技术分享 | 坐标测量机误差补偿-误差补偿效果检验与分析

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行业新闻

发布时间:

2023-09-01

来源:

作者:

YUNZHISUN

“误差补偿”是为了使得坐标测量机经济地达到更高的测量精度，人们不断发展的技术。要完全通过提高制作精度、严格控制环境条件与使用条件来实现高的测量精度，是很困难的。即使技术上可能，在经济上也要付出高昂的代价。为了经济地达到高的测量精度，误差补偿技术在三坐标测量机中得到了广泛的应用。

在坐标测量技术中，误差补偿的基本思路是，用精度更高的仪器或者样件，将坐标测量机的误差检测出来。在坐标测量机工作时，按检定的结果对误差进行修正。

误差补偿技术是提高三坐标测量机精度的一项重要技术，在完成对三坐标测量机的误差补偿后，需要依据科学的办法，对补偿效果进行检验。

实物基准检验的办法

误差补偿的效果，通常可用激光干涉仪或量块等实物基准，检验测量机经误差补偿后测量不确定度(或位移误差)是否有明显减小。

为了检验模型的正确性，并使检验有客观性，检验补偿效果时，测量线不应为检测测量机误差时选用的测量线。最常用的校验测量线为坐标测量机最大测量空间的4条空间对角线AG,CE,BH,DF，如下图所示。

测量线的选择

根据通行的用于尺寸测量的测量机的精度判断标准（JJF1061-2000）中，对于示值误差的测量方法，可以有效用于检验补偿效果。在补偿前后分别按照此办法查看误差减小的效果，是对误差补偿的最直接的检验。为了检验热变形误差补偿的效果，还应在不同的温度条件下检验补偿效果。

“5个尺寸实物标准器放在测量空间的7个不同的方向或位置，各测量3次，共进行105次测量，考虑了测量不确定度后，所有105次测量的坐标测量机的示值误差E不大于规定的用于尺寸测量的坐标测量机的最大允许示值误差MPEE，坐标测量机的性能合格。如在35组尺寸测量中最多有五组，每组测量的3个值中只允许有一个值超出合格区。每一个超出合格区的尺寸测量必须在相应的方向和位置重测10遍;当所有重复测量的数据满足示值误差E不大于规定的最大允许示值误差，用于尺寸测量的坐标测量机的性能合格。”

三坐标性能验证办法-标块测量

下面是对一台三坐标测量机的误差进行补偿的效果。图中实线为测量机沿主对角线AG运动时补偿前的位移误差曲线，虚线为补偿后的误差曲线。经过补偿，最大位移误差由41 um减为1.5 um。位移误差由激光干涉仪检测。

误差补偿效果示例

误差补偿效果分析

1)首先检查沿坐标轴的定位误差，如所选择测量线与检测测量机误差时完全相同。若补偿效果不好,可能由于:

测得的原始误差数据不准

测量机随机误差或短周期误差太大;

温度误差补偿不完善，可能由于温度未测准，也可能由于等效线膨胀系数未测准;

误差补偿的符号反了;

检验补偿效果时探测点的位置，与检测三坐标测量机误差时不同等。

在第4种情况下，会使补偿后误差显著增大。若重复检测同一条线，数据稳定，但补偿效果始终不好，可能由第1或第5点引起。若补偿效果不稳定，则可能由随机误差引起。若校验点位置与原检测机器误差时选的点不一致，则也可能由短周期误差引起。若距离越大，补偿效果越差，则很可能由3引起。若温差越大,补偿效果越差,则可能由于等效线膨胀系数未测准引起。如这一步效果较好，可进而检验下一步。

2)检查一条与坐标轴平行的直线的线位移误差。若第1）步效果好，而这一步不好，则说明角运动误差(俯仰或偏摆)未测准，或机器角运动随机误差较大。校核方法也看补偿后残差是否稳定。还有一种可能是需补偿的误差符号反了，只需改变一下符号即可发现是否是这方面问题。

3）检查XY平面上两条对角线的补偿效果。若前面几项检查效果均明显，而对角线补偿效果不佳，一是由于垂直度误差未测准乃至补偿符号反了。在这种情况下，补偿后的残差有明显的随位移增大而呈线性增长的趋势。若对角线位移补偿后的残差呈非线性变化，则可能由于直线度误差未测准或补偿反了，也可能由于存在短周期误差。垂直度与直线度运动误差不影响平行于坐标轴的测量结果，但对对角线测量有影响。在测量对角线时，一般说采样点不落在与沿坐标轴测量定位误差时具有同样的x或y坐标的点上,短周期误差的影响会较明显地显示出来。在发现平面对角线补偿效果不佳时,需对上述原因分别检查。

4）检查4条空间对角线补偿效果。若在3个坐标平面上均能取得比较显著效果，而空间误差补偿效果不佳，则很可能是由于滚转误差的影响(测量不准、随机变化大、乃至补偿反了)。或对补偿模型有较大偏离(不符合准刚体模型、有复杂热变形等)所引起的。

单轴6个自由度误差示例（图片来自Renishaw，侵删）

补偿效果的其它限制因素

在多数情况下，鉴于经济方面的考虑，采用非实时误差补偿。这时只能补偿机构误差中的系统误差，机构误差中的随机误差就未能补偿。由于检测工具、绝对零位精度、补偿软件的复杂性等因素，短周期误差一般也难以补偿，会在补偿后残存下来。

为了实现误差补偿，必须知道测量机的各项原始误差。原始误差测量得不精确，必然会影响补偿效果。这里不仅包括测量仪器(如激光干涉仪)或基准件带来的测量不确定度，而且包括被补偿量提取过程中可能产生的不确定度。例如，在对机构误差进行非实时误差补偿时，需补偿的是它的系统误差，但采用多次检测，根据它们的平均值提取系统误差时，随机误差不可能完全被消除，这也影响机构误差的测量不确定度。在检测定位误差时，必须消除温度误差的影响，温度测量与线膨胀系数测量的不确定度会影响定位误差的检测精度。另一方面，光栅尺的等效线膨胀系数又是通过测量在不同温度下定位误差的斜率变化确定的，定位误差测量的不确定度又影响等效线膨胀系数的测定精度。

误差值的数据处理也会带来误差。这包括对原始误差进行拟合时或插值计算时，实际的误差变化规律与拟合曲线或插值方法不一致而引起的误差。当误差变化的斜率较大时(短周期误差属这一类)，绝对零位的变化也可能引起补偿误差。

补偿软件或机构动态响应，以及机构执行误差也会带来影响。

标尺系统

比较测量的方法

误差补偿十分有用，同时也有很大难度。对于生产现场来说，除了作误差补偿外，比较测量的方法，是一个行之有效的提高测量精度的方法。用比较法测量时，需要有一个与被测元素相同的标准件，而三坐标测量机仅用作比较仪。显然，在这种使用情况下，很多误差得以消除。剩下的主要是标准件误差、探测误差、安装误差以及由于被测件温度、线膨胀系数不同而带来的误差，还有被测件的几何形状引起的误差等。比较法使得测量速度更快，对现场使用条件要求更小，成本更低，并达到更高的精度。云知尚结合雷尼绍公司Equator推出的YZS-Equator比较测量仪，就是在这种思路下推出的现场型高精度坐标测量方案。后续我们将详细介绍这种测量方案的优势。