基于Quindos系统的三坐标测量机几何精度误差补偿技术

图6图5计,否则也会因为剃齿不够而出现齿根凸台,影响齿轮啮合效果。

编辑:胡红兵收稿日期:2001年6月三坐标测量机非刚性误差的分析与补偿福州大学(350002)　刘　鹏　林述温摘　要:根据移动桥式三坐标测量机非刚性效应测量误差的分布特征,通过对坐标测量机构件进行受力变形分析与建模,对坐标测量机的非刚性效应测量误差进行了分析,为高精度坐标测量机的误差补偿技术提供了新的思路。

关键词:三坐标测量机,　非刚性效应,　误差分析,　误差补偿E rror Analysis and Compensation of N on 2rigid E rrors of CMMLiu Peng et alAbstract :According to the distribution feature of non 2rigid effect measuring errors of bridge 2type C M M ,the non 2rigid errors of C M M are analyzed by means of the stress distortion analysis and the m odeling for components of C M M ,and a new idea for the error compensation of high precision C M M is provided.K eyw ords :C M M ,　non -rigid effect ,　error analysis ,　error compensation 1　引言误差补偿是提高三坐标测量机测量精度的有效途径,国内外有关专家对此进行了大量研究,提出了各种不同形式的误差补偿模型。

但是,现有的误差补偿模型大多是基于坐标测量机为刚体模型的假设。

随着对三坐标测量机测量精度的要求不断提高,基于刚体模型假设的误差补偿方式已难以完全满足补偿精度要求,因此必须对基于非刚性效应的误差补偿方法进行研究。

基于BP-PSO的三坐标测量机误差补偿摘要：随着工业制造的迅速发展，对测量精度的要求越来越高。

三坐标测量机作为一种精密检测仪器设备为制造业向智能化方向发展提供了良好的条件，为了降低三坐标测量机在实际测量过程中存在的误差，建立快速准确的三坐标测量机相关的误差修正模型，应用BP-PSO研究误差建模方法，本文分析了三坐标测量机的误差的来源及特点，利用PSO对BP神经网络进行优化，将优化后的神经网络用于三坐标测量机的误差补偿，并与单独用神经网络优化进行对比，实验表明，运用BP-PSO对三坐标测量机进行误差补偿后的MAE为0.503um，而通过BP神经网络补偿后的MAE为0.544um，则可证明BP-PSO算法具有显著的效果。

关键词：三坐标测量机；误差；PSO；BP1三坐标测量误差来源及特点三坐标测量机的组成结构结构复杂且各个子系统之间存在联系，因此三坐标测量机的精度提高，不仅仅依靠某个结构部件的精密度，同时依赖于各子系统之间的相互合作，相互支持。

且三坐标测量机的在测量过程中产生的误差与运动速度变化引起的惯性力和振动相关。

本文研究的MC850三坐标测量机的结构由机体、导轨支撑系统、驱动及控制系统、测头系统、测量系统、计算机及软件等组成[1][2]。

三坐标测量机的各个主要误差源及相互关联示意图如图(1)所示，各个误差因素不独立，相互关联。

从上图中析可以看出要对坐标测量机误差进行精确修正，必须考虑多误差相互制约的影响。

为了提高建模精度，必须采用有效的方法进行数据的降维，以提高最后结构的精度，在降维的同时也会一定程度上的减去误差噪声[3][4]。

2 PSO-BP神经网络2.1 PSO粒子群优化算法(particle swarm optimization,PSO)是一种模仿自然界生物活动的智能全局搜索算法。

粒子群算法由于流程简单容易实现，参数简洁。

无需复杂的调整，因此非常适合求解优化问题[5],[6]，在现实生活中具有较广的运用，并且已经取得了非常显著的效果粒子群优化算法的基本流程如下图2所示[7]。

长久以来，空间精度补偿技术一直应用于三坐标测量机上，以保证三坐标测量机作为计量器具而对其较高的精度要求, 而其机械制造与电器调试的精度难以满足相关要求。

一般三坐标测量机都经过补偿，使其能满足完成高精度测量的需要。

随着数控机床技术的不断发展，对机床精度的要求也越来越高。

现有机床精度单从机械设计和硬件制造上来考虑，成为制约行业发展的一个普遍作为三坐标测量机行业中引领测量技术先锋的英国（Renishaw）公司，在将其三坐标测量机UCC 控制器中“空间误差补偿技术”成功应用十多年后，针对Fanuc、Siemens 等数控系统，新近推出“空间误差补偿技术”。

以雷尼绍成熟的XL-80 激光干涉仪（如图1 所示）和QC-20 球杆仪作为测试基础，向市场推出RVC-Fanuc和RVC-Siemens 两套空间误差修正软件，以配合具备三维空间补偿选项的采用Fanuc 或Siemens 数控系统的加工中心、数控镗铣和龙门机床来提高其空间精度。

从目前用户实际使用的反馈表明，RVC 软件在相关数控机床上使用灵活、简便，效果明显。

遇到的瓶颈。

将三坐标测量机的空间精度补偿技术引入到数控机床上，可成功地解决数控机床精度再提高的关键问题。

补偿原理1 数控机床几何精度常见的21 项误差在机床的三轴移动空间中，共有9 个平移误差参数，9 个角度误差参数和3 个垂直度误差参数，总计21项误差。

要将21 项误差对机器空间位置的影响完全消除，需要将各项误差精确地检测出来，并研究开发有关软件，将检测得到的误差数据转换为具备相应功能的数控系统所能接受的参数，提供给系统补偿结果，从而提高机床空间精度。

在实际情况中，一台机床的误差原因会是多种误差的叠加作用的结果，单一误差测量显然无法完全提高机床的几何精度，特别是在整台机器的工作区域内各方向的精度。

2 数控系统的新增功能使用空间精度补偿方法对数控机床工作时产生的误差进行修正,如前所述，前期已经在三维测量机行业被证实为是减小机床定位误差的有效方法之一。

三坐标测量机的温度误差修正摘要根据三坐标测量机自身的特点和现代制造业对于产品质量控制要求的特点，对测量机的总体要求体现为如下几点：（1）高精度/高性能。

（2）高速度和高效率。

（3）高可靠性。

（4）高性能价格比。

（5）足够的灵活性。

（6）适应于各种环境条件。

而对于提高测量精度的问题又与温度密切相关。

本文就温度问题的考虑与温度误差的修正展开论述，主要解决了测量机在车间温度环境内的温度误差修正中软件温度补偿这方面。

关键词三坐标测量机温度问题误差修正温度补偿正文三坐标测量机作为一种通用性强、自动化程度高、高精度测量系统在先进制造技术与科学研究中有极广泛的应用。

英国Ferranti公司于1959年生产出首台三坐标测量机，可测量任意物件的尺寸、形状、位置和状态，当时被称为万能型测量机。

时光转瞬过去了四十余年，在这期间，三坐标测量机技术有了突飞猛进的发展，出现了许多生产精密测量机的厂家。

现在三坐标测量机已被广泛应用于实际生产和研究开发的各个领域。

[1]使用在传统计量室的测量机在许多情况下不能够在过程控制方面提供及时有效的解决方案。

目前，可以直接将测量机安装在车间现场,使之成为制造流程不可缺少的一部分。

把制造过程纳入控制，从而对任何的异常都能够马上采取行动。

在线测量或靠近生产线进行测量，能够显著减少调整生产线的时间，从而减少了新品投放市场的时间。

测量机逐渐地取而代之，可以补充传统专用量具的不足。

实际上，量具在测量速度上无可匹敌，但有时其局限同样是不可接受，尤其是它只能完成相对测量(即与样板进行比较)，这样就缺乏灵活性。

采用“车间现场的灵活性”概念，允许公司的尺寸质量控制策略得以发展。

用传统的“基于错误的调整”的检测方法来判断工件是否在公差范围内，只是在出现异常时才发现产生故障的原因。

这种方法可通过更有效地“控制的调整”方法取而代之，即可实时地检查过程趋向，预防有缺陷工件的产生，并为优化制造过程提供必要的信息。

对使用者来说，测量机所需要的一个主要特性就在于有效地适应车间现场尺寸控制的应用需要，也就是：良好的动态特性以适应合适的取样数率；一定水平的精度；保证符合制造的工件符合设计公差的要求；便于使用，即使是没有特殊计量知识背景的操作者也能够使用；方便的上、下料操作；在需要的情况下，需要整合在制造过程中，在不影响正常的测量机操作的情况下，能够脱机产生测量程序；为测量机提供避免环境影响的必要保护，并可保障操作者的人身安全。

三坐标测量误差及其处理分析刘京苑（清远职业技术学院，广东清远５１１５００）摘　要：三坐标测量可高效、准确地测量复杂零件，具有显著的优点。

但是由于存在一定的局限性，测量时存在个别误差。

因此，必须在有效手段的实施下，补偿系统性误差，为测量数据提供精确性保障。

就测量误差产生的原因进行分析。

提出了有效的处理方法，将误差控制至最低限度。

关键词：三坐标测量机；测量误差；处理措施；误差分析ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－８５５４．２０２０．０７．０４２　引言三坐标测量机属于自动化、高精度、多功能的接触式测量仪器。

在工业生产技术不断发展的情况下，也对三坐标测量机提出了更高的精度要求。

三坐标测量机测量误差的产生有着较多的原因，对测量精度造成的影响也有很大区别，难以比较与评定，因此，本文将机器精度、几何误差等作为主要检测内容，就三坐标测量机几种常见测量误差及处理策略进行分析。

三坐标测量机及其工作机理三坐标测量机作为科技时代下的应用与测量仪器代表性设备，是以空间三个维度为依据进行测量范围的构建，在光栅尺和测头的运用下为扫描和读取提供精确性保障，在对生产部件曲面、长度、宽度和高度进行科学计算测量后，获取精确的位置公差、三维结构，以此精度测量加工与生产部件。

三坐标测量机在空间三个相互垂直特点的运用下，结合导向设备引导方式，借助读数头实现数据获取，并在处理器的帮助下加工数据，随后在科学运算下可精确测量加工部件和机械零件［１］。

三坐标测量机具有自动化与数字化的优势，不但能将测量工作速度大幅度提升，同时还能推动测量工作质量的进一步提升，是当前设计、生产、加工及检验等工作领域中应用十分广泛的一种测量设备。

　三坐标测量机测量误差２ １　不合理的工作面选择引发的误差此类误差主要引发原因在于不一致的数据采集和数学模型计算方法。

如图１所示，具体实践中期望以被测要素进行数据采集，并以圆为依据对数据进行处理，然而实际采集中，因ＸＹ面处轴线有垂直偏移存在，以致于采集数据为椭圆，倘若以圆为依据进行处理，就会有一定的误差产生。

试析三坐标测量机测量结果的影响因素摘要：本文为了便于三向轴测量误差的分析研究，主要阐明了三角测量机的意义和测量原理，并以多种方式分析了三角测量机构测量误差，提高了分析的有效性。

与此同时，还进行了三种类型的测量误差分析，主要涉及环境温度误差、光栅误差和装配误差，所有这些都可以有效地进行分析，以获得更好的结果。

此外，本文还研究了如何弥补测量三个坐标时的误差。

该研究过程中，主要侧重于两个领域:温度补偿方法和动态误差修正的第二方法。

关键词:机械误差;位置误差;测头系统误差;环境因素引言在实际的零件检测中使用的绝大多数三坐标测量机(Coordinate Measuring Machine，CMM)都是基于直角坐标系的测量机，它的机械误差主要指CMM各轴运动的直线度、角摆和垂直度误差;其次就是CMM测头系统本身的误差;然后就是测量机现场检测环境因素引起的测量误差。

CMM校准时得出的是测量机的综合误差，即CMM空间和轴向方向的长度示值误差和重复性误差，并没有深入分析产生误差的各种原因。

下面对这些误差来源进行分析。

1三坐标测量机的含义及测量原理三角测量是当前发展背景下的一种新型精密测量装置，它比传统测量和三角测量机稳定得多，以避免测量误差并提高测量精度。

同时，研究分析了三坐标机构的测量原理，明确了三坐标机构主要根据坐标测量原理进行物理测量。

首先，在生活中发现了要测量的主体，提取了主体的几何元素，以确定几何元素内的具体测量坐标，并集中于确定的坐标。

测量时应注意严格的测量，主要是几何图元的精确尺寸、形状尺寸等。

到目前为止，三轴测量机已越来越多地应用于车间测量的各个领域，从而克服了传统测量方法的局限性，大大提高了测量精度。

2 三坐标测量机测量误差分析2.1测头系统误差测头系统一般包含测座、传感器、吸盘、测杆、测尖等，测座旋转误差对测头系统的影响较大，因此主要分析测座旋转误差带来的影响。

前面提到的机械误差、位置误差都是在没有安装CMM测头的情况下检测出来的CMM的固有误差，它们直接影响测量机的综合误差。

基于三维模型的三坐标测量技术研究摘要：伴随着机械工业技术的不断发展，当今世界的机械制造行业正在面临着第三次技术变革，随着科技进步，机械加工的自动化变革极其显著，这使得相应的计量检测技术随之向着更高精度、智能化的方向发展。

关于检测技术和理论实践的结合已有大量研究论文。

我国几何测量的自动化技术发展滞后于机械化生产，而传统的测量方法因为精度等因素而成为制约生产的“瓶颈”。

本文主要分析基于三维模型的三坐标测量技术研究。

关键词：三维模型；三坐标测量；自动测量；工件引言三坐标测量机是高效、精密的测量仪器，具有微米级的示值精度，配计算机CNC系统，可实现多种高精度、高复杂的测量工作。

三坐标的工作原理是在仪器范围空间内，操纵测头和测量物体的接触，利用测头的坐标来获得物体的形状信息，经数学运算求出被测元素几何尺寸与存在误差。

三坐标测量能够高质量、高效率地满足各种复杂零件的测量要求，已经成为目前世界上设计与制造技术中不可缺少的一项先进的检测技术。

高质高效地实现复杂工件的各种测量需求，已经是先进设计和制造技术必不可少的检验手段。

传统三坐标测量需要人员手动操作操纵杆来移动测头并采点，测量效率不高，对批量产品无法进行重复测量。

1、三坐标测量原理三坐标测量是一种用于测量物体三维几何形状和尺寸的精密测量技术，它基于笛卡尔坐标系，并通过测量目标点在空间中的位置来确定其坐标值。

在三坐标测量中，需先建立一个笛卡尔坐标系。

常见的方式是选择一个基准点作为参考原点，然后确定三个相互垂直且符合右手规则的轴线，分别为X轴、Y轴和Z轴。

通过各种感知设备（如测头、激光扫描仪等）获取目标物体上待测点的坐标信息，并转化为相对于建立的坐标系的二维或三维坐标值。

使用计算机软件或专用测量设备，将获取的二维或三维坐标值进行计算和处理，得到几何尺寸参数，如距离、角度、曲率等。

由于测量设备或目标物体自身的误差，测量结果可能存在一定的偏差。

为提高测量精度，通常需要进行误差补偿，通过校正、补偿等方法减小测量误差。

三坐标测量技术小结三坐标测量技术小结三坐标三坐标测量机它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坐标量床三坐标测量机的工作原理任何形状都是由空间点组成的所有的几何量测量都可以归结为空间点的测量因此精确进行空间点坐标的采集是评定任何几何形状的基础坐标测量机的基本原理是将被测零件放入它允许的测量空间精确的测出被测零件表面的点在空间三个坐标位置的数值将这些点的坐标数值经过计算机数据处理拟合形成测量元素如圆球圆柱圆锥曲面等经过数学计算的方法得出其形状位置公差及其他几何量数据在测量技术上光栅尺及以后的容栅磁栅激光干涉仪的出现革命性的把尺寸信息数字化不但可以进行数字显示而且为几何量测量的计算机处理进而用于控制打下基础三坐标测量仪可定义为一种具有可作三个方向移动的探测器可在三个相互垂直的导轨上移动此探测器以接触或非接触等方式传送讯号三个轴的位移测量系统如光学尺经数据处理器或计算机等计算出工件的各点坐标 XYZ 及各项功能测量的仪器三坐标测量仪的测量功能应包括尺寸精度定位精度几何精度及轮廓精度等应用领域测量高精度的几何零件和曲面测量复杂形状的机械零部件检测自由曲面可选用接触式或非接触式测头进行连续扫描功能几何元素的测量包括点线面圆球圆柱圆锥等等曲线曲面扫描支持点位扫描功能IGES文件的数据输出CAD 名义数据定义ASCII 文本数据输入名义曲线扫描符合公差定义的轮廓分析形位公差的计算包括直线度平面度圆度圆柱度垂直度倾斜度平行度位置度对称度同心度等等支持传统的数据输出报告图形化检测报告图形数据附注数据标签输出等多种输出方式设备特点核心零部件及软件全部原装进口单边活动桥式结构显著提高运动性能确保测量精度及稳定性三轴导轨均采用高精密天然花岗岩具有相同的温度特性及刚性三轴导轨均采用自洁式预载荷高精度空气轴承运动更平稳导轨永不受磨损 RENISHAW自粘开放式金属光栅尺更接近花岗岩基体的热膨胀系数提高了设备的稳定性RENISHAW UCC高速高精度自动控制系统内嵌32位微处理器真正实现实时控制上下位采用光纤通讯增强了电气抗干扰能力SEREIN DMIS 软件特点软件运行在WINDOWS 2000XP环境下全中文界面面向对象的编程方式支持图形镜像功能三维CAD数模导入再现实体或线架模型DMISSTEP文件导入导出测量结果的IGES文件输出支持逆向工程动态CMM模型支持测量机和测头的模拟和RENISHAW测头图形库测头管理功能可动态选择多种测针几何元素的测量包括点线面圆球圆柱圆锥等等曲线曲面扫描支持点位扫描功能IGES文件的数据输出CAD 名义数据定义ASCII 文本数据输入名义曲线扫描符合公差定义的轮廓分析形位公差的计算包括直线度平面度圆度圆柱度垂直度倾斜度平行度位置度对称度同心度等等支持传统的数据输出报告图形化检测报告图形数据附注数据标签输出等多种输出方式工件坐标系管理指定基准面轴即可生成工件坐标系并可实现坐标系平移旋转及迪卡尔坐标和极坐标的相互转换支持3-2-1找正误差补偿功能进一步提高机器测量精度基础技术参数型号 Leader Miracle NC8107行程X轴 800 mmY轴 1000 mmZ轴 700 mm结构型式活动桥式传动方式直流伺服系统预载荷高精度空气轴承长度测量系统RENISHAW开放式光栅尺分辨率为02μm机台高精度00级花岗岩平台使用环境温度 20±2 湿度55-65 温度梯度1m温度变化 1h空气压力04 MPa - 05 Mpa空气流量120 Lmin – 140 Lmin整机尺寸 LWH 12m X 14 m X 23 m机台承重1000 kg 整机重量3000 Kg空间测量精度294L1000μm产品的主要配件校正球校正块光栅尺尺探针控制器测量软件等等全球主要三坐标厂商LK蔡司温泽海克斯康西安交大精密爱德华法如波龙奥智品FeanorSNK埃帝科马波斯法信西安力德雷尼威尔等等顺序随便无任何排名百度百科中的词条内容仅供参考如果您需要解决具体问题尤其在法律医学等领域建议您咨询相关领域专业人士一形位公差形位公差是被测实际要素允许形状和位置变动的范围二形位公差的特征项目及符号直线度平面度圆度○形状公差圆柱度线轮廓度轮廓度形位公差平行度定向公差垂直度倾斜度位置公差同轴度定位公差对称度位置度跳动公差圆跳动全跳动形状和位置公差与检测零件几何要素和形位公差的特征项目一零件几何要素及其分类形位公差的研究对象几何要素简称要素一要素构成零件几何特征的点线面见书图3-1二要素的分类1按存在的状态分理想要素具有几何学意义的要素即几何的点线面它们不存在任何误差图样上表示的要素均为理想要素实际要素零件上实际存在的要素标准规定测量时用测得要素代替实际要素2按结构特征分轮廓要素构成零件外廓直接为人们所感觉到的点线面各要素如图3-1中123456都是轮廓要素中心要素具有对称关系的轮廓要素的对称中心点线面如图3-1中78均为中心要素3按检测时的地位分被测要素图样上给出了形位公差要求的要素是被检测的对象右图中φd2的圆柱面和φd2的台肩面都给出了形位公差因此都属于被测要素基准要素零件上用来确定被测要素的方向或位置的要素基准要素在图样上都标有基准符号或基准代号如右图中φd2的中心线即为基准要素A4按功能关系分单一要素仅对被测要素本身给出形状公差的要素如上图中φd2的圆柱面是被测要素且给出了圆柱度公差要求故为单一要素关联要素与零件基准要素有功能要求的要素即相对于基准要素有功能要求而给出位置公差的要素如上图中φd2的台肩面相对于φd2圆柱基准轴线有垂直的功能要求且都给出了位置公差所以φd2的圆柱台肩面就是被测关联要素三坐标怎样用来进行曲面检测CMM曲面检测1传统测量方法在没有采用CAD数模的情况下用三坐标测量机对曲面件检测通常是先在CAD软件里用相关命令在曲面数模上生成截面线和点的坐标以此作为理论值控制测量机到对应的位置进行检测并比较坐标值的偏离这种方法需要设计人员额外提供理论数据同时测头测尖球径的补偿不容易准确实现对于单点测量来说由于无法确定矢量方向测头的补偿根本无法实现因此这种办法具有一定的局限性2基于3D数模的测量利用曲面数模对曲面进行检测是CMM测量技术发展的需要由于曲面建构技术比较复杂在CAD应用范畴里也属于高端技术一般由专业的CADCAM系统完成在测量软件内则是通过导入设计数模而利用的问题为了实现这一目的就必须解决好四个方面的技术问题数模导入接口对齐测尖补偿理论值捕获一数模导入接口利用数模进行检测首先要做的工作当然是保证数模正确导入到测量软件事实上由于技术利益等众所周知的原因全世界各大CAD制造商各自开发着不同的软件和格式例如国内影响比较大的UGPROECATIA等均不能直接互读文件为了解决这一矛盾国际上建立了一系列的数据交换标准如国际标准数据交换STEP Standard for the Exchange of Product Model Data 美国的初始图形交换标准IGES Initial Graphics Exchange Specification 等尽管IGES标准存在数据文件大转换时间长信息不够全等缺点但不可否认它是目前应用最广泛的接口标准绝大部分CAD软件均支持该标准我国也将IGES作为推荐标准目前具备数模检测功能的测量机软件均支持IGES格式差异基本上主要体现在复杂数模输入后个别曲面的丢失破损还有就是导入速度的快慢对于一个10M的数模有的可能用几十秒钟有的可能要几分钟目前市面上比较有名的CMM测量软件均基本较好的解决了这一问题图1为中测量仪自主研发。