导读
合肥工业大学李瑞君教授团队长期从事精密测量方面的研究。本文针对微纳米三坐标测量机Z轴运动误差影响整机测量精度，且现有方案普遍存在通用性差、集成难度高这一问题，提出并研制了一种基于激光干涉与自准直原理的Z轴六自由度误差同步测量与补偿方法。团队建立了遵循阿贝与布莱恩原则的误差补偿模型，开发了高精度紧凑型在线六自由度误差测量系统，实现了Z轴直线与角度误差的实时计算。从测量精度、系统集成度、实时性等多个方面进行设计，得出最优补偿方案，并通过实验验证了补偿方案及系统的有效性。
微纳米三坐标测量机Z轴六自由度误差在线测量与补偿
作者：李洁，张成瑶，林荣炜，李瑞君*
作者单位：合肥工业大学仪器科学与光电工程学院测量理论与精密仪器安徽省重点实验室
摘 要：目前缺乏具备通用性且便于集成的微纳米三坐标测量机Z轴六自由度误差在线测量与补偿方案，为解决此问题，本研究团队提出基于激光干涉和自准直原理的Z轴直线和角度误差同步测量方法，基于阿贝原则与布莱恩原则建立Z轴六自由度误差补偿模型，研制相应的高精度紧凑型在线六自由度误差测量系统，并将该系统应用于微纳米三坐标测量机中。对标称厚度为8 mm的0级量块进行测量，结果显示：误差补偿后，量块厚度测量结果的标准差与示值误差分别降低了54.6%与54.3%。研究成果为提高三坐标测量机测量准确性提供了有力支撑。
关键词：精密测量；微纳米三坐标测量机；Z轴六自由度误差；激光干涉；自准直；在线测量与补偿；阿贝原则；布莱恩原则
文章主要内容
图4 Z轴测量点和功能点之间的位置关系示意图
Fig.4 Positional relationship between Z‑axis measurement points and functional point
图7 Z轴6⁃DOF误差测量系统原理图
Fig.7 Schematic of Z⁃axis 6⁃DOF error measurement system
为验证Z轴误差补偿方案的有效性，沿Z轴方向对标称厚度为8 mm的0级量块展开测量，量块Z向高度测量示意图如图16所示。
图16 量块Z向高度测量示意图
Fig.16 Schematic diagram of gauge block measurement in Z⁃direction
表1 补偿前后量块Z向高度测量结果对比
Tab.1 Measurement results of the gauge block before and after compensation in Z direction
由表1分析可知：经Z轴误差补偿模型修正后，量块厚度测量结果的标准差与示值误差分别降低了54.6%和54.3%，有效证明了该补偿方案的可行性。
结论
提出了一套针对Z轴6⁃DOF误差的在线测量方法，建立了结合阿贝原则与布莱恩原则的Z轴6⁃DOF误差空间误差补偿模型，并研制了配套系统。将该系统部署于一台微纳米CMM，利用标称厚度为8 mm的0级量块开展高度测量实验，结果表明：与补偿前相比，量块高度测量的标准差及示值误差分别降低了54.6%和54.3%。研制的Z轴6⁃DOF误差测量及补偿系统具有结构紧凑、测量精度高的优点；提出的误差补偿模型具有较广的适用范围，可用于提升不同型号CMM的测量精度，为推动精密加工技术发展提供了有力支撑。未来将研究微纳米CMM整机误差补偿方案及测量效率的提升方法。
作者简介
李洁，博士研究生，2022年于合肥工业大学获得硕士学位，主要从事微纳米三坐标测量机的研究。
李瑞君，教授，博士生导师，主要研究方向为微纳测量技术与系统、光电检测技术与系统、精密控制技术与系统。主持国家自然科学基金、国家重点研发计划课题等项目。研制高精度测量仪器10余台，发表学术论文100余篇，获授权发明专利40余项。任中国计量测试学会几何量专业委员会委员、中国仪器仪表学会精密工程分会委员、中国机械工程学会生产工程分会测试技术专业委员会委员。
科研团队介绍
合肥工业大学纳米测量实验室
团队负责人：李瑞君（教授）
主要成员：程真英（教授）、莫小娟（讲师）
研究方向：器系统设计、光学测量、图像处理、力学和热学分析、基于DSP和FPGA的信号处理、精密定位控制、精密环境控制、压电驱动、振动测量、超声检测、误差分析与不确定度评定、智能化测量等。
研究成果：实验室先后主持重大国际合作项目1项、国家重点研发计划课题1项、国家重点研发计划子课题3项、国家自然科学基金项目7项、省部级及企业项目若干项。共发表高水平学术论文100余篇，已授权发明专利40余项（含美国专利2项）。成功研制微纳米三坐标测量机、接触式探头、非接触式探头、水平仪、激光多自由度测量系统、平行度测量系统、高精度二维测角仪、激光干涉仪、高精度恒温箱、加速度计等多套高精度测量系统。
全文链接
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引用格式：李洁，张成瑶，林荣炜，等. 微纳米三坐标测量机Z轴六自由度误差在线测量与补偿［J］. 计测技术， 2026， 46（1）： 160-168.
Citation：LI J， ZHANG C Y， LIN R W， et al. Online measurement and compensation of six⁃degree⁃of⁃freedom errors for Z⁃axis of micro⁃nano CMMs［J］. Metrology & Measurement Technology， 2026， 46（1）： 160-168.
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供稿：李瑞君
编辑：李成成
排版：马鹤伟
审核：刘宇轩
监制：韩 冰
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