基于Quindos系统的三坐标测量机几何精度误差补偿技术
三坐标测量机非刚性误差的分析与补偿
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
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]。
三坐标测量机精度检测评定及虚拟坐标系统研究
1、精度检测结果
经过对一系列不同尺寸和形状的标准件进行测量，我们发现三坐标测量机的 测量精度在±0.01mm以内。这一结果说明，在静态条件下，三坐标测量机的测量 精度较高，能够满足高精度测量的需求。
2、动态误差分析结果
通过对大量测量数据的统计分析，我们发现三坐标测量机的动态误差主要受 以下因素的影响：
研究方法
本次演示采用以下方法对三坐标测量机的精度检测和动态误差进行分析研究：
1、测量方法
采用标准件测量法对三坐标测量机的测量精度进行检测。标准件测量法是一 种通过使用高精度标准件对测量设备进行精度检测的方法。在本研究中，我们选 取一系列不同尺寸和形状的标准件，利用三坐标测量机对其进行测量，并比较测 量值与标准件的实际值，从而评估三坐标测量机的测量精度。
目前，对于三坐标测量机的精度检测和虚拟坐标系统的研究已经取得了一定 的成果。随着制造业的不断升级和改造，对三坐标测量机的精度要求也越来越高， 因此如何提高其精度成为了一个重要的研究方向。随着计算机技术和数学模型的 发展，
虚拟坐标系统的应用也越来越广泛。在未来的研究中，可以进一步探讨如何 将虚拟坐标系统应用到三坐标测量机的精度检测中，提高其测量效率和精度。此 外，对于三坐标测量机的其他方面的研究，如新型测头、高精度测量的应用等也 有待进一步研究。
结论与展望
通过本研究，我们得出以下结论：
1、在静态条件下，三坐标测量机的测量精度较高，能够满足高精度测量的 需求。
2、三坐标测量机的动态误差受被测工件的温度、重量、环境湿度和气压等 因素的影响。
展望未来，建议在以下方面进行进一步研究：
1、研究更加高效的误差补偿方法，以进一步提高三坐标测量机的测量精度。
性和可靠性。同时，虚拟坐标系统作为一种新兴技术，可有效提高三坐标测 量机的测量精度和效率。本次演示将详细探讨三坐标测量机精度检测评定及虚拟 坐标系统的研究现状和发展趋势。
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
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
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
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。
数控机床几何误差补偿-国内外现状
Institute of Numerical Control and Equipment Technology
12
测量工具：激光干涉仪
激光干涉仪为机床检定提供了一种高精度标准，有测量范围大(线 性测长40m)、测量速度快(60m/min)、稳定精度高(±0.7μm)、便携性 好等优点.能够测量机床的角度、位置误差、平面误差，借助于动态测 量软件QUICK-VIEW还可以获得线性进给轴的动态性能.另外，还具备自 动线性误差补偿功能. 不足：（1）不同误差需要不同的测量光路（定位误差、直线度误 差、角度误差等）;（2）不能测量进给轴的转角误差（Roll 误差）; （3）垂直度误差测量过于复杂.
4
刚体建模方法（Rigid Body Method ）
1982年前苏联专家 V.T.Portman提出刚体建 模理论并应用到机床建模 中，该理论能比较详细地 描绘出机床的传动误差。 刚体建模方法（RBM） 基于小误差和刚体假设， 借助于超精密齐次变换矩 阵（HTM），对机床结构组 成部分的几何特性和运动 关系进行建模.
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多体系统建模方法
(Multi-Body System Method)
国内外现状： 栗时平等提出了一种适用于任意结构多轴数控 机床的通用综合运，动学空间误差模型。该模型包含了位置误差 与运动误差， 反应了机床误差的实际变化规律。 2002年用开环 拓扑结构分析了FXYZ型立式三坐标测量机的空间误差模型， 并 软件实现了自动建模。 2005年郭辰等分析了多体系统有误差运 动的基本规律，建立了一台专用数控机床的回转工作台坐标系中 工件待加工点的空间位置误差向量模型。 评价：多体系统建模法（MBSM） 能避免刚体建模法RBM的一 些缺陷，为数控机床建立一个通用模型，从而实现计算机自动建 模。但该建模方法还不够完善而且缺乏足够的试验验证。
数控机床几何误差及其补偿方法的
几何误差的分类与识别
分类
根据误差的性质和来源，几何误差可分为定位误差、直线度误差、角度误差、垂 直度误差等。
识别
通过机床的精度检测、工件的加工精度检测等手段，可以识别并量化几何误差。 同时，借助先进的测量设备和检测技术，如激光干涉仪、球杆仪等，可以实现对 几何误差的高精度检测与识别。
02
CATALOGUE
未来发展趋势与挑战
发展趋势
随着制造技术的不断发展，对数控机床的精 度要求越来越高。未来，数控机床几何误差 补偿方法将更加注重实时性、自适应性和智 能化。同时，随着深度学习、大数据等技术 的发展，基于数据驱动的误差建模和补偿方 法将成为重要研究方向。
面临的挑战
在实际应用中，数控机床的误差往往受到多 种因素的影响，如温度、湿度、磨损等。如 何建立更加精确的误差模型，以及如何设计 更加有效的误差测量方法和补偿策略，将是 未来面临的主要挑战。
来源
几何误差主要来源于机床的制造误差、装配误差、磨损误差以及热变形等因素 。
几何误差对机床加工精度的影响
影响加工精度
几何误差会导致刀具与工件之 间的相对位置发生偏差，直接
影响工件的加工精度。
影响表面质量
几何误差可能引起刀具在加工过程 中的振动，从而影响工件的表面质 量。
影响生产效率
为了弥补几何误差带来的加工精度 损失，可能需要增加加工时间、调 整切削参数等，从而降低生产效率 。
实施效果
基于混合补偿法的机床精度提升 方案实施后，机床的加工精度得 到显著提高，满足了高精度零件 的加工需求。
案例三：先进补偿策略在高精度机床中的应用
问题描述
高精度机床对加工精度要求极高，传统的几何误差补偿方法难以满足其要求。
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同螺纹牙 （ ）的相对位置精度。如果不同螺纹牙 齿 的位置精度 （ 分线精度 ）产生误差，将会影响螺旋
副的 配 合精 度 ，从而 影 响传 动 精 度 ，甚 至造 成 机 构
的无 法 安装 或 无 法正 常 工作 。可 见 ，多 线螺 纹 的 分 头 精 度是 车 削加 工 中的主 要 重 点之 一 。 多 线螺 纹 的 分 线方 法 有 轴 向分 线 法和 圆周 分 线 法 两 类 。轴 向分 线是 指 分线 时 ，使 车 刀沿 轴 线 方 向 移 动 一 个 螺 距 （ ，再车 削 另一 条螺 旋 槽 。 圆周 Ｐ）
（） ｅ车阶梯 槽珐 （ 分层 切 削法 ｆ ） （） 军切 削｛ ｇ精 去
图１ 车削螺纹的方法
螺 纹 时 ，一般 采 用直 进 法 车 削 ，分 线 时 可以 直 接采 用轴 线 分头 法 或 圆周分 线 法 一次 完 成 ，能 较 好 地保 证 分 线 精 度 。其 原 因是 在 车 削操 作 时 只采 用 了 中滑 板 的径 向 进给 ，而 没有 运 用 小滑 板 的轴 向赶 刀 。而 当加 工 较 大螺 距 的 螺纹 时 ， 由于 受 切 削 力的 影 响 ， 不能 用 直 进法 的方式 直 接 完 成全 部 车 削过 程 。 如果 采 用除 直 进法 以 外 的 方法 进 行车 削 ，就 须 用 上 小滑 板 的赶 刀 ，如 左 右切 削法 ，就不 可 避 免地 会 出 现分
１ 和 蜗 杆时 ，通 常 采用 的切 削 方法 如 图
４ 符合机 床２ 项 精度与测 量机误差修正 文件 ． １
相关项的对应关 系
（ ）机 床 ２项 精 度 ，如 图１ 所示 。 １ １ ２ （ ） ２ 项 精 度与 测 量 机误 差 修 正 文 件 相 关项 ２ １
Ｒ （ 、 尺Ｘ 误差 ；Ｗ （
Ｒ Ｙ 、Ｒ ｘ ）滚动 、倾 斜 以 及俯 仰 、Ｒ Ｚ 、Ｒ ｎ Ｒ
）垂直度误差 。ＩＷ Ｎ （ 收稿 日期 ：２ １０ １ ） ０ ２ ５４
参 磊
冷工 加
：５ ６
（） ａ直进法 （） ｂ斜进法 （） 切 削法 （） ｃ左右 ｄ车直槽 法
分线是指分 线时 ，使 工件在 圆周上旋 转一个 角度 （６ 。／ ），再车削另一条螺旋槽 。 ３０ ｎ
通 常 ，教 材 上 介绍 的操 作 方法 ，从理 论 上 讲 ，
不论 是 用轴 向分 线还 是 圆周分 线 ，都 可 以 获得 较 准
确 的分 线精 度 。但在 实 际操 作 中 ，要 保 证 分线 的 准 确性 则 难度 很 大 。通 过 多年 的 教 学 实践 ，通过 反 复 摸 索 、分析 和 总 结 ，我 们获 得 了车 削多 线螺 纹 的 行 之 有 效 的操 作 方 法 ，经 过 实践 检验 取 得 了很 好 的 效 果 ，能很 好 地保 证 多 线螺 纹 的加 工 精 度 。
量
ｒｍｅ ｅ ｎｔ
保证多线螺纹和多线蜗杆分线精度的 有效方法
广东省韶关 市技师学 院 （ １ ０ ８ 赵 ５２ ２ ） 实
多线 螺纹 和 多线蜗 杆 的 车 削不 仅 要 保证 各 螺 纹 牙 （ ）的尺 寸 精 度和 形状 精 度 ，而 且 还 要保 证 不 齿
１ 示 。 精 车 时 用 左 右 切 削法 。 对车 削螺 距 较 小 的 所
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线性位移误 差 （ 定位 、 、 ）垂直 、
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水平平面 内直线度误差 ； Ｒ Ｘ Ｒ 、