三坐標測量機測量誤差分析及補償方法的研究

范恒亮

摘 要：三坐標測量機作為高精度儀器，測量誤差仍然難以消除。為了提高三坐標測量機的測量精度，選擇合適的誤差補償的方法至關重要。本文首先對三坐標測量機的測量誤差進行分類，分析誤差源，然后提出溫度熱變形補償和動態誤差補償方法，為進一步研究補償方法奠定了基礎。

關鍵詞：三坐標測量機;準靜態誤差;動態誤差;補償

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

0 引言

作為精密測量儀器，三坐標測量機在產品設計、加工制造、檢測等領域得到廣泛的應用與推廣[1]。但在實際的測量過程中，仍然會有測量誤差的產生，如測頭測針磨損、測量路徑選擇不當等因素。因此，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 三坐標測量機誤差分類

根據誤差特性的不同，可將誤差分為準靜態誤差和動態誤差。準靜態誤差是指由于外界因素和自身結構引起的誤差，而動態誤差引起的原因是多方面的，會隨時間變化而變化。

2 三坐標測量機誤差源分析

2.1 準靜態誤差源分析

三坐標測量機靜態誤差的原因是多方面的，如測量環境的溫度、濕度、振動、機導向機構的運動、測頭磨損，以及測量方法等不確定因素造成的[3]。

2.2 動態誤差源分析

三坐標測量機是一個由機體、驅動部分、控制系統、導軌支承、側頭部分、計算機及軟件等組成的整體。測量速度會隨著測量任務的變化而經常性的變化，在測量過程中，會受到較大的慣性力。由于三坐標測量機的運動部件和導軌是弱剛度性，因此運動部件會在慣性力的作用下產生偏轉，測針會偏離正交位置并產生動態誤差。

由于三坐標測量機的導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，導致三坐標測量機的移動速度和逼近距離產生偏差，動態誤差隨之產生。

3 三坐標測量機誤差補償方法

3.1 三坐標測量機溫度補償方法

三坐標測量機溫度補償主要由三部分組成：標溫下結構參數標定、溫度實時采集系統和誤差補償系統。首先測量機利用自身系統獲得標準溫度下的結構參數，并作為標準結構參數。溫度采集系統將采集到的實時溫度與當前環境下的溫度進行對比和計算，將溫度偏差值按照溫度熱變形誤差公式進行實時補償，反過來，提高了三坐標測量機的測量精度。

3.2 動態誤差補償方法

（1）軟件修正法補償。根據三坐標測量機的動態誤差產生時間節點不同，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場的誤差數據即時地進行誤差補償，這種方法誤差修正精度較高，但需要系統具有伺服驅動，成本較高。非實時誤差補償是對系統采集到的誤差數據進行分析校正，這種方法成本低，應用較為廣泛。本文采用軟件修正的方法對三坐標測量機的動態誤差進行非實時誤差補償。該軟件使用三次樣條原理對誤差進行插值計算，并繪出誤差曲線圖[4]。根據樣條函數理論，離散誤差點樣條函數的節點即是誤差點，在三次樣條函數擬合后，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。測量機在測量過程中，由于受測量力的影響會產生彎曲變形，導致測桿偏離測量理論準確位置，導致測量誤差的產生[5]。根據三坐標測量機測頭和測桿的結構，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生的橫向位移ωY和壓縮ωZ，其計算公式：

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

4 結束語

（1）本文首先對三坐標測量機的測量誤差進行分類，并對誤差源進行了分析，進而提出溫度熱變形補償和動態誤差補償方法，為后續的誤差補償方法的進一步研究奠定了基礎。

（2）本文對補償的具體方法涉及較少，后續需進一步深入研究。

參考文獻：

[1]劉鵬，康秋紅.三坐標測量機誤差補償技術綜述[J].重慶工商大學學報（自然科學版），2008（03）：243-246.

[2]楊平.基于改進型球桿儀的三坐標測量機空間誤差標定技術研究[D].廈門：廈門大學，2017：6-7.

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

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

[5]羅哉等.關節臂式坐標測量機測量力誤差分析及補償[J].儀器儀表學報，2017（05）：1159-1166.

基金項目：2016年蚌埠學院校級教研項目（2016JYXM12）

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