三坐標測量誤差及其處理分析

劉京苑

(清遠職業技術學院，廣東 清遠 511500)

0 引言

三坐標測量機屬于自動化、高精度、多功能的接觸式測量儀器。在工業生產技術不斷發展的情況下，也對三坐標測量機提出了更高的精度要求。三坐標測量機測量誤差的產生有著較多的原因，對測量精度造成的影響也有很大區別，難以比較與評定，因此，本文將機器精度、幾何誤差等作為主要檢測內容，就三坐標測量機幾種常見測量誤差及處理策略進行分析。

1 三坐標測量機及其工作機理

三坐標測量機作為科技時代下的應用與測量儀器代表性設備，是以空間三個維度為依據進行測量范圍的構建，在光柵尺和測頭的運用下為掃描和讀取提供精確性保障，在對生產部件曲面、長度、寬度和高度進行科學計算測量后，獲取精確的位置公差、三維結構，以此精度測量加工與生產部件。三坐標測量機在空間三個相互垂直特點的運用下，結合導向設備引導方式，借助讀數頭實現數據獲取，并在處理器的幫助下加工數據，隨后在科學運算下可精確測量加工部件和機械零件[1]。三坐標測量機具有自動化與數字化的優勢，不但能將測量工作速度大幅度提升，同時還能推動測量工作質量的進一步提升，是當前設計、生產、加工及檢驗等工作領域中應用十分廣泛的一種測量設備。

2 三坐標測量機測量誤差

2.1 不合理的工作面選擇引發的誤差

此類誤差主要引發原因在于不一致的數據采集和數學模型計算方法。如圖1所示，具體實踐中期望以被測要素進行數據采集，并以圓為依據對數據進行處理，然而實際采集中，因XY面處軸線有垂直偏移存在，以致于采集數據為橢圓，倘若以圓為依據進行處理，就會有一定的誤差產生。

圖1 誤差產生原因模型

2.2 三坐標測量機測頭引發的誤差

三坐標測量機測頭可通過掃描測量工件表面，此類工作方式會影響測頭表面，而當摩擦增加時，測頭也會有形變出現，尤其是個別硬度較高的材料會劃傷三坐標測量機紅寶石材料，如此一來三坐標測量機測頭就會有誤差產生。同時，三坐標測量機測頭時常會與溫度不同的工件相接觸，測頭會出現熱脹冷縮的狀況。而紅寶石盡管具有較高的強度，在溫度變化這一物理性能方面卻有些許不足存在，以致于紅寶石會出現劇烈磨損甚至崩裂的情況，此時三坐標測量機測量也會有誤差產生[2]。以鋁合金材料工件作為三坐標測量機測量對象時，工件和測頭紅寶石間會有化學變化產生，紅寶石測頭會沾上鋁合金部件材料，測頭精確性受到影響，三坐標測量機測量也就會有較大誤差產生。

2.3 三坐標測量機測球直徑校正引發的誤差

三坐標測量機測球直徑校正有著一定的技術要求，倘若有校正問題出現，就會影響三坐標測量機的應用，此時三坐標測量機就會有測量誤差產生。就測量直徑校正而言，常見問題有：測點選擇數量不足、在校正期間并未補償測球半徑等。此類問題會使三坐標測量機測球精度受影響，進而產生測量誤差。

2.4 探針校準引發的誤差

依據測量角度誤差不難發現，測量期間須補償探針半徑誤差。結合標準可得到探針半徑實際值，然而在校準中依然有誤差存在。此類誤差的來源主要為：測頭承載力匹配；標準球安裝牢靠；標準球球度；校準速度與測量速度一致；測桿的剛性；測桿設置的中間節點減少等。

2.5 三坐標測量機測針長度引發的誤差

三坐標測量機測針在具體測量實踐中，隨著測桿長度的提升，會產生更大的彎曲和偏斜問題。在校正測針之后，測量標準球時，隨著測針長度的提升，測量結果也會產生更大的誤差，同時當測量長度增加之后，測量精度也會逐漸降低。因此，在各個工件特征的測量中長測桿并不適用。

3 三坐標測量機測量誤差的控制措施

3.1 合理選擇工作面

針對工作面選擇不合理所引發的誤差而言，在測量時須旋轉坐標系，旋轉某坐標軸平行于被測回轉體軸線后即可開始測量。同時，測量期間對于被測對象的選擇應確保正確，如對圓柱直徑進行測量時，不應測量單一截面圓，而應以圓柱狀作為測量對象。

3.2 準確校正測頭

校正測頭的目的在于將測桿紅寶石球的直徑校正出，修正測量點測頭，以此將不同測頭位置彼此間的位置關系得到。在校正測頭時，須在測量中加入所有產生的誤差。故而，必須為測頭校正提供準確性保障。采取不同測頭位置時，將所有測頭位置校正完后，須借助測量標準球球心點坐標方法對效驗精度進行檢查。倘若有著較高的測量精度要求，就應對測頭重新進行校正，以便為數值提供精確性保障。

3.3 正確選擇測量方法

結合以往測量經驗得知，越短的測針能夠得到更準確的測量結果，因此三坐標測量機測針長度越短越佳。在精密度較高的測量過程中，測量所選取的測針應以較短的為主。接頭與長桿應盡量減少，也可實現測量精度的提升。三坐標測量儀測量期間，應盡量選擇更大的測頭直徑范圍，這是因為測頭是三坐標測量儀測量中的重要測量配件，能對測量結果造成直接影響。

3.4 三坐標測量機測球誤差控制措施

①須對三坐標測量機應用條件進行控制，盡量將三坐標測量機測球損壞避免，測量高硬度部件時，實測工作的開展應采取氧化錯測球。②須對測量工件的溫度進行控制，工件若是存在溫度過高或是過低的問題，不能直接進行測量，測量工作須在溫度穩定后再開始。③測量鋁合金材料工件時，須將紅寶石測頭及時更換，以便為測量提供精度保障，并將紅寶石受沾染而出現的經濟損失避免。④測量鑄鐵工件時，測頭應以氧化錯為主，以便對測量精度進行有效控制，并節省測量成本。值得一提的是，在控制三坐標測量機測球直徑時，應以9點測量方法為主，通過測針組坐標原點的確定，推動校正精度的提升，并在標準球測量下對測球半徑誤差進行補償，如此即可推動三坐標測量機直徑校正精確度的提升。

3.5 三坐標測量機測針長度誤差控制措施

長度適宜的接長桿材料的選擇，能在一定程度上提高穩定性、一致性，進而為測量結果的準確性提供保障。碳纖維長測桿和接長桿材料十分常用，硬度高、質量輕。鈦合金具有較高的密度、較好的穩定性和強度，用于測桿制造時十分適用。測針的選擇應以較大直徑、較短測桿為主，如此可推動最佳有效工作長度、測針剛性的實現。

4 結語

在計算機的控制下，三坐標測量可高效、準確測量復雜零件，具有顯著的優點。但三坐標測量機也有個別誤差存在，因此，必須采取有效措施，補償系統性誤差，以便將誤差范圍縮小。而對于非系統性誤差而言，其引發原因多為測量期間的人為過失引發的，對此也需要采取合理有效的手段將誤差控制至最低。