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1、三坐標測量的誤差分析及校正摘要：三坐標測量機的測頭是坐標測量機的關(guān)鍵部件，主要用來觸測工件表面。精度是三坐標測量機的一項重要技術(shù)指標。文中系統(tǒng)地對三坐標測量機的誤差來源進行分類，針對幾何誤差總結(jié)了現(xiàn)存的檢測方法，最后給出了有利于實現(xiàn)低成本精度升級的誤差修正方法。關(guān)鍵詞：三坐標測量，誤差，修正，精度1.背景概況三坐標測量機(CoordinateMeasuringMachine，CMM)是指在一個六面體的空間范圍內(nèi)，能夠表現(xiàn)幾何形狀、長度及圓周分度等測量能力的儀器，又稱為三坐標測量儀或三次元。三坐標測量機
2、就是在三個相互垂直的方向上有導(dǎo)向機構(gòu)、測長元件、數(shù)顯裝置，有一個能夠放置工件的工作臺(大型和巨型不一定有)，測頭可以以手動或機動方式輕快地移動到被測點上，由讀數(shù)設(shè)備和數(shù)顯裝置把被測點的坐標值顯示出來的一種測量設(shè)備。顯然這是最簡單、最原始的測量機。有了這種測量機后，在測量容積里任意一點的坐標值都可通過讀數(shù)裝置和數(shù)顯裝置顯示出來。測量機的采點發(fā)訊裝置是測頭，在沿X、Y、Z三個軸的方向裝有光柵尺和讀數(shù)頭。其測量過程就是當測頭接觸工件并發(fā)出采點信號時，由控制系統(tǒng)去采集當前機床三軸坐標相對于機床原點的坐標值，再
3、由計算機系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行處理和輸出。因此測量機可以用來測量直接尺寸，也可以獲得間接尺寸和形位公差及各種相關(guān)關(guān)系，也可以實現(xiàn)全面掃描和一定的數(shù)據(jù)處理功能，為加工提供數(shù)據(jù)和測量結(jié)果。自動型還可以進行自動測量，實現(xiàn)批量零件的自動檢測。一下是兩種三坐標測量機的實圖。1.關(guān)鍵問題TP是接觸式結(jié)構(gòu)三維測頭，由測頭體、測桿、導(dǎo)線組成。測頭體內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示，這是一個彈簧結(jié)構(gòu)，彈力大小即測力。由3個小鐵棒分別枕放在2個球上，在運動位置上形成6點接觸。在接觸工件后產(chǎn)生觸發(fā)信號，并用于停止測頭的運動。在測桿與工件接觸之后
4、，再離開時彈簧把測桿恢復(fù)到原始位置。測球恢復(fù)位置精度可達到1um。TP是接觸式測頭，其功能是在測尖接觸表面的瞬間產(chǎn)生一個觸發(fā)信號，因此其內(nèi)部為一微開關(guān)電路。測頭體與測桿內(nèi)部彈簧結(jié)構(gòu)連接，在復(fù)位狀態(tài)(未接觸表面)電路導(dǎo)通。一旦測尖接觸表面，測桿偏離復(fù)位狀態(tài)，電路截止，形成一個觸發(fā)信號。在此瞬間可以記錄各個坐標位置，從而實現(xiàn)對工件測量。對于CMM測量機，影響測量精度的測頭性能參數(shù)為：測力、測量速度、測桿長度和測量方向。測頭的測力(和測桿連接彈性元件的預(yù)緊力)與測量精度有關(guān)，測力越小，精度越低，測力越大，精
5、度越高，測力大小可以調(diào)節(jié)。測頭的輸出和測量速度也有一定的關(guān)系，測速應(yīng)限定在一定范圍內(nèi)。TP測頭測量速度范圍為5~30mm/s，并應(yīng)保持測量速度均勻，以保證測量精度。測桿長度，由于測桿具有重量，測桿增長時，相當于重力增大，從而對測頭精度產(chǎn)生影響。所以，在微米級范圍應(yīng)使用短測桿，在0.01mm可以使用加長桿。測量方向，測頭雖然可以在周向360o測量，通常，測量方向與測量表面的法線的方向不應(yīng)超過+45o。因此，對給定的待測量面型，測尖方向應(yīng)隨表面曲率變化而變化。1.誤差類型分析1)力變形誤差在實際的坐標測量
6、中，雖然各個部件具有較高的剛性，但力變形是不可避免的。2)溫度誤差溫度誤差又稱為熱誤差或熱變形誤差，它不是溫度本身的誤差，而是由于溫度因素而引起的幾何參數(shù)的測量誤差。形成溫度誤差的主要因素是被測物體和測量儀器的溫度偏離20℃或被測物體的尺寸和儀器的性能隨溫度變化。誤差修正分為實時修正和非實時修正。由于系統(tǒng)誤差不便進行實時修正，在實踐中常常只對溫度誤差進行實時修正。橫臂梁式三坐標測量機的穩(wěn)定誤差可表示為:?l=l(αp-αs)?t式中:αp，αs被測工件及橫臂梁材料的線膨脹系數(shù),1/℃?t橫臂梁材料相對
7、于標準溫度(20℃)的偏差,l橫臂梁長度。3)探測誤差三坐標測頭的探測誤差是影響測量不確定度的重要因素,不同的測頭探測誤差也不同,一般包括瞄準誤差、測端等效直徑的影響、各向異性、附件誤差等。4)動態(tài)誤差動態(tài)誤差必然存在于動態(tài)測量中,對其研究起步較晚且過程復(fù)雜,是近年來的研究熱點。動態(tài)誤差一般分為兩類:一類是由組成系統(tǒng)的各部分元件本身的靜態(tài)和動態(tài)誤差性能不理想而引起的動態(tài)誤差,另一類是由系統(tǒng)內(nèi)外各種干擾引起的動態(tài)誤差。5)幾何誤差三坐標測量機由相互垂直的3個軸組成,各軸由滑塊-導(dǎo)軌系統(tǒng)實現(xiàn)直線運動。由于
8、制造偏差,滑塊在軸向有定位誤差,在另兩個方向上有直線度誤差及3個方向的角擺誤差。又由于裝配等因素造成3個軸之間存在垂直度誤差,三坐標測量機共有21項幾何誤差。1.修正方案1)多功能箱體：多功能箱有各種已標定的標準量，通過對這些標準量的測量，可以得出坐標測量機的檢測誤差。2)標準量塊法：用長度分別為最長軸滿行程1/3，1/2和1/4的3種量塊進行測量，一般將量塊放在測量空間中部，與其對角線找正，也可用步距規(guī)進行細致的檢測。3)空間球板法：在一平板的不同高度
