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5 测量误差分析及误差消除方案
该设备属于精密测量仪器，测量的精确性是测量结果的保证。设备结构设计是为了满足用户使用功能要求，而误差分析是对设备结构是否能够达到使用功能，满足使用需求的前提条件。
该设备中，CCD光电传感器是测量的工具，V型定位块是滚子测量的定位装置，其偏移、定位不准确等问题会导致测量结果与真实结果的差异，因此，对其进行误差分析不仅有利于测量设备的安装调试，也能验证设备结构设计的合理性。另外，测量环境对测量结果的影响也需重点考虑，是误差产生的另一个重要原因。本章将对上述可能情况产生的误差进行分析，对每种产生的误差对测量结果的影响进行评价，同时对测量结果产生重大影响的因素提出减小误差产生的方案。 5.1 误差分析的要素
产生误差的原因种类有多方面，分类方式也不同，不同的设备有不同的分析方式[14]。分类的根据是取决于设备的结构形式以及使用环境，本文将结合具体实际情况将测量过程中产生的误差进行分类，如图5-1所示：
误差产生原因分类随机误差系统测量误差滚珠热胀冷缩滚珠表面粗糙度被测滚珠尺寸杂质传感器定位 图5-1 产生误差的因素分析
误差产生的原因有三种类型，分别是随机误差，系统测量误差以及系统误差。 随机误差是指测量结果与同一待测量的大量重复测量的平均结果之差。其特点是：误差具有随机性，符合统计规律，大小和方向都不固定，也无法测量或校正。但测量结果随着测定次数的增加，正负误差可以互相抵偿，误差的平均值将逐渐趋向于零。虽然
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单侧测量的随机误差没有规律，但多次测量的总体却服从统计规律，通过对测量数据的统计处理能在理论上估计对测量结果的影响。该分析过程中随机误差是由多种原因引起的，包括滚珠热胀冷缩，滚珠表面粗糙度等因素引起的误差。
系统测量误差是指在测量过程中由于外来因素引起的难以避免的误差，但该误差可以被量化，可以根据数学推理来判断其对测量结果的影响大小，从而找到减小该误差对测量结果影响的解决方案。本设备中产生系统测量误差的有两种，一种是由于测量过程中杂质产生的影响，另一种是由于CCD光电传感器在定位、安装过程中发生偏斜、移动等产生的测量误差。
系统误差是指大小和方向为确定数值或是具有确定性变化规律的误差。其特点是具有重复性、单向性。该误差可以根据实验条件，系统误差的特点，找出产生系统误差的主要原因，采取适当的措施降低它的影响，但不能完全避免其对测量结果的影响。 5.2 随机误差
5.2.1 滚珠热胀冷缩引起的随机误差
由于该设备所使用的是CCD光电传感器，测量精度较高，如果测量环境不是恒温环境，被测滚珠会发生热胀冷缩的现象，从而对测量结果产生一定的影响。下面，以滚珠的热膨胀为例分析其变形情况。
被测对象为滚珠，材料为钢，钢的线膨胀系数为11.7×10-6℃，即被测对象温度变化1℃产生的变形量为11.7×10-6，传感器的温度测量精度为0.01℃，可得传感器由于温度变化产生的误差为：
E1=11.7×10-6×0.01=0.12×10-6
与测量精度的允许总误差的值进行比较，表明其产生的误差不会影响测量误差，属于次要误差。但在生产过程中，仍要求测量工作台和待测滚珠同时在相同环境中存放一段时间，保持其与周围环境温度基本一致，以减少温度波动带来的随机误差。 5.2.2 被测滚珠尺寸产生的测量误差
滚珠测量前是经过多步加工完成的，加工后的滚珠不仅尺寸不相同，而且滚珠的外形的不同，也会对测量结果产生影响。
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如图5-2所示，如果滚珠圆度不满足加工要求，就会导致测量后的值产生偏差，对测量结果不利。若满足测量要求，则：
｜d1一d｜< 2μm；｜d2一d｜< 2μm （6-1）
式中，d1、d2分别为圆度不同的滚珠的截面测量尺寸，d为滚珠理想尺寸。 因此，为了避免由于滚珠圆度不同而产生对滚珠分组的影响，应使滚珠的圆度控制在lμm之内。
针对此类问题，采取的解决方法主要有：一方面，在加工过程中进行控制，保证滚珠加工精度；另一方面，在测量过程时，对滚珠测量过程中进行多次测量，取测量结果平均值，使测量结果接近真实值，避免由于测量方式不合理而对滚珠分选而产生影响。
图5-2 圆度产生测量误差示意图
5.2.3 被测滚珠表面粗糙度引起的误差
被测对象表面的粗糙度对传感器测量结果也有一定影响，被测对象光泽主要由折射率和表面粗糙度决定。当表面过于光滑，粗糙度值过小，一方面，使漫反射成份减少，CCD图像传感器输出减弱；另一方面，当正反射成份的增大，CCD图像传感器可能接收到正反射光，正反射光是一种干扰信号。当表面过于粗糙，粗糙度值过大，容易造成照明光点的局部丢光现象，破坏了原光点的均匀性，从而使输出值不稳定。被测面粗糙度较大时，光泽较暗淡，有利于激光传感器的正常工作。
测量时的滚珠是经过精加工后才进行测量，因此滚珠的表面粗糙度值较低，表面较光滑，会对滚子测量结果产生一定的影响，这是工件自身条件决定的，无法改变。但可以通过改变激光器的发射功率，使用偏振片削光来减少光强变化对测量的影响。
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5.3 系统测量误差
5.3.1 测量环境中杂质引起的误差
CCD光电传感器的工作位置在测量工作台上，虽然测量区域的外部有外形罩进行防尘，但不能完全避免粉尘、杂质的存在。在正常的工作环境下，对测量环境要求允许存在的杂质大小不超过0.05mm，该标准是一般工厂能够保证的，同时也是测量设备维持测量精度的基本尺度。
在测量的过程中，如果由于测量环境的清洁度不够高或者待测滚珠在测量前没有完全清洗干净，会在滚珠的表面附着一些杂质，这些杂质体积微小，当滚珠之间发生滚动摩擦的时候会产生静电，杂质会依附在滚珠的表面，如果不进行处理，在测量的过程中会影响滚珠直径偏离真实值。该问题的解决在测量仪器本身上可以得到解决，CCD光电传感器内装有专用数字指令控制器的异常值除去过滤器，可以高精度的除去附着在工件上的水滴、灰尘、划伤等异常数值。因此，此种杂质将不会对测量结果产生影响。 5.3.2 传感器定位引起的误差
传感器与工作台面的安装采用螺钉连接，工作台面在设计中对平面度有技术要求，但不能完全保证安装后的传感器相对于工作台面保持水平，进而使激光束与工作台面以及V型定位块的轴线之间产生相对的倾角。
图5-3 传感器偏转引起误差示意图
如图5-3所示，假设传感器的底面相对于工作台的X轴、Y轴发生偏转，传感器激光发射端发射的激光同样相对工作台面形成倾斜。如果被测对象的截面为非圆形，则会改变测量结果，但此处测量对象为滚珠，任意截面为圆形，而测量的原理是通过比较滚珠遮挡像元的数值来计算而得。因此，传感器的偏转对测得的像元数值将不会带来影响。
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5.4 本章小结
从本章上述对于误差的分析过程中，可发现影响测量精度的因素有多种，分为随机误差、系统测量误差以及系统误差三种。随机误差尽管有多种，但被测滚珠由于热胀冷缩和表面粗糙度而产生的随机误差之和都远小于滚珠的测量精度，将不会对滚珠的测量结果产生影响；然而，滚珠由于自身尺寸问题，如滚珠圆度产生的误差对测量结果的影响较为明显，是产生误差的主要因素。在滚珠加工的过程中，应采取适当的工艺优化以避免圆度不合格的滚珠。同时，通过对误差的分析证明本设计的测量手段对滚珠的测量而言是一种合理、有效、可以信赖的测量方式。
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