星型測(cè)針的選用及誤差解決方法

劉巨強(qiáng)

摘 要：為滿足復(fù)雜工件的檢測(cè)需要，星型測(cè)頭得以廣泛使用，但測(cè)量過(guò)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(cè)量；星型測(cè)頭；誤差

1 星型測(cè)針的選用

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

當(dāng)測(cè)量時(shí)遇到一些較難測(cè)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(cè)頭，它是由4個(gè)或5個(gè)紅寶石測(cè)針組合而成的，作為一個(gè)整體使用，大大拓展了測(cè)量范圍，可以完成單測(cè)針?biāo)磕芡瓿傻亩喾N檢測(cè)任務(wù)，并可以有效地減少測(cè)量時(shí)間，提高檢測(cè)效率。

為了保障測(cè)量過(guò)程的星型測(cè)針的探測(cè)精度，測(cè)量前需要對(duì)星型測(cè)針進(jìn)行標(biāo)定和校驗(yàn)，以PC-DMIS系統(tǒng)為例，具體標(biāo)定步驟如下： （1）在文件菜單新建一個(gè)測(cè)頭文件（界面如圖2所示）。（2）在測(cè)頭說(shuō)明里對(duì)測(cè)頭組件進(jìn)行詳細(xì)描述，5個(gè)測(cè)針?lè)謩e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(cè)需要的角度。（4）按照普通測(cè)針的方法進(jìn)行標(biāo)定。

2 星型測(cè)針的誤差分析與解決

2.1 測(cè)針組合安裝過(guò)程中產(chǎn)生的誤差

如圖3所示，安裝過(guò)程中要盡量使測(cè)針2與測(cè)針4的連線與X軸保持平行，測(cè)針3與測(cè)針5的連線與Y軸保持平行，以消除由測(cè)針安裝不平行引起的誤差，同時(shí)加長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度選用20mm以下，以盡量消除因測(cè)桿過(guò)長(zhǎng)引起撓曲變形帶來(lái)測(cè)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(cè)表面粗糙對(duì)精度造成的影響。

2.2 測(cè)針校準(zhǔn)后半徑補(bǔ)償值的差異導(dǎo)致的測(cè)量誤差

2.2.1 測(cè)量過(guò)程的描述

我們選用標(biāo)準(zhǔn)值為Φ30mm的光滑塞規(guī)進(jìn)行外徑尺寸的測(cè)量。測(cè)量此類軸類的零件，我們一般會(huì)選用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)圓功能，使用圖3所示的星型測(cè)頭進(jìn)行測(cè)量，從2號(hào)測(cè)頭開始，5號(hào)測(cè)頭結(jié)束，沿著外圓柱順時(shí)針?lè)较蚋鞑梢粋€(gè)點(diǎn)，完成測(cè)量，得出直徑值，再?gòu)?號(hào)測(cè)針開始，2號(hào)測(cè)針結(jié)束，以此類推，得出測(cè)量數(shù)據(jù)匯總表如表1所示。

2.2.2 測(cè)量數(shù)據(jù)的分析

我們根據(jù)表一分析測(cè)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(gè)測(cè)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(huì)產(chǎn)生上述誤差，經(jīng)過(guò)分析，是由于測(cè)針校正后半徑補(bǔ)償值的差異引起的，當(dāng)使用星型測(cè)針進(jìn)行測(cè)量前，測(cè)針先要通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)球進(jìn)行校準(zhǔn)，得出每個(gè)測(cè)針的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償半徑，以便于測(cè)量結(jié)果的修正。而使用三坐標(biāo)的圓測(cè)量功能時(shí)，測(cè)頭先探測(cè)四個(gè)點(diǎn)的位置，系統(tǒng)記錄出探頭的中心坐標(biāo)位置，擬合成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圓，再使用最后一個(gè)探針的半徑補(bǔ)償值進(jìn)行修正，如使用順序?yàn)?-3-4-5號(hào)星型測(cè)針進(jìn)行外圓測(cè)量時(shí)，最后以5號(hào)測(cè)針的補(bǔ)償半徑進(jìn)行修正，帶來(lái)較大的測(cè)量誤差，也導(dǎo)致不同順序測(cè)針的使用帶來(lái)較大的重復(fù)誤差。

2.2.4 解決問(wèn)題的方法-測(cè)點(diǎn)構(gòu)建圓周法

通過(guò)分析誤差的原因，我們得出結(jié)論主要是因?yàn)闇y(cè)量點(diǎn)的修正半徑不準(zhǔn)確造成的，我們不妨思考一下，如何能夠避免這個(gè)問(wèn)題，我們可以采用測(cè)圓的另一方法，我們通過(guò)采集每一個(gè)點(diǎn)，然后用構(gòu)建的功能去擬合成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圓，它的優(yōu)點(diǎn)是在采集每一個(gè)點(diǎn)的過(guò)程時(shí)，可以根據(jù)所用測(cè)針的補(bǔ)償半徑實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)修正，就可以杜絕因?yàn)榻y(tǒng)一修正帶來(lái)的誤差，我們采用點(diǎn)構(gòu)建圓法對(duì)上述光滑塞規(guī)進(jìn)行重新測(cè)量，具體測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2分析，20次測(cè)量結(jié)果最大值：29.9994mm，最小值：29.9982mm，最大測(cè)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(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。所以我們?cè)跍y(cè)量過(guò)程中，盡可能采用逐點(diǎn)采集，構(gòu)建元素，進(jìn)行結(jié)果分析的方法，可有效地避免誤差，提高測(cè)量的精度。

3 結(jié)束語(yǔ)

星型測(cè)頭的選用，可以給日常的測(cè)量工作帶來(lái)便利，也有助于解決很多測(cè)量過(guò)程中遇到的難題，但我們?cè)谑褂眠^(guò)程中要對(duì)可能產(chǎn)生的誤差進(jìn)行分析，盡可能采取一些減小或控制誤差的方法，以提高測(cè)量的精度，使得測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。