三坐标测量的误差分析及校准

三坐标测量机的测头是坐标测量机的关键部件，主要用来触测工件表面。精度是三坐标测量机的一项重要技术指标。文中系统地对三坐标测量机的误差来源进行分类，针对几何误差总结了现存的检测方法，最后给出了有利于实现低成本精度升级的误差修正方法。

关键词：三坐标测量、误差、修正、精度

背景概况

三坐标测量机(Coordinate Measuring Machine，CMM)是指在一个六面体的空间范围内，能够表现几何形状、长度及圆周分度等测量能力的仪器，又称为三坐标测量仪或三次元。三坐标测量机就是在三个相互垂直的方向上有导向机构、测长元件、数显装置，有一个能够放置工件的工作台(大型和巨型不一定有)，测头可以以手动或机动方式轻快地移动到被测点上，由读数设备和数显装置把被测点的坐标值显示出来的一种测量设备。显然这是最简单、最原始的测量机。有了这种测量机后，在测量容积里任意一点的坐标值都可通过读数装置和数显装置显示出来。测量机的采点发讯装置是测头，在沿X、Y、Z三个轴的方向装有光栅尺和读数头。其测量过程就是当测头接触工件并发出采点信号时，由控制系统去采集当前机床三轴坐标相对于机床原点的坐标值，再由计算机系统对数据进行处理和输出。因此测量机可以用来测量直接尺寸，也可以获得间接尺寸和形位公差及各种相关关系，也可以实现全面扫描和一定的数据处理功能，为加工提供数据和测量结果。自动型还可以进行自动测量，实现批量零件的自动检测。

关键问题

TP是接触式结构三维测头，由测头体、测杆、导线组成。测头体内部结构如下图所示，这是一个弹簧结构，弹力大小即测力。由3个小铁棒分别枕放在2个球上，在运动位置上形成6点接触。在接触工件后产生触发信号，并用于停止测头的运动。在测杆与工件接触之后，再离开时弹簧把测杆恢复到原始位置。测球恢复位置精度可达到1um。TP是接触式测头，其功能是在测尖接触表面的瞬间产生一个触发信号，因此其内部为一微开关电路。测头体与测杆内部弹簧结构连接，在复位状态(未接触表面)电路导通。一旦测尖接触表面，测杆偏离复位状态，电路截止，形成一个触发信号。在此瞬间可以记录各个坐标位置，从而实现对工件测量。对于CMM测量机，影响测量精度的测头性能参数为：测力、测量速度、测杆长度和测量方向。测头的测力(和测杆连接弹性元件的预紧力)与测量精度有关，测力越小，精度越低，测力越大，精度越高，测力大小可以调节。测头的输出和测量速度也有一定的关系，测速应限定在一定范围内。TP测头测量速度范围为5~30mm/s，并应保持测量速度均匀，以保证测量精度。测杆长度，由于测杆具有重量，测杆增长时，相当于重力增大，从而对测头精度产生影响。所以，在微米级范围应使用短测杆，在0.01mm可以使用加长杆。测量方向，测头虽然可以在周向360º测量，通常，测量方向与测量表面的法线的方向不应超过+45º。因此，对给定的待测量面型，测尖方向应随表面曲率变化而变化。

误差类型分析

1、力变形误差

在实际的坐标测量中，虽然各个部件具有较高的刚性，但力变形是不可避免的。

2、温度误差

温度误差又称为热误差或热变形误差，它不是温度本身的误差，而是由于温度因素而引起的几何参数的测量误差。形成温度误差的主要因素是被测物体和测量仪器的温度偏离20℃或被测物体的尺寸和仪器的性能随温度变化。误差修正分为实时修正和非实时修正。由于系统误差不便进行实时修正，在实践中常常只对温度误差进行实时修正。横臂梁式三坐标测量机的稳定误差可表示为:

∆l=l(αp-αs)∆t式中:

αp，αs被测工件及横臂梁材料的线膨胀系数,1/℃ ∆t横臂梁材料相对于标准温度(20℃)的偏差, l横臂梁长度。

3、探测误差

三坐标测头的探测误差是影响测量不确定度的重要因素,不同的测头探测误差也不同,一般包括瞄准误差、测端等效直径的影响、各向异性、附件误差等。

4、动态误差

动态误差必然存在于动态测量中,对其研究起步较晚且过程复杂,是近年来的研究热点。动态误差一般分为两类:一类是由组成系统的各部分元件本身的静态和动态误差性能不理想而引起的动态误差,另一类是由系统内外各种干扰引起的动态误差。

5、几何误差

三坐标测量机由相互垂直的3个轴组成,各轴由滑块-导轨系统实现直线运动。由于制造偏差,滑块在轴向有定位误差,在另两个方向上有直线度误差及3个方向的角摆误差。又由于装配等因素造成3个轴之间存在垂直度误差,三坐标测量机共有21项几何误差。

修正方案

1、多功能箱体：多功能箱有各种已标定的标准量，通过对这些标准量的测

量，可以得出坐标测量机的检测误差。

2、标准量块法：用长度分别为最长轴满行程1/3，1/2和1/4的3种量块进行

测量，一般将量块放在测量空间中部，与其对角线找正，也可用步距规进行细致的检测。

3、空间球板法：在一平板的不同高度上分布着一系列钢球，预先对球间距

进行精密标定。用测量机对球间距进行采样时，根据被测值与标定值之间的差值可以知道测量机的检测误差。

4、磁性球头棒法：磁性球头棒是由一根两端固定高精度钢球的棒和磁性球

座组成，它以球头棒的球心距作为标准量。当球头棒在测量空间转动测量时，将棒长的测量值与标准值相比，就可以知道球心距的测量误差。

5、Ren ishaw检测规：其工作原理类似于磁性球头棒。检测规的转臂在测

头的带动下可以在测量空间内精确旋转，形成标准圆弧。转臂长度已经精密标定，测量得到的坐标值与理想坐标值的差值为测量机各个轴向的空间误差值。

6、激光干涉仪法：以双频激光干涉仪为基础仪器，进行位置误差、直线度

误差、角运动误差和垂直度误差的测量。采用双频激光干涉仪法和电子水平仪对各个单项误差逐一测量，这种方法精度很高，但测量时间较长，而且仪器价格昂贵，对操作人员水平要求较高。在多数情况下，可以选取一些特殊的位置，使得仅有一部分几何误差对总的空间误差起作用，然后根据单项几何误差的性质，用高次多项式逼近，用较少的未知数求解，最后分离出全部21项误差，达到高精度测量的要求。

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