三坐標測量機測針的校準和選擇分析

張斌　潘宇妮

摘? ?要：在機件加工中，必須對產品進行檢驗，以確保產品尺寸誤差處于合理范圍內，符合裝配要求。三坐標測量機就是用于機件檢驗的高精度測量設備，合格的機件產品檢驗工作人員應當具備熟悉使用該儀器的能力，本文針對三坐標測量機的數據誤差來源和測針校準原理，對測針的選擇和校準方法要點進行了分析。

關鍵詞：三坐標測量機? 測針校準? 測針選擇

中圖分類號：TG87? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098 X （2019）07（a）-0093-02

測量誤差是客觀存在的，不管儀器究竟有多高的精度也無法消除，三坐標測量機是機件產品檢驗中常用的高精度測量設備，同樣存在一定的誤差。人造儀器的測量誤差問題無法消除，但是可以通過各種方法來降低，使機器的裝配不受誤差的影響。

1? 三坐標測量機誤差來源與測針校準原理

1.1 三坐標測量機誤差主要來源

三坐標測量機的誤差類型可以分為兩個大類，一是靜態誤差，二是動態誤差，二者的區別在于前者是在短期內始終處于某一個穩定水平，不會發生太大的波動只有在時間跨度足夠長的時候，才會因為硬件磨損等原因發生較大的變化。后者則主要是由于觀測者視覺以及外界不斷變化的環境等因素所造成的誤差，在短期內就會隨著時間的流動而發生大幅度的波動。

靜態誤差的產生源于儀器的制造過程以及設備結構的區別，在制造過程中，總會混入影響儀器精密度的因素，因此每一臺儀器基于儀器制造所發生的靜態誤差都有所差別，同時，三坐標測量機最重要的部件就是測針，測針的磨損也會引起靜態誤差的產生。不同儀器的設備結構會由于外部因素的瞬間影響而產生差別，這種外來影響因素的存在時間極其短暫，變化性不大，但是它所造成的靜態誤差仍然會嚴重影響測量精度。在觀測員以標準方法進行觀測的情況下，儀器的靜態誤差值通常大于動態誤差的初值，但是動態誤差值會由于時間發展而發生變化，通常都會增長到超越靜態誤差的程度。在三坐標測量機測量當中，其測頭測針存在磨損現象，此時就會形成靜態誤差[1]。

動態誤差來源相對于靜態誤差而言更廣泛，外部環境的變動會引起相應的動態誤差的產生，例如，隨著時間發展，灰塵、儀器溫度等會發生積累和相對升高，相應地，三坐標測量機的誤差值也會因此而有所提升[2]。同時人為因素也有可能造成相應的動態誤差。包括觀測者的視覺上的差異、觀測方法和習慣等因素都有可能影響到測量的精度。此外值得注意的是，靜態誤差在一定意義上也具有時間性，不過其產生差異所需要的時間跨度更長，例如上文所述的測針會隨著時間發生磨損，導致儀器精度下降。

1.2 測針校準原理

進行機件的測量采樣時，測針與待測機件表面接觸，產生并通過線路將接觸信號傳往測頭系統，計算機通過對測頭系統的信號進行采集從而得到測點坐標，這是三左邊測量機的基本工作原理。相對而言，測針的校準更為復雜，進入測頭校準程序后，測量機使用與幾何元素測量程序中球體測量相同的方法自動測量標準球，當采點數達到要求時，測量程序自動完成測點的校準處理，并將處理結果返還測頭校準對話界面，確認后將作為修正值用于后續數據處理工作中，校準后的數據分為三項：測頭半徑、球度誤差、測球中心相對于零號測頭中心的坐標值。

2? 三坐標測量機測針校準要點分析

2.1 測前準備

在進行測量前，根據不同的待測機件和測量要求，確定測針組合，在測量過程中如果更換測針會產生極大的誤差，因此測前應對測針組合進行測前檢查，檢查內容包括測針直徑、剛度、長度、方向以及測桿長度、粗細等各方面的誤差影響因素，多測針測量時，測針的位置也會引起一定的誤差。

2.2 校準

為了提高檢測校準的精確度，對測針的校準應當以測針與標準球軸線的最大直徑的接觸點為校準參照點，進行檢測校準還要注意校準前后測針直徑的誤差。單個測針位置校準的要點主要是對兩項數據的觀察，即測針直徑以及與之相關的球度誤差，測針直徑應當與平時校準的數值相近并且具有良好的重復性，這樣才能使球度誤差保持在相對更小的范圍內。在單個測針校準完畢后，進行多個測針位置的校準，多個測針的位置校準除了需要觀察測針直徑和球度誤差，還要使用校準后的測針進行標準球測量并得出的球心坐標值，比較其與原記錄值的差別，其數值與示值誤差或探測誤差超過3μm則存在異常，存在異常的情況下要重新對測頭、所測量的標準球的穩固性等進行檢查，變化較大的尋找原因并解決問題，發生測針損壞的，應當對損壞的測針進行更換，然后才能重新開始測量。同時，進行誤差得重復校準是有必要的，通過運用統計學原理對多次測量所得數據進行分析，從而得出更精確的結果。

2.3 標準球的直徑

標準球的測量數據是測量機件所得數據的參照物，由于其具有良好的球度誤差，測針校準過程應當始終以該球體的直徑為標準，測針校準的球度誤差會受到標準球數據的直接影響，所以，應當運用軟件標準球的等效直徑測出，以進行測球半徑的補償。

3? 三坐標測量機測針選擇分析

3.1 測針的選用

三坐標測量機的測針選擇應當根據具體情況而定，所選擇的測針必須是經過校準的，在測量過程中，除了外部環境因素和儀器精度等因素，測針的選擇也會影響測量誤差。不同測針具有不同的最大剛度，所適應的球度也不一樣，在測針的選擇中，選取球體直徑較大的測針有助于降低標準球表面粗糙度對精度造成的影響，同時，測球的直徑越大，球度越好，同時，球徑與測針桿之差也就越大，在測量工件時碰到測桿的機率就比小球徑的測針要小得多[3]。

3.2 測桿的選用

相對更粗的測桿在應力作用下的變形會更小，測量精度就越高，但是測量精度還受到測桿長度的影響，測桿長度越長，測量精度反而越低，長測桿會起到放大誤差的作用，這是由其撓性導致測桿預行程的改變所導致的必然結果。所以對于測桿的選用，首先要求測桿剛度應當足夠大，其次是其長度和粗細的要求，應當盡可能使測桿更粗，長度更短。在具體的測桿選擇用中應當根據需要使用不同性質的測桿。

3.3 測頭校正

測頭校正工作中能夠引起測量誤差的因素有：測桿撓性、觸點位置、測量速度以及距離等，在實際測量過程中應當按照合適的參數進行測頭校正，保障測量精度。

3.4 接長桿時連接點的選擇

測針長度不足時需要連接長桿，這時會在雙方的連接點位置上產生應力變形點，還有肉眼不可視的微觀彎曲，這兩個變化會嚴重影響測量的精度，所以在配置測針時，如果可以不連接長桿，盡量不要使用接長桿，降低由此產生的累積誤差。

3.5 測孔徑工作中測針的選擇

孔徑長度較短時，測針直徑不會有太大的精度影響，但是如果所測孔長度大，則應當首先選用直徑4mm的測針，減少碰桿引起的誤差，同時對微觀表面平整度不好的測件進行測量時，也要優先選擇直徑的測針。

4? 結語

三坐標測量機的自動化程度極高，因此能夠將使用傳統方法耗時數小時的待測機件的測量工作壓縮到幾分鐘內完成，實現工作效率的極大提升。檢測人員在三坐標測量機測量前，要對三坐標測量機的測針等進行校準，同時還應當選擇合理的測針長度和直徑，針對不同的待測機件，選用不同的測針，這些工作都應當在正式測量前應當認真做好，避免在測量過程中發現問題產生更多麻煩。

參考文獻

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

[2] 許朝山.三坐標測量機測量誤差分析及補償方法的研究[J].山東工業技術，2019（14）：43.

[3] 張兵峰.三坐標測量機測針的校準和選擇[J].山東工業技術，2018（18）：117.