一种补偿测量机z向运动平行度误差的方法
一种补偿测量机z向运动平行度误差的方法
武太文;高国防;刘书桂;赵伟;张国雄
【摘 要】The error compensation is researched for a coordinate measuring machine(CMM)that uses interal and exter-nal measurement frames to measure the interal surface and external surfaces in continuous rotation.Studies show that parallelism errors between the z motion axis of the measurement frames and the axis of rotary table were the main reason for deviations of data at different heights.A calibration device having two standard rings at different heights was designed to improve measurement accuracy.And measurement data of the two standard rings were used to com-pensate the thermal error and z-axis parallelism errors caused by the thermal error.Auto-calibration would be executed after system start-up or under obvious temperature changes to reduce the adverse effect of temperature varia-tion.Results show that this method can reduce above-mentioned errors effectively.And the deviations of data at dif-ferent heights could be kept within 0.015,mm,meeting the requirement for the CMM application.%针对一台在连续转动过
山行描写了哪四种景物程中利用内外两个测量架同时测量内外表面的三坐标测量机,研究了其误差补偿.研究中发现在空间不同高度处测量结果出现较大差异的主要原因是内外测量轴的z向运动轴线与回转轴线之间的不平行.为了提高测量精度,设计了一种具有上下两个标准环的标定装置,根据两个标准环的测量结果对热误差及其引起的z向运动平行度误差进行补偿.为了减小温度变化的影响,在每天开机时或温变较大时,进行一次自动标定.实验结果表明,该方法有效地减小了上述误差,将不同高度间测量数据偏差控制在0.015,mm以内,满足了测量机使用要求.
【期刊名称】《天津大学学报》
【年(卷),期】2017(050)005
【总页数】4页(P536-539)
【关键词】回转测量;误差补偿;平行度误差;自动标定;三坐标测量机
谢娜张杰个人资料
【作 者】武太文;高国防;刘书桂;赵伟;张国雄
【作者单位】中国工程物理研究院化工材料研究所,绵阳 621900;中国工程物理研究院化工
材料研究所,绵阳 621900;天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津 300072;中国工程物理研究院化工材料研究所,绵阳 621900;天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津 300072
【正文语种】函中 文
【中图分类】TP202.2
三坐标测量机(CMM)产生测量误差的原因主要包括测量机本身误差和与测量条件相联系的各种因素引起的误差[1-2]，故学者们对测量机开展了结构误差分析和环境影响研究[3-4]，在尽可能消除机械结构影响和热影响后，测量机的测量误差有所减小．但在对测量机开展精度评价的过程中，发现测量机在空间不同高度的测量数据间仍存在较大偏差，故应对引起该偏差的误差因素进行分析、标定和补偿研究．
天津大学的张国雄课题组基于回转测量原理成功研制出一款具备双测量架的回转工件尺寸测量
        机[5]，可实现在无翻转的情况下对回转体零件内、外表面的各种参数(包括壁厚、偏
心、平行度等相关联参数)，进行同时测量．由于内、外测量架和转台分别安装在测量机基座上，尺寸链长．加之，为能用于生产环境，对环境条件要求不严，受温度变化影响较大.为保证测量精度、满足使用要求，本文针对该测量机开展了误差补偿技术研究．
测量机结构如图1所示，它是在一台商品三坐标测量机基础上进行改造，增加了一个转台和内测量系统．在测量一个截面时，内、外测量架分别将安装在其上的测头移到测量位置，转台带动工件连续转动，在回转中测量．转动一圈，测量一个截面，大大提高了测量效率．内、外表面同时测量，不仅进一步提高了测量效率，而且使壁厚等关联参数的测量更准确反映实际情况．
内、外测量架和转台各有自己的坐标系，需要将它们统一到转台坐标系，因为工件安装在转台上，便于获取所测工件参数．为了保证测量精度，要求3个坐标系有确定的相互位置，包括坐标原点的位置与轴的方向．在相互位置确定条件下，可以通过测量机安装调整后一次标定，实现坐标系统一．但由于内测量架和转台分别独立安装在测量机基座上，而工作台安装在3个千斤顶上，外测量架的x向导轨在工作台上，整个外测量架的x向导轨工作台按工作台定位，尺寸链长．加之，为能用于生产环境，对环境条件要求不应过严．温度变化
龙梅子mv和温度梯度会导致内、外测量架的轴线相对于转台轴线的方向发生变化，产生测量误差[6-9]．
内测部件和外测部件在z向运动轴线与回转工作台轴线之间的平行度误差包括xz平面内和yz平面内的不平行度[10]．由于测量工件时，内、外测头都在y方向探测，故xz平面内的不平行度为非敏感方向，所引起的是二次误差，这里主要研究在yz平面内的不平行度问题．
测量机主要用于测量径向参数．虽然也有一些轴向参数需要测量，但它们的公差较大，对测量精度要求不高．本文主要研究提高测量径向参数的精度．图2为工件内、外径测量示意，设工件转过360°时，内、外测头在一圈内的平均示值分别为sint和sext．工件安装的偏心与倾斜对测量直径只引起二次误差，只要偏心与倾斜不大，其影响可以忽略不计．
由图2中几何关系可得
式中：Lint和Lext分别为内、外测头回转体回转半径；U0和Y0分别为回转工作台中心A在内、外测量架坐标系中的y坐标．Lint、Lext、U0、Y0均可以通过标定得到．为区别于外测部件，内测部件的z向运动用v
世界十大手表品牌      表示．
若测量部件的z向运动轴线与回转轴线间不平行，则其在不同高度的测得工件直径值也会出现偏差，其对应规律如图3所示．
根据上述规律，将一个外径300.003,mm、内径207.503,mm的环规放置于3个不同高度，开展测量试验，对测量部件的z向运动轴线与回转轴线的平行度误差进行了评价，结果如表1所示．
由表1可知，外环直径测量结果与标准值的最大偏差为0.021,mm，不同高度间最大偏差为0.040,mm；内环直径测量结果与标准值的最大偏差为0.015,mm，不同高度间最大偏差为0.027,mm，测量机精度较差，无法满足使用要求．
由于内、外测量架各作为一个部件，其内部各轴之间的垂直度误差已经精确调整和标定．内部尺寸链较短，可以认为部件内部相互关系不变，两个测量架分别作为一个整体转动．上面讨论了两个部件绕x和y轴的转动，绕z轴的转动仅引起余弦误差，可以忽略不计．内、外测量架坐标系原点相对于转台坐标系原点的变化，只有y方向的变化会引起一次误差，需要同时标定与补偿．
为进行误差补偿，首先要到尺寸稳定的基准量进行误差标定．故设计了如图4所示的标定装置，用于对测量机内测部件和外测部件的z向运动平行度和原点y向位置进行标定[11]．标定装置由上、下两个标准环组成，为了满足使用要求，利用测量机和电感测头将上、下两个标准环之间、上标准环与回转工作台之间的偏心均调整到小于0.2,mm．由于偏心对测量直径只产生二次误差，故上述偏心对标定精度的影响可以忽略．
设下标准环的内径标准值为d01，外径标准值为d02，而实际测量结果分别为d1和d2，则内、外测头在此位置y方向上的偏移量分别为
同样，对上标准环的直径进行测量，得到内、外测头在y向偏移量Dint2和Dext2．如图5所示，对于内测部件z向运动轴线与回转工作台轴线间平行度误差导致Dint1＞Dint2，对于外测部件Dext2＞Dext1．
得到内、外测头运动轴线在yz平面内与回转工作台回转轴线的倾斜角qint和qext分别为
通过上述标定，还可以得到内、外测量架坐标系原点相对于转台坐标系原点的位置变化为
在每天开机后，或空调开停后等可能引起温度较大变化时执行一次自动标定．按标定得到
的轴线间平行度误差和原点位置变化引入误差补偿，即可减小由于温度变化等引起的平行度和原点位置变化的
    影响．
为了考核所提出的误差补偿方法的有效性和补偿后的测量机精度，重新将环规放置于3个不同高度，开展测量试验，测量结果如表2所示．
可知，外环直径测量结果与标准值的最大偏差为0.008,mm，不同高度间最大偏差为0.011,mm；内环直径测量结果与标准值的最大偏差为0.007,mm，不同高度间最大偏差为0.007,mm．测量机在不同高度的测量数据偏差被有效减小到0.015,mm以内，精度有较大提高，满足了使用要求．
采用误差补偿的方法提高测量机精度是一种经济、有效的手段，在未对测量机硬件结构进行较大改变的情况下，通过设计的标定装置，对热误差及其引起的测量机z向运动平行度误差进行自动标定和补偿，有效地减小了系统的测量误差，且操作方式简单，使用方便．
［1］    张国雄. 三坐标测量机[M]. 天津：天津大学出版社，1999.
Zhang Guoxiong. Coordinate Measuring Machines[M]. Tianjin：Tianjin University Press，1999(in Chinese).
数学教学案例
［2］    李 想. 多坐标回转体测量机结构与控制方法研究[D]. 天津：天津大学精密仪器与光电子工程学院，2012.
Li Xiang. Research of the Structure and Dominating System of Coordinate Measuring Machine of Axisymmetric Body[D]. Tianjin：School of Precision Instrument and Opto-Electronics Engineering，Tianjin University，2012 (in Chinese).
［3］    房佳威，张国雄，裘祖荣. 非接触激光测头测量轴线标定系统[J]. 电子测量技术，2006，29(3)：160-161.

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