微机综合测量系统的误差因素分析
微机综合测量系统的误差因素分析
使用常规量具对机械零件的尺寸和形位误差进行综合测量时，由于是手工操作，存在较大人为误差，测量精度及测量效率均较低，有时还需设计制造专用检具，以解决被测工件定位问题。如工件的被测要素较多，则测量难度更大，测量数据的综合处理也更为复杂。
为满足现代化大规模生产对零件的尺寸和形位误差进行实时、准确、快捷检测的要求，在机械加工中采用各种类型的微机综合测量系统取代手工测量已成为发展趋势。
微机综合测量的一般原理如所示。测量时，利用传感器采集被测信号，对采样信号进行前置处理后(如放大、A/D转换等)，输入微机进行数据综合处理，最后显示或打印测量结果。
微机综合测量原理框图
2.微机综合测量系统误差分析
影响微机综合测量系统精度及可靠性的误差因素主要有以下几项：
(1)传感器的非线性误差
在微机综合测量中应用较为普遍的电感式传感器的线性范围一般小于其整个测量范围，如传感器工作于非线性范围，则会产生较大的测量误差。即使是同一型号的传感器，其线性范围也不完全相同，而且线性特征也存在差异(而在计算模型中通常假设同一型号传感器的线性特性一致)。一般在测量范围的中点附近线性较好，而在测量范围的两端线性则差一些(而在实际测量中被测要素范围则可能正好处于测量范围的边缘附近)。因此，对于测量精度要求很高的测量场合，必须采取相应措施对传感器的非线性误差进行补偿。
(2)运算放大器的误差
在运算放大器设计合理，功率裕度较大，多通路输入、输出时屏蔽良好的情况下，该误差可忽略不计。
(3)理论测量点与实际测量点不一致引起的误差
虽然测量前可利用标准样件对理论测量点进行标定，但由于传感器的安装误差、被测零、部件的制造及装配误差等因素的影响，实际测量点仍可能偏离理论测量点，从而引起误差。如所示，当测量孔径D时，被测孔的横剖面内实际测量线与理论测量线不重合时引起的孔径D的测量误差为 ΔD1=2ΔR=Rθ=c2/R (1)
被测孔的横剖面
如所示，被测孔的纵剖面内实际测量线与理论测量线不重合时引起的孔径D的测量误差为
ΔD2=Rθ2 (2)
被测孔的纵剖面
由式(1)和式(2)可知，被测孔横剖面内的测量误差对小孔影响较大；纵剖面内的测量误差对大孔影响较大。
(4)运动机构的误差
测量时，传感器要随测头在被测部位往返运动，其测量精度直接受运动机构误差的影响。运动机构误差的大小主要取决于运动部件的制造和装配精度。
(5)定位基准的误差
将工件置于检测工作台上测量时需要定位，定位方式以一面两销定位法较为常见。由于定位机构的销孔和销轴间存在间隙，可能使重复性检测中的测量位置产生微量偏移，即传感器在各次测量中的位置互不重合，从而造成测量误差。该误差主要对形位误差测量精度影响较大。
(6)被测工件形状不准确引起的误差
传感器触测工件表面时，如果工件存在形状误差，就可能使传感器偏离理论测量位置。如被测孔存在圆度误差时，均布的多个传感器的测量位置不完全在理论圆周上，由此计算出的圆心相对理论圆心有一偏差，以此圆心进行形位误差计算时必然产生测量误差。又如测量平面时，平面形状及表面粗糙度误差可使三点模拟平面相对真实平面产生一角度误差Δα，以该模拟平面进行平行度、垂直度等计算时，会产生不可忽略的测量误差。
3.误差补偿方法
测量过程中产生的各类误差对测量结果的影响程度各不相同。考虑微机综合测量的误差分配原则时，对于电器误差、计算方法误差应尽量按最小范围选取，而机械部分的误差裕度则应稍大一些。通常，对于尺寸公差(如孔径、距离等)的测量，微机综合测量系统误差的影响较小也较易消除；而测量形位公差时，由于参与测量的传感器数量较多(如以孔模拟轴线测量两交叉直线的垂直度时，可有多达16个传感器参与测量)，综合误差较大，可能导致测量精度难以达到要求。因此在分析误差产生原因及消减方法时，应针对重点误差进行补偿。
(1)传感器非线性误差的补偿
对于传感器的非线性误差可有两种补偿方法，一是采用非线性电路补偿，但该方法需要增加硬件费用，加大测量成本；二是利用软件实现补偿，即运用线性插值法将传感器工作行程分成若干段，将每一段近似作为直线处理(见图4)，分段的大小和等分视精度要求而定。该方法较为经济，与购买高精度的传感器或采用补偿电路相比，可节省费用约50%。
线性插值法
(2)重点误差的补偿
对于测量中影响较大的误差项目，可首先确定误差的大小(相对准确值)和方向，然后在计算测量结果时利用误差补偿公式进行补偿，误差补偿公式的一般形式为
F(X)=f(x)+Δ
式中F(X)——最终测量结果
f(x)——实际测量值
Δ——误差补偿值(用特定表达式描述)
(3)机构定位误差的消除
为消除测量系统中的机构定位误差，可采用适当的弹性复位装置(如图5所示)，使被测工件始终处于相对恒定的位置，以提高测量定位精度。
