三坐標測量機的誤差分析與改進

蒯雪嬌

摘 要： 三坐標測量機機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，誤差來源多，其中機械結(jié)構(gòu)誤差對空間點的測量影響最大，且難以量化。可通過誤差預(yù)防和誤差補償來減少測量誤差。誤差預(yù)防是通過改善測量機的機身結(jié)構(gòu)、改變測頭的信號觸發(fā)機制和測量的過程設(shè)計等。誤差補償是在不改變機床機械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，建立機床相應(yīng)坐標的誤差模型，再根據(jù)模型對各軸進行校準。

關(guān)鍵詞： 三坐標測量；誤差；預(yù)防；補償

1引言

三坐標測量機是一種集機械、光學(xué)、電子、數(shù)控技術(shù)和計算機技術(shù)為一體的接觸式高精度、自動化、多功能測量儀器。現(xiàn)有的三坐標測量機是通過三個相互垂直運動X軸、Y軸和Z軸主體，使測量頭可以同時在三個坐標方向運動，以通過多個點的坐標來精確探測物件的形狀、輪廓等尺寸參數(shù)。目前其不僅能在計算機控制下完成各種復(fù)雜測量，而且可以實現(xiàn)對加工的控制，并且還可以根據(jù)測量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)反求工程。

為了適應(yīng)制造業(yè)的高精度、高強度的發(fā)展趨勢，三坐標測量機也在朝著精細化、大型化和高精化發(fā)展。而為保證測量結(jié)果的正確性，減少誤差的方法主要有：誤差預(yù)防和誤差補償。誤差預(yù)防是通過改善測量機的探頭測量誤差、三軸導(dǎo)軌的機械間隙、定位誤差、光柵尺的分度誤差和測量的過程設(shè)計等來預(yù)防誤差的產(chǎn)生。誤差補償是在不改變機床機械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，建立機床相應(yīng)坐標的誤差模型，再根據(jù)模型對各軸進行校準。

2誤差預(yù)防

2.1測量機結(jié)構(gòu)改善

測量機的機身結(jié)構(gòu)嚴重影響其測量的精度，例如在運行時產(chǎn)生的噪聲、摩擦，嚴重影響機身的運行速度以及移動的平穩(wěn)性，從而使測量產(chǎn)生誤差。現(xiàn)有技術(shù)中主要通過對各結(jié)構(gòu)部件材料、運動動力源、傳動部件等做出改進[1]，如將梁柱材料選用三角梁形式并選用航空鋁材料，以使其承受一定載荷并不變形，增加了傳動的穩(wěn)定性、傳動精度；傳動部件內(nèi)設(shè)置環(huán)抱空氣軸承，并通過氣泵驅(qū)動，以改善傳動減少摩擦振動，增加了運行速度，提高測量效率。

2.2測頭設(shè)計

三坐標測量機的測頭是測量誤差的主要來源。根據(jù)待測物件的不同主要分為接觸式測頭和掃描測頭。現(xiàn)有的機械式接觸測頭由測球、測桿和導(dǎo)線等組成，測量時測球接觸被測零件并產(chǎn)生一定接觸力引起測球測桿發(fā)生運動，引起觸發(fā)器觸發(fā)信號產(chǎn)生記錄測量結(jié)果。機械接觸式測頭引起測量誤差的主要原因是：觸發(fā)信號的引發(fā)，即需要在一定觸發(fā)力矩下發(fā)生，需要測桿有相當?shù)淖冃瘟亢蟛拍軐崿F(xiàn)，由于機械變形的滯后性，從而帶來測量誤差。

因此，為了改善其測量精度，對于機械式測頭主要通過改善其觸發(fā)機制來提高測量精度。如在測頭外殼內(nèi)設(shè)置有測試部件[2]，該測試部件包括充電電源、電流檢測結(jié)構(gòu)、觸發(fā)信號構(gòu)件，充電電源、電流檢測構(gòu)件、信號觸發(fā)構(gòu)件依次串聯(lián)電連接。其測頭本質(zhì)上為一電容器，通過充電電源對測球進行充電，測球作為電容的正極端，匯集正電荷；測量時，測頭接觸被測物件時，由于被測物件和空氣的介電常數(shù)不同，導(dǎo)致測球放電產(chǎn)生電流信號，通過檢測電流信號來執(zhí)行信號觸發(fā)，產(chǎn)生測量結(jié)果。由于電流運動速度極快，信號觸發(fā)所需要的觸發(fā)力矩幾乎為零，從而避免測量力、測量速度、測量方向、測桿長度等因素對測量結(jié)果造成的誤差，顯著提高了測量精度。

然而，無論如何改善接觸式測頭的結(jié)構(gòu)，由于其測量原理，對于一些工件的測量，始終無法顯著提高其測量精度。原因在于：由于被測工件的表面硬度和形狀的不確定性，觸頭可能會劃傷被測工件表面或者損壞觸頭，導(dǎo)致測量不準確；接觸式測量頭的最佳狀態(tài)是豎直狀態(tài)，因此，需要不斷更換擺放姿態(tài)，從而需要多次裝夾，進而降低測量精度。

因此，針對不同的被測工件和測量方式，目前常選用激光位移傳感器作為測頭，并通過旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、搖擺機構(gòu)來驅(qū)動激光位移傳感器的旋轉(zhuǎn)以及搖擺動作，測量過程中不需觸碰被測物，不會使被測物件產(chǎn)生變形，能夠通過靈活的姿態(tài)調(diào)整，一次性精確完成復(fù)雜表面的坐標測量。

2.3軟件誤差

對于工件的同軸度、圓柱度等輪廓度的測量，需要對其測量數(shù)據(jù)進行計算擬合以得到工件的外觀形貌，測量的方法和計算方法都極大影響其最終結(jié)果誤差。現(xiàn)從同軸度和圓柱度兩方面說明測量方法的重要性。

2.3.1同軸度測量

通常任何圓柱都不可能做到兩端完全一樣大，多少都會有誤差，也就不是一個標準的圓柱，而使用三坐標測量軟件直接求兩圓柱的同軸度則會產(chǎn)生測量誤差。

目前可采用圓錐替代法來避免此問題產(chǎn)生的測量誤差，即首先分別測量基準圓柱的兩端直徑，將基準圓柱的兩端直徑的圓使用三坐標組成基準圓錐；然而再測量被測圓柱的兩端直徑，將被測圓柱的兩端直徑的圓使用三坐標組成被測圓錐；最后使用三坐標求被測圓錐和基準圓錐的同軸度，得到的值便是被測圓柱和基準圓柱的同軸度。

2.3.2圓柱度測量

工件的圓柱度是該圓柱面包容在兩個同軸的圓柱面內(nèi)的最小距離。在國標中形狀誤差值是用包容實際被測要素且具有最小寬度或最小直徑的包容區(qū)域來表示。在實際生產(chǎn)過程中常用圓柱截面的圓度誤差和軸線的直線度公差來控制圓柱度誤差，或用徑向跳動公差來控制圓柱度誤差，但是這兩種控制方法都不能實際測量和計算出圓柱度誤差的大小。三坐標測量機測量圓柱度誤差，使用三坐標測量機測量圓柱度誤差時，得到的是一系列離散測量點的坐標值，并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理來求解圓柱度誤差。目前的測量只能是離散測量，需要定位，精度差，效率低，且反復(fù)裝夾定位又會引入新的測量誤差，降低測量精度。

為了減少圓柱度測量的誤差，需要盡量減少工件與測量裝置的反復(fù)裝夾定位，目前有一種方法如下：通過旋轉(zhuǎn)裝置對被測圓柱體進行裝夾，在測量過程中將三坐標測量機在圓柱體上采集的三維測量點投影至平面，通過迭代的方法搜索最小區(qū)域圓的圓心，投影后的測量點通過最小二乘法確定圓心的初始值，即確定圓柱體的初始位姿；通過移動圓心確定投影測量點的最小包容圓；變化圓柱體的位姿，確定不同位姿下圓柱度值的最小值。該方法是通過工件坐標系和步長確定不同的位姿角度，避免多次裝夾；通過選取移心方向和移心步長，降低搜索次數(shù)，使確定姿態(tài)下的搜索過程更加快捷，從而大大簡化搜索的計算量，最終所求得的圓柱度誤差更為精確[3]。

3誤差補償

目前常用的誤差補償方法是利用激光干涉儀、自準直儀等高精度光學(xué)儀器直接分離機床誤差，然后對各單項誤差分別進行補償。其中，最常用的就是利用激光追蹤儀來校準機床，其測量精度不受機械結(jié)構(gòu)影響，能夠?qū)崿F(xiàn)自動跟蹤測量，并提高精度的相對干涉測長距離，無需固定光路，能夠高精度快速高效地完成機床檢測。

3結(jié)束語

上述測量方法在三坐標測量的誤差控制過程中都得到了廣泛的應(yīng)用。隨著機械加工水平和計算機軟件技術(shù)的提高，坐標測量機越來越成為領(lǐng)域用途最廣泛、功能最豐富的測量儀器。■

參考文獻

[1]青島麥科三維測控技術(shù)股份有限公司.一種高精度三坐標測量機[P].中國：205748319，2016-11-30.

[2]北京汽車動力總成有限公司.一種三坐標測量機測頭及三坐標測量機[P].中國：203981103，2014-12-03.

[3]北京理工大學(xué).一種圓柱度在機檢測方法[P].中國：106289145，2017-1-4.