星型測針的選用及誤差解決方法

劉巨強

摘 要：為滿足復(fù)雜工件的檢測需要，星型測頭得以廣泛使用，但測量過程中存在的誤差不容忽視，我們要分析誤差產(chǎn)生的原因，并加以解決。

關(guān)鍵詞：測量；星型測頭；誤差

1 星型測針的選用

目前，三坐標測量機廣泛應(yīng)用于各種機械零部件尺寸、角度、形狀和位置的測量，在工程建筑、生產(chǎn)制造、科技研發(fā)等各個領(lǐng)域起著越來越重要的作用。而使用三坐標測量機進行有效探測的關(guān)鍵因素之一就是測量測針的選用，測針作為測量機的一部分，主要用來探測工作表面，產(chǎn)生觸發(fā)信號，產(chǎn)生測量數(shù)據(jù)。我們根據(jù)被測量的特征，選用合適的測針。

當(dāng)測量時遇到一些較難測量的部位，如零件的內(nèi)腔、深孔、溝槽之類，我們就可以選用如圖1所示的星型測頭，它是由4個或5個紅寶石測針組合而成的，作為一個整體使用，大大拓展了測量范圍，可以完成單測針所部能完成的多種檢測任務(wù)，并可以有效地減少測量時間，提高檢測效率。

為了保障測量過程的星型測針的探測精度，測量前需要對星型測針進行標定和校驗，以PC-DMIS系統(tǒng)為例，具體標定步驟如下： （1）在文件菜單新建一個測頭文件（界面如圖2所示）。（2）在測頭說明里對測頭組件進行詳細描述，5個測針分別定義方向（Z方向、X+方向、X-方向、Y+方向、Y-方向）如圖2所示的界面。

圖2

（3）添加探測需要的角度。（4）按照普通測針的方法進行標定。

2 星型測針的誤差分析與解決

2.1 測針組合安裝過程中產(chǎn)生的誤差

如圖3所示，安裝過程中要盡量使測針2與測針4的連線與X軸保持平行，測針3與測針5的連線與Y軸保持平行，以消除由測針安裝不平行引起的誤差，同時加長桿的長度選用20mm以下，以盡量消除因測桿過長引起撓曲變形帶來測量結(jié)果的誤差。探球選用要盡量大些，這樣球與桿的間隙較大，減小誤觸發(fā)的可能性，而且可以減輕因被測表面粗糙對精度造成的影響。

2.2 測針校準后半徑補償值的差異導(dǎo)致的測量誤差

2.2.1 測量過程的描述

我們選用標準值為Φ30mm的光滑塞規(guī)進行外徑尺寸的測量。測量此類軸類的零件，我們一般會選用三坐標測量機的測圓功能，使用圖3所示的星型測頭進行測量，從2號測頭開始，5號測頭結(jié)束，沿著外圓柱順時針方向各采一個點，完成測量，得出直徑值，再從3號測針開始，2號測針結(jié)束，以此類推，得出測量數(shù)據(jù)匯總表如表1所示。

2.2.2 測量數(shù)據(jù)的分析

我們根據(jù)表一分析測量數(shù)據(jù)，可以得出如下結(jié)論：（1）數(shù)據(jù)不存在明顯的粗大誤差，可以作為分析使用。（2）20個測量數(shù)據(jù)中，最大值為30.0031mm，最小值為29.9942mm，最大重復(fù)誤差為0.0089mm，超出儀器最大允許誤差 （2.5+L/300）μm。（3）從四組數(shù)據(jù)的平均值分析，第一組和第三組數(shù)據(jù)均超差。

2.2.3 分析誤差的原因

為什么會產(chǎn)生上述誤差，經(jīng)過分析，是由于測針校正后半徑補償值的差異引起的，當(dāng)使用星型測針進行測量前，測針先要通過標準球進行校準，得出每個測針的動態(tài)補償半徑，以便于測量結(jié)果的修正。而使用三坐標的圓測量功能時，測頭先探測四個點的位置，系統(tǒng)記錄出探頭的中心坐標位置，擬合成一個標準圓，再使用最后一個探針的半徑補償值進行修正，如使用順序為2-3-4-5號星型測針進行外圓測量時，最后以5號測針的補償半徑進行修正，帶來較大的測量誤差，也導(dǎo)致不同順序測針的使用帶來較大的重復(fù)誤差。

2.2.4 解決問題的方法-測點構(gòu)建圓周法

通過分析誤差的原因，我們得出結(jié)論主要是因為測量點的修正半徑不準確造成的，我們不妨思考一下，如何能夠避免這個問題，我們可以采用測圓的另一方法，我們通過采集每一個點，然后用構(gòu)建的功能去擬合成一個標準圓，它的優(yōu)點是在采集每一個點的過程時，可以根據(jù)所用測針的補償半徑實現(xiàn)逐點修正，就可以杜絕因為統(tǒng)一修正帶來的誤差，我們采用點構(gòu)建圓法對上述光滑塞規(guī)進行重新測量，具體測量數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2分析，20次測量結(jié)果最大值：29.9994mm，最小值：29.9982mm，最大測量重復(fù)誤差為：0.0012mm，在設(shè)備最大允許誤差（2.5+L/300）μm的范圍內(nèi)，測量結(jié)果準確可靠。所以我們在測量過程中，盡可能采用逐點采集，構(gòu)建元素，進行結(jié)果分析的方法，可有效地避免誤差，提高測量的精度。

3 結(jié)束語

星型測頭的選用，可以給日常的測量工作帶來便利，也有助于解決很多測量過程中遇到的難題，但我們在使用過程中要對可能產(chǎn)生的誤差進行分析，盡可能采取一些減小或控制誤差的方法，以提高測量的精度，使得測量結(jié)果準確可靠。