度，即測頭座中心到磁性球座中心的距離。
式中θ1＝arctg (Yi(12))/(Xi(12))
將球列上各球測量獲得的αxy進行平均計算，以提高αxy的測量精度。
式中θ3=arctg (Zi(14))/(Yi(14))
將球列上各球測量獲得的αxz進行平均計算，可以提高αxz的測量精度
式中θ2=arctg (Zi(13))/(Xi(13))
將球列上各球測量獲得的αyz進行平均計算，以提高αyz的測量精度。
一維球列測量法用于檢測三座測量機的機構(gòu)誤差時使用一維球列和磁性球座就可以測量得到21項機構(gòu)誤差。將球列在測量機的測量空間任意放置，用測量機⑤測量得到的球間距與標(biāo)準(zhǔn)球間距相比較，也可以獲得測量空間的相對綜合誤差，無需配用其它測量裝置。
利用這套裝置對天津大學(xué)精儀中心的一臺XYZAXGS600C三座標(biāo)測量機的誤差進行實測，所得結(jié)果與利用美國HP公司的HP5528型雙頻激光干涉儀測量結(jié)果十分相近。
本發(fā)明的重要實用意義有以下主要方面1)一維球列測量法能夠測量三座標(biāo)測量機的21項機構(gòu)誤差和測量空間的相對綜合誤差，可以取代雙頻激光干涉儀等一系列測量裝置，而且一維球列測量裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，成本很低，僅以幾百元的測量裝置就可以取代幾萬美元的雙頻激光干涉儀及一系列其它測量裝置。
2)利用一維球列法測量得到的21項機構(gòu)誤差可以對三座標(biāo)測量機進行誤差補償。在座標(biāo)測量機穩(wěn)定性好的情況下，可以大幅度提高測量機的測量精度，即提高測量機的精度等級，不同精度等級的座標(biāo)測量機價格上往往相差數(shù)十萬元。
3)一維球列測量法由于一次測量可以同時獲得三維誤差數(shù)據(jù)，所以測量速度高于現(xiàn)有任何測量方法，用雙頻激光干涉儀測量21項機構(gòu)誤差至少需要五天，而用本發(fā)明方法一天左右時間就可以完成測量。
4)已有測量方法中使用的標(biāo)準(zhǔn)件需要用其它高精度儀器(常用雙頻激光干涉儀)測量標(biāo)準(zhǔn)尺寸，而本發(fā)明利用測量機和一維球列的測量就可以分離計算出一維球列上各球的相互位置關(guān)系，只有對高精度要求的測量，球心距需用雙頻激光干涉儀檢定。
5)本發(fā)明的測量過程簡單，調(diào)整容易，操作方便，一般的測量機操作者都可以容易地掌握測量過程。
6)本發(fā)明不僅適用于測量機生產(chǎn)廠家，而且適用于各個測量機用戶，具有大面積推廣使用的實際意義。
權(quán)利要求
1.用于測量三座標(biāo)測量機21項機構(gòu)誤差的一維球列測量裝置，其特征在于它由基體①，3至50個精密鋼球②，磁性球座③組成，所說的基體①和鋼球②為剛性不可拆卸聯(lián)接，所說的3至50個鋼球②在基體①上等間距排成一列，磁性球座③與鋼球②的接觸測量面有3個等距排列支點，聯(lián)接首尾兩個鋼球②的球心的直線從左向右為u軸正向，基體①的上表面外法線方向為w軸正向，作v軸使uvw座標(biāo)系為右手直角座標(biāo)系，左側(cè)第一個球心為座標(biāo)原點。
2.用于測量三座標(biāo)測量機21項機構(gòu)誤差的一維球列的自檢方法，所說的自檢包括的內(nèi)容是一維球列中第i個(i≥2)球心偏離等間距位置的u軸方向的誤差δu(i)，一維球列中第i個(i≥2)球心偏離u軸在v軸方向的直線度誤差δu(i)，一維球列中第i個(i≥2)球心偏離u軸在w軸方向的直線度誤差δw(i)，所說的誤差δu(i)的自檢方法的特征是一維球列⑦為uvw右手直角座標(biāo)系，三座標(biāo)測量機⑤為XYZ右手直角座標(biāo)系，u軸與X軸同向，v軸與Y軸同向，兩座標(biāo)原點重合，測量機⑤對每一鋼球②進行定位讀數(shù)，在XYZ座標(biāo)系中的讀數(shù)為Xi(x，15)，Yi(x，15)，Zi(x，15)，X，Y，Z表示測量機⑤讀數(shù)值，括號內(nèi)的字母x表示球列沿X軸放置，數(shù)字15表示球列座標(biāo)系以第十五種位置放置，i表示球列中第i個球，沿X軸平移球列，使球列座標(biāo)原點沿X軸正向移動到第十五種安放位置的第二個球心位置，由測量機⑤對每一鋼球②進行定位讀數(shù)，讀數(shù)記作Xi(x，16)，Yi(x，16)，Zi(x，16)，括號內(nèi)數(shù)字16表示球列座標(biāo)系以第十六種位置放置，將Xi(x，15)和Xi(x，16)進行差值運算可得球列沿u軸方向的等間距誤差δu(i)的計算原始數(shù)據(jù)。所說的誤差δv(i)和δw(i)的自檢方法的特征是球列座標(biāo)系為uvw右手直角座標(biāo)系，三座標(biāo)測量機⑤為XYZ右手直角座標(biāo)系，Z＝0為水平面，自下而上為Z軸正向，將球列放置在測量機⑤的工作臺上，u軸與X軸同向，w軸與Y軸同向，兩座標(biāo)原點重合，測量機⑤對鋼球②逐個定位讀數(shù)，在XYZ座標(biāo)系中的讀數(shù)記作Xi(x，17)，Yi(x，17)，Zi(x，17)，括號內(nèi)數(shù)字17表示球列座標(biāo)系以第十七種位置放置，改變球列放置位置，u軸與X軸同向，w軸與Y軸反向，兩座標(biāo)原點重合，測量機⑤對鋼球②在XYZ座標(biāo)系中逐個定位讀數(shù)，讀數(shù)記作Xi(x，18)，Yi(x，18)，Zi(x，18)，括號內(nèi)數(shù)字18表示球列以第十八種位置放置。將Yi(x，17)和Yi(x，18)進行計算得到w軸方向的直線度誤差δw(i)，將Zi(x，17)和Zi(x，18)進行差值計算得到v軸方向的直線度誤差δv(i)。
3.三座標(biāo)測量機21項機構(gòu)誤差的一維球列測量法，所說的21項機構(gòu)誤差包括，三項軸向位置誤差，該三項誤差是沿X軸運動時沿x向的位置誤差δx(X)沿Y軸運動時沿y向的位置誤差δy(Y)沿Z軸運動時沿z向的位置誤差δz(Z)六項直線度誤差，該六項誤差是沿X軸運動時沿y向的直線度誤差δy(X)沿X軸運動時沿z向的直線度誤差δz(X)沿Y軸運動時沿x向的直線度誤差δx(Y)沿Y軸運動時沿z向的直線度誤差δz(Y)沿Z軸運動時沿x向的直線度誤差δx(Z)沿Z軸運動時沿y向的直線度誤差δy(Z)九項角運動誤差，該九項誤差是沿X軸運動時繞x軸的滾動角誤差εx(X)沿X軸運動時繞y軸的俯仰角誤差εz(X)沿X軸運動時繞x軸的偏擺角誤差εz(X)沿Y軸運動時繞x軸的俯仰角誤差εx(Y)沿Y軸運動時繞y軸的滾動角誤差εy(Y)沿Y軸運動時繞z軸的偏擺角誤差εz(Y)沿Z軸運動時繞x軸的角運動誤差δx(Z)沿Z軸運動時繞y軸的角運動誤差δy(Z)沿Z軸運動時繞z軸的角運動誤差δz(Z)其特征在于被測三座標(biāo)測量機⑤所在座標(biāo)系為XYZ右手直角座標(biāo)系，Z＝0為水平面，自下而上為Z軸正向，一維球列⑦所在座標(biāo)系為uvw右手直角座標(biāo)系，聯(lián)接首尾兩個球心的直線從左向右為u軸正向，基體①的上表面外法線方向為w軸正向，左側(cè)第一個球心為uvw系座標(biāo)原點。選定球列⑦的座標(biāo)系uvw與被測三座標(biāo)測量機⑤的座標(biāo)系XYZ分別有14種相對位置，在該14種相對位置由被測三座標(biāo)測量機⑤上得到14組三座標(biāo)測量讀數(shù)，將14組測量讀數(shù)進行代數(shù)運算可得到測量機的21項機構(gòu)誤差。所說的14組測量讀數(shù)的記錄格式為Xi(r，n)，Yi(r，n)，Zi(r，n)，X，Y，Z表示測量機⑤的三座標(biāo)定位讀數(shù)，i表示一維球列⑦中的第i個球，r分別取x，y，z表示一維球列⑦沿X軸或Y軸或Z軸放置，n分別取1，2，3，……，14，表示一維球列座標(biāo)系按第1，2，3，……，14種位置放置。所說的14種位置之中的第1種位置是u軸與X軸方向一致，w軸與Z軸方向一致，兩座標(biāo)原點重合，由直接裝有磁性球座③的三座標(biāo)測量機⑤對每一鋼球②進行定位讀數(shù)，所說的第1種位置的讀數(shù)記作Xi(x，1)，Yi(X，1)，Zi(x，1)所說的14種位置之中的第2種位置是將第1種位置的球列沿Z軸正向平移距離Zm，(Zm為三座標(biāo)測量機Z軸的最大測量范圍)由⑤對②進行定位讀數(shù)，所說的第2種位置的讀數(shù)記作Xi(x，2)，Yi(x，2)，Zi(x，2)所說的14種位置之中的第3種位置是將球列由第1種位置沿Y軸正向平移距離1/2Ym(Ym為座標(biāo)測量機的Y軸最大測量范圍)，在測量機測頭座④上裝一伸長方向與Y軸正向一致的伸長桿⑥，在⑥的末端連接磁性球座③，由裝有伸長桿⑥和磁性球座③的測量機⑤對每一鋼球②進行定位讀數(shù)，所說的第3種位置的讀數(shù)是Xi(x，3)，Yi(x，3)Zi(x，3)所說的14種位置之中的第4種位置是球列保持第3種位置不變測量機測頭座④上所裝伸長桿⑥的伸長方向與Y軸負(fù)向一致，⑥的末端聯(lián)接磁性球座③由測量機⑤對②進行定位讀數(shù)，所說的第4種位置的讀數(shù)是Xi(x，4)，Yi(x，4)，Zi(x，4)所說的14種位置之中的第5種位置是u軸與Y軸方向一致，w軸仍與Z軸方向一致，兩座標(biāo)原點重合，由直接裝有磁性球座③的測量機⑤對每一鋼球②進行定位讀數(shù)，所說第5種位置的讀數(shù)為Xi(y，5)，Yi(y，5)，Zi(y，5)所說的14種位置之中的第6種位置是將球列由第5種位置沿Z軸正向平移距離Zm用⑤對②進行定位讀數(shù)所說第6種位置的讀數(shù)為Xi(y，6)，Yi(y，6)，Zi(y，6)所說的14種位置之中的第7種位置是將球列由第5種位置沿X軸正向平移距離Xm(Xm是測量機X軸的最大測量范圍)，由⑤對②進行定位讀數(shù)，所說第7種位置的讀數(shù)為Xi(y，7)，Yi(y，7)，Zi(y，7)所說的14種位置之中的第8種位置是u軸與Z軸正向一致，w軸與Y軸負(fù)向方向一致，球列座標(biāo)原點位于測量機Z＝0水平面大致中心位置，在測量機測頭座④上裝一伸長桿⑥，伸長桿的伸長方向與X軸正向一致，伸長桿末端裝有磁性球座③，由測量機⑤對每一鋼球②進行定位讀數(shù)，所說第8種位置的讀數(shù)為Xi(z，8)，Yi(z，8)，Zi(z，8)所說的14種位置之中的第9種位置是球列保持第8種位置不變在④上仍裝有伸長桿⑥，但⑥的伸長方向與X軸負(fù)向一致，⑥的末端裝有③，由此測量機⑤對②逐一進行定位讀數(shù)，所說的第9種位置的讀數(shù)為Xi(z，9)，Yi(z，9)，Zi(z，9)所說的14種位置之中的第10種位置是u軸與Z軸正向一致，w軸與X軸正向一致，球列座標(biāo)原點位于Z＝0水平面的大致中心位置，在④上仍裝有伸長桿⑥，⑥的伸長方向與Y軸正向一致，⑥的末端裝有③，由此測量機⑤對②逐一進行定位讀數(shù)，所說的第10種位置的讀數(shù)為Xi(z，10)，Yi(z，10)，Zi(z，10)所說的14種位置之中的第11種位置是球列保持第10種位置不變，在④上仍裝有末端聯(lián)有③的伸長桿⑥，⑥的伸長方向與Y軸負(fù)向一致，所說的第11種位置的讀數(shù)為Xi(z，11)，Yi(z，11)，Zi(z，11)所說的14種位置之中的第12種位置是u端沿Z＝0，XY平面的對角線方向，w軸與Z軸正向一致，兩座標(biāo)原點重合，用直接裝有磁性球座③的測量機⑤對鋼球②逐一進行定位讀數(shù)，所說第12種位置的讀數(shù)為Xi(12)，Yi(12)，Zi(12)所說的14種位置之中的第13種位置是u軸沿Y＝0的ZX平面的對角線方向，u軸與Y軸正向一致，兩座標(biāo)原點重合，用⑤對②逐一進行定位讀數(shù)，所說第13種位置的讀數(shù)為Xi(13)，Yi(13)，Zi(13)所說的14種位置中的第14種位置是u軸沿X＝0 XZ平面的對角線方向，u軸與X軸負(fù)向一致，兩座標(biāo)原點重合，用⑤對②逐一進行定位讀數(shù)，所說第14種位置的讀數(shù)為Xi(14)，Yi(14)，Zi(14)所說沿X軸運動時沿X方向的位置誤差δx(X)由上述第1種位置的讀數(shù)Xi(x，1)和δu(i)進行差值計算得到所說沿X軸運動時沿y方向的直線度誤差δy(X)由上述第1種位置的讀數(shù)Yi(x，1)和δu(i)進行差值計算得到所說δz(X)由Zi(x，1)和δw(i)進行差值計算得到所說εy(X)由上述第1種位置的讀數(shù)Xi(x，5)和第2種位置的讀數(shù)Xi(x，2)進行差值計算得到，所說εz(X)由Xi(x，3)和Xi(x，4)進行差值計算得到所說εx(X)由Zi(x，3)和Zi(x，4)進行差值計算得到所說δy(Y)由Yi(y，5)和δu(i)進行差值計算得到所說δx(Y)由Xi(y，5)和δu(i)進行差值計算得到所說δz(Y)由Zi(y，5)和δw(i)進行差值計算得到所說εx(Y)由Yi(y，5)和Yi(y，6)進行差值計算得到所說εy(Y)由Zi(y，5)和Zi(y，7)進行差值計算得到所說εz(Y)由Yi(y，5)和Yi(y，7)連行差值計算得到所說δx(Z)由Xi(z，8)和δv(i)進行差值計算得到所說δy(Z)由Yi(z，10)和δv(i)進行差值計算得到所說δz(Z)由Zi(z，8)和Zi(z，9)進行差值計算得到所說εx(Z)由Zi(z，10)和Zi(z，11)進行差值計算得到所說εy(Z)由Zi(z，8)和Zi(z，9)進行差值計算得到所說εz(Z)由Yi(z，8)和Yi(z，9)進行差值計算得到所說X軸與Y軸的垂直度誤差，αxy由Xi(12)，Yi(12)，Zi(12)計算出第i個球心距球列座標(biāo)原點的距離，與標(biāo)準(zhǔn)球心間距比較和計算得到所說X軸與Z軸的垂直度誤差，αxz由Xi(13)，Yi(13)，Zi(13)計算出第i個球心距球列座標(biāo)原點的距離，與標(biāo)準(zhǔn)球心間距比較和計算得到所說Y軸與Z軸的垂直度誤差，αxy由Xi(14)，Yi(14)，Zi(14)計算出第i個球心距球列座標(biāo)原點的距離，與標(biāo)準(zhǔn)球心間距比較和計算得到
全文摘要
本發(fā)明屬于長度計量與測試技術(shù)領(lǐng)域。在三坐標(biāo)測量機上用安裝于測頭座上的磁性球座對置于測量空間的由一系列等間距鋼球組成的一維球列進行三維定位測量。通過自檢法即180°轉(zhuǎn)位法和平移法將測量讀數(shù)分離計算出一維球列的直線度誤差間距誤差。將一維球列在測量空間14個不同安裝位置獲得的測量讀數(shù)通過簡單的代數(shù)運算就可以等到測量機的21項機構(gòu)誤差。
文檔編號G01B11/03GK1055812SQ91100580
公開日1991年10月30日 申請日期1991年2月1日 優(yōu)先權(quán)日1991年2月1日
發(fā)明者張國雄, 臧艷芬 申請人:天津大學(xué)