張兵峰

摘 要：本文主要論述了三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)針校準(zhǔn)的原理和校準(zhǔn)過程中需要注意的常見問題以及合理選擇測(cè)針的原則。

關(guān)鍵詞：三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)；測(cè)針；校準(zhǔn)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.101

1 引言

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量精度和工作效率與測(cè)針的校準(zhǔn)和選擇緊密關(guān)聯(lián)，在進(jìn)行測(cè)量工作之前必須要合理的選擇測(cè)針和對(duì)測(cè)針準(zhǔn)確的校準(zhǔn)，因?yàn)闇y(cè)針的測(cè)球有自己的尺寸，而測(cè)量零件的不同位置可能是用測(cè)球的不同位置去接觸零件的，因此，測(cè)量的數(shù)據(jù)中含有測(cè)球自己的數(shù)值，而測(cè)針校準(zhǔn)就是測(cè)量測(cè)球自己尺寸大小的過程。特別是校準(zhǔn)不同長度和位置的測(cè)針時(shí)測(cè)球校準(zhǔn)結(jié)果球度誤差的大小對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響至關(guān)重要。本文主要論述了三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)針校準(zhǔn)的原理和校準(zhǔn)過程中應(yīng)注意的問題以及合理選擇測(cè)針的原則。

2 測(cè)針校準(zhǔn)的原理

在測(cè)量采樣過程中，當(dāng)測(cè)針與被測(cè)件表面觸碰時(shí)，測(cè)頭系統(tǒng)就會(huì)有信號(hào)顯示，作為測(cè)量的瞄準(zhǔn)信號(hào)，進(jìn)而通知計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，以得到得被測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值。此外，由于測(cè)量機(jī)通過測(cè)頭系統(tǒng)進(jìn)行探測(cè)，得到的點(diǎn)位坐標(biāo)值是測(cè)球中心的坐標(biāo)值，為了獲得被測(cè)工件的實(shí)際尺寸，還需加上或減去測(cè)球的動(dòng)態(tài)直徑值。進(jìn)入測(cè)頭校準(zhǔn)程序后，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)球進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量方法與幾何元素測(cè)量程序中的球的測(cè)量方法一樣，當(dāng)采點(diǎn)數(shù)量達(dá)到要求時(shí)，測(cè)量程序會(huì)自動(dòng)對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算處理，將處理后的測(cè)頭校準(zhǔn)結(jié)果，自動(dòng)返回到測(cè)頭校準(zhǔn)對(duì)話框界面中。在按下回車按鍵后，校準(zhǔn)后的測(cè)頭數(shù)據(jù)將作為修正值用于后續(xù)的應(yīng)用數(shù)據(jù)處理中。基準(zhǔn)后的測(cè)頭數(shù)據(jù)包括測(cè)頭半徑及球度誤差還有測(cè)球中心相對(duì)于零號(hào)測(cè)頭中心的坐標(biāo)值。

3 校準(zhǔn)測(cè)針時(shí)，需注意的問題

（1）測(cè)前準(zhǔn)備。根據(jù)工件的測(cè)量范圍以及需要測(cè)量的方向和位置，首先確定所需用的測(cè)針組合，包括測(cè)針的直徑、數(shù)量、方向和是否加裝接長桿，盡量不在測(cè)量過程中更換測(cè)針。

（2）檢測(cè)校準(zhǔn)。測(cè)針校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)使所選測(cè)針在標(biāo)準(zhǔn)球的軸向最大直徑處分別接觸測(cè)量，以提高測(cè)針校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度。注意觀察校準(zhǔn)后測(cè)針的直徑和校準(zhǔn)時(shí)的形狀誤差，如果有較大變化，就需要查找原因。需要進(jìn)行6次以上的校準(zhǔn)，觀察其校準(zhǔn)結(jié)果的重復(fù)性數(shù)據(jù)，以統(tǒng)計(jì)原理求出標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行分析。

（3）重復(fù)校準(zhǔn)。單個(gè)測(cè)針位置校準(zhǔn)，需要觀察測(cè)針直徑和球度誤差，三坐標(biāo)測(cè)針直徑應(yīng)與平時(shí)校準(zhǔn)相近且重復(fù)性好，球度誤差也小，多個(gè)測(cè)頭位置校準(zhǔn)時(shí)，除要觀察以上結(jié)果外，還要用校準(zhǔn)后的各個(gè)位置的測(cè)針測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)球，觀察球心坐標(biāo)值的變化，數(shù)值應(yīng)與示值誤差或探測(cè)誤差相近。 如果變化范圍在（1～3）μm之間，就算正常。否則，就要重新檢查測(cè)頭、測(cè)座、接長桿、標(biāo)準(zhǔn)球的安裝是否穩(wěn)固、可靠。

（4）測(cè)針更換。因?yàn)闇y(cè)針長度是測(cè)頭自動(dòng)校準(zhǔn)的重要參數(shù)，如果自動(dòng)更換校準(zhǔn)錯(cuò)誤，就會(huì)造成測(cè)針的非正常碰撞，輕者碰壞測(cè)針，重則造成測(cè)頭（傳感器）損壞。測(cè)針更換過程中如果測(cè)頭艙盒偏離原來位置，可以初始化測(cè)針架坐標(biāo)系再重新建立，如果測(cè)頭太重，失去平衡，可以在測(cè)頭的相反方向嘗試加配重塊來解決。

（5）標(biāo)準(zhǔn)球直徑。標(biāo)準(zhǔn)球具有極好的圓度誤差，校準(zhǔn)過程中以該直徑值作為標(biāo)準(zhǔn)。一定要正確輸入標(biāo)準(zhǔn)球的理論直徑。根據(jù)前面測(cè)針校準(zhǔn)的原理可以看出標(biāo)準(zhǔn)球理論直徑數(shù)值將直接影響測(cè)針校準(zhǔn)的球度誤差，必須使軟件得到三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)球的“等效直徑”，自動(dòng)進(jìn)行測(cè)球半徑的補(bǔ)償。

4 合理選擇校準(zhǔn)過的測(cè)針

在使用過程中影響測(cè)量結(jié)果的因素除了環(huán)境因素和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)自身的計(jì)量特性外，還與測(cè)針的選擇有著密切的關(guān)系。我們要選擇測(cè)針的大小和類型，其實(shí)就是在選擇測(cè)針的最大剛度還有測(cè)球的球度。測(cè)桿材料的選擇也很重要，測(cè)桿必須設(shè)計(jì)具有最大的剛性，這樣即使測(cè)量時(shí)測(cè)桿彎曲至最低也不會(huì)被折斷。還要兼顧選擇盡可能短的測(cè)針，測(cè)桿越長精度就越低，應(yīng)當(dāng)減少測(cè)針組合的件數(shù)，測(cè)球的直徑也要盡可能選大一點(diǎn)，這樣不但可以增大測(cè)球和測(cè)針桿之間的距離，還可以減少測(cè)針桿的碰撞；最后當(dāng)組合測(cè)針時(shí)，還要考慮測(cè)頭的生產(chǎn)廠家所規(guī)定的測(cè)針長度和測(cè)針重量的最大允許范圍。

（1）測(cè)球的選擇。優(yōu)先選擇球徑較大的測(cè)針，測(cè)球直徑大就會(huì)減小被測(cè)表面紋路粗糙對(duì)精度造成的影響，測(cè)球直徑越大，圓度就越好，測(cè)桿就越粗，測(cè)力變形也就越小，其曲面半徑就大一些，接觸變形就會(huì)更小，球徑與測(cè)針桿之差也就越大，在測(cè)量工件時(shí)碰到測(cè)桿的機(jī)率就比小球徑的測(cè)針要小得多。

（2）測(cè)桿的選擇。測(cè)量精度隨著測(cè)桿長度的增加而降低因此要盡量選擇具有最大剛度、盡可能短而粗的測(cè)桿才是正確的做法。雖然測(cè)桿并不會(huì)直接引起特定的誤差，但測(cè)桿長度會(huì)將誤差放大。測(cè)桿的撓性也會(huì)放大預(yù)行程的變化。陶瓷測(cè)桿通?？捎糜诩刃枰?jiǎng)傂院?，又要求重量輕的測(cè)量任務(wù)。同樣，碳纖維通常也可用于制造很長的測(cè)桿。

（3）連接點(diǎn)的選擇。由于測(cè)針與加長桿連接在一起時(shí)會(huì)引入了微觀彎曲和變形點(diǎn)，因此在配置測(cè)針時(shí)應(yīng)該盡量減少連接點(diǎn)，盡可能減少接長桿的連接數(shù)目以減小累積誤差。

（4）測(cè)量孔徑時(shí)的選擇。對(duì)于10mm以上的孔徑，要是孔不長，用φ2、φ3、φ4mm的測(cè)針都是一樣的，要是孔很長且要打全的話，那就要首選4mm的測(cè)針了，這樣測(cè)就不容易碰桿。另外，測(cè)量平面度時(shí)為減少表面微觀不平度的影響，也要優(yōu)先選擇大球徑測(cè)針。

（5）測(cè)頭的校正。測(cè)頭校正是保證測(cè)量精度的基礎(chǔ)，在測(cè)頭校正過程中引起誤差的主要因素有：測(cè)桿的彎曲變形，測(cè)頭校正時(shí)觸測(cè)點(diǎn)位置，測(cè)力，觸測(cè)速度和探測(cè)距離等，測(cè)力越小精度越低，應(yīng)選用一定的測(cè)力和測(cè)速進(jìn)行校正，同時(shí)選用合適的探測(cè)距離，以保證校正精度。

5 結(jié)束語

通過對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)針校準(zhǔn)的原理，和校準(zhǔn)過程中需要注意的5個(gè)常見問題的分析論述，筆者認(rèn)為測(cè)頭系統(tǒng)是測(cè)量機(jī)的關(guān)鍵部件，對(duì)于測(cè)量機(jī)的功能、準(zhǔn)確度、效率等影響極大。進(jìn)行有效探測(cè)的關(guān)鍵因素就是如何正確的校準(zhǔn)測(cè)針和在不同的測(cè)量任務(wù)中合理的選擇測(cè)針。如果在后續(xù)測(cè)量過程中發(fā)現(xiàn)問題就會(huì)增加較大的工作量，也不利于提高測(cè)量效率。

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