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摘要：20世纪60年代初,三坐标测量机(CoordinateMeasuringMachine,简称CMM)首次面市,这是一种精密的高效测量仪器。三坐标测量级的技术基础是计算机,数控,电子技术的极大发展。需求来源是由于数控机床以及零件形状复杂化而产生的配套测量设备的需求。时至今日,三坐标测量机已经由简单的配套设备转变为加工控制设备。在现如今的航天航空、汽车、机加工等行业中被广泛应用。已成为现代工业检测和质量控制不可缺少的测量设备。因此,使用好CMM,使其在生产中发挥其应有的作用,显得至关重要。测量误差在工程实践中不可避免,让测量人员了解三坐标测量过程中的误差来源及如何消除误差,使测量值更接近于实际值,具有较强的工程实践意义。
关键词：三坐标测量机；测量误差；补偿方法
作为精密测量仪器,三坐标测量机在产品设计、加工制造、检测等领域得到广泛的应用与推广。但在实际的测量过程中,仍然会有测量误差的产生,如测头测针磨损、测量路径选择不当等因素。因此,分析误差源并采取合适的补偿方法,是提高测量精度行之有效的途径。
1三坐标测量机误差分类
根据误差特性的不同,可将误差分为准静态误差和动态误差。准静态误差是指由于外界因素和自身结构引起的误差,而动态误差引起的原因是多方面的,会随时间变化而变化。
2三坐标测量机误差源分析
2.1准静态误差源分析
三坐标测量机静态误差的原因是多方面的,如测量环境的温度、湿度、振动、机导向机构的运动、测头磨损,以及测量方法等不确定因素造成的。
2.2动态误差源分析
三坐标测量机是一个由机体、驱动部分、控制系统、导轨支承、侧头部分、计算机及软件等组成的整体。测量速度会随着测量任务的变化而经常性的变化,在测量过程中,会受到较大的惯性力。由于三坐标测量机的运动部件和导轨是弱刚度性,因此运动部件会在惯性力的作用下产生偏转,测针会偏离正交位置并产生动态误差。
由于三坐标测量机的导轨支承的运动精度会随着三轴的移动速度变化而变化,在此过程中会伴随着测头接触力、测头等效半径和冲击力的变化,导致三坐标测量机的移动速度和逼近距离产生偏差,动态误差随之产生。
3三坐标测量机误差补偿方法
3.1三坐标测量机温度补偿方法
三坐标测量机温度补偿主要由三部分组成:标温下结构参数标定、温度实时采集系统和误差补偿系统。首先测量机利用自身系统获得标准温度下的结构参数,并作为标准结构参数。温度采集系统将采集到的实时温度与当前环境下的温度进行对比和计算,将温度偏差值按照温度热变形误差公式进行实时补偿,反过来,提高了三坐标测量机的测量精度。
3.2动态误差补偿方法
3.2.1软件修正法补偿
根据三坐标测量机的动态误差产生时间节点不同,可分为实时误差与非实时误差。实时误差的补偿方法是对现场的误差数据即时地进行误差补偿,这种方法误差修正精度较高,但需要系统具有伺服驱动,成本较高。非实时误差补偿是对系统采集到的误差数据进行分析校正,这种方法成本低,应用较为广泛。本文采用软件修正的方法对三坐标测量机的动态误差进行非实时误差补偿。该软件使用三次样条原理对误差进行插值计算,并绘出误差曲线图。根据样条函数理论,离散误差点样条函数的节点即是误差点,在三次样条函数拟合后,可以得到误差曲线的模型,拟合精度高,适用性强。
3.2.2测量力误差补偿
测量机在测量过程中,由于受测量力的影响会产生弯曲变形,导致测杆偏离测量理论准确位置,导致测量误差的产生。根据三坐标测量机测头和测杆的结构,建立测杆的弯曲变形模型。
分析上述模型,可得到测量力对测量杆产生的横向位移ωY和压缩ωZ,其计算公式：
根据上式可得到测量力与横向位移、压缩位移的关系。根据上述关系,可按照测量力的大小对测杆的横向位移和压缩位移进行补偿。
3.3确保测头校正的准确性
测头校正的目的，是校正出测杆的红宝石球的直径，进行测量点测头修正，并得出不同测头位置的位置关系。在测头校正时，产生的误差，将全部加入到测量中去。因此，要保证头校正的准确。使用不同测头位置时，在校正完所有测头位置后，要通过测量标准球球心点坐标的方法，来检查校验精度。如果对测量精度的要求比较高，需要重新校正测头，以确保数值精确。
3.4采取正确的测量方法
三坐标测量仪的测针，越短越好。根据测量经验，测针越短，测量结果越准确。对于比较精密的测量，一定要使用比较短的测针进行测量。尽量的减少接头与长杆，也可以提高测量的精度。在使用三坐标测量仪进行测量的时候，要尽量的做到侧头的直径范围尽量的大。因为使用三坐标测量仪进行测量，测头是最重要的一个测量配件，会直接的对测量的结果造成影响。
3.5减小三坐标测量机测量同轴度误差
方法主要在于，首先，增大基准截面之间的距离。在测量基准元素时，如果增大第一截面与第二截面建的距离，则误差干扰的比例，将相应减小；其次，如果被测工件截面较短，可采用变通方法，测直线度，来替代同轴度。实现方法为：分别在两个小圆柱上测量n个截面圆，然后选取这n个圆的圆心，拟合一条三维直线，该直线的直线度，可近似替代同轴度。工作截面越短，此变通方法的效果越好，可很方便地制作一个综合量规，来对该方法的准确性，进行验证。
4安全问题的解决方法
4.1提高工作人员的安全意识
各种安全事故的发生与人自我本身都有着或多或少的联系,如果相关工作人员具有足够高的安全意识及责任心,很多安全事故都是可以提前发现隐患并予以消除的。在对设备运行过程中的监测维护过程之中,应该培养工作人员对于维护安全问题的主观能动性,只有工作人员本身具有这种能动性,深刻认识到安全问题的重要性,以及安全隐患可能会造成的严重后果,才能做到在工作中毫不松懈,时刻仔细监测设备运行状况,及时发现问题并解决问题,将安全隐患及早排除。工作人员足够高的安全意识和责任心是维护系统和设备安全高效运行的前提,对安全问题的重视是顺利开展工作最大的前提。
4.2设备维护与维修
因为国家电网的电力系统自动化技术和相关的设备都是全天无休的运行的,这种长期处于运转中的状态必然会对设备产生有持续的损耗,而且运行过程中随时可能会出现异常情况和安全隐患问题,因此工作人员需要做好设备的日常监测维护与维修工作,每天的监测工作都不能丝毫有所松懈,必须要时刻关注记录设备系统的运行情况,不能忽视任何有可能造成安全事故的小问题或者异常现象;工作人员须填制好每天的设备运行日志,其中包括有设备发生的事故和障碍情况、维修情况、日常运行情况等,要对历史数据进行统计分析,以便在数据有异常的情况下能够及时察觉并作出及时的反应和处理;相关上级部门要严格监督设备检修维护的效率和质量,定期对日常维护维修的工作情况进行检查和考核,对其进行严格的验收,以督促相关工作人员保持高度重视的态度,认真的完成对设备的维护维修相关工作。
结论
三坐标测量机可以在计算机的控制下,完成复杂零件的测量,优点明显。但同时也具有其一定的局限性,从而带来误差。所以,我们需要能够通过一些手段,对系统性误差进行补偿,从而缩小误差范围对于过失误差,但对于非系统性误差,通常是由于测量过程中人为过失所致,应当通过手段来避免。
参考文献
[1]李明,印祯民.三坐标测量机及其应用[J].机械工人,2017,(1):23-25.
[2]李凯.三坐标测量机探针校准的误差分析[J].物理测试,2017,(4):38-40.