三坐標(biāo)測量機(jī)測量誤差分析及補償方法的研究

范恒亮

摘 要：三坐標(biāo)測量機(jī)作為高精度儀器，測量誤差仍然難以消除。為了提高三坐標(biāo)測量機(jī)的測量精度，選擇合適的誤差補償?shù)姆椒ㄖ陵P(guān)重要。本文首先對三坐標(biāo)測量機(jī)的測量誤差進(jìn)行分類，分析誤差源，然后提出溫度熱變形補償和動態(tài)誤差補償方法，為進(jìn)一步研究補償方法奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：三坐標(biāo)測量機(jī);準(zhǔn)靜態(tài)誤差;動態(tài)誤差;補償

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.003

0 引言

作為精密測量儀器，三坐標(biāo)測量機(jī)在產(chǎn)品設(shè)計、加工制造、檢測等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用與推廣[1]。但在實際的測量過程中，仍然會有測量誤差的產(chǎn)生，如測頭測針磨損、測量路徑選擇不當(dāng)?shù)纫蛩亍Ｒ虼?，分析誤差源并采取合適的補償方法，是提高測量精度行之有效的途徑[2]。

1 三坐標(biāo)測量機(jī)誤差分類

根據(jù)誤差特性的不同，可將誤差分為準(zhǔn)靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差。準(zhǔn)靜態(tài)誤差是指由于外界因素和自身結(jié)構(gòu)引起的誤差，而動態(tài)誤差引起的原因是多方面的，會隨時間變化而變化。

2 三坐標(biāo)測量機(jī)誤差源分析

2.1 準(zhǔn)靜態(tài)誤差源分析

三坐標(biāo)測量機(jī)靜態(tài)誤差的原因是多方面的，如測量環(huán)境的溫度、濕度、振動、機(jī)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的運動、測頭磨損，以及測量方法等不確定因素造成的[3]。

2.2 動態(tài)誤差源分析

三坐標(biāo)測量機(jī)是一個由機(jī)體、驅(qū)動部分、控制系統(tǒng)、導(dǎo)軌支承、側(cè)頭部分、計算機(jī)及軟件等組成的整體。測量速度會隨著測量任務(wù)的變化而經(jīng)常性的變化，在測量過程中，會受到較大的慣性力。由于三坐標(biāo)測量機(jī)的運動部件和導(dǎo)軌是弱剛度性，因此運動部件會在慣性力的作用下產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，測針會偏離正交位置并產(chǎn)生動態(tài)誤差。

由于三坐標(biāo)測量機(jī)的導(dǎo)軌支承的運動精度會隨著三軸的移動速度變化而變化，在此過程中會伴隨著測頭接觸力、測頭等效半徑和沖擊力的變化，導(dǎo)致三坐標(biāo)測量機(jī)的移動速度和逼近距離產(chǎn)生偏差，動態(tài)誤差隨之產(chǎn)生。

3 三坐標(biāo)測量機(jī)誤差補償方法

3.1 三坐標(biāo)測量機(jī)溫度補償方法

三坐標(biāo)測量機(jī)溫度補償主要由三部分組成：標(biāo)溫下結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)定、溫度實時采集系統(tǒng)和誤差補償系統(tǒng)。首先測量機(jī)利用自身系統(tǒng)獲得標(biāo)準(zhǔn)溫度下的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并作為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)參數(shù)。溫度采集系統(tǒng)將采集到的實時溫度與當(dāng)前環(huán)境下的溫度進(jìn)行對比和計算，將溫度偏差值按照溫度熱變形誤差公式進(jìn)行實時補償，反過來，提高了三坐標(biāo)測量機(jī)的測量精度。

3.2 動態(tài)誤差補償方法

（1）軟件修正法補償。根據(jù)三坐標(biāo)測量機(jī)的動態(tài)誤差產(chǎn)生時間節(jié)點不同，可分為實時誤差與非實時誤差。實時誤差的補償方法是對現(xiàn)場的誤差數(shù)據(jù)即時地進(jìn)行誤差補償，這種方法誤差修正精度較高，但需要系統(tǒng)具有伺服驅(qū)動，成本較高。非實時誤差補償是對系統(tǒng)采集到的誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行分析校正，這種方法成本低，應(yīng)用較為廣泛。本文采用軟件修正的方法對三坐標(biāo)測量機(jī)的動態(tài)誤差進(jìn)行非實時誤差補償。該軟件使用三次樣條原理對誤差進(jìn)行插值計算，并繪出誤差曲線圖[4]。根據(jù)樣條函數(shù)理論，離散誤差點樣條函數(shù)的節(jié)點即是誤差點，在三次樣條函數(shù)擬合后，可以得到誤差曲線的模型，擬合精度高，適用性強。

（2）測量力誤差補償。測量機(jī)在測量過程中，由于受測量力的影響會產(chǎn)生彎曲變形，導(dǎo)致測桿偏離測量理論準(zhǔn)確位置，導(dǎo)致測量誤差的產(chǎn)生[5]。根據(jù)三坐標(biāo)測量機(jī)測頭和測桿的結(jié)構(gòu)，建立測桿的彎曲變形模型，如圖1所示。

分析上述模型，可得到測量力對測量桿產(chǎn)生的橫向位移ωY和壓縮ωZ，其計算公式：

根據(jù)上式可得到測量力與橫向位移、壓縮位移的關(guān)系，如圖2、3所示。根據(jù)上述關(guān)系，可按照測量力的大小對測桿的橫向位移和壓縮位移進(jìn)行補償。

4 結(jié)束語

（1）本文首先對三坐標(biāo)測量機(jī)的測量誤差進(jìn)行分類，并對誤差源進(jìn)行了分析，進(jìn)而提出溫度熱變形補償和動態(tài)誤差補償方法，為后續(xù)的誤差補償方法的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。

（2）本文對補償?shù)木唧w方法涉及較少，后續(xù)需進(jìn)一步深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉鵬，康秋紅.三坐標(biāo)測量機(jī)誤差補償技術(shù)綜述[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008（03）：243-246.

[2]楊平.基于改進(jìn)型球桿儀的三坐標(biāo)測量機(jī)空間誤差標(biāo)定技術(shù)研究[D].廈門：廈門大學(xué)，2017：6-7.

[3]王贊霖.三坐標(biāo)測量機(jī)的誤差分析[J].科學(xué)與財富，2016（06）：1-2.

[4]楊建國.五軸數(shù)控機(jī)床幾何誤差高效檢測與綜合補償[D].上海：上海交通大學(xué)，2016.

[5]羅哉等.關(guān)節(jié)臂式坐標(biāo)測量機(jī)測量力誤差分析及補償[J].儀器儀表學(xué)報，2017（05）：1159-1166.

基金項目：2016年蚌埠學(xué)院校級教研項目（2016JYXM12）

作者簡介：范恒亮（1988-），男，安徽界首人，碩士，講師，研究方向：機(jī)械設(shè)計理論與方法研究。