三坐標(biāo)測量機(jī)測量誤差分析及補(bǔ)償方法的研究

辛天飛

深圳市計量質(zhì)量檢測研究院 廣東 深圳 518000

三坐標(biāo)測量機(jī)屬于一種高精密的測量儀器，而且這個儀器在很多方面都得到了普遍的運用，如產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)加工等等。不過在實際進(jìn)行測量的時候，就會出現(xiàn)一些測量誤差，主要原因有測量方式錯誤等因素。所以，一定要對三坐標(biāo)測量機(jī)的測量誤差進(jìn)行分析，并且找到合適的補(bǔ)償方法，這樣才可以有效的提升三坐標(biāo)測量機(jī)的精準(zhǔn)度。

一、三坐標(biāo)測量機(jī)的原理

三坐標(biāo)測量機(jī)主要就是根據(jù)坐標(biāo)來進(jìn)行測量的，三坐標(biāo)測量機(jī)的原理就是：把多種幾何元素的測量轉(zhuǎn)變成為所有集合元素上中所有的點坐標(biāo)的測量，在測量出所有的點坐標(biāo)值之后，再使用軟件根據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)來對所有的幾何元素的尺寸、位置、形狀等相關(guān)的信息進(jìn)行準(zhǔn)確的計算。三坐標(biāo)測量機(jī)在進(jìn)行測量的時候，就屬于一個機(jī)械手，機(jī)械手上可以安裝一些不同形狀的探針，而且經(jīng)過這些探針上面的測量工具來進(jìn)行高精度的測量工作。在對一個零件進(jìn)行測量的時候，經(jīng)過手動控制或者是使用系統(tǒng)來控制的方法，讓三坐標(biāo)測量機(jī)沿著三個方面的軸線進(jìn)行運動，并且把機(jī)械手上面的探針移動到零件上，當(dāng)探針接觸到零件的時候，相關(guān)的測量系統(tǒng)就會把相關(guān)的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)较嚓P(guān)的系統(tǒng)當(dāng)中。要是選出了非常多的測量點，規(guī)劃合理的測量方式，可以讓零件測量的更加的精準(zhǔn)。

現(xiàn)階段，三坐標(biāo)測量機(jī)已經(jīng)不屬于一種實驗類的工具了，現(xiàn)在三坐標(biāo)測量機(jī)已經(jīng)被普遍的運用到了車間生產(chǎn)工作當(dāng)中。三坐標(biāo)測量機(jī)在一些制造系統(tǒng)當(dāng)中使用，可以對生產(chǎn)出來的產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢測，并且還可以對其進(jìn)行分析，還能對一些設(shè)備和生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行檢驗的工作，同時還能夠清楚的了解到設(shè)備的整體情況，了解整個工程的發(fā)展。所以，三坐標(biāo)測量機(jī)屬于一種可以確保產(chǎn)品的質(zhì)量和提供相關(guān)信息的一種測量機(jī)器。在最近幾年，坐標(biāo)測量技術(shù)在快速的進(jìn)行發(fā)展，現(xiàn)已為人們提供了一種可以對多種結(jié)構(gòu)、多種測量范圍，以及自動化的一種坐標(biāo)測量機(jī)器。而且現(xiàn)階段坐標(biāo)測量機(jī)器已經(jīng)屬于一種非常重要的測量工具的一種，這個測量工具可以對一個產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行精準(zhǔn)的測量。

二、三坐標(biāo)測量機(jī)測量誤差的分析

(一)裝配的誤差。裝配的誤差問題就是說是部件在進(jìn)行安裝的時候，安裝的位置和最初的設(shè)計要求不相似，出現(xiàn)一些差別。裝配中出現(xiàn)誤差的情況主要有三方面的內(nèi)容，第一方面就是零部件的誤差，主要包含了零件在進(jìn)行加工時候所出現(xiàn)的誤差，設(shè)備在進(jìn)行工作的時候使零件出現(xiàn)變形的情況，還有就是因為磨損所導(dǎo)致的誤差。第二方面就是測量工具的誤差，這主要就是說測量時所使用的工具出現(xiàn)一些誤差，這樣也就導(dǎo)致在進(jìn)行檢測的時候精準(zhǔn)度下降，從而就會出現(xiàn)誤差。第三方面就是操作時出現(xiàn)的誤差，這是因為在使用測量工具進(jìn)行測量的時候，出現(xiàn)目測等一些情況的影響，導(dǎo)致出現(xiàn)的誤差。例如，在橋式三坐標(biāo)測量機(jī)當(dāng)中，三坐標(biāo)測量機(jī)裝配時所出現(xiàn)的誤差主要有兩點，一點就是形狀的誤差，這是指在三坐標(biāo)測量機(jī)中所有的零部件進(jìn)行加工的時候和計劃當(dāng)中的形狀有一點不同，如直線和平面的角度等。另一點就是位置的誤差，這個就是說在加工結(jié)束后，所有的點線面的位置和預(yù)計的位置不一樣，出現(xiàn)偏差。三坐標(biāo)測量機(jī)的工作特點就是可以以最快的速度對坐標(biāo)進(jìn)行收集，避免出現(xiàn)相關(guān)的誤差，確保三坐標(biāo)測量機(jī)的測量精準(zhǔn)度。

(二)環(huán)境溫度的誤差。環(huán)境溫度的誤差就是說因為環(huán)境溫度的改變導(dǎo)致三坐標(biāo)測量機(jī)當(dāng)中的相關(guān)零部件出現(xiàn)熱脹冷縮的情況，這樣也就導(dǎo)致三坐標(biāo)測量機(jī)的測量精準(zhǔn)度下降。隨著現(xiàn)階段三坐標(biāo)測量機(jī)的測量精準(zhǔn)度在漸漸地提高，怎樣來降低三坐標(biāo)測量機(jī)周圍環(huán)境的溫度就變成了現(xiàn)在非常重要的一個問題。現(xiàn)階段，在對溫度進(jìn)行研究的時候，主要就是對材料和軟件補(bǔ)償這兩點來進(jìn)行考慮，在材料方面，一般都會選用一些膨脹系數(shù)比較小的材料，三坐標(biāo)測量機(jī)的橋架和臺面等都是使用花崗巖材料或者陶瓷材料來進(jìn)行制作的，然后滑動導(dǎo)軌和光柵尺就會使用一些金屬材料或者陶瓷材料來進(jìn)行制作，并且還需要控制三坐標(biāo)測量機(jī)的工作溫度，所以盡量要將室內(nèi)的溫度保持在要求溫度以內(nèi)，這樣才可以讓三坐標(biāo)測量機(jī)在測量的時候盡可能的減少溫度帶來的誤差。除此之外，還可以使用軟件補(bǔ)償?shù)姆椒▉韺囟鹊恼`差進(jìn)行修改，首先使被測工件等溫到和坐標(biāo)機(jī)的環(huán)境溫度一致，再把溫度傳感器吸附在工件非測量位置，輸入該工件材料膨脹系數(shù)到溫度補(bǔ)償軟件模塊中并激活溫度補(bǔ)償運行程序.這樣也是可以提升三坐標(biāo)測量機(jī)測量時的精準(zhǔn)度的。

(三)光柵系統(tǒng)的誤差。三坐標(biāo)測量機(jī)上面的三個坐標(biāo)軸都是經(jīng)過三個高精度直線光柵和讀數(shù)頭組合而成的，這樣就可以更好的進(jìn)行準(zhǔn)確定位，所以光柵實際的數(shù)值和標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)值間出現(xiàn)的誤差是因為三坐標(biāo)測量機(jī)定位誤差所導(dǎo)致。光柵在實際進(jìn)行測量的時候，主要是根據(jù)實物來進(jìn)行測量的，想要提升光柵的測量精準(zhǔn)度是非常復(fù)雜的，雖然現(xiàn)在已經(jīng)使用了很多中方法來完善光柵測量的精準(zhǔn)度，但是在生產(chǎn)加工、調(diào)整和信號等一些步驟當(dāng)中，還是會出現(xiàn)一些不能避免的因素，比如光柵材料和光柵刻線在光學(xué)性質(zhì)中有著不均勻的情況，導(dǎo)軌的直線要是出現(xiàn)誤差那么就會導(dǎo)致光柵也隨之出現(xiàn)變化等等因素，這樣也就導(dǎo)致光柵的莫爾條紋信號和計劃當(dāng)中的信號是有一些差別的，這樣也就導(dǎo)致整個過程的相關(guān)信息都會出現(xiàn)改變。光柵系統(tǒng)的誤差具備著控制性和不可避免的性質(zhì)，要想讓測量的數(shù)據(jù)變得更加精準(zhǔn)是非常困難的，而且就算提升了精準(zhǔn)度，那么付出的代價也是比較高的。所以，要根據(jù)現(xiàn)在有的一些條件，來讓三坐標(biāo)測量機(jī)的測量精準(zhǔn)度得到提高。除此之外，導(dǎo)致三坐標(biāo)測量機(jī)精準(zhǔn)度下降的原因還有控制系統(tǒng)的誤差等等一些誤差情況，因此，只要對三坐標(biāo)測量機(jī)的誤差進(jìn)行全面的研究，才可以找出提升三坐標(biāo)測量機(jī)測量精準(zhǔn)度的方法。誤差標(biāo)定就屬于一個花費成本比較低，而且效率非常高的方法，它可以有效地提升三坐標(biāo)測量機(jī)的測量精準(zhǔn)度，而且這樣的改善方法也已經(jīng)受到了很多人的認(rèn)可。

三、三坐標(biāo)測量機(jī)誤差補(bǔ)償方法

(一)溫度補(bǔ)償方法。第一，標(biāo)準(zhǔn)溫度下結(jié)構(gòu)參數(shù)的標(biāo)定。在溫度導(dǎo)致出現(xiàn)誤差的時候，一定要先去確定好標(biāo)準(zhǔn)溫度下設(shè)備出現(xiàn)的誤差數(shù)據(jù)，也就是說三坐標(biāo)測量機(jī)在沒有受到溫度影響的時候，測量時所得出來的相關(guān)數(shù)據(jù)，在確認(rèn)好相關(guān)數(shù)據(jù)之后，就可以有一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)值來進(jìn)行比較，這樣在以后也可以對誤差數(shù)值進(jìn)行比較。

第二，對溫度信息進(jìn)行收集。在記錄完相關(guān)數(shù)據(jù)之后，就要對現(xiàn)在出現(xiàn)溫度誤差的三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行測量。根據(jù)相關(guān)參數(shù)來對所有的參數(shù)進(jìn)行正確的測量和收集，這樣就可以得到所有的參數(shù)，然后把測量結(jié)果和實際的結(jié)果進(jìn)行比較，這樣就可以判斷三坐標(biāo)測量機(jī)受到溫度影響和沒有收到影響的差別，然后就可以進(jìn)行相關(guān)的調(diào)整。隨后就可以使用相關(guān)的公式來對其進(jìn)行補(bǔ)償，經(jīng)過補(bǔ)償就可以得到和沒有受到溫度影響時的相同的數(shù)據(jù)。

(二)動態(tài)誤差補(bǔ)償法。第一，軟件修正法進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)測量儀器的動態(tài)誤差出現(xiàn)的時間不一樣，所以可以分為兩方面的誤差，一種是實時誤差，這種誤差的補(bǔ)償方式就是對實際的誤差數(shù)據(jù)來進(jìn)行補(bǔ)償，這樣的方法可以提升誤差修正的準(zhǔn)確度，不過花費的成本比較高。另一種就是非實時誤差補(bǔ)償，這種補(bǔ)償方式就是對系統(tǒng)收集的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，然后進(jìn)行校正，這樣的補(bǔ)償方式成本是比較低的，而且很多人都會使用這樣的方法來進(jìn)行補(bǔ)償。

第二，測量力誤差補(bǔ)償。三坐標(biāo)測量機(jī)在進(jìn)行測量的時候，因為會受到測量力的影響，導(dǎo)致出現(xiàn)形變的情況，這樣也就會使測桿出現(xiàn)位置偏離的情況，使測量出現(xiàn)誤差。想要進(jìn)行補(bǔ)償就可以將三坐標(biāo)測量機(jī)的測頭和測桿的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)提取，然后設(shè)計一個相關(guān)的模型來進(jìn)行研究，如圖一。

對這樣的模型來進(jìn)行研究，可以看出測量力對測桿產(chǎn)生的位移情況和壓縮的情況。這樣就可以了解到測量力和位移與壓縮之間的聯(lián)系。結(jié)合這樣的關(guān)系，就可以根據(jù)測量力的情況來對測量桿的位移與壓縮情況進(jìn)行補(bǔ)償，這樣也就會減少誤差，提升三坐標(biāo)測量機(jī)的精準(zhǔn)度。

結(jié)束語

總的來說，本篇文章主要就是對三坐標(biāo)測量機(jī)的測量誤差進(jìn)行分析，并且研究出了有效地補(bǔ)償方法。在進(jìn)行分析誤差的時候，主要根據(jù)三坐標(biāo)測量機(jī)常見的幾種誤差進(jìn)行研究，這樣做主要就是為了給以后的補(bǔ)償方式提供相應(yīng)的基礎(chǔ)。然后根據(jù)誤差來研究兩種合適的補(bǔ)償方法，并且對補(bǔ)償方法的運用進(jìn)行介紹，希望可以有效地提升三坐標(biāo)測量機(jī)的測量精準(zhǔn)度，減少誤差的出現(xiàn)。