范恒亮

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

關(guān)鍵詞：三坐標(biāo)測(cè)量機(jī);準(zhǔn)靜態(tài)誤差;動(dòng)態(tài)誤差;補(bǔ)償

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

0 引言

作為精密測(cè)量?jī)x器，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工制造、檢測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用與推廣[1]。但在實(shí)際的測(cè)量過(guò)程中，仍然會(huì)有測(cè)量誤差的產(chǎn)生，如測(cè)頭測(cè)針磨損、測(cè)量路徑選擇不當(dāng)?shù)纫蛩?。因此，分析誤差源并采取合適的補(bǔ)償方法，是提高測(cè)量精度行之有效的途徑[2]。

1 三坐標(biāo)測(cè)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(dòng)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(dòng)態(tài)誤差引起的原因是多方面的，會(huì)隨時(shí)間變化而變化。

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

2.2 動(dòng)態(tài)誤差源分析

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

由于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的導(dǎo)軌支承的運(yùn)動(dòng)精度會(huì)隨著三軸的移動(dòng)速度變化而變化，在此過(guò)程中會(huì)伴隨著測(cè)頭接觸力、測(cè)頭等效半徑和沖擊力的變化，導(dǎo)致三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的移動(dòng)速度和逼近距離產(chǎn)生偏差，動(dòng)態(tài)誤差隨之產(chǎn)生。

3 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)誤差補(bǔ)償方法

3.1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)溫度補(bǔ)償方法

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)溫度補(bǔ)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(shí)時(shí)采集系統(tǒng)和誤差補(bǔ)償系統(tǒng)。首先測(cè)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(shí)時(shí)溫度與當(dāng)前環(huán)境下的溫度進(jìn)行對(duì)比和計(jì)算，將溫度偏差值按照溫度熱變形誤差公式進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，反過(guò)來(lái)，提高了三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量精度。

3.2 動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償方法

（1）軟件修正法補(bǔ)償。根據(jù)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的動(dòng)態(tài)誤差產(chǎn)生時(shí)間節(jié)點(diǎn)不同，可分為實(shí)時(shí)誤差與非實(shí)時(shí)誤差。實(shí)時(shí)誤差的補(bǔ)償方法是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的誤差數(shù)據(jù)即時(shí)地進(jìn)行誤差補(bǔ)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(dòng)，成本較高。非實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償是對(duì)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(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的動(dòng)態(tài)誤差進(jìn)行非實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償。該軟件使用三次樣條原理對(duì)誤差進(jìn)行插值計(jì)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(diǎn)樣條函數(shù)的節(jié)點(diǎn)即是誤差點(diǎn)，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(qiáng)。

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

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

根據(jù)上式可得到測(cè)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(cè)量力的大小對(duì)測(cè)桿的橫向位移和壓縮位移進(jìn)行補(bǔ)償。

4 結(jié)束語(yǔ)

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

（2）本文對(duì)補(bǔ)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(cè)量機(jī)誤差補(bǔ)償技術(shù)綜述[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008（03）：243-246.

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

[4]楊建國(guó).五軸數(shù)控機(jī)床幾何誤差高效檢測(cè)與綜合補(bǔ)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(cè)量機(jī)測(cè)量力誤差分析及補(bǔ)償[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2017（05）：1159-1166.

基金項(xiàng)目：2016年蚌埠學(xué)院校級(jí)教研項(xiàng)目（2016JYXM12）

作者簡(jiǎn)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(jì)理論與方法研究。