三坐标测量机测量误差分析及补偿方法分析

三坐标测量机测量误差分析及补偿方法分析

丁晨

安徽省计量科学研究院（安徽，合肥230051）

摘要：三坐标测量机作为一种高精度测量设备，在当代工业体系中应用十分广泛。但在实际运行中，会受到多种因素的负面影响，引入各种测量误差，影响产品加工精度。基于此，本文分析了三坐标测量机测量误差的产生原因，探究其相应的补偿方法，旨在全面提升三坐标测量机测量的准确性与可靠性。

关键词：三坐标测量机；测量误差；补偿；硬件；软件

引言

三坐标测量机是一类高精度的测量仪器，集成了光、机、电、计算机等多项技术，在航空航天、汽车、机械制造等领域应用十分广泛。三坐标测量机可快速、高精度测量工件几何尺寸、形位公差等各项参数，为工业产品设计、制造、质量管控等方面提供技术支撑。但受到各类因素的负面影响，会导致三坐标测量机测量误差增大，如果不对这些误差进行分析、补偿，会影响最终的测量准确度，进而影响产品质量。可见，加强三坐标测量机测量误差分析与补偿的研究，十分必要。

1. 三坐标测量机相关阐述

三坐标测量机主要组成部件包括主机、控制系统、测头系统、软件系统等。其中，主机包括工作台、立柱、导轨等，起着被测工件或测量部件的移动、支撑作用；控制系统负责测量机各个部件的高精度移动以及数据采集；测头用于测量工件的表面特性，获取被测件的相关信息；软件系统用于数据处理、分析，并生成报告[1]。

三坐标测量机运行中，测头在三维空间对工件整体进行测量，获取工件表面上多点的坐标值，通过信息采集、数据转换最终得到工件的几何尺寸、形状、位置误差等参数。

2. 三坐标测量机测量误差产生的具体原因

2.1设备自身误差

（1）导轨直线度。导轨作为测量机的重要部件，其直线度会对运动精度、测量精度直接造成影响，主要问题为导轨弯曲、扭曲、倾斜。

（2）丝杠螺距误差。机床工作台、测头移动都需要丝杠驱动，丝杠的螺距误差会直接导致工作台、测头移动产生偏差，对最终测量结果造成影响。

（3）光栅尺精度误差。测量坐标轴主要的部件就是光栅尺（一种传感器），光栅尺的精度会直接对测量机测量精度造成影响。

2.2测量环境误差

（1）温度变化。温度变化会导致机械结构产生热胀冷缩效应，从而引入较大的测量误差。温度变化还会对测头测量精度、稳定性造成负面。

（2）湿度变化。湿度会影响测量机电子元件、光学元件正常运行，从而造成测量误差问题。再加上高湿度环境会导致工件表面锈蚀、变形，降低最终测量结果的可靠性。

（3）振动与噪声。测量环境有较大的振动和噪声，会对测量机正常运行带来干扰，从而增加测量误差。特别是高精度测量工作中，振动与噪声的干扰效果更加明显。

2.3测头系统误差

（1）测头半径补偿误差。接触式测量中，要对测头半径进行补偿。一旦半径补偿不精准，就会产生测量误差。

（2）测头触发力误差。触发力会直接影响工件表面和测头的接触状态，因此可能出现误差情况。一旦触发力过小或过大，都会对最终测量结果造成影响。

（3）测头磨损与变形。测头长期使用产生变形和磨损问题，降低了最终测量准确度。

2.4测量方法误差

（1）测量方法选择不当。测量期间，测量方案制定不合理，如测量路径不合理、测量点数少等，从而增加测量误差。

（2）工件装夹误差。工件装夹不牢固、装夹位置不精准，都会产生变形，对最终测量结果带来影响。特别是薄壁工件、大型工件，装夹误差效应更加明显。

3. 误差补偿方法

结合三坐标测量机误差原因，可从硬件补偿、软件补偿、环境补偿（温湿度补偿）等方法提高测量精度。其主要表现为：

3.1硬件补偿

硬件补偿是对测量机机械机构进行优化调整，从而降低最终测量误差，包括提升导轨、丝杠等核心部件加工与装配进度得以实现。采用高精度导轨制造工艺，控制导轨直线度误差。更换精密丝杠，提升机械结构运行的准确性和平稳性，降低动态误差量。在测量机结构中加固和优化设计，降低振动对测量精度的影响，在关键部位增设减震垫等方法，可让测量机运动期间振动幅度降低30%[2]。硬件补偿可以在一定程度上降低测量误差，但技术难度高、投入成本高。

3.2软件补偿

3.2.1线性补偿

线性补偿是一种简单的补偿方法，对测量数据进行线性修正的方式降低误差。实际操作中，可利用激光干涉仪对三坐标测量机单轴进行精度补偿，从而获取更高精度的测量结果。

3.2.2多项式补偿

根据实际误差量建立多相似模型进行补偿。通过开展大量的实验方法获取数据，通常X轴误差和位置呈现出二次关系，结合公式[3]：

通过拟合确定系数a、b、c的数值，在实际测量中根据测量位置代入相关系数即可完成补偿。如通过拟合计算得出a、b、c数值分别为0.0002、-0.001、0.005，在测量位置为100mm时，则补偿量为0.02mm。

3.2.3神经网络补偿

该补偿方法是借助神经网络强大的非线性拟合能力完成误差补偿的方法。神经网络可以通过训练学习误差的复杂模式、变化规律，从而提高补偿精度。如通过对神经网络展开训练，使其可以精准预测不同条件下的误差值，测量期间给予相应的补偿量，通常可将测量误差降低50%以上。

3.3温度补偿

温度补偿是在测量机运行环境中，安装温度传感器，实时监测环境温度以及材料温度并采取补偿装置。通过查询资料得知，对于一米的钢制零件，温度变化每变化1℃，则会造成0.0115mm的尺寸变化。如测量机运行环境温度升高5℃，则需要采用温度补偿方法，温度引入的测量误差控制在一定范围。根据温度与误差量关系建立补偿函数，也可以采取环境内温度控制方案。某三坐标测量机环境温度要求为：测量机室温度要求：19～21℃；房间温度（温控间）：0.3℃/h；温度梯度（时间）：0.4℃/h；温度梯度（空间）：0.1℃/m。未改造前，环境温度记录曲线如图1所示。

图1  恒温系统改造前环境温度记录曲线（5天）

由于温度波动较大，无法满足测量机运行温度需求，决定对行温系统进行改造，增设智能高精度温度传感器、智能控制器等装置，传感器可实时采集环境温度信息，一旦环境温度存在波动或超出标准阈值，则控制器会自动调节温度系数，保持环境温度稳定。改造后进行温度检测，测量结果如图2所示，可见改造后的温度曲线平稳度有明显提升。

图2  恒温系统改造后环境温度记录曲线（7天）

4. 具体实施步骤

4.1坐标测量机校准

采用高精度量具进行校准，并获取误差数据。采用高精度量块测量即可得出不同位置的误差。测量点越多、最终测量结果越能准确地反应出坐标测量机的测量准确度。通过大量校准可掌握测量机误差情况，如误差大小、分布区域、变化规律等。同时模拟不同的运行环境进行测量，从而获取温度、湿度等参数对最终测量误差的影响。

4.2建立补偿模型

结合上述的误差检测工作得出的最终误差数据，确定误差补偿方法以及模型形式，对各类补偿方法展开对比分析，根据实际状况选择合适的补偿方案。如线性误差量较大，可采用线性补偿、多项式补偿方法；对于复杂的非线性误差，可考虑应用神经网络补偿方法。在模型建立期间，应确保模型建立的精准度、可靠性，并采用交叉验证方法做出精度评估[4]。

4.3模型验证

使用高精度测量数据对模型补偿精准度进行验证，选取有代表性的标准件进行测量，将实际测量结果和补偿后结果数据进行对比分析，如果补偿后的测量误差在标准允许范围内，则代表补偿模型构建成功；反之，如果补偿后的误差依然不满足标准误差量，则需要进一步对模型二次调整和优化，直到满足补偿后测量误差标准为止。

4.4实时补偿

在三坐标测量机运行期间，应用补偿模型实现实时补偿，最大程度上保障最终的测量精度。在测量机运行中，测量系统会自动根据补偿模型标准修正测量数据，从而得到高精度的测量结果参数。此外，需要定期对补偿模型进行更新、维护，以适应性测量机性能变化以及环境变化。

结束语

综上所述，三坐标测量机作为一种高精度且复杂的测量设备，其测量误差对产品质量和生产效率有着重要的影响。通过对三坐标测量机测量误差来源的分析，需要采取相应的补偿方法来提高测量准确性和可靠性，如软件补偿方法、硬件改进方法、测量环境控制方法等都具有各自的优势和适用范围，可以根据实际情况进行综合应用。在未来的研究中，还需要不断探索新的补偿方法和技术，进一步提高三坐标测量机的测量精度和性能，为工业生产的发展提供更有力的支持。

参考文献

[1] 杨胜华.三坐标测量机测量误差分析及补偿方法探究[J].仪器仪表标准化与计量, 2021(5):38-39.

[2] 丁庆,靳瑞平.三坐标测量机测量误差分析及补偿方法的研究[J].商业2.0（经济管理）, 2020(12):296-297.

[3] 辛天飞.三坐标测量机测量误差分析及补偿方法的研究[J].探索科学, 2019(10):14-15.

[4] 范恒亮.三坐标测量机测量误差分析及补偿方法的研究[J].山东工业技术, 2019(5):104-105.