长期以来，三坐标测量机处于静态或以静态为主的测量方式，测量效率较低。现代制造业的发展对测量机提出了更高的速度和精度要求，越来越多的测量机被安置在工业现场成为现代制造计量整合系统的一部分。

测量机的动态特性限制了测量机测量速度的提高，其根本原因是测量机动态误差对测量精度的影响，已有的静态模型不再满足高速测量的精度要求。国内外很多学者对此进行研究，但效果不理想。笔者分析了测量机动态误差的各影响因素，提出减小动态误差的几种途径，对高速测量机的设计和使用进行实验研究。

动态误差源

三坐标测量机的结构形式多种多样，广泛应用的是移动桥式。实验中使用的是桥式三坐标测量机，结构如图1所示。各轴均为气浮导轨结构，采用单边驱动，触发式测头，光栅测量系统。

三坐标测量机的三个运动轴线只有在理想三维正交并沿直线方向平移时，才能保证测量系统在测量空间的任意位置如实反映实际的被测值。但由于测量速度经常发生变化，在加速、减速过程中，运动部件会产生较大的偏转、弯曲和扭曲等动力弹性变形，这些变形会造成各个运动轴线偏离正交位置，偏离直线平移运动。对于测头动态特性、导轨支承的稳定性、光栅测量系统的动态响应等均会受到测量速度的影响，而且各个误差影响因素相互关联，如图2所示。

影响因素

三轴空间位置

三坐标测量机在测量空间内的任意点坐标是由理想正交的三轴坐标确定，因此要求三轴结构具有坚固的刚性。但实际的三轴结构并非理想刚体，并且各轴驱动力与各轴重心方向不重合，所有高速运动的惯性力和导轨副的弱刚性会产生动态转角误差。又由于转角方向存在阿贝臂，且阿贝臂随空间位置变化，所以每一轴的稳定性与精度受到另外两轴位置的影响，即存在三轴精度的相关性。

研究采用双频激光干涉仪作为高精度的动态测量基准，用光栅信号触发激光干涉仪读数，将测量机的逐行模设置在单轴移动，考察不同测量空间位置对测量机动态误差的影响。如图3所示，共考察7个位置(x轴两个位置：P1、P2;y轴三个位置：P3、P4、P5;不同z坐标下y轴两个位置：P6、P7，)。图4为各个测量位置的动态误差比较曲线，实验原理如图5所示。

从图4可以看出，动态误差与测量机空间位置有关，各轴的动态误差体现不同的特点，且单轴的精度均受到其他两轴位置的影响。x轴运动方向产生的动态误差最大，其次是y轴，且靠近各轴光栅的位置动态误差最小，因为此处阿贝误差最小。

测头运行参数

坐标测量机在测量过程中，测头运行参数(移动速度，触测速度，逼近距离)会实时改变，影响测头的触发精度。

测头触发瞬间测杆的动变形也会影响测量结果，故引入测端作用直径的概念，并通过对其校准来补偿测头误差。测端作用直径d主要受三个因素的影响：测端的接触变形，测杆的弯曲变形，测头信号迟滞带来的预行程变化，其中测量运行参数的变化是关键。故重点研究在不同运行参数下计算出的测端作用直径d的变化情况(实验中Umax=600mm/s，速度值按最大速度的百分制计算)。

图6是在设置移动速度v1、触测速度v2和逼近距离a一定的情况下，考察三者对d的影响。

图6a：曲线1v1=20%，a=2mm;曲线2v1=50%，a=2mm;曲线3v1=100%，a=2mm;考察触测速度v2对d的影响。

图6b：曲线1v2=2%，a=2mm;曲线2v2=5%，a=1.5mm;曲线3v2=8%，a=1.5mm;考察移动速度v对d的影响。

图6c：曲线1v1=20%，v2=2%;曲线2v1=50%，v2=5%;曲线3v1=100%，v2=8%;考察逼近距离a对d的影响。

由图6分析可知，触测速度对作用直径的影响远远大于逼近距离和移动速度对作用直径的影响，其中移动速度的影响最小，触测距离大于4mm时影响很小，触测速度大约在6%时对作用直径的影响最小。在测量机的实际工作过程中，应该合理匹配运行参数，否则将会由测端作用直径的变化带来很大的触测误差。

测量速度

速度是影响测量精度的关键因素。速度的变化造成机体结构的动变形影响测量精度，速度的提高会使测头和测量系统的动态性能变差直接影响测量精度。在其他因素不变的前提下，考察速度对测量精度的影响：设置单轴速度从20mm/s每10mm/s递增到100mm/s，共8个速度值，往返运动5次，考察动态误差的重复性和各轴往复移动情况。图7为P7，位置在不同速度下的动态误差评定指标比较。

从图7可以看出，动态误差的各精度指标数值都随速度的提高而增大。由重复性r指标可以看出，动态误差具有很好的重复性，可以补偿。不同速度下各精度指标变化规律不同，但具有一定相似性。

机体结构动变形

测量机在快速测量过程中，由于测头在触测工件点瞬间仍然处于加速状态，测量机移动部件的惯性力和电机产生的驱动力方向不重合，会导致测量机运动部件的变形和气浮导轨间隙的变化。具体表现为运动部件各组成部分绕三轴的偏转带来的转角误差，此类误差还会与机体的线性动变形通过三轴的位置关系传递到测头处，最终导致测头的位置偏离，产生测点处的动态误差，降低了测量精度。

图8为采用ANSYS有限元分析软件，定性分析在x向驱动力及惯性力的作用下，整个运动部件的动态线变形情况。a为ISO视图，b、c分别为右和俯视图。由图8可以看出，与角度变化所产生的动态误差相比，动态线变形带来动态误差的影响相对较小，x向运动机体动变形最大。

速度对光栅测量系统的影响

测量机光栅系统的读数误差主要反映了测量机机体稳定性的总体动态误差。故如果用更高精度的测量系统进行实时比对，就可以实现测量机单轴动态误差的检测。实验原理见5。用光栅信号触发激光干涉仪读数，以其读数作为基准，动态校准光栅读数，实现动态误差的实时采样。图9为各轴光栅测量系统随速度的变化曲线。

从图9的变化曲线可以看出，三轴测量系统的动态误差都是随着运动速度的增加而变大，而且存在三轴位置相关性，虽然动态误差具有很好的重复性，但实际用于误差补偿还需对其变化规律及相关性进行深入的研究。

减小动态误差的途径

优化结构

测量机的主体结构和气浮导轨支撑组成的测量环的非理想刚性是产生动态误差的主要因素之一。为提高动态测量精度，在不增加机体质量的前提下，可采取如下方案：

(1)优化结构设计提高环形框架刚性。降低x向运动部件重心，从而减小惯性力及产生的机架动变形，同时也保证了平稳、精确的运动。

(2)采用中间驱动结构，尽量使驱动力与惯性力的方向重合，减小动态转角误差对测量精度的影响。

(3)优化气浮轴承设计，使其具有良好的刚性和承载能力。

(4)设计符合阿贝原则的新型结构坐标测量机。

(5)提高测量控制系统的性能，使运动更加精确平稳。

合理使用坐标测量机

合理设置测头运行参数，既提高测量效率又使之对动态精度的影响最小。特别注意测量使用的速度参数应与校准测头的速度参数一致，否则将会由测端作用直径的变化带来很大的触测误差。测量机的动态精度存在空间位置相关性，故应尽量在测量精度最高的位置进行测量作业。一般在靠近各轴测量系统的位置测量精度最高。

动态误差补偿

测量机的动态误差具有一定的重复性，故可以采用误差补偿的方法来提高动态测量精度。误差补偿是一项以较低成本大幅度提高测量精度的先进技术手段。误差补偿包括机构误差补偿和测端作用直径的动态误差补偿。

采用理论分析和试验研究相结合的方法对三坐标测量机动态误差的各个影响因素进行了深入研究，认为测头空间位置相同但测头的运行参数不同测量误差也不同;在其他条件相同时，测量速度不同也会影响测量精度;各个动态误差因素之间相互关联，共同影响坐标测量机的动态测量精度。另外，几种减小动态误差的途径，为高速测量机的设计和使用提出参考。