GLOBAL ADVANTAGE系列三坐標機精度超差分析

劉 勇 紀蘭香 梅軍建 趙永剛 宋旭日 楊艷鋒

（1.陜西寶雞150信箱11分箱 陜西寶雞 2.四川省新材料研究中心 成都 3.四川瀘州116信箱 四川瀘州）

（4.吉林通化市果松鎮 吉林通化 5.河南盧氏縣黑馬渠鎮 河南盧氏 6.云南彌勒19信箱 云南彌勒）

一、引言

Global Advantage系列三坐標測量機（簡稱三坐標機或坐標機，CMM）是青島?？怂箍瞪a的系列經濟型高精度坐標測量系統，主要用于大中型工件的尺寸檢測，與傳統機械工卡量具相比，其測量精度和工作效率顯著提高。單位曾購買該系列坐標機數臺，（含Global A575、Global A775的2個型號），在日常使用中，出現一些精度超差的典型案例，通過梳理總結近5年來精度超差原因和注意事項，旨在為該系列坐標機的日常維護使用提供參考。

二、三坐標機精度影響因素及解決措施

三坐標機包含有測量機主機、觸測系統（英國雷尼紹）、機械氣路系統（含空壓機，意大利阿特拉斯）、電氣控制柜（B3CLC）、計算機及軟件系統（圖1），由于測量系統組成復雜，精度影響因素眾多，既有坐標機自身組成系統的原因，又有環境條件因素，還有計量校準過程中的操作環節把握等原因，需要逐一進行分析。

1.三坐標機自身系統因素

（1）氣路及導軌系統。三坐標機采用空氣軸承導向，高壓氣體通過氣眼進入工作面和導軌面之間，形成均勻的氣隙，正常工作時氣隙6～10 μm，氣壓浮動導致氣浮塊間隙變化，影響測量機的重復性。氣壓不足時，會使導軌不能完全浮起造成與導軌摩擦，輕者影響精度，重者磨損導軌和氣浮塊、損壞測量機。因此，壓力正常時，必須保證壓縮空氣的潔凈度及導軌的平面度，以確保空氣軸承正常工作。

圖1 Global A系列三坐標測量機

具體解決措施主要包括，經常采用酒精紗布或酒精脫脂棉擦拭導軌，定期放干氣路系統中的水和油，定期檢查并更換濾芯，定期檢查氣管。

由于工藝間整修原因，2012年有1臺三坐標機氣路系統管路斷開，整修完畢后重新連接。開機后雖能運行，但導軌處有油膜，且坐標機主腿及輔腿運行不暢，后對空壓機及冷干機開機24 h，并放干三聯體、前置過濾器及空壓機中的水和油，并對所有導軌重新擦拭，故障消失。

（2）計數系統。計數系統由光柵尺、讀數頭、信號轉換電路等組成，讀數頭和光柵尺間的間隙是可變的，但在出廠前都經過調整并固定穩當（0.15 mm），使輸出信號符合控制系統要求。當發生厲害的撞擊后，光柵尺和讀數頭之間的距離可能發生變化，引起輸出信號不穩定或者無法識別及精度超差。所以，避免撞擊、杜絕嚴重撞擊事件是維護計數系統極為有效的途徑。

配備2名操作手分別控制電氣控制柜及操作盒上的急停按鈕，一旦發現異常，按下“E-STOP”，使坐標機停止運行，以保護計數系統。

2010年在進行年度例行坐標機計量校準時，由于電氣控制柜中LOG-02板損壞導致坐標機運行速度突然加快，操作手緊急按下“E-STOP”按鈕，坐標機急停，由于反應及時，計數系統未受損壞。

（3）電氣控制系統。電氣系統由控制柜（B3C-LC）及內部各控制單元板、操縱盒、互聯電纜及各電機、光柵讀數頭、溫度傳感器等部件組成。測量機主要由控制柜中的各種控制單元板及外圍設備實現對測量機的精確控制?？刂葡到y的互聯電纜很多，電纜接頭部分的松緊程度直接影響著各類光電信號的傳輸及轉換。

要特別注意電纜接頭部分，定期檢查接頭松緊是否適度，不要因為發生松動影響測量機使用（1次/年）。定期檢查電纜是否有破損（1次/年）。嚴禁隨意拆裝控制系統部件，不允許隨意更改測座控制器的跳線設置。

2012年10月在例行維護檢查中，電氣控制柜電路斷開后重新連接。開機后雖能運行，但測座控制器指示有間斷閃亮，后重新緊固所有電纜連接，故障消失。

（4）觸測系統。觸測系統由測座（Probe Head）、測頭（Probe）、測針（Tip）和連接件組成。一般使用PH10M測座的坐標機，用PHC10-2控制器與之配合完成對測座信號的控制，用TP20接觸式測頭完成測量數據的觸發信號。坐標測量機可以與不同公司的多種測座、測頭配合使用，不同的測座需要搭配不同的測座控制器完成對測座的控制，不同的測頭的精度、安裝接線方式也各不相同。觸測系統的不同組合方式、潔凈度直接影響到測量的精確性。應正確選擇測座測頭測針組合、正確安裝測頭測針、經常性保持測頭及測座吸盤的清潔。

2012年6月，在進行操作調試時，坐標機執行完“歸零”程序后，測頭燈滅（掉電），反復激活3次，測頭燈始終不亮，在手動操作控制盒時測量機可以運行，但無法執行“test soft”程序，重新清潔測頭吸盤、測針接觸面，激活測頭，測頭指示燈亮，坐標機正常，打開“test soft”程序，可以正常檢測。

2013年對三坐標機進行年度計量校準時，溫濕度合格，采用中測力測頭吸盤進行示值誤差校驗時，結果高出要求值；后采用標準測力測頭吸盤重新校驗，結果合格。對比表明，標準測力測頭吸盤精度較高適合進行計量校準（精度校驗），中測力測頭吸盤適合進行零件檢測。

2.環境條件影響

除了測量機本身因故障造成測量機精度誤差外，其環境溫濕度也直接影響到測量機精度，造成測量誤差。

（1）溫度因素。三坐標測量機的長度基準光柵是按照20℃修正及裝配調試的，當溫度偏離太大時會對測量機精度造成很大的影響。在測量機的機房內溫度自下而上是逐漸升高的，每個軸的光柵溫度和零件溫度的差別就影響了測量機測量的精度。作為高精度計量檢測儀器，正常工作溫度20±2℃。

使用測量機時要盡量保持測量機機房的環境溫度與鑒定時一致，并保持在20±2℃。電氣設備、計算機、人員都是熱源。在設備安裝時要做好規劃，使電氣設備、計算機等與測量機有一定距離；測量機機房加強管理，不要有多余的人員停留。

2012年對三坐標機進行年度計量校準時，現場溫度為18.5℃，在進行示值誤差校驗時，結果總高出要求值，后對工藝間進行升溫至20℃，重新校驗，結果合格。

（2）濕度因素。濕度對測量機的影響較大，濕度控制不當將嚴重影響測量機壽命。在南方濕度較大的地區或北方的夏季或雨季，當正在制冷的空調被關閉后，空氣中的水汽會很快凝結在溫度相對較低的測量機導軌和部件上，會使測量機的氣浮塊和某些部件嚴重銹蝕，影響測量機的壽命。計算機和電氣控制系統的電路板也會因濕度過大出現腐蝕和造成短路。應隨時監控工藝間環境濕度，并使其貯存濕度控制在30%～70%，使用濕度控制在65%±5%。

由于坐標機工藝間通風條件有限，濕度常年過大，未開空調狀況下，濕度在75%～85%，2011年，在進行年度例行坐標機計量校準時，由于電氣控制柜中LOG-02板故障導致坐標機運行速度突然加快，后經廠家技術人員確認原因為環境濕度過大，引發電路板擊穿，導致故障。后與后勤保障單位協調，改為每天開啟空調進行溫濕度保障。

3.計量校準過程中的關鍵環節

按照國標JJF 1064-2010《坐標測量機校準》要求，必須每年對三坐標機進行計量校準（也稱精度校驗）。計量校準過程中任一環節的把握都直接影響到對坐標機精度的評定，因此，需要重點把握其關鍵環節，并給出解決措施。

（1）計量校準前期準備環節。工藝間清潔程度、量塊及標準球的安裝、溫濕度平衡時間的控制直接影響到計量校準的結果，因此在前期準備過程中需要注意把握。

將量塊和標準球取出，置于清潔工藝間在20±2℃、40%～70%環境條件下恒溫24 h后，再將量塊安裝在支架上。量塊安裝條上的底座半球及固定螺桿位置要恰當、松緊要適度；用無水乙醇將脫脂棉蘸濕，將量塊端面擦拭干凈；將裝配好的量塊支架放在工藝間內，恒溫4 h以上。

2012年對三坐標機進行年度計量校準時，現場溫濕度條件合格，在進行示值誤差校驗時，500 mm長量塊結果總高出要求值，后檢查量塊支架，發現緊固螺釘過緊，擰松至不晃動后，重新校驗，結果合格。

2013年對三坐標機進行年度計量校準時，現場溫濕度條件合格，在進行探測誤差校驗時，結果總高出要求值，后檢查標準球，發現球表面有微小塵粒，清潔后，重新校驗，結果合格。

（2）測頭校驗環節。測頭校驗的目的是要校正出測桿（測尖）紅寶石球的直徑，進行測量點測頭修正，并得出不同測頭位置的位置關系，在測頭校驗時產生的誤差將全部加入到測量中去，所以在測頭校驗環節需要保證正確與準確。

每一次移動或更換探針、測頭，都要進行測頭校驗，并始終保持測針及標準球清潔；同時，選用合適的測針尺寸和合適的方向來標定測頭，在軟件中輸入的標準球直徑值和所用的標準球尺寸必須相符。

2014年7月在例行檢測調試時，測頭校驗后，進行某部組件檢測時，檢測結果超出要求值下限，分析產品為新交付品，尺寸應滿足要求，檢查探針及標準球潔凈，檢查測頭校驗環節，發現標準球尺寸值輸錯，輸入正確值，重新檢測，結果合格。

（3）量塊擺放環節。在進行示值誤差校驗時，需要將量塊組按照X軸、Y軸、Z軸、k1（ag）、k2（df）、k3（ce）、k4（bh）這7個方向放置，如圖2所示。同時，量塊組放置的方向和位置都會對校準過程中的采點產生重要影響，所以量塊組擺放的高度和位置都要合適，方向要正確。

圖2 空間對角線7個方向示意

解決措施：量塊組放置過程中，放置X軸、Y軸、Z軸時要盡量使塊規與各軸平行，放置k1、k2、k3、k4時要使量塊組與臺面成45°角，并將量塊組擺放在測量機臺面的中央位置，具體參見圖3。

2014年對三坐標機進行年度計量校準時，現場溫濕度條件合格，在進行示值誤差k1方向校驗時，手動采點結束后，程序命令欄報錯并顯示“測頭超出坐標機測量允許范圍”，坐標機停止采點。后檢查量塊組并移動其位置，重新執行，程序運行正常。

（4）采點環節。當測頭觸點垂直于測頭體接觸工件時，三坐標測量機上的觸發式測頭可以給出最佳結果。理想情況下，應該垂直表面±20°（圖4）采樣，以避免測頭觸點剎車。正確的采點技術可以消除許多常見測量誤差，而不正確的采點或剎車將產生不一致、無法重復的結果，從而影響到測量機的精度判定。

圖3 空間對角線k1方向示意

圖4 采點角度

盡量選取測頭垂直于工件方向軸，避免測頭觸點平行于測桿采樣，避免桿碰撞采點，避免使用測桿伸展組合太長的測頭。

2010年對三坐標機進行年度計量校準時，現場溫濕度條件合格，在進行探測誤差校驗時，結果高出要求值，后檢查測頭校驗值，發現偏離標準球給定值0.5 μm，重新測頭校驗，尤其在標準球上采點時使測頭盡量垂直采到球頂點上、平行采到赤道上，結果合格。

（5）測量結果評定及精度補償環節。按照JJF 1064-2010《坐標測量機校準規范》要求，每個尺寸測量的3個值中只允許有一個值超出合格區，在5個尺寸實物標準器放在測量空間的7個不同的方向和位置的35個尺寸測量中最多允許出現5次，每一個超出合格區的尺寸測量必須在排除可能產生誤差的因素后，在相應的方向和位置重測10遍，分析誤差產生的原因。若結果仍不合格，需由專業技術人員進行包括線性度和垂直度兩項精度補償，補償后再次測量量塊組，檢查補償是否正確和滿足精度要求。

2013年對三坐標機進行年度計量校準時，現場溫濕度條件合格，在進行探測誤差及示值誤差校驗時，探測誤差超出標準值1倍，示值誤差7個方向只有一個方向合格，重新校驗仍不合格，協調廠家技術人員進行垂直度精度補償后，探測誤差及示值誤差計量合格。

三、結論

Global A系列三坐標測量機的精度維護是一項長期工作，需要使用單位與廠家長期努力、共同探索研究其科學規律，找準其精度影響因素，完善適合于各類使用環境下的精度維護方法，嚴把關鍵環節，盡早掌握其特點規律，真正實現其使用功能的最大及最優。應該著重從以下3點把握。

（1）在坐標機的日常維護保養方面，應該優化環境保障的條件，嚴格遵循使用說明書，定期通電、排放氣路系統廢水廢油、更換濾芯及真空泵油。

（2）在坐標機的日常使用過程中，嚴格控制環境溫濕度條件，減小坐標機光柵尺受溫度波動導致的線膨系數影響，降低控制柜等電路受濕度影響電路故障的概率。

（3）在坐標機計量校準方面，需要嚴把測前溫濕度平衡、采點、安裝、精度補償等關鍵環節，嚴格遵循《坐標測量機校準規范》，使測量結果更為精確、可信。