星型測針的選用及誤差解決方法

劉巨強

摘 要：為滿足復雜工件的檢測需要，星型測頭得以廣泛使用，但測量過程中存在的誤差不容忽視，我們要分析誤差產生的原因，并加以解決。

關鍵詞：測量；星型測頭；誤差

1 星型測針的選用

目前，三坐標測量機廣泛應用于各種機械零部件尺寸、角度、形狀和位置的測量，在工程建筑、生產制造、科技研發等各個領域起著越來越重要的作用。而使用三坐標測量機進行有效探測的關鍵因素之一就是測量測針的選用，測針作為測量機的一部分，主要用來探測工作表面，產生觸發信號，產生測量數據。我們根據被測量的特征，選用合適的測針。

當測量時遇到一些較難測量的部位，如零件的內腔、深孔、溝槽之類，我們就可以選用如圖1所示的星型測頭，它是由4個或5個紅寶石測針組合而成的，作為一個整體使用，大大拓展了測量范圍，可以完成單測針所部能完成的多種檢測任務，并可以有效地減少測量時間，提高檢測效率。

為了保障測量過程的星型測針的探測精度，測量前需要對星型測針進行標定和校驗，以PC-DMIS系統為例，具體標定步驟如下： （1）在文件菜單新建一個測頭文件（界面如圖2所示）。（2）在測頭說明里對測頭組件進行詳細描述，5個測針分別定義方向（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）添加探測需要的角度。（4）按照普通測針的方法進行標定。

2 星型測針的誤差分析與解決

2.1 測針組合安裝過程中產生的誤差

如圖3所示，安裝過程中要盡量使測針2與測針4的連線與X軸保持平行，測針3與測針5的連線與Y軸保持平行，以消除由測針安裝不平行引起的誤差，同時加長桿的長度選用20mm以下，以盡量消除因測桿過長引起撓曲變形帶來測量結果的誤差。探球選用要盡量大些，這樣球與桿的間隙較大，減小誤觸發的可能性，而且可以減輕因被測表面粗糙對精度造成的影響。

2.2 測針校準后半徑補償值的差異導致的測量誤差

2.2.1 測量過程的描述

我們選用標準值為Φ30mm的光滑塞規進行外徑尺寸的測量。測量此類軸類的零件，我們一般會選用三坐標測量機的測圓功能，使用圖3所示的星型測頭進行測量，從2號測頭開始，5號測頭結束，沿著外圓柱順時針方向各采一個點，完成測量，得出直徑值，再從3號測針開始，2號測針結束，以此類推，得出測量數據匯總表如表1所示。

2.2.2 測量數據的分析

我們根據表一分析測量數據，可以得出如下結論：（1）數據不存在明顯的粗大誤差，可以作為分析使用。（2）20個測量數據中，最大值為30.0031mm，最小值為29.9942mm，最大重復誤差為0.0089mm，超出儀器最大允許誤差 （2.5+L/300）μm。（3）從四組數據的平均值分析，第一組和第三組數據均超差。

2.2.3 分析誤差的原因

為什么會產生上述誤差，經過分析，是由于測針校正后半徑補償值的差異引起的，當使用星型測針進行測量前，測針先要通過標準球進行校準，得出每個測針的動態補償半徑，以便于測量結果的修正。而使用三坐標的圓測量功能時，測頭先探測四個點的位置，系統記錄出探頭的中心坐標位置，擬合成一個標準圓，再使用最后一個探針的半徑補償值進行修正，如使用順序為2-3-4-5號星型測針進行外圓測量時，最后以5號測針的補償半徑進行修正，帶來較大的測量誤差，也導致不同順序測針的使用帶來較大的重復誤差。

2.2.4 解決問題的方法-測點構建圓周法

通過分析誤差的原因，我們得出結論主要是因為測量點的修正半徑不準確造成的，我們不妨思考一下，如何能夠避免這個問題，我們可以采用測圓的另一方法，我們通過采集每一個點，然后用構建的功能去擬合成一個標準圓，它的優點是在采集每一個點的過程時，可以根據所用測針的補償半徑實現逐點修正，就可以杜絕因為統一修正帶來的誤差，我們采用點構建圓法對上述光滑塞規進行重新測量，具體測量數據如表2所示。

由表2分析，20次測量結果最大值：29.9994mm，最小值：29.9982mm，最大測量重復誤差為：0.0012mm，在設備最大允許誤差（2.5+L/300）μm的范圍內，測量結果準確可靠。所以我們在測量過程中，盡可能采用逐點采集，構建元素，進行結果分析的方法，可有效地避免誤差，提高測量的精度。

3 結束語

星型測頭的選用，可以給日常的測量工作帶來便利，也有助于解決很多測量過程中遇到的難題，但我們在使用過程中要對可能產生的誤差進行分析，盡可能采取一些減小或控制誤差的方法，以提高測量的精度，使得測量結果準確可靠。