三坐標測量基本參數對測量準確度影響的研究

劉廣東，劉心宇，韋晶

（1.黑龍江省機械科學研究院，哈爾濱 150040；2.黑龍江省中醫藥科學院南崗分院，哈爾濱 150006）

1 三坐標測量基本參數對測量準確度影響的分析

1.1 三坐標測量機的工作原理及參數作用分析

三坐標測量機就是在3個相互垂直的方向上有導向機構、測長元件、數顯裝置，有一個能夠放置工件的工作臺（大型和巨型不一定有），測頭可以以手動或機動方式輕快地移動到被測點上，由讀數設備和數顯裝置把被測點的坐標值顯示出來的一種測量設備。顯然這是最簡單、最原始的測量機。有了這種測量機后，在測量容積里任意一點的坐標值都可通過讀數裝置和數顯裝置顯示出來。測量機的采點發訊裝置是測頭，在沿X、Y、Z等3個軸的方向裝有光柵尺和讀數頭。其測量過程就是當測頭接觸工件并發出采點信號時，由控制系統去采集當前機床三軸坐標相對于機床原點的坐標值，再由計算機系統對數據進行處理。

1.2 三坐標測量機的基本參數分析

本文以圖1所示海克斯康旗下思瑞品牌的三坐標測量機Croma564為例，從三坐標測量機的測量空間、三軸行程、移動速度、移動加速度和觸測力度分析對檢測精度及效率的影響。

圖1 Croma564三坐標測量機

1）三坐標測量機測量空間。Croma564三坐標測量機的測量空間為Dx634 mm、Dy144 mm、Dz1594 mm，此項參數直接影響可測量產品的體積大小，在可觸測范圍內不影響測量精度，但是極限的產品擺放可能會對編輯程序的路徑設計提高難度，為了避讓產品而過于繁復地設計行走路徑會大幅降低檢測效率。

2）三坐標測量機三軸行程。Croma564三坐標測量機的三軸行程為：X軸行程為500 mm，Y軸行程為600 mm，Z軸行程為400 mm，此項參數也會影響被測量產品的體積大小，由于三坐標測量機在接近行程極限時會被迫減速并且為行程限位留出安全距離，所以基本參數標明的行程要略大于實際工作行程[1]。經過多次測量試驗，發現在三坐標測量機運行到臨界行程段，運行速度銳減為三坐標測量機最低速度（當前設定速度），加速度為零，這也表明，在必須使用到極限行程來測量產品時，極限行程段的測量工作將以最低效率運行，并且在100次測量中有7次發生了高誤差讀取觸測點，給測量結果帶來非常大的誤差。

3）移動速度。Croma564三坐標測量機的移動速度為520 mm/min，此項參數將極大地影響產品檢測效率，三坐標測量機進行檢測工作時，影響效率的因素主要有兩點：運行檢測路徑時的測頭移動時間；觸測被檢測元素時的逼近回退時間。但是逼近回退時間為檢測工作所必須完成的工作任務，所以縮短測頭的檢測路徑時間是提高檢測效率的最佳途徑。

4）移動加速度。Croma564三坐標測量機的移動加速度為1730 mm/s2，此項參數也是影響產品檢測效率的關鍵參數，甚至超過了移動速度帶來的時間消耗，在測頭移動至三坐標測量機系統認為的安全控件后，會沿檢測路徑向下一檢測元素進發，移動加速度越大，運行檢測路徑的時間越短，但是如果發生意外觸測，測頭及測針與意外觸測物體碰撞的力度也越大，尤其在手動模式下極容易造成測頭及測針的損壞，因此在利用較大移動加速度的同時，必須保證運行路徑的安全性。

5）觸測力度。Croma564三坐標測量機的觸測力度為0.96 N，此項參數稍微影響觸測點數據記錄的準確性，但是在光柵尺分辨率足夠且測針測頭無故障的情況下不會對測量精度產生影響，值得說明的是，觸測力度將影響被測產品的裝夾方式和程度，由于三坐標測量機的工作臺面平面度和光潔度極高，所以被測產品放置其上不會有太大的表面摩擦力，在三坐標測量機的觸測力度下，被測產品極易發生移動，在Croma564三坐標測量機的0.96 N觸測力度下，質量較大的金屬產品甚至不需要固定，但是質量小的產品（如小型鋁制品或尼龍制品等）則需要用三坐標測量機的裝夾工裝進行固定，保證被測產品的穩定性。

2 三坐標測量機參數優化檢測程序說明及參數修改的分析

2.1 三坐標測量機參數優化檢測程序

本文為研究影響三坐標測量機測量精度及效率最大化，編寫一個利用50環規（如圖2、圖3）檢測基本尺寸的檢測程序。

圖2 50標準環規

圖3 環規標稱值

利用此程序，將前文提到的對檢測精度及效率影響最大的參數進行比對，檢測程序編寫如下[2]：

以環規上端面為平面1，以環規中心孔為圓1，利用面圓法初建和精建坐標系（如圖4），進而多次重復檢測環規中心孔來確定準確度的變化。

圖4 檢測程序坐標系

2.2 變更參數多次測量結果對比

移動參數對比如表1所示。移動加速度對比，如表2所示。

表1 移動參數對比

表2 移動加速度對比

本文展示的為部分重復測量結果，由此可見，改變移動速度和加速度可以影響測量精度，但對精度的改變幅度不大，在可接受的誤差范圍內，適當調整移動速率參數，可以在保證精度的同時提高檢測效率[3]。

3 結論

本文討論改變三坐標測量機的移動速度和移動加速度這兩項對檢測效率和檢測精度影響最大的參數值，得到的結論是對精度影響不大，但是一定程度上提高了檢測效率，所以在使用三坐標測量機檢測產品時，出廠所設置的基本參數不應被視為無形硬件且不可更改[4]，可以根據待測產品的不同在保證精度的情況下適當修改以提高檢測效率。