淺談影響三坐標測量機測量精度的幾個因素及校準用標準器

王麗莎

遼寧賽寶計量檢測服務有限公司 遼寧 沈陽 110100

概述

坐標機是由機械主機、位移傳感器、探測系統、控制部分和測量軟件等組成的測量系統。通過測頭對被測物體的相對運動，可以對各種復雜形狀的三維零件表面坐標進行測量。根據坐標機的配置不同，測量可以手動、機動或自動進行。通過增加不同附件，如旋轉工作臺、旋轉測座、多探針組合、接觸或非接觸測頭等，可以提高測量的靈活性和適用范圍。通過人機對話，可以在計算機控制下完成全部測量的數據采集和數據處理工作。

1 工作原理

坐標機的測量原理：測量時，將被測工件置于坐標機的測量空間中，通過機器運動系統帶動傳感器即測頭實現對測量空間內任意位置的被測點的瞄準，當瞄準實現時測頭即發出讀數信號，通過測量系統就可以得到被測點的幾何坐標值。根據這些點的空間坐標值，經過數學運算求出待測的幾何尺寸和相互位置關系[1]。

2 影響坐標機的因素

坐標機是高精度的測量儀器，實驗室的環境條件對坐標機的影響有著至關重要的作用。其中包括工件狀態及環境，溫度條件、振動、濕度、供電電源、壓縮空氣等影響因素。

（1）工件的狀態及環境。工件的物理形態對測量結果有一定的影響。最普遍的是工件的表面粗糙度和加工留下的切削，冷卻液和機油對測量誤差也有影響，通常灰塵及臟東西可集中在測球上影響坐標機的性能和精度。因此建議在坐標機工作之前和工作之后對坐標機進行必要的清潔工作。

（2）溫度條件。溫度是影響坐標機精度最大的因素。被測件的溫度與坐標機不一致、操作人員作為一個熱源、人員的走動、外圍設備的熱源、空調設備的熱慣性等都會引起溫度場的改變。實驗室內的溫度梯度也會影響測量結果的準確度，因為它將引起坐標機上有關部件的變形。減小溫度誤差的最有效方法是：保持恒定的標準溫度20℃，通過恒溫使被測件溫度與標準器溫度一致，同時恒溫也有利于減小溫度梯度引起的變形誤差。

（3）振動。由于較多的坐標機是應用在生產現場，振動成為一個普遍存在的問題，大型設備開啟時振動會對坐標機造成較大影響，小幅振動是難以察覺的，但依然存在。如果振動的頻率和坐標機自身的振動頻率相混淆，對于測量精度也有較大影響，因此對于測量環境的振動也要預防。

（4）濕度。坐標機測量時濕度應在25%～75%范圍內，最好保持在40%～60%范圍內，盡量安裝中央空調。因為使用臺式空調風向會不平衡不均勻，不能讓風直接吹到坐標機上，否則會對坐標機精度造成影響。

（5）供電電源。為保證系統及計算機良好的運作，對于電源有一定的要求，包括：電源電壓變化、頻率要求以及接地裝置、屏蔽裝置等。

（6）壓縮空氣。由于坐標機使用了精密空氣軸承而需要壓縮空氣，應當滿足壓縮空氣對坐標機的要求。應防止由于水和油侵入壓縮空氣對坐標機產生影響，同時防止突然斷氣對坐標機導軌產生傷害[2]。

3 校準坐標機所用標準器

校準坐標機用到的主要標準器為標準球和量塊或步距規。

（1）標準球是對探測誤差進行校準。探測誤差校準方法的原理是通過確定測量點到最小二乘擬合球球心距離的范圍，評價三維探測誤差P是否符合規定的最大允許誤差MPEp。

（2）量塊或步距規是對坐標機的示值誤差進行校準。用量塊或步距規測量坐標機的精度是否在出廠的精度范圍內。量塊是用耐磨材料制造，橫截面為矩形，并具有一對相互平行測量面的實物量具。量塊的測量面可以和另一量塊的測量面相研合而組合使用，也可以和具有類似表面質量的輔助體表面相研合而用于量塊長度的測量，量塊是一種端面長度標準，通過對計量儀器、量具和量規等示值誤差檢定等方式，使機械加工中各種制成品的尺寸溯源到長度基準。量塊測量坐標機時是將量塊裝在支架上，按照所測量的X軸，Y軸，Z軸和四個空間總計七個方向來擺放支架和量塊，選擇五塊量塊在每一個長度方向測量三次，共15次，每次測量需要重新確定長度方向。在全部35個長度上的總和為105次。計算105次測量的每個長度測量的示值誤差E值，取指示值與相應長度(約定)真值之差的絕對值。在得到的105個長度示值誤差中無一個超出規定的MPEE值，則為合格。若為大尺寸的坐標機則分段測量，比如Y軸為兩米分兩段測量，先測第一段，然后移動量塊位置至另一段測量，國內外知名的量塊制造商有日本三豐、哈量、成量。

（3）而步距規是通過一系列測量面構成的、穩定的多示值實物標準器。步距規也叫節距規、階梯規。它由精密的量塊直線排列，永久固定于一個堅固的框架中，框架表面進行噴涂或鍍層保護處理，可用于校準機床工作臺移動精度和校準坐標機。步距規由于結構不同分為臥式、立式和立臥式，測量平面大小有差異。步距規的工作量塊有鋼質和陶瓷兩種。因鋼質量塊易生銹不易養護且不耐磨損，絕大多數客戶選用陶瓷量塊步距規，與國外應用情況一致。現新制定的陶瓷量塊標準已列入國家標準。國內外比較知名的步距規品牌有日本三豐、中國安一等。

（4）量塊與步距規的對比。傳統量塊、端面規提供的是外測量尺寸，這是個異向工作面尺寸，當我們校準導軌定位精度時，某些情況下需要的是同向工作面，因為大多數機械結構都存在空程、間隙，導軌沿單一方向移動時影響不大，但是如果換向的話多數情況會出現換向誤差，這包括導軌本身的換向誤差和測頭部分的換向誤差。多數情況下換向誤差不一定是個固定數值，這樣的話很難判定校準出的誤差到底是屬于哪部分的，這給修正導軌帶來困難。步距規可提供雙向同向尺寸，還可以提供雙向異向尺寸(內測量尺寸、外測量尺寸)，使用步距規校準導軌的連續移動精度，可以準確判斷出各種誤差來源，修正導軌時好對癥下藥。

4 結束語

精度對坐標機來說是一個非常重要的指標，任何一個小的因素都能影響坐標機的測量精度，因此在使用過程中要十分注重外界環境對坐標機的影響，力求將影響降到最低。