馮 娜吳 健衛(wèi)尊義艾裕豐白小亮李光峰

1.西安石油大學 （陜西 西安 710065）

2.中國石油集團 石油管工程技術研究院 （陜西 西安710065）

三坐標測量機測量螺紋量規(guī)誤差來源分析

馮 娜1,2吳 健2衛(wèi)尊義2艾裕豐2白小亮2李光峰2

1.西安石油大學 （陜西 西安 710065）

2.中國石油集團 石油管工程技術研究院 （陜西 西安710065）

研究了三坐標測量機測量螺紋量規(guī)時誤差的來源，重點分析了機械誤差、環(huán)境誤差、測頭探測誤差、軟件算法誤差、測量方法誤差等。通過分析闡述了在測量螺紋量規(guī)時中如何減少相關誤差，從而使測量數(shù)據(jù)更為準確。

三坐標測量機 螺紋量規(guī) 誤差

引言

石油專用管中螺紋連接是最薄弱的環(huán)節(jié)。作為石油專用管的螺紋在連接強度、密封性、互換性上都有較高的要求，這樣就對作為檢驗管材螺紋質量的專用量具——石油用螺紋量規(guī)的檢測提出更高的要求。從而通過合格的螺紋量規(guī)將螺紋質量不合格的管子檢測出來,防止不合格油井管下井,最大限度避免或減少油井管失效事故的發(fā)生。

傳統(tǒng)的螺紋量規(guī)測量方法較多，如工具顯微鏡法、三針法、兩球法等等。這些方法的共同特點是手動、簡單、經濟，但普遍存在精度不高，通用性差，操作比較繁瑣，不易實現(xiàn)自動測量，以及無法對測量誤差進行補償?shù)娜秉c。而螺紋量規(guī)由于自身特點：①要求精度很高(很多單項參數(shù)極限偏差達到μm)；②檢測項目較多 (螺紋量規(guī)的檢測項目達到近10種)，以上這些傳統(tǒng)的測量方法已不能滿足測量要求。

三坐標測量機測量螺紋量規(guī)工作原理

三坐標測量機作為一種通用性強、自動化程度高、高精度測量系統(tǒng)在先進制造技術與科學研究中有極廣泛的應用。三坐標測量機測量螺紋量規(guī)工作原理是將被測螺紋量規(guī)置于坐標測量機的測量空間，控制測頭沿著量規(guī)螺紋的母線進行測量，從而獲得螺紋量規(guī)母線上各測點的坐標位置，根據(jù)這些點的空間坐標值，經過數(shù)學運算，求出量規(guī)的中徑、錐度、螺距等參數(shù)。三坐標測量機測量螺紋量規(guī)測量過程是由計算機控制的，由于實現(xiàn)了自動測量，大大地提高了工作效率，特別適合于螺紋量規(guī)的批量檢測。由于排除了人為因素，可以保證每次都以同樣的速度和法矢方向進行觸測，從而使測量精度也有了很大的提高。如圖1、圖2所示。

圖1 三坐標測量機的組成實物圖

圖2 三坐標測量機的組成框圖

三坐標測量機測量螺紋量規(guī)時坐標機選型的重要性

目前，國內外三坐標測量機技術迅速發(fā)展，世界上生產測量機的廠商已超過50家，品種規(guī)格也已達300種以上。但并非所有的三坐標測量機都適合測量螺紋量規(guī)，坐標機選型是非常重要的。選型不準確，將直接影響螺紋量規(guī)測量數(shù)據(jù)的準確性。選型時應注意以下5點：

（1）根據(jù)螺紋量規(guī)選用合理的測量精度；

（2）根據(jù)螺紋量規(guī)確定合乎要求的測量范圍；

（3）根據(jù)螺紋量規(guī)選用合適的測量機類型；

（4）根據(jù)螺紋量規(guī)選用功能強大的測量軟件；

（5）根據(jù)螺紋量規(guī)確定各種類型尺寸的測頭。

作為國際互認的螺紋量規(guī)校準實驗室，中國石油螺紋量規(guī)計量站引進德國LEITZ三坐標測量機PMM12106，根據(jù)ISO標準，這臺測量機的精度為：E值0.6+L/600μm,R值0.6μm,THP值1.5μm。同時配備QUINDOS 7測量軟件。

三坐標測量機測量螺紋量規(guī)誤差來源

影響三坐標測量機測量螺紋量規(guī)的誤差因素有很多，主要包括以下5個方面：機械誤差、環(huán)境誤差、測頭探測誤差、軟件算法誤差、測量方法誤差（見圖3）。

1 三坐標測量機測量螺紋量規(guī)時的機械誤差

三坐標測量機有x軸、y軸、z軸3根相互垂直的軸線。測量中，測頭相對于被測螺紋量規(guī)作三維運動，其移動的位移量可通過安裝在x軸、y軸、z軸的光柵尺讀出。誤差主要由以下4部分構成：

（1）直線度運動誤差與角誤差。直線度運動誤差與角誤差是由導軌系統(tǒng)的綜合作用而產生的。

如沿x方向運動時產生y、z方向的偏移δy(x)和δz(x)。沿y向運動時，產生x、z向的直線度運動誤差δx(y)和δz(y)。沿z向運動時，有x、y方向直線度運動誤差δx(z)和δy(z)。

沿其導軌作直線運動時，不僅會產生直線度運動誤差，還會產生繞3根軸回轉的角運動誤差。分別會有x、y、z3根軸轉動的角運動誤差εx(x)、εy(x)、 εz(x)、εx(y)、εy(y)、εz(y)、εx(z)、εy(z)、εz(z)產生。

（2）定位誤差。定位誤差指當測量機的指令系統(tǒng)讓某運動部件移動x時，運動部件的實際位移往往不恰好為x。測量機運動部件的實際位置與指令位置之差稱為定位誤差。如y軸的定位誤差。

三坐標測量機測量螺紋量規(guī)時測量點的實際坐標值來自于測量機光柵尺的讀數(shù)，而非驅動系統(tǒng)中的指令位置，所以通常定位誤差并不十分顯著。

（3）垂直度誤差。由于安裝原因，x軸、y軸、z軸這3根軸線之間的夾角可能偏離90度，造成軸線之間的垂直度誤差。垂直度誤差主要由導軌安裝、調整與加工誤差引起。一旦調整完畢，應是一個定值誤差。

（4）動態(tài)誤差。三坐標測量機在運動過程中完成螺紋量規(guī)的數(shù)據(jù)采集，此時還需考慮測頭與測量系統(tǒng)的動態(tài)特性對校準誤差的影響。當測量機在作加速運動時，所有運動部件上都會產生慣性力，這些慣性力會使這些部件變形。變形的大小與慣性力成正比，與構件的剛度成反比。除慣性力外，振動也是引起動態(tài)變形和位移誤差的重要因素。測量時需要頻繁改變測頭探測方向，以便采集到螺紋量規(guī)相對全面的幾何數(shù)據(jù),這時改變測量方向總是伴隨著加速、減速，造成傳動的不平穩(wěn)性也是產生振動的因素之一。所以在測量時，應盡量保持探測速度恒定。圖4為坐標測量機各個運動部件在3個方向驅動力和各自的慣性力作用下，引起的測頭位置處的動態(tài)誤差。

2 三坐標測量機測量螺紋量規(guī)時的環(huán)境誤差

圖3 三坐標測量機測量螺紋量規(guī)的誤差框圖

由于三坐標測量機是一種高精度的檢測設備，所以其環(huán)境條件的好壞，對測量結果至關重要，包括螺紋量規(guī)的狀態(tài)及環(huán)境因素（溫度條件、濕度、壓縮空氣）。

溫度誤差又稱為熱變形誤差是影響測量誤差的主要環(huán)境因素之一。對于被測量規(guī)來說，主要是它的幾何尺寸隨溫度而變化。對于測量機來說，則有可能是它的結構尺寸變化（如光柵尺），性能變化(如放大器、傳感器 )。測量機的長度基準-光柵尺是按照20℃修正的，測量機也是在這個溫度情況下裝配調試的，當溫度偏離太大時會對測量精度造成很大影響。

三坐標測量機工作間規(guī)定環(huán)境條件的首要條件就是環(huán)境溫度。一般要求環(huán)境溫度控制在20±1℃范圍內。環(huán)境溫度不僅要求三坐標測量機本身，還要求被測量規(guī)測量時也是這種溫度。所以在測量前，需將量規(guī)在恒溫20℃的工作間放置24h，使溫度盡量接近20℃。

量規(guī)的狀態(tài)指測量前的量規(guī)相關準備工作，如量規(guī)的清潔、除毛刺，量規(guī)在測量臺上的固定裝夾等，如果測量前沒有充分的做好準備就會產生誤差。量規(guī)在測量臺上的固定裝夾往往沒有引起足夠重視，正確裝夾的裝置必須滿足以下2個條件：①有利于測量的操作和測頭移動；②裝夾裝置要使測頭盡量一次測完被測對象的采集數(shù)據(jù)。

3 三坐標測量機測量螺紋量規(guī)時的測頭探測誤差

三坐標測量機測頭的探測誤差是影響測量的重要因素。在標定測頭的直徑時，測量機與測球的誤差對標定值均有影響。由于是接觸式測量，測頭會與測球、量規(guī)表面產生摩擦，也會引起測量誤差。測量量規(guī)時，測頭常會使用各種附件，如加長桿、轉接體、多測頭連接座等，這些附件的誤差也直接影響測量精度。如在測量量規(guī)時需使用多探針，此時就需對各個探針測頭的進行標定。測量過程中，測頭需要自動更換，更換裝置的重復定位精度也直接影響測量結果。

測量機在校驗測頭以及粗定量規(guī)坐標系時，均需要手動操作，此時由于探測力的大小很難控制，所以探測時容易于產生誤差。

這里重點強調一下測頭的校驗。三坐標測量機測量螺紋量規(guī)前，使用的4個方向的測頭都應進行校驗。首先是讓軟件計算球心相對于測量機坐標系零點的位置；其次是計算測頭的實際直徑。由于測桿的變形，測頭的直徑與上一次測量所用測頭直徑有所差別，進行當前測頭校驗可以保證測頭半徑補償精度，并得出不同測頭的位置關系。在測頭校驗時產生的誤差將全部加入到測量中去。所以在這個環(huán)節(jié)中要保證測頭校驗的正確和準確。

測頭校驗后保存的測頭文件，在測頭、測桿沒有變化的情況下可以調出使用。但精度要求比較高的情況下，建議重新校驗測頭

4 三坐標測量機測量螺紋量規(guī)時的軟件算法誤差

在三坐標測量機中，根據(jù)被測元素中若干點的坐標位置，按照一定的擬合準則，通常依靠測量機數(shù)據(jù)處理軟件來求得替代元素及其參數(shù)。在進行數(shù)據(jù)處理過程中，軟件也不可避免地帶入某些誤差，所選用的擬合準則不同，采用的軟件不同，引起的誤差也不同。

軟件在數(shù)據(jù)處理過程中產生誤差的主要原因如下：

（1）由于某些計算比較復雜，在軟件的編制過程中采用了一些近似算法，例如以線性最小二乘法代替非線性最小二乘法；

（2）經過測試中發(fā)現(xiàn)，軟件中對方向余弦的值所給的有效數(shù)字位數(shù)不夠，而帶來誤差。

5 三坐標測量機測量螺紋量規(guī)時的測量方法誤差

三坐標測量機測量螺紋量規(guī)方式主要分為手動探測模式與自動探測模式。手動探測模式測量即指校驗測頭和粗定坐標系。粗定坐標系是指由人工操作，使測頭逐點探測量規(guī)表面的方式。自動探測模式，就是測頭沿被測量規(guī)表面按照預先確定的速率運動，自動獲取測量數(shù)據(jù)的一種測量模式。此測量模式的最大特點是數(shù)據(jù)采集率高，即在短時間內可以獲取量規(guī)的大量數(shù)據(jù)。

手動探測模式測量中人為干預比較大，測量效率和測量精度也相對比較低。自動探測模式測量在計算機程序的控制下，自動完成整個軌跡的測量。掃描速度與掃描精度比較高。

三坐標測量機測量螺紋量規(guī)誤差實例分析

由以上分析可知,影響三坐標測量機精度的總誤差為：總誤差=機械誤差+環(huán)境誤差+測頭探測誤差+軟件算法誤差+測量方法誤差。

以中國石油螺紋量規(guī)計量站為例，用三坐標測量機測量螺紋量規(guī)時5種分誤差對總誤差的影響分析如下：

機械誤差：計量站通過周期性對三坐標測量機進行測量誤差校準，以修改坐標機測量誤差修正模型軟件中的參數(shù)，從而達到修正機械誤差的目的。

環(huán)境誤差：計量站具備嚴格的實驗室環(huán)境控制系統(tǒng)，可以保證坐標機房間的溫度20±1℃。

軟件算法誤差：計量站通過QUINDOS 7測量軟件的編制去除了數(shù)據(jù)處理過程中產生的誤差。

機械誤差、環(huán)境誤差、軟件算法誤差、通過誤差修正技術對螺紋量規(guī)最終的校準結果影響較小。而測頭探測誤差、測量方法誤差在誤差產生和處理中，人為因素會不可避免，不具有重復性。所以該類誤差很難通過誤差補償來得到修正，對三坐標測量機精度的總誤差影響最大，貢獻最大。

結論

為了提高三坐標測量機測量螺紋量規(guī)的測量精度，需要采取一系列綜合性措施：

（1）定期邀請廠家對三坐標測量機進行校正，提高機械結構精度，其中包括測量機主機、導軌、測頭及其附件的精度，尤為重要的是提高它的重復精度。

（2）減小環(huán)境因素帶來的影響。

（3）在測量過程中減少更換測頭、加長桿等操作。

（4）盡可能使探測速度均勻一致。

（5）完善三坐標測量機測量螺紋量規(guī)的軟件以及測量方法,其中需設計誤差補償。

（6）建立典型的量規(guī)測量數(shù)據(jù)庫,即在三坐標精度校驗好的情況下進行多次測量，將結果按照統(tǒng)計規(guī)律計算后得出一個合理的值，如89mm（32■in）油管,NC50等?？梢越洺Ｗ鞅葘嶒炓源_定三坐標的精度情況。

[1]張國雄.三坐標測量機[M].天津:天津大學出版社,1999.

[2]張國雄.坐標測量技術發(fā)展方向[J].紅外與激光工程,2008(S1):1-2.

[3]孫科,田懷文.三坐標測量機測頭半徑補償實用算法[J].機械.2009 (02):6-8.

The paper studies the source of error in measuring thread gauge with Coordinate Measuring Machine (CMM).The analysis concentrates on the following errors such as mechanical error,environmental error,probe measurement error,the software algorithm error,and measuring method error.Based on the analyses,it is expounded how to reduce the relevant errors in the measurement of thread gauge and how to get more accurate result.

Coordinate Measuring Machine(CMM)；thread gauge；errors

馮娜（1980-），女，在職碩士研究生，2003年畢業(yè)于西安石油大學測控技術及儀器專業(yè)，主要從事石油專用螺紋的檢測、校準及研究工作。

2010-06-14