張斌　潘宇妮

摘? ?要：在機(jī)件加工中，必須對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)，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(cè)量機(jī)就是用于機(jī)件檢驗(yàn)的高精度測(cè)量設(shè)備，合格的機(jī)件產(chǎn)品檢驗(yàn)工作人員應(yīng)當(dāng)具備熟悉使用該儀器的能力，本文針對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的數(shù)據(jù)誤差來(lái)源和測(cè)針校準(zhǔn)原理，對(duì)測(cè)針的選擇和校準(zhǔn)方法要點(diǎn)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)? 測(cè)針校準(zhǔn)? 測(cè)針選擇

中圖分類號(hào)：TG87? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098 X （2019）07（a）-0093-02

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

1? 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)誤差來(lái)源與測(cè)針校準(zhǔn)原理

1.1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)誤差主要來(lái)源

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的誤差類型可以分為兩個(gè)大類，一是靜態(tài)誤差，二是動(dòng)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(gè)穩(wěn)定水平，不會(huì)發(fā)生太大的波動(dòng)只有在時(shí)間跨度足夠長(zhǎng)的時(shí)候，才會(huì)因?yàn)橛布p等原因發(fā)生較大的變化。后者則主要是由于觀測(cè)者視覺(jué)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(huì)隨著時(shí)間的流動(dòng)而發(fā)生大幅度的波動(dòng)。

靜態(tài)誤差的產(chǎn)生源于儀器的制造過(guò)程以及設(shè)備結(jié)構(gòu)的區(qū)別，在制造過(guò)程中，總會(huì)混入影響儀器精密度的因素，因此每一臺(tái)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(shí)，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)最重要的部件就是測(cè)針，測(cè)針的磨損也會(huì)引起靜態(tài)誤差的產(chǎn)生。不同儀器的設(shè)備結(jié)構(gòu)會(huì)由于外部因素的瞬間影響而產(chǎn)生差別，這種外來(lái)影響因素的存在時(shí)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(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量精度。在觀測(cè)員以標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行觀測(cè)的情況下，儀器的靜態(tài)誤差值通常大于動(dòng)態(tài)誤差的初值，但是動(dòng)態(tài)誤差值會(huì)由于時(shí)間發(fā)展而發(fā)生變化，通常都會(huì)增長(zhǎng)到超越靜態(tài)誤差的程度。在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量當(dāng)中，其測(cè)頭測(cè)針存在磨損現(xiàn)象，此時(shí)就會(huì)形成靜態(tài)誤差[1]。

動(dòng)態(tài)誤差來(lái)源相對(duì)于靜態(tài)誤差而言更廣泛，外部環(huán)境的變動(dòng)會(huì)引起相應(yīng)的動(dòng)態(tài)誤差的產(chǎn)生，例如，隨著時(shí)間發(fā)展，灰塵、儀器溫度等會(huì)發(fā)生積累和相對(duì)升高，相應(yīng)地，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的誤差值也會(huì)因此而有所提升[2]。同時(shí)人為因素也有可能造成相應(yīng)的動(dòng)態(tài)誤差。包括觀測(cè)者的視覺(jué)上的差異、觀測(cè)方法和習(xí)慣等因素都有可能影響到測(cè)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(shí)間性，不過(guò)其產(chǎn)生差異所需要的時(shí)間跨度更長(zhǎng)，例如上文所述的測(cè)針會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生磨損，導(dǎo)致儀器精度下降。

1.2 測(cè)針校準(zhǔn)原理

進(jìn)行機(jī)件的測(cè)量采樣時(shí)，測(cè)針與待測(cè)機(jī)件表面接觸，產(chǎn)生并通過(guò)線路將接觸信號(hào)傳往測(cè)頭系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)通過(guò)對(duì)測(cè)頭系統(tǒng)的信號(hào)進(jìn)行采集從而得到測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)，這是三左邊測(cè)量機(jī)的基本工作原理。相對(duì)而言，測(cè)針的校準(zhǔn)更為復(fù)雜，進(jìn)入測(cè)頭校準(zhǔn)程序后，測(cè)量機(jī)使用與幾何元素測(cè)量程序中球體測(cè)量相同的方法自動(dòng)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)球，當(dāng)采點(diǎn)數(shù)達(dá)到要求時(shí)，測(cè)量程序自動(dòng)完成測(cè)點(diǎn)的校準(zhǔn)處理，并將處理結(jié)果返還測(cè)頭校準(zhǔn)對(duì)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(xiàng)：測(cè)頭半徑、球度誤差、測(cè)球中心相對(duì)于零號(hào)測(cè)頭中心的坐標(biāo)值。

2? 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)針校準(zhǔn)要點(diǎn)分析

2.1 測(cè)前準(zhǔn)備

在進(jìn)行測(cè)量前，根據(jù)不同的待測(cè)機(jī)件和測(cè)量要求，確定測(cè)針組合，在測(cè)量過(guò)程中如果更換測(cè)針會(huì)產(chǎn)生極大的誤差，因此測(cè)前應(yīng)對(duì)測(cè)針組合進(jìn)行測(cè)前檢查，檢查內(nèi)容包括測(cè)針直徑、剛度、長(zhǎng)度、方向以及測(cè)桿長(zhǎng)度、粗細(xì)等各方面的誤差影響因素，多測(cè)針測(cè)量時(shí)，測(cè)針的位置也會(huì)引起一定的誤差。

2.2 校準(zhǔn)

為了提高檢測(cè)校準(zhǔn)的精確度，對(duì)測(cè)針的校準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)以測(cè)針與標(biāo)準(zhǔn)球軸線的最大直徑的接觸點(diǎn)為校準(zhǔn)參照點(diǎn)，進(jìn)行檢測(cè)校準(zhǔn)還要注意校準(zhǔn)前后測(cè)針直徑的誤差。單個(gè)測(cè)針位置校準(zhǔn)的要點(diǎn)主要是對(duì)兩項(xiàng)數(shù)據(jù)的觀察，即測(cè)針直徑以及與之相關(guān)的球度誤差，測(cè)針直徑應(yīng)當(dāng)與平時(shí)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(duì)更小的范圍內(nèi)。在單個(gè)測(cè)針校準(zhǔn)完畢后，進(jìn)行多個(gè)測(cè)針位置的校準(zhǔn)，多個(gè)測(cè)針的位置校準(zhǔn)除了需要觀察測(cè)針直徑和球度誤差，還要使用校準(zhǔn)后的測(cè)針進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)球測(cè)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(cè)誤差超過(guò)3μm則存在異常，存在異常的情況下要重新對(duì)測(cè)頭、所測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)球的穩(wěn)固性等進(jìn)行檢查，變化較大的尋找原因并解決問(wèn)題，發(fā)生測(cè)針損壞的，應(yīng)當(dāng)對(duì)損壞的測(cè)針進(jìn)行更換，然后才能重新開(kāi)始測(cè)量。同時(shí)，進(jìn)行誤差得重復(fù)校準(zhǔn)是有必要的，通過(guò)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理對(duì)多次測(cè)量所得數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)量數(shù)據(jù)是測(cè)量機(jī)件所得數(shù)據(jù)的參照物，由于其具有良好的球度誤差，測(cè)針校準(zhǔn)過(guò)程應(yīng)當(dāng)始終以該球體的直徑為標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)針校準(zhǔn)的球度誤差會(huì)受到標(biāo)準(zhǔn)球數(shù)據(jù)的直接影響，所以，應(yīng)當(dāng)運(yùn)用軟件標(biāo)準(zhǔn)球的等效直徑測(cè)出，以進(jìn)行測(cè)球半徑的補(bǔ)償。

3? 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)針選擇分析

3.1 測(cè)針的選用

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)針選擇應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體情況而定，所選擇的測(cè)針必須是經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的，在測(cè)量過(guò)程中，除了外部環(huán)境因素和儀器精度等因素，測(cè)針的選擇也會(huì)影響測(cè)量誤差。不同測(cè)針具有不同的最大剛度，所適應(yīng)的球度也不一樣，在測(cè)針的選擇中，選取球體直徑較大的測(cè)針有助于降低標(biāo)準(zhǔn)球表面粗糙度對(duì)精度造成的影響，同時(shí)，測(cè)球的直徑越大，球度越好，同時(shí)，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[3]。

3.2 測(cè)桿的選用

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

3.3 測(cè)頭校正

測(cè)頭校正工作中能夠引起測(cè)量誤差的因素有：測(cè)桿撓性、觸點(diǎn)位置、測(cè)量速度以及距離等，在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中應(yīng)當(dāng)按照合適的參數(shù)進(jìn)行測(cè)頭校正，保障測(cè)量精度。

3.4 接長(zhǎng)桿時(shí)連接點(diǎn)的選擇

測(cè)針長(zhǎng)度不足時(shí)需要連接長(zhǎng)桿，這時(shí)會(huì)在雙方的連接點(diǎn)位置上產(chǎn)生應(yīng)力變形點(diǎn)，還有肉眼不可視的微觀彎曲，這兩個(gè)變化會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量的精度，所以在配置測(cè)針時(shí)，如果可以不連接長(zhǎng)桿，盡量不要使用接長(zhǎng)桿，降低由此產(chǎn)生的累積誤差。

3.5 測(cè)孔徑工作中測(cè)針的選擇

孔徑長(zhǎng)度較短時(shí)，測(cè)針直徑不會(huì)有太大的精度影響，但是如果所測(cè)孔長(zhǎng)度大，則應(yīng)當(dāng)首先選用直徑4mm的測(cè)針，減少碰桿引起的誤差，同時(shí)對(duì)微觀表面平整度不好的測(cè)件進(jìn)行測(cè)量時(shí)，也要優(yōu)先選擇直徑的測(cè)針。

4? 結(jié)語(yǔ)

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的自動(dòng)化程度極高，因此能夠?qū)⑹褂脗鹘y(tǒng)方法耗時(shí)數(shù)小時(shí)的待測(cè)機(jī)件的測(cè)量工作壓縮到幾分鐘內(nèi)完成，實(shí)現(xiàn)工作效率的極大提升。檢測(cè)人員在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量前，要對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)針等進(jìn)行校準(zhǔn)，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)選擇合理的測(cè)針長(zhǎng)度和直徑，針對(duì)不同的待測(cè)機(jī)件，選用不同的測(cè)針，這些工作都應(yīng)當(dāng)在正式測(cè)量前應(yīng)當(dāng)認(rèn)真做好，避免在測(cè)量過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題產(chǎn)生更多麻煩。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 許朝山.三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量誤差分析及補(bǔ)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(cè)量機(jī)測(cè)針的校準(zhǔn)和選擇[J].山東工業(yè)技術(shù)，2018（18）：117.