三坐标测量机测针的校准和选择分析

张斌　潘宇妮

摘   要：在机件加工中，必须对产品进行检验，以确保产品尺寸误差处于合理范围内，符合装配要求。三坐标测量机就是用于机件检验的高精度测量设备，合格的机件产品检验工作人员应当具备熟悉使用该仪器的能力，本文针对三坐标测量机的数据误差来源和测针校准原理，对测针的选择和校准方法要点进行了分析。

关键词：三坐标测量机  测针校准  测针选择

中图分类号：TG87                              文献标识码：A                            文章編号：1674-098 X （2019）07（a）-0093-02

测量误差是客观存在的，不管仪器究竟有多高的精度也无法消除，三坐标测量机是机件产品检验中常用的高精度测量设备，同样存在一定的误差。人造仪器的测量误差问题无法消除，但是可以通过各种方法来降低，使机器的装配不受误差的影响。

1  三坐标测量机误差来源与测针校准原理

1.1 三坐标测量机误差主要来源

三坐标测量机的误差类型可以分为两个大类，一是静态误差，二是动态误差，二者的区别在于前者是在短期内始终处于某一个稳定水平，不会发生太大的波动只有在时间跨度足够长的时候，才会因为硬件磨损等原因发生较大的变化。后者则主要是由于观测者视觉以及外界不断变化的环境等因素所造成的误差，在短期内就会随着时间的流动而发生大幅度的波动。

静态误差的产生源于仪器的制造过程以及设备结构的区别，在制造过程中，总会混入影响仪器精密度的因素，因此每一台仪器基于仪器制造所发生的静态误差都有所差别，同时，三坐标测量机最重要的部件就是测针，测针的磨损也会引起静态误差的产生。不同仪器的设备结构会由于外部因素的瞬间影响而产生差别，这种外来影响因素的存在时间极其短暂，变化性不大，但是它所造成的静态误差仍然会严重影响测量精度。在观测员以标准方法进行观测的情况下，仪器的静态误差值通常大于动态误差的初值，但是动态误差值会由于时间发展而发生变化，通常都会增长到超越静态误差的程度。在三坐标测量机测量当中，其测头测针存在磨损现象，此时就会形成静态误差[1]。

动态误差来源相对于静态误差而言更广泛，外部环境的变动会引起相应的动态误差的产生，例如，随着时间发展，灰尘、仪器温度等会发生积累和相对升高，相应地，三坐标测量机的误差值也会因此而有所提升[2]。同时人为因素也有可能造成相应的动态误差。包括观测者的视觉上的差异、观测方法和习惯等因素都有可能影响到测量的精度。此外值得注意的是，静态误差在一定意义上也具有时间性，不过其产生差异所需要的时间跨度更长，例如上文所述的测针会随着时间发生磨损，导致仪器精度下降。

1.2 测针校准原理

进行机件的测量采样时，测针与待测机件表面接触，产生并通过线路将接触信号传往测头系统，计算机通过对测头系统的信号进行采集从而得到测点坐标，这是三左边测量机的基本工作原理。相对而言，测针的校准更为复杂，进入测头校准程序后，测量机使用与几何元素测量程序中球体测量相同的方法自动测量标准球，当采点数达到要求时，测量程序自动完成测点的校准处理，并将处理结果返还测头校准对话界面，确认后将作为修正值用于后续数据处理工作中，校准后的数据分为三项：测头半径、球度误差、测球中心相对于零号测头中心的坐标值。

2  三坐标测量机测针校准要点分析

2.1 测前准备

在进行测量前，根据不同的待测机件和测量要求，确定测针组合，在测量过程中如果更换测针会产生极大的误差，因此测前应对测针组合进行测前检查，检查内容包括测针直径、刚度、长度、方向以及测杆长度、粗细等各方面的误差影响因素，多测针测量时，测针的位置也会引起一定的误差。

2.2 校准

为了提高检测校准的精确度，对测针的校准应当以测针与标准球轴线的最大直径的接触点为校准参照点，进行检测校准还要注意校准前后测针直径的误差。单个测针位置校准的要点主要是对两项数据的观察，即测针直径以及与之相关的球度误差，测针直径应当与平时校准的数值相近并且具有良好的重复性，这样才能使球度误差保持在相对更小的范围内。在单个测针校准完毕后，进行多个测针位置的校准，多个测针的位置校准除了需要观察测针直径和球度误差，还要使用校准后的测针进行标准球测量并得出的球心坐标值，比较其与原记录值的差别，其数值与示值误差或探测误差超过3μm则存在异常，存在异常的情况下要重新对测头、所测量的标准球的稳固性等进行检查，变化较大的寻找原因并解决问题，发生测针损坏的，应当对损坏的测针进行更换，然后才能重新开始测量。同时，进行误差得重复校准是有必要的，通过运用统计学原理对多次测量所得数据进行分析，从而得出更精确的结果。

2.3 标准球的直径

标准球的测量数据是测量机件所得数据的参照物，由于其具有良好的球度误差，测针校准过程应当始终以该球体的直径为标准，测针校准的球度误差会受到标准球数据的直接影响，所以，应当运用软件标准球的等效直径测出，以进行测球半径的补偿。

3  三坐标测量机测针选择分析

3.1 测针的选用

三坐标测量机的测针选择应当根据具体情况而定，所选择的测针必须是经过校准的，在测量过程中，除了外部环境因素和仪器精度等因素，测针的选择也会影响测量误差。不同测针具有不同的最大刚度，所适应的球度也不一样，在测针的选择中，选取球体直径较大的测针有助于降低标准球表面粗糙度对精度造成的影响，同时，测球的直径越大，球度越好，同时，球径与测针杆之差也就越大，在测量工件时碰到测杆的机率就比小球径的测针要小得多[3]。

3.2 测杆的选用

相对更粗的测杆在应力作用下的变形会更小，测量精度就越高，但是测量精度还受到测杆长度的影响，测杆长度越长，测量精度反而越低，长测杆会起到放大误差的作用，这是由其挠性导致测杆预行程的改变所导致的必然结果。所以对于测杆的选用，首先要求测杆刚度应当足够大，其次是其长度和粗细的要求，应当尽可能使测杆更粗，长度更短。在具体的测杆选择用中应当根据需要使用不同性质的测杆。

3.3 测头校正

测头校正工作中能够引起测量误差的因素有：测杆挠性、触点位置、测量速度以及距离等，在实际测量过程中应当按照合适的参数进行测头校正，保障测量精度。

3.4 接长杆时连接点的选择

测针长度不足时需要连接长杆，这时会在双方的连接点位置上产生应力变形点，还有肉眼不可视的微观弯曲，这两个变化会严重影响测量的精度，所以在配置测针时，如果可以不连接长杆，尽量不要使用接长杆，降低由此产生的累积误差。

3.5 测孔径工作中测针的选择

孔径长度较短时，测针直径不会有太大的精度影响，但是如果所测孔长度大，则应当首先选用直径4mm的测针，减少碰杆引起的误差，同时对微观表面平整度不好的测件进行测量时，也要优先选择直径的测针。

4  结语

三坐标测量机的自动化程度极高，因此能够将使用传统方法耗时数小时的待测机件的测量工作压缩到几分钟内完成，实现工作效率的极大提升。检测人员在三坐标测量机测量前，要对三坐标测量机的测针等进行校准，同时还应当选择合理的测针长度和直径，针对不同的待测机件，选用不同的测针，这些工作都应当在正式测量前应当认真做好，避免在测量过程中发现问题产生更多麻烦。

参考文献

[1] 彭利荣，王东方，马占龙，等.三坐标检测光学元件曲率半径的误差分析[J].电子测量与仪器学报，2014（11）：1235-1241.

[2] 许朝山.三坐标测量机测量误差分析及补偿方法的研究[J].山东工业技术，2019（14）：43.

[3] 张兵峰.三坐标测量机测针的校准和选择[J].山东工业技术，2018（18）：117.