三坐标测量机动态误差研究分析

三坐标测量机动态误差研究分析

刘善

无锡市计量测试院 江苏无锡 214000

摘要：随着当前我国经济技术的快速发展，三坐标测量技术得到了广泛的应用，成为测量机发展的一个重要的方向，因此对三坐标测量的速度和精度也提出了更高的要求，要不断降低其动态误差，满足测量机发展的需要。

关键词：三坐标测量机；动态误差；研究分析

1、前言

在测量的过程中随着测量速度的不断提升，在测量过程中产生的动态误差就会增加，造成测量精度和测量速度之间的矛盾，因此，在三坐标测量机测量的过程中要减少其误差，保证在高速下测量数据的准确性。

2、三坐标测量机的动态特性及主要动态误差源

根据动态测量的标准和要求，所谓的动态测量是由测量设备在动态条件下完成的。坐标测量机可以看作是一个在慢速和快速测量条件下的动态测量系统。三坐标测量机在测量过程中产生的误差主要是由于实际测量数据与理想测量数据之间的偏差，即动态测量的数据误差。Weakers认为，测量机在测量过程中产生的动态误差主要是由设备零件的偏转或精度不足引起的。通过线性动态系统详细描述了动态系统的相关数据。

在当前工业使用过程中应用最广泛的移动桥式测量机是德国ZeissMC850测量机，其整个桥架沿x方向的空气导轨移动，滑块在梁上沿y的方向进行移动，机架的列驱动探针结构沿z方向进行移动。每个轴通过空气轴承的结构进行连接，可移动桥结构被单向驱动，并且探针是触发探针。在这种类型的测量机的高速测量中，测量速度经常变化，因此可移动部分的连接部分处的空气轴承的刚度很弱，并且由于导轨的不理想性，每个可移动部分都受到相对较大的惯性力的实际影响。此外，各种随机因素也会在相关测量的评价中引入动态测量误差。

3、坐标系因素导致的测量误差的分析

3.1建立坐标系所用元素要具有充分的稳定性

由于在坐标轴进行建立的过程中必须使用一个面，因此可以提高该面部的处理精度，但是面积很小。假如要测量的目标长度和坐标距离相对较远，或者如果要测量的对象的面积又较大，则由于坐标系中的细微差异，要测量的对象的数据变化会大幅波动，它降低了数据的说服力。因此，应该在零件坐标系中获得尽可能多的点，以最大化这些点的大小范围。

3.2建立坐标系所用特征元素要具有充分的代表性

建立参考平面时，测量点的选择应避免出现粗糙、毛刺和凸起的位置。选择点时，所选点的位置不应尽可能位于曲面的拐角处。如果参考坐标系遇到圆孔，必须考虑影响测量结果的因素，如圆孔的圆度、圆柱度和垂直度。选点时请尽量避开，手动测量粗糙度、毛刺和凸起的位置，然后自动测量并使用自动测量的数据作为最终数据。测量坐标系中其他基准的特性是相同的。这些元素是主要的特征，并采取尽可能多的点，以帮助这些点避免粗糙，毛刺，颠簸和过度弯曲。

3.3要能够正确应用建立好的零件坐标系

建立坐标系后，将无法再进行相应的更改，并且必须在此坐标系中测量要测量的对象。从理论上讲，如果建立的坐标系与图形一样精确，则可以评估测量结果。但是，实际情况并不相同。在我们建立的坐标系中，每个要素元素都不是唯一的。这需要面积，线，点等的组合，并且在这些既定条件下也需要几何公差且，创建的初始坐标会相应地旋转和偏移，从而使它们在测量其他零件时更容易出错。该值不是绝对理想值，因为它需要在偏移旋转之后的时间进行校正，并且实际零件还需要偏移旋转之后的尺寸公差。建立初始坐标后，设置绝对偏移和旋转角度。生成的新坐标是理想坐标系，并且新坐标系用于测量。由此获得偏移或旋转角度值。

4、三坐标测量机误差补偿方法

4.1三坐标测量机温度补偿方法

三坐标测量机的温度补偿根据其位置不同，可将其分为三个部分，温度校准下的结构参数校准，实时温度采集系统和误差校正系统。首先，在测量机测量的过程中，通过测量获得在标准温度下的相关参数，将其作为一个标准；在测量的过程中测量温度对其准确行影响较大，因此要将环境温度和实时温度进行比较，比较后进行综合计算，找出温度影响的补偿；通过相应的补偿来提升三坐标测量机测量数据的准确性。

4.2动态误差补偿方法

（1）软件修订方法的补偿。根据CMM动态错误生成的各个时间节点，可以将其分为实时错误和非实时错误。实时纠错方法能够实时地校正现场错误数据，并且具有较高的纠错精度，但是它需要系统中的伺服驱动器，从而增加了成本。非实时错误纠正是对系统收集的错误数据的分析和纠正，这是一种以低成本广泛使用的方法。采用一种软件校正方法来校正CMM动态误差的非实时误差。

（2）测量力误差补偿。在测量过程中，测量机由于测量力的作用而弯曲或产生变形，并且测量杆偏离理论上精确的测量位置，从而导致测量误差。根据三坐标测量机在使用过程中的侧头和测杆建立其相应的模型，使其误差补偿更加精准。

5、三坐标测量机动态误差处理方法综述

5.1动态误差补偿

在动态测量过程中，对存在误差的地方进行补偿，通过动态补偿减少动态测量过程中产生的误差，通过有效补偿提高设备的测量精度和速度；对于先进的测量设备，如测量机，测量过程中产生的误差通过有效的误差补偿减少。在误差补偿过程中，主要针对机械误差和热变形误差，其他误差补偿需要进一步讨论。

5.2优化设计

改进测量仪的动态性能并减少动态误差的影响的思想已融入到高速测量仪的设计中。这意味着在设计阶段就知道每个组件的动态特性，从而改善了仪器的整体动态性能。

6、结束语

综上所述，在当前三坐标测量机动态测量的过程中通过误差补偿和测量机的优化设计来降低误差，保证三坐标测量机在高速下测量数据的准确行，为工业生产提供准确的数据参考。

参考文献：

[1]孙学川.三坐标测量机测量弧齿锥齿轮的一般方法研究[D].宁夏大学,2019.

[2]范晋伟,邢亚兰,郗艳梅,等.三坐标数控机床误差建模与补偿的实验研究[J].机械设计与制造,2019(9):150-152.

[3]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.