三坐標(biāo)測量基本參數(shù)對測量準(zhǔn)確度影響的研究

劉廣東，劉心宇，韋晶

（1.黑龍江省機(jī)械科學(xué)研究院，哈爾濱 150040；2.黑龍江省中醫(yī)藥科學(xué)院南崗分院，哈爾濱 150006）

1 三坐標(biāo)測量基本參數(shù)對測量準(zhǔn)確度影響的分析

1.1 三坐標(biāo)測量機(jī)的工作原理及參數(shù)作用分析

三坐標(biāo)測量機(jī)就是在3個相互垂直的方向上有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、測長元件、數(shù)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(jī)動方式輕快地移動到被測點(diǎn)上，由讀數(shù)設(shè)備和數(shù)顯裝置把被測點(diǎn)的坐標(biāo)值顯示出來的一種測量設(shè)備。顯然這是最簡單、最原始的測量機(jī)。有了這種測量機(jī)后，在測量容積里任意一點(diǎn)的坐標(biāo)值都可通過讀數(shù)裝置和數(shù)顯裝置顯示出來。測量機(jī)的采點(diǎn)發(fā)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(shù)頭。其測量過程就是當(dāng)測頭接觸工件并發(fā)出采點(diǎn)信號時，由控制系統(tǒng)去采集當(dāng)前機(jī)床三軸坐標(biāo)相對于機(jī)床原點(diǎn)的坐標(biāo)值，再由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

1.2 三坐標(biāo)測量機(jī)的基本參數(shù)分析

本文以圖1所示海克斯康旗下思瑞品牌的三坐標(biāo)測量機(jī)Croma564為例，從三坐標(biāo)測量機(jī)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(biāo)測量機(jī)

1）三坐標(biāo)測量機(jī)測量空間。Croma564三坐標(biāo)測量機(jī)的測量空間為Dx634 mm、Dy144 mm、Dz1594 mm，此項(xiàng)參數(shù)直接影響可測量產(chǎn)品的體積大小，在可觸測范圍內(nèi)不影響測量精度，但是極限的產(chǎn)品擺放可能會對編輯程序的路徑設(shè)計(jì)提高難度，為了避讓產(chǎn)品而過于繁復(fù)地設(shè)計(jì)行走路徑會大幅降低檢測效率。

2）三坐標(biāo)測量機(jī)三軸行程。Croma564三坐標(biāo)測量機(jī)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(xiàng)參數(shù)也會影響被測量產(chǎn)品的體積大小，由于三坐標(biāo)測量機(jī)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(shù)標(biāo)明的行程要略大于實(shí)際工作行程[1]。經(jīng)過多次測量試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在三坐標(biāo)測量機(jī)運(yùn)行到臨界行程段，運(yùn)行速度銳減為三坐標(biāo)測量機(jī)最低速度（當(dāng)前設(shè)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(chǎn)品時，極限行程段的測量工作將以最低效率運(yùn)行，并且在100次測量中有7次發(fā)生了高誤差讀取觸測點(diǎn)，給測量結(jié)果帶來非常大的誤差。

3）移動速度。Croma564三坐標(biāo)測量機(jī)的移動速度為520 mm/min，此項(xiàng)參數(shù)將極大地影響產(chǎn)品檢測效率，三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行檢測工作時，影響效率的因素主要有兩點(diǎn)：運(yùn)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(wù)，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(biāo)測量機(jī)的移動加速度為1730 mm/s2，此項(xiàng)參數(shù)也是影響產(chǎn)品檢測效率的關(guān)鍵參數(shù)，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(biāo)測量機(jī)系統(tǒng)認(rèn)為的安全控件后，會沿檢測路徑向下一檢測元素進(jìn)發(fā)，移動加速度越大，運(yùn)行檢測路徑的時間越短，但是如果發(fā)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(yùn)行路徑的安全性。

5）觸測力度。Croma564三坐標(biāo)測量機(jī)的觸測力度為0.96 N，此項(xiàng)參數(shù)稍微影響觸測點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄的準(zhǔn)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(chǎn)生影響，值得說明的是，觸測力度將影響被測產(chǎn)品的裝夾方式和程度，由于三坐標(biāo)測量機(jī)的工作臺面平面度和光潔度極高，所以被測產(chǎn)品放置其上不會有太大的表面摩擦力，在三坐標(biāo)測量機(jī)的觸測力度下，被測產(chǎn)品極易發(fā)生移動，在Croma564三坐標(biāo)測量機(jī)的0.96 N觸測力度下，質(zhì)量較大的金屬產(chǎn)品甚至不需要固定，但是質(zhì)量小的產(chǎn)品（如小型鋁制品或尼龍制品等）則需要用三坐標(biāo)測量機(jī)的裝夾工裝進(jìn)行固定，保證被測產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

2 三坐標(biāo)測量機(jī)參數(shù)優(yōu)化檢測程序說明及參數(shù)修改的分析

2.1 三坐標(biāo)測量機(jī)參數(shù)優(yōu)化檢測程序

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

圖2 50標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)

圖3 環(huán)規(guī)標(biāo)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(shù)進(jìn)行比對，檢測程序編寫如下[2]：

以環(huán)規(guī)上端面為平面1，以環(huán)規(guī)中心孔為圓1，利用面圓法初建和精建坐標(biāo)系（如圖4），進(jìn)而多次重復(fù)檢測環(huán)規(guī)中心孔來確定準(zhǔn)確度的變化。

圖4 檢測程序坐標(biāo)系

2.2 變更參數(shù)多次測量結(jié)果對比

移動參數(shù)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(shù)對比

表2 移動加速度對比

本文展示的為部分重復(fù)測量結(jié)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(nèi)，適當(dāng)調(diào)整移動速率參數(shù)，可以在保證精度的同時提高檢測效率[3]。

3 結(jié)論

本文討論改變?nèi)鴺?biāo)測量機(jī)的移動速度和移動加速度這兩項(xiàng)對檢測效率和檢測精度影響最大的參數(shù)值，得到的結(jié)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(biāo)測量機(jī)檢測產(chǎn)品時，出廠所設(shè)置的基本參數(shù)不應(yīng)被視為無形硬件且不可更改[4]，可以根據(jù)待測產(chǎn)品的不同在保證精度的情況下適當(dāng)修改以提高檢測效率。