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1、三坐標(biāo)測(cè)量的誤差分析及校正摘要：三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)頭是坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的關(guān)鍵部件，主要用來(lái)觸測(cè)工件表面。精度是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。文中系統(tǒng)地對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的誤差來(lái)源進(jìn)行分類，針對(duì)幾何誤差總結(jié)了現(xiàn)存的檢測(cè)方法，最后給出了有利于實(shí)現(xiàn)低成本精度升級(jí)的誤差修正方法。關(guān)鍵詞：三坐標(biāo)測(cè)量，誤差，修正，精度1.背景概況三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CoordinateMeasuringMachine，CMM)是指在一個(gè)六面體的空間范圍內(nèi)，能夠表現(xiàn)幾何形狀、長(zhǎng)度及圓周分度等測(cè)量能力的儀器，又稱為三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x或三次元。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)就是在三個(gè)相互垂直的方向上有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、測(cè)長(zhǎng)元件、數(shù)顯
2、裝置，有一個(gè)能夠放置工件的工作臺(tái)(大型和巨型不一定有)，測(cè)頭可以以手動(dòng)或機(jī)動(dòng)方式輕快地移動(dòng)到被測(cè)點(diǎn)上，由讀數(shù)設(shè)備和數(shù)顯裝置把被測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值顯示出來(lái)的一種測(cè)量設(shè)備。顯然這是最簡(jiǎn)單、最原始的測(cè)量機(jī)。有了這種測(cè)量機(jī)后，在測(cè)量容積里任意一點(diǎn)的坐標(biāo)值都可通過(guò)讀數(shù)裝置和數(shù)顯裝置顯示出來(lái)。測(cè)量機(jī)的采點(diǎn)發(fā)訊裝置是測(cè)頭，在沿X、Y、Z三個(gè)軸的方向裝有光柵尺和讀數(shù)頭。其測(cè)量過(guò)程就是當(dāng)測(cè)頭接觸工件并發(fā)出采點(diǎn)信號(hào)時(shí)，由控制系統(tǒng)去采集當(dāng)前機(jī)床三軸坐標(biāo)相對(duì)于機(jī)床原點(diǎn)的坐標(biāo)值，再由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和輸出。因此測(cè)量機(jī)可以用來(lái)測(cè)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)
3、關(guān)系，也可以實(shí)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(cè)量結(jié)果。自動(dòng)型還可以進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)批量零件的自動(dòng)檢測(cè)。一下是兩種三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的實(shí)圖。1.關(guān)鍵問(wèn)題TP是接觸式結(jié)構(gòu)三維測(cè)頭，由測(cè)頭體、測(cè)桿、導(dǎo)線組成。測(cè)頭體內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示，這是一個(gè)彈簧結(jié)構(gòu)，彈力大小即測(cè)力。由3個(gè)小鐵棒分別枕放在2個(gè)球上，在運(yùn)動(dòng)位置上形成6點(diǎn)接觸。在接觸工件后產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，并用于停止測(cè)頭的運(yùn)動(dòng)。在測(cè)桿與工件接觸之后，再離開時(shí)彈簧把測(cè)桿恢復(fù)到原始位置。測(cè)球恢復(fù)位置精度可達(dá)到1um。TP是接觸式測(cè)頭，其功能是在測(cè)尖接觸表面的瞬間產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，因此其內(nèi)部為一微開關(guān)電路。
4、測(cè)頭體與測(cè)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(cè)尖接觸表面，測(cè)桿偏離復(fù)位狀態(tài)，電路截止，形成一個(gè)觸發(fā)信號(hào)。在此瞬間可以記錄各個(gè)坐標(biāo)位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件測(cè)量。對(duì)于CMM測(cè)量機(jī)，影響測(cè)量精度的測(cè)頭性能參數(shù)為：測(cè)力、測(cè)量速度、測(cè)桿長(zhǎng)度和測(cè)量方向。測(cè)頭的測(cè)力(和測(cè)桿連接彈性元件的預(yù)緊力)與測(cè)量精度有關(guān)，測(cè)力越小，精度越低，測(cè)力越大，精度越高，測(cè)力大小可以調(diào)節(jié)。測(cè)頭的輸出和測(cè)量速度也有一定的關(guān)系，測(cè)速應(yīng)限定在一定范圍內(nèi)。TP測(cè)頭測(cè)量速度范圍為5~30mm/s，并應(yīng)保持測(cè)量速度均勻，以保證測(cè)量精度。測(cè)桿長(zhǎng)度，由于測(cè)桿具有重量，測(cè)桿增長(zhǎng)時(shí)，相當(dāng)
5、于重力增大，從而對(duì)測(cè)頭精度產(chǎn)生影響。所以，在微米級(jí)范圍應(yīng)使用短測(cè)桿，在0.01mm可以使用加長(zhǎng)桿。測(cè)量方向，測(cè)頭雖然可以在周向360o測(cè)量，通常，測(cè)量方向與測(cè)量表面的法線的方向不應(yīng)超過(guò)+45o。因此，對(duì)給定的待測(cè)量面型，測(cè)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(shí)際的坐標(biāo)測(cè)量中，雖然各個(gè)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(cè)量誤差。形成溫度誤差的主要因素是被測(cè)物體和測(cè)量?jī)x器的溫度偏離20℃或被測(cè)物體的尺寸和儀器的性能隨溫度變
6、化。誤差修正分為實(shí)時(shí)修正和非實(shí)時(shí)修正。由于系統(tǒng)誤差不便進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，在實(shí)踐中常常只對(duì)溫度誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。橫臂梁式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的穩(wěn)定誤差可表示為:?l=l(αp-αs)?t式中:αp，αs被測(cè)工件及橫臂梁材料的線膨脹系數(shù),1/℃?t橫臂梁材料相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)溫度(20℃)的偏差,l橫臂梁長(zhǎng)度。3)探測(cè)誤差三坐標(biāo)測(cè)頭的探測(cè)誤差是影響測(cè)量不確定度的重要因素,不同的測(cè)頭探測(cè)誤差也不同,一般包括瞄準(zhǔn)誤差、測(cè)端等效直徑的影響、各向異性、附件誤差等。4)動(dòng)態(tài)誤差動(dòng)態(tài)誤差必然存在于動(dòng)態(tài)測(cè)量中,對(duì)其研究起步較晚且過(guò)程復(fù)雜,是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。動(dòng)態(tài)誤差一般分為兩類:一類是由組
7、成系統(tǒng)的各部分元件本身的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)誤差性能不理想而引起的動(dòng)態(tài)誤差,另一類是由系統(tǒng)內(nèi)外各種干擾引起的動(dòng)態(tài)誤差。5)幾何誤差三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)由相互垂直的3個(gè)軸組成,各軸由滑塊-導(dǎo)軌系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。由于制造偏差,滑塊在軸向有定位誤差,在另兩個(gè)方向上有直線度誤差及3個(gè)方向的角擺誤差。又由于裝配等因素造成3個(gè)軸之間存在垂直度誤差,三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)共有21項(xiàng)幾何誤差。1.修正方案1)多功能箱體：多功能箱有各種已標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)量，通過(guò)對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)量的測(cè)量，可以得出坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的檢測(cè)誤差。2)標(biāo)準(zhǔn)量塊法：用長(zhǎng)度分別為最長(zhǎng)軸滿行程1/3，1/2和1/4的3種量塊進(jìn)行測(cè)量，一般將量塊放
8、在測(cè)量空間中部，與其對(duì)角線找正，也可用步距規(guī)進(jìn)行細(xì)致的檢測(cè)。3)空間球板法：在一平板的不同高度
