三坐標(biāo)測(cè)量中的誤差分析

（中信戴卡股份有限公司，河北 秦皇島 066011）

三坐標(biāo)測(cè)量中的誤差分析

王秀偉

（中信戴卡股份有限公司，河北 秦皇島 066011）

高精度三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量中，對(duì)其動(dòng)態(tài)誤差的研究是一項(xiàng)重要的課題研究，想要將其在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)變形進(jìn)行分析，并將測(cè)量機(jī)精度與速度進(jìn)行提升。根據(jù)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的原理進(jìn)行分析得知，其通過(guò)利用高精度光柵將被測(cè)零件的表面準(zhǔn)確的測(cè)出三個(gè)坐標(biāo)數(shù)值，并且通過(guò)計(jì)算機(jī)處理，將其測(cè)量元素，像圓、球、圓錐、圓柱、曲面等，進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，并得出其被測(cè)零件的形狀、位置公差以及其他的數(shù)據(jù)。一般來(lái)說(shuō)，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)就是對(duì)物體進(jìn)行點(diǎn)的采集、整理、計(jì)算的過(guò)程。所以對(duì)采集的原始點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的誤差控制能夠降低誤差的產(chǎn)生。本文主要探討應(yīng)用階段產(chǎn)生的誤差情況。

三坐標(biāo)測(cè)量；誤差分析；基準(zhǔn)

1 測(cè)頭系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差的分析

在對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行測(cè)量前，需要先對(duì)測(cè)量機(jī)測(cè)針在測(cè)頭處的位置進(jìn)行標(biāo)定，這需要標(biāo)準(zhǔn)球進(jìn)行完成，而在特定的環(huán)境下標(biāo)準(zhǔn)球的尺寸不同，要求在廠家規(guī)定的溫度、濕度、工作氣壓條件下進(jìn)行，只有在進(jìn)行測(cè)針標(biāo)定時(shí)按照這樣的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，才能保證其精度。不然容易出現(xiàn)測(cè)量機(jī)各軸懸浮間隙失常，測(cè)量機(jī)的導(dǎo)軌與光柵磨損嚴(yán)重，直接影響到測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

在進(jìn)行測(cè)量時(shí)必須保證標(biāo)準(zhǔn)球的完好，需要定期的去計(jì)量單位進(jìn)行驗(yàn)證，要保證標(biāo)準(zhǔn)球的磨損及球度保持在正常范圍值內(nèi)，這是測(cè)針標(biāo)定的依據(jù)。在進(jìn)行測(cè)針標(biāo)定時(shí)必須將標(biāo)準(zhǔn)球進(jìn)行固定，測(cè)針也要用專業(yè)的固定裝置進(jìn)行加固，保證標(biāo)定的測(cè)針以及角度位置的一致性。并且將測(cè)量時(shí)使用的測(cè)針、角度位置進(jìn)行一次性的全部標(biāo)定，這樣能夠保證避免多次標(biāo)定的誤差出現(xiàn)。如果所用的測(cè)針、角度位置是在不同的狀態(tài)下進(jìn)行標(biāo)定的，那么難以避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)的不一致性，導(dǎo)致數(shù)據(jù)間相互出現(xiàn)誤差，最終使測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。

在進(jìn)行測(cè)量零件時(shí)需要將側(cè)頭移動(dòng)到標(biāo)準(zhǔn)球上取點(diǎn)，并將其徑向進(jìn)行。不論我們?cè)鯓舆M(jìn)行取點(diǎn)，理論上測(cè)量機(jī)記錄的數(shù)據(jù)都是接觸點(diǎn)的坐標(biāo)。可是實(shí)際操作上是不一樣的，測(cè)量機(jī)上測(cè)針是不同的，再加上測(cè)量時(shí)的角度位置不同，測(cè)頭傳感器的觸發(fā)條件有時(shí)間不同，都能影響到以近切向方向接近并測(cè)點(diǎn)，所以誤差是不可避免的。通過(guò)以直徑為20mm的標(biāo)準(zhǔn)球進(jìn)行舉例說(shuō)明，我們進(jìn)行了多次的測(cè)量，其自身實(shí)際的尺寸在19.964～19.991mm內(nèi)，誤差達(dá)到了0.009～0.036mm，看似誤差數(shù)值非常小，但是對(duì)于測(cè)量機(jī)這種高精度設(shè)備來(lái)說(shuō)已經(jīng)非常大了，所以必須盡可能的在實(shí)際的操作中從徑向取點(diǎn)測(cè)量。

如果我們?cè)谶M(jìn)行測(cè)量工作時(shí)發(fā)生了“撞車”現(xiàn)象，需要立即停止測(cè)量，并且重新進(jìn)行測(cè)針及角度位置的標(biāo)定，不然就會(huì)出現(xiàn)誤差累計(jì)，導(dǎo)致在最后的測(cè)量結(jié)果與實(shí)際的尺寸存在著非常大的誤差，無(wú)法被消除。主要是由于，不論什么材料在受到快速的撞擊時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生不同程度上的變形，而造成系統(tǒng)偏差。而測(cè)頭的傳感器發(fā)生“撞車”，那么就會(huì)造成測(cè)量時(shí)的觸發(fā)傳感器的靈敏度下降，而造成測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差，這時(shí)需要我們及時(shí)的送到生產(chǎn)廠家進(jìn)行全面診斷、修復(fù)，嚴(yán)重的需要進(jìn)行更換。

目前使用的測(cè)針測(cè)量球大多都是紅寶石，其硬度與光滑度都非常高。因?yàn)楸粶y(cè)零件的表面形狀各異，在長(zhǎng)時(shí)間的使用下很容易造成測(cè)量球的表面附著污染物，嚴(yán)重的影響了測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，導(dǎo)致誤差的出現(xiàn)。所以我們應(yīng)該定期的采用無(wú)塵紙或者無(wú)水乙醇對(duì)測(cè)針球面進(jìn)行擦拭清潔，在進(jìn)行擦拭清潔時(shí)，必須保證是在關(guān)機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行的。

2 坐標(biāo)系因素導(dǎo)致的測(cè)量誤差的分析

2.1 建立坐標(biāo)系所用元素要具有充分的穩(wěn)定性

我們?cè)诮⒆鴺?biāo)系時(shí)需要用到一個(gè)面，雖然將此面的加工精度進(jìn)行提高，但是面積范圍很小。如果遇到了被測(cè)量的對(duì)象距離坐標(biāo)中相對(duì)較遠(yuǎn)時(shí)，或者是被測(cè)對(duì)象的面積范圍較大時(shí)，我們?cè)谧鴺?biāo)系上的極小差異都會(huì)導(dǎo)致被測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù)變化波動(dòng)較大，這樣就會(huì)造成數(shù)據(jù)的說(shuō)服力下降。所以我們?cè)谶M(jìn)行零件坐標(biāo)系時(shí)，需要盡可能多的進(jìn)行取點(diǎn)，并且將取點(diǎn)的尺寸范圍盡可能的擴(kuò)大。

2.2 建立坐標(biāo)系所用特征元素要具有充分的代表性

在進(jìn)行基準(zhǔn)面的建立時(shí)，需要盡量避免在測(cè)點(diǎn)的選擇上遇到粗糙、毛刺、磕碰位置，并且選擇的點(diǎn)的位置不要在面的邊角處，在進(jìn)行取點(diǎn)時(shí)盡量多的選擇點(diǎn)位置。在對(duì)基準(zhǔn)坐標(biāo)系遇到圓孔時(shí)，需要將圓孔自身的圓度、圓柱度、垂直度等對(duì)測(cè)量結(jié)果有影響的因素進(jìn)行多方面的考慮，在進(jìn)行選點(diǎn)的時(shí)候也要盡量避開(kāi)粗糙、毛刺、磕碰的位置，先進(jìn)行手動(dòng)測(cè)量，然后在進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，并且將自動(dòng)測(cè)量的數(shù)據(jù)作為我們的最終數(shù)據(jù)。測(cè)量坐標(biāo)系中其他基準(zhǔn)的特征元素也是一樣，都要在其的主體特征范圍內(nèi)，并且盡量多的進(jìn)行取點(diǎn)，保證點(diǎn)位避開(kāi)粗糙、毛刺、磕碰與過(guò)于邊角的位置。

2.3 要能夠正確應(yīng)用建立好的零件坐標(biāo)系

在坐標(biāo)系的建立后，就不能在進(jìn)行相應(yīng)的改變，需要測(cè)量的對(duì)象都需要在這個(gè)坐標(biāo)系中進(jìn)行測(cè)量。而當(dāng)建立的坐標(biāo)系統(tǒng)與圖紙一樣準(zhǔn)確，那么理論上講就能對(duì)被測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。但是實(shí)際的情況卻不盡相同，我們建立的坐標(biāo)系統(tǒng)中，各特征元素并不是單一的，需要我們將面、線、點(diǎn)等相互結(jié)合，并且在建立的這些條件中也是需要有形位公差的要求的。并且我們建立的初始坐標(biāo)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)、偏移，這樣對(duì)其他的零件進(jìn)行測(cè)量時(shí)很容易出現(xiàn)誤差。需要我們?cè)谶M(jìn)行偏移旋轉(zhuǎn)后及時(shí)的對(duì)其進(jìn)行修正，而實(shí)際的零件對(duì)偏移旋轉(zhuǎn)后的尺寸也是需要有公差要求的，這個(gè)數(shù)值并不是一個(gè)絕對(duì)的理想值。進(jìn)行修正的原則是將實(shí)際的偏差作為修正的基礎(chǔ)，在初始坐標(biāo)建立后，將絕對(duì)偏移量與旋轉(zhuǎn)的角度進(jìn)行設(shè)定，生產(chǎn)的新坐標(biāo)就是理想坐標(biāo)系，再用新坐標(biāo)系進(jìn)行測(cè)量，這樣得出的偏移量或旋轉(zhuǎn)角度值。

3 測(cè)量取點(diǎn)產(chǎn)生的誤差的分析

3.1 測(cè)量取點(diǎn)時(shí)要緩慢均速進(jìn)行

取點(diǎn)操作進(jìn)的過(guò)快容易造成測(cè)量機(jī)的“撞車”事故，并且由于測(cè)針記錄測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)是由傳感器觸發(fā)，所以過(guò)于快速的取點(diǎn)很容易造成誤差加大。而在對(duì)特征對(duì)象進(jìn)行測(cè)量時(shí)，我們可以先進(jìn)性受到測(cè)量作為數(shù)據(jù)上的參考，然后在進(jìn)行自動(dòng)取點(diǎn)與自動(dòng)測(cè)量為數(shù)據(jù)的最后結(jié)果。這是因?yàn)樽詣?dòng)取點(diǎn)時(shí)，計(jì)算機(jī)軟件能夠?qū)⒆詣?dòng)設(shè)定測(cè)頭測(cè)針以均速、緩慢、垂直接近被測(cè)對(duì)象測(cè)量取點(diǎn)，誤差較小。

3.2 測(cè)量取點(diǎn)時(shí)不能直接采取球形測(cè)針進(jìn)行

在進(jìn)行對(duì)螺紋孔的測(cè)量時(shí)，取點(diǎn)操作不能直接采取球形測(cè)針進(jìn)行，需要在保證測(cè)針與螺紋孔軸線平行一致下用柱狀測(cè)針取點(diǎn)。一般都是將螺紋檢具或絲錐擰緊到螺紋孔中固定好，在用專業(yè)的測(cè)量檢具進(jìn)行測(cè)點(diǎn)，能夠避免誤差的出現(xiàn)。

3.3 測(cè)量孔時(shí)需要手動(dòng)取點(diǎn)

在進(jìn)行測(cè)量孔時(shí)，由于孔軸的垂直問(wèn)題，造成軸線方向不同位置其截面圓的位置也是不同的，需要在孔軸中間進(jìn)行取點(diǎn)，不僅需要手動(dòng)取點(diǎn)，還要自動(dòng)取點(diǎn)，保證取點(diǎn)的數(shù)量要多。在同一平面一組位置相關(guān)孔需要將自動(dòng)測(cè)量時(shí)軸向高度設(shè)定一致，保證這一組孔相互間的可靠相關(guān)性。

4 結(jié)語(yǔ)

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的性能體現(xiàn)在測(cè)量工作中的精度與速度，而當(dāng)測(cè)量機(jī)測(cè)頭、坐標(biāo)等出現(xiàn)問(wèn)題就容易產(chǎn)生對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量精度的影響，導(dǎo)致后續(xù)的加工生產(chǎn)受到誤差影響受到損失。控制三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)各方面因素的影響，能夠使三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在精確測(cè)量基礎(chǔ)上，保證加工的零件質(zhì)量與精度，為部件加工、機(jī)械生產(chǎn)做好基礎(chǔ)性工作。

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TG806；TH721

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