劉京苑

(清遠(yuǎn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 清遠(yuǎn) 511500)

0 引言

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)屬于自動(dòng)化、高精度、多功能的接觸式測(cè)量儀器。在工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)不斷發(fā)展的情況下，也對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)提出了更高的精度要求。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量誤差的產(chǎn)生有著較多的原因，對(duì)測(cè)量精度造成的影響也有很大區(qū)別，難以比較與評(píng)定，因此，本文將機(jī)器精度、幾何誤差等作為主要檢測(cè)內(nèi)容，就三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)幾種常見測(cè)量誤差及處理策略進(jìn)行分析。

1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)及其工作機(jī)理

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)作為科技時(shí)代下的應(yīng)用與測(cè)量儀器代表性設(shè)備，是以空間三個(gè)維度為依據(jù)進(jìn)行測(cè)量范圍的構(gòu)建，在光柵尺和測(cè)頭的運(yùn)用下為掃描和讀取提供精確性保障，在對(duì)生產(chǎn)部件曲面、長度、寬度和高度進(jìn)行科學(xué)計(jì)算測(cè)量后，獲取精確的位置公差、三維結(jié)構(gòu)，以此精度測(cè)量加工與生產(chǎn)部件。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在空間三個(gè)相互垂直特點(diǎn)的運(yùn)用下，結(jié)合導(dǎo)向設(shè)備引導(dǎo)方式，借助讀數(shù)頭實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取，并在處理器的幫助下加工數(shù)據(jù)，隨后在科學(xué)運(yùn)算下可精確測(cè)量加工部件和機(jī)械零件[1]。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)具有自動(dòng)化與數(shù)字化的優(yōu)勢(shì)，不但能將測(cè)量工作速度大幅度提升，同時(shí)還能推動(dòng)測(cè)量工作質(zhì)量的進(jìn)一步提升，是當(dāng)前設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、加工及檢驗(yàn)等工作領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛的一種測(cè)量設(shè)備。

2 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量誤差

2.1 不合理的工作面選擇引發(fā)的誤差

此類誤差主要引發(fā)原因在于不一致的數(shù)據(jù)采集和數(shù)學(xué)模型計(jì)算方法。如圖1所示，具體實(shí)踐中期望以被測(cè)要素進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并以圓為依據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然而實(shí)際采集中，因XY面處軸線有垂直偏移存在，以致于采集數(shù)據(jù)為橢圓，倘若以圓為依據(jù)進(jìn)行處理，就會(huì)有一定的誤差產(chǎn)生。

圖1 誤差產(chǎn)生原因模型

2.2 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)頭引發(fā)的誤差

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)頭可通過掃描測(cè)量工件表面，此類工作方式會(huì)影響測(cè)頭表面，而當(dāng)摩擦增加時(shí)，測(cè)頭也會(huì)有形變出現(xiàn)，尤其是個(gè)別硬度較高的材料會(huì)劃傷三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)紅寶石材料，如此一來三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)頭就會(huì)有誤差產(chǎn)生。同時(shí)，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)頭時(shí)常會(huì)與溫度不同的工件相接觸，測(cè)頭會(huì)出現(xiàn)熱脹冷縮的狀況。而紅寶石盡管具有較高的強(qiáng)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(huì)出現(xiàn)劇烈磨損甚至崩裂的情況，此時(shí)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量也會(huì)有誤差產(chǎn)生[2]。以鋁合金材料工件作為三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量對(duì)象時(shí)，工件和測(cè)頭紅寶石間會(huì)有化學(xué)變化產(chǎn)生，紅寶石測(cè)頭會(huì)沾上鋁合金部件材料，測(cè)頭精確性受到影響，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量也就會(huì)有較大誤差產(chǎn)生。

2.3 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)球直徑校正引發(fā)的誤差

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)球直徑校正有著一定的技術(shù)要求，倘若有校正問題出現(xiàn)，就會(huì)影響三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的應(yīng)用，此時(shí)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)就會(huì)有測(cè)量誤差產(chǎn)生。就測(cè)量直徑校正而言，常見問題有：測(cè)點(diǎn)選擇數(shù)量不足、在校正期間并未補(bǔ)償測(cè)球半徑等。此類問題會(huì)使三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)球精度受影響，進(jìn)而產(chǎn)生測(cè)量誤差。

2.4 探針校準(zhǔn)引發(fā)的誤差

依據(jù)測(cè)量角度誤差不難發(fā)現(xiàn)，測(cè)量期間須補(bǔ)償探針半徑誤差。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)可得到探針半徑實(shí)際值，然而在校準(zhǔn)中依然有誤差存在。此類誤差的來源主要為：測(cè)頭承載力匹配；標(biāo)準(zhǔn)球安裝牢靠；標(biāo)準(zhǔn)球球度；校準(zhǔn)速度與測(cè)量速度一致；測(cè)桿的剛性；測(cè)桿設(shè)置的中間節(jié)點(diǎn)減少等。

2.5 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)針長度引發(fā)的誤差

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)針在具體測(cè)量實(shí)踐中，隨著測(cè)桿長度的提升，會(huì)產(chǎn)生更大的彎曲和偏斜問題。在校正測(cè)針之后，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)球時(shí)，隨著測(cè)針長度的提升，測(cè)量結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生更大的誤差，同時(shí)當(dāng)測(cè)量長度增加之后，測(cè)量精度也會(huì)逐漸降低。因此，在各個(gè)工件特征的測(cè)量中長測(cè)桿并不適用。

3 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量誤差的控制措施

3.1 合理選擇工作面

針對(duì)工作面選擇不合理所引發(fā)的誤差而言，在測(cè)量時(shí)須旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，旋轉(zhuǎn)某坐標(biāo)軸平行于被測(cè)回轉(zhuǎn)體軸線后即可開始測(cè)量。同時(shí)，測(cè)量期間對(duì)于被測(cè)對(duì)象的選擇應(yīng)確保正確，如對(duì)圓柱直徑進(jìn)行測(cè)量時(shí)，不應(yīng)測(cè)量單一截面圓，而應(yīng)以圓柱狀作為測(cè)量對(duì)象。

3.2 準(zhǔn)確校正測(cè)頭

校正測(cè)頭的目的在于將測(cè)桿紅寶石球的直徑校正出，修正測(cè)量點(diǎn)測(cè)頭，以此將不同測(cè)頭位置彼此間的位置關(guān)系得到。在校正測(cè)頭時(shí)，須在測(cè)量中加入所有產(chǎn)生的誤差。故而，必須為測(cè)頭校正提供準(zhǔn)確性保障。采取不同測(cè)頭位置時(shí)，將所有測(cè)頭位置校正完后，須借助測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)球球心點(diǎn)坐標(biāo)方法對(duì)效驗(yàn)精度進(jìn)行檢查。倘若有著較高的測(cè)量精度要求，就應(yīng)對(duì)測(cè)頭重新進(jìn)行校正，以便為數(shù)值提供精確性保障。

3.3 正確選擇測(cè)量方法

結(jié)合以往測(cè)量經(jīng)驗(yàn)得知，越短的測(cè)針能夠得到更準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，因此三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)針長度越短越佳。在精密度較高的測(cè)量過程中，測(cè)量所選取的測(cè)針應(yīng)以較短的為主。接頭與長桿應(yīng)盡量減少，也可實(shí)現(xiàn)測(cè)量精度的提升。三坐標(biāo)測(cè)量儀測(cè)量期間，應(yīng)盡量選擇更大的測(cè)頭直徑范圍，這是因?yàn)闇y(cè)頭是三坐標(biāo)測(cè)量儀測(cè)量中的重要測(cè)量配件，能對(duì)測(cè)量結(jié)果造成直接影響。

3.4 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)球誤差控制措施

①須對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)應(yīng)用條件進(jìn)行控制，盡量將三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)球損壞避免，測(cè)量高硬度部件時(shí)，實(shí)測(cè)工作的開展應(yīng)采取氧化錯(cuò)測(cè)球。②須對(duì)測(cè)量工件的溫度進(jìn)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(jìn)行測(cè)量，測(cè)量工作須在溫度穩(wěn)定后再開始。③測(cè)量鋁合金材料工件時(shí)，須將紅寶石測(cè)頭及時(shí)更換，以便為測(cè)量提供精度保障，并將紅寶石受沾染而出現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)損失避免。④測(cè)量鑄鐵工件時(shí)，測(cè)頭應(yīng)以氧化錯(cuò)為主，以便對(duì)測(cè)量精度進(jìn)行有效控制，并節(jié)省測(cè)量成本。值得一提的是，在控制三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)球直徑時(shí)，應(yīng)以9點(diǎn)測(cè)量方法為主，通過測(cè)針組坐標(biāo)原點(diǎn)的確定，推動(dòng)校正精度的提升，并在標(biāo)準(zhǔn)球測(cè)量下對(duì)測(cè)球半徑誤差進(jìn)行補(bǔ)償，如此即可推動(dòng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)直徑校正精確度的提升。

3.5 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)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(wěn)定性、一致性，進(jìn)而為測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性提供保障。碳纖維長測(cè)桿和接長桿材料十分常用，硬度高、質(zhì)量輕。鈦合金具有較高的密度、較好的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，用于測(cè)桿制造時(shí)十分適用。測(cè)針的選擇應(yīng)以較大直徑、較短測(cè)桿為主，如此可推動(dòng)最佳有效工作長度、測(cè)針剛性的實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語

在計(jì)算機(jī)的控制下，三坐標(biāo)測(cè)量可高效、準(zhǔn)確測(cè)量復(fù)雜零件，具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。但三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)也有個(gè)別誤差存在，因此，必須采取有效措施，補(bǔ)償系統(tǒng)性誤差，以便將誤差范圍縮小。而對(duì)于非系統(tǒng)性誤差而言，其引發(fā)原因多為測(cè)量期間的人為過失引發(fā)的，對(duì)此也需要采取合理有效的手段將誤差控制至最低。