三坐标测量机测量误差分析及补偿方法的研究

范恒亮

摘 要：三坐標测量机作为高精度仪器，测量误差仍然难以消除。为了提高三坐标测量机的测量精度，选择合适的误差补偿的方法至关重要。本文首先对三坐标测量机的测量误差进行分类，分析误差源，然后提出温度热变形补偿和动态误差补偿方法，为进一步研究补偿方法奠定了基础。

关键词：三坐标测量机;准静态误差;动态误差;补偿

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

0 引言

作为精密测量仪器，三坐标测量机在产品设计、加工制造、检测等领域得到广泛的应用与推广[1]。但在实际的测量过程中，仍然会有测量误差的产生，如测头测针磨损、测量路径选择不当等因素。因此，分析误差源并采取合适的补偿方法，是提高测量精度行之有效的途径[2]。

1 三坐标测量机误差分类

根据误差特性的不同，可将误差分为准静态误差和动态误差。准静态误差是指由于外界因素和自身结构引起的误差，而动态误差引起的原因是多方面的，会随时间变化而变化。

2 三坐标测量机误差源分析

2.1 准静态误差源分析

三坐标测量机静态误差的原因是多方面的，如测量环境的温度、湿度、振动、机导向机构的运动、测头磨损，以及测量方法等不确定因素造成的[3]。

2.2 动态误差源分析

三坐标测量机是一个由机体、驱动部分、控制系统、导轨支承、侧头部分、计算机及软件等组成的整体。测量速度会随着测量任务的变化而经常性的变化，在测量过程中，会受到较大的惯性力。由于三坐标测量机的运动部件和导轨是弱刚度性，因此运动部件会在惯性力的作用下产生偏转，测针会偏离正交位置并产生动态误差。

由于三坐标测量机的导轨支承的运动精度会随着三轴的移动速度变化而变化，在此过程中会伴随着测头接触力、测头等效半径和冲击力的变化，导致三坐标测量机的移动速度和逼近距离产生偏差，动态误差随之产生。

3 三坐标测量机误差补偿方法

3.1 三坐标测量机温度补偿方法

三坐标测量机温度补偿主要由三部分组成：标温下结构参数标定、温度实时采集系统和误差补偿系统。首先测量机利用自身系统获得标准温度下的结构参数，并作为标准结构参数。温度采集系统将采集到的实时温度与当前环境下的温度进行对比和计算，将温度偏差值按照温度热变形误差公式进行实时补偿，反过来，提高了三坐标测量机的测量精度。

3.2 动态误差补偿方法

（1）软件修正法补偿。根据三坐标测量机的动态误差产生时间节点不同，可分为实时误差与非实时误差。实时误差的补偿方法是对现场的误差数据即时地进行误差补偿，这种方法误差修正精度较高，但需要系统具有伺服驱动，成本较高。非实时误差补偿是对系统采集到的误差数据进行分析校正，这种方法成本低，应用较为广泛。本文采用软件修正的方法对三坐标测量机的动态误差进行非实时误差补偿。该软件使用三次样条原理对误差进行插值计算，并绘出误差曲线图[4]。根据样条函数理论，离散误差点样条函数的节点即是误差点，在三次样条函数拟合后，可以得到误差曲线的模型，拟合精度高，适用性强。

（2）测量力误差补偿。测量机在测量过程中，由于受测量力的影响会产生弯曲变形，导致测杆偏离测量理论准确位置，导致测量误差的产生[5]。根据三坐标测量机测头和测杆的结构，建立测杆的弯曲变形模型，如图1所示。

分析上述模型，可得到测量力对测量杆产生的横向位移ωY和压缩ωZ，其计算公式：

根据上式可得到测量力与横向位移、压缩位移的关系，如图2、3所示。根据上述关系，可按照测量力的大小对测杆的横向位移和压缩位移进行补偿。

4 结束语

（1）本文首先对三坐标测量机的测量误差进行分类，并对误差源进行了分析，进而提出温度热变形补偿和动态误差补偿方法，为后续的误差补偿方法的进一步研究奠定了基础。

（2）本文对补偿的具体方法涉及较少，后续需进一步深入研究。

参考文献：

[1]刘鹏，康秋红.三坐标测量机误差补偿技术综述[J].重庆工商大学学报（自然科学版），2008（03）：243-246.

[2]杨平.基于改进型球杆仪的三坐标测量机空间误差标定技术研究[D].厦门：厦门大学，2017：6-7.

[3]王赞霖.三坐标测量机的误差分析[J].科学与财富，2016（06）：1-2.

[4]杨建国.五轴数控机床几何误差高效检测与综合补偿[D].上海：上海交通大学，2016.

[5]罗哉等.关节臂式坐标测量机测量力误差分析及补偿[J].仪器仪表学报，2017（05）：1159-1166.

基金项目：2016年蚌埠学院校级教研项目（2016JYXM12）

作者简介：范恒亮（1988-），男，安徽界首人，硕士，讲师，研究方向：机械设计理论与方法研究。