三坐標(biāo)測量機測針的校準(zhǔn)和選擇分析

張斌　潘宇妮

摘? ?要：在機件加工中，必須對產(chǎn)品進行檢驗，以確保產(chǎn)品尺寸誤差處于合理范圍內(nèi)，符合裝配要求。三坐標(biāo)測量機就是用于機件檢驗的高精度測量設(shè)備，合格的機件產(chǎn)品檢驗工作人員應(yīng)當(dāng)具備熟悉使用該儀器的能力，本文針對三坐標(biāo)測量機的數(shù)據(jù)誤差來源和測針校準(zhǔn)原理，對測針的選擇和校準(zhǔn)方法要點進行了分析。

關(guān)鍵詞：三坐標(biāo)測量機? 測針校準(zhǔn)? 測針選擇

中圖分類號：TG87? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098 X （2019）07（a）-0093-02

測量誤差是客觀存在的，不管儀器究竟有多高的精度也無法消除，三坐標(biāo)測量機是機件產(chǎn)品檢驗中常用的高精度測量設(shè)備，同樣存在一定的誤差。人造儀器的測量誤差問題無法消除，但是可以通過各種方法來降低，使機器的裝配不受誤差的影響。

1? 三坐標(biāo)測量機誤差來源與測針校準(zhǔn)原理

1.1 三坐標(biāo)測量機誤差主要來源

三坐標(biāo)測量機的誤差類型可以分為兩個大類，一是靜態(tài)誤差，二是動態(tài)誤差，二者的區(qū)別在于前者是在短期內(nèi)始終處于某一個穩(wěn)定水平，不會發(fā)生太大的波動只有在時間跨度足夠長的時候，才會因為硬件磨損等原因發(fā)生較大的變化。后者則主要是由于觀測者視覺以及外界不斷變化的環(huán)境等因素所造成的誤差，在短期內(nèi)就會隨著時間的流動而發(fā)生大幅度的波動。

靜態(tài)誤差的產(chǎn)生源于儀器的制造過程以及設(shè)備結(jié)構(gòu)的區(qū)別，在制造過程中，總會混入影響儀器精密度的因素，因此每一臺儀器基于儀器制造所發(fā)生的靜態(tài)誤差都有所差別，同時，三坐標(biāo)測量機最重要的部件就是測針，測針的磨損也會引起靜態(tài)誤差的產(chǎn)生。不同儀器的設(shè)備結(jié)構(gòu)會由于外部因素的瞬間影響而產(chǎn)生差別，這種外來影響因素的存在時間極其短暫，變化性不大，但是它所造成的靜態(tài)誤差仍然會嚴(yán)重影響測量精度。在觀測員以標(biāo)準(zhǔn)方法進行觀測的情況下，儀器的靜態(tài)誤差值通常大于動態(tài)誤差的初值，但是動態(tài)誤差值會由于時間發(fā)展而發(fā)生變化，通常都會增長到超越靜態(tài)誤差的程度。在三坐標(biāo)測量機測量當(dāng)中，其測頭測針存在磨損現(xiàn)象，此時就會形成靜態(tài)誤差[1]。

動態(tài)誤差來源相對于靜態(tài)誤差而言更廣泛，外部環(huán)境的變動會引起相應(yīng)的動態(tài)誤差的產(chǎn)生，例如，隨著時間發(fā)展，灰塵、儀器溫度等會發(fā)生積累和相對升高，相應(yīng)地，三坐標(biāo)測量機的誤差值也會因此而有所提升[2]。同時人為因素也有可能造成相應(yīng)的動態(tài)誤差。包括觀測者的視覺上的差異、觀測方法和習(xí)慣等因素都有可能影響到測量的精度。此外值得注意的是，靜態(tài)誤差在一定意義上也具有時間性，不過其產(chǎn)生差異所需要的時間跨度更長，例如上文所述的測針會隨著時間發(fā)生磨損，導(dǎo)致儀器精度下降。

1.2 測針校準(zhǔn)原理

進行機件的測量采樣時，測針與待測機件表面接觸，產(chǎn)生并通過線路將接觸信號傳往測頭系統(tǒng)，計算機通過對測頭系統(tǒng)的信號進行采集從而得到測點坐標(biāo)，這是三左邊測量機的基本工作原理。相對而言，測針的校準(zhǔn)更為復(fù)雜，進入測頭校準(zhǔn)程序后，測量機使用與幾何元素測量程序中球體測量相同的方法自動測量標(biāo)準(zhǔn)球，當(dāng)采點數(shù)達到要求時，測量程序自動完成測點的校準(zhǔn)處理，并將處理結(jié)果返還測頭校準(zhǔn)對話界面，確認(rèn)后將作為修正值用于后續(xù)數(shù)據(jù)處理工作中，校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)分為三項：測頭半徑、球度誤差、測球中心相對于零號測頭中心的坐標(biāo)值。

2? 三坐標(biāo)測量機測針校準(zhǔn)要點分析

2.1 測前準(zhǔn)備

在進行測量前，根據(jù)不同的待測機件和測量要求，確定測針組合，在測量過程中如果更換測針會產(chǎn)生極大的誤差，因此測前應(yīng)對測針組合進行測前檢查，檢查內(nèi)容包括測針直徑、剛度、長度、方向以及測桿長度、粗細等各方面的誤差影響因素，多測針測量時，測針的位置也會引起一定的誤差。

2.2 校準(zhǔn)

為了提高檢測校準(zhǔn)的精確度，對測針的校準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)以測針與標(biāo)準(zhǔn)球軸線的最大直徑的接觸點為校準(zhǔn)參照點，進行檢測校準(zhǔn)還要注意校準(zhǔn)前后測針直徑的誤差。單個測針位置校準(zhǔn)的要點主要是對兩項數(shù)據(jù)的觀察，即測針直徑以及與之相關(guān)的球度誤差，測針直徑應(yīng)當(dāng)與平時校準(zhǔn)的數(shù)值相近并且具有良好的重復(fù)性，這樣才能使球度誤差保持在相對更小的范圍內(nèi)。在單個測針校準(zhǔn)完畢后，進行多個測針位置的校準(zhǔn)，多個測針的位置校準(zhǔn)除了需要觀察測針直徑和球度誤差，還要使用校準(zhǔn)后的測針進行標(biāo)準(zhǔn)球測量并得出的球心坐標(biāo)值，比較其與原記錄值的差別，其數(shù)值與示值誤差或探測誤差超過3μm則存在異常，存在異常的情況下要重新對測頭、所測量的標(biāo)準(zhǔn)球的穩(wěn)固性等進行檢查，變化較大的尋找原因并解決問題，發(fā)生測針損壞的，應(yīng)當(dāng)對損壞的測針進行更換，然后才能重新開始測量。同時，進行誤差得重復(fù)校準(zhǔn)是有必要的，通過運用統(tǒng)計學(xué)原理對多次測量所得數(shù)據(jù)進行分析，從而得出更精確的結(jié)果。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)球的直徑

標(biāo)準(zhǔn)球的測量數(shù)據(jù)是測量機件所得數(shù)據(jù)的參照物，由于其具有良好的球度誤差，測針校準(zhǔn)過程應(yīng)當(dāng)始終以該球體的直徑為標(biāo)準(zhǔn)，測針校準(zhǔn)的球度誤差會受到標(biāo)準(zhǔn)球數(shù)據(jù)的直接影響，所以，應(yīng)當(dāng)運用軟件標(biāo)準(zhǔn)球的等效直徑測出，以進行測球半徑的補償。

3? 三坐標(biāo)測量機測針選擇分析

3.1 測針的選用

三坐標(biāo)測量機的測針選擇應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體情況而定，所選擇的測針必須是經(jīng)過校準(zhǔn)的，在測量過程中，除了外部環(huán)境因素和儀器精度等因素，測針的選擇也會影響測量誤差。不同測針具有不同的最大剛度，所適應(yīng)的球度也不一樣，在測針的選擇中，選取球體直徑較大的測針有助于降低標(biāo)準(zhǔn)球表面粗糙度對精度造成的影響，同時，測球的直徑越大，球度越好，同時，球徑與測針桿之差也就越大，在測量工件時碰到測桿的機率就比小球徑的測針要小得多[3]。

3.2 測桿的選用

相對更粗的測桿在應(yīng)力作用下的變形會更小，測量精度就越高，但是測量精度還受到測桿長度的影響，測桿長度越長，測量精度反而越低，長測桿會起到放大誤差的作用，這是由其撓性導(dǎo)致測桿預(yù)行程的改變所導(dǎo)致的必然結(jié)果。所以對于測桿的選用，首先要求測桿剛度應(yīng)當(dāng)足夠大，其次是其長度和粗細的要求，應(yīng)當(dāng)盡可能使測桿更粗，長度更短。在具體的測桿選擇用中應(yīng)當(dāng)根據(jù)需要使用不同性質(zhì)的測桿。

3.3 測頭校正

測頭校正工作中能夠引起測量誤差的因素有：測桿撓性、觸點位置、測量速度以及距離等，在實際測量過程中應(yīng)當(dāng)按照合適的參數(shù)進行測頭校正，保障測量精度。

3.4 接長桿時連接點的選擇

測針長度不足時需要連接長桿，這時會在雙方的連接點位置上產(chǎn)生應(yīng)力變形點，還有肉眼不可視的微觀彎曲，這兩個變化會嚴(yán)重影響測量的精度，所以在配置測針時，如果可以不連接長桿，盡量不要使用接長桿，降低由此產(chǎn)生的累積誤差。

3.5 測孔徑工作中測針的選擇

孔徑長度較短時，測針直徑不會有太大的精度影響，但是如果所測孔長度大，則應(yīng)當(dāng)首先選用直徑4mm的測針，減少碰桿引起的誤差，同時對微觀表面平整度不好的測件進行測量時，也要優(yōu)先選擇直徑的測針。

4? 結(jié)語

三坐標(biāo)測量機的自動化程度極高，因此能夠?qū)⑹褂脗鹘y(tǒng)方法耗時數(shù)小時的待測機件的測量工作壓縮到幾分鐘內(nèi)完成，實現(xiàn)工作效率的極大提升。檢測人員在三坐標(biāo)測量機測量前，要對三坐標(biāo)測量機的測針等進行校準(zhǔn)，同時還應(yīng)當(dāng)選擇合理的測針長度和直徑，針對不同的待測機件，選用不同的測針，這些工作都應(yīng)當(dāng)在正式測量前應(yīng)當(dāng)認(rèn)真做好，避免在測量過程中發(fā)現(xiàn)問題產(chǎn)生更多麻煩。

參考文獻

[1] 彭利榮，王東方，馬占龍，等.三坐標(biāo)檢測光學(xué)元件曲率半徑的誤差分析[J].電子測量與儀器學(xué)報，2014（11）：1235-1241.

[2] 許朝山.三坐標(biāo)測量機測量誤差分析及補償方法的研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2019（14）：43.

[3] 張兵峰.三坐標(biāo)測量機測針的校準(zhǔn)和選擇[J].山東工業(yè)技術(shù)，2018（18）：117.