浅谈影响三坐标测量机测量精度的几个因素及校准用标准器

2021-12-31王丽莎

科学与信息化 2021年10期

王丽莎

辽宁赛宝计量检测服务有限公司辽宁沈阳 110100

概述

坐标机是由机械主机、位移传感器、探测系统、控制部分和测量软件等组成的测量系统。通过测头对被测物体的相对运动，可以对各种复杂形状的三维零件表面坐标进行测量。根据坐标机的配置不同，测量可以手动、机动或自动进行。通过增加不同附件，如旋转工作台、旋转测座、多探针组合、接触或非接触测头等，可以提高测量的灵活性和适用范围。通过人机对话，可以在计算机控制下完成全部测量的数据采集和数据处理工作。

1 工作原理

坐标机的测量原理：测量时，将被测工件置于坐标机的测量空间中，通过机器运动系统带动传感器即测头实现对测量空间内任意位置的被测点的瞄准，当瞄准实现时测头即发出读数信号，通过测量系统就可以得到被测点的几何坐标值。根据这些点的空间坐标值，经过数学运算求出待测的几何尺寸和相互位置关系[1]。

2 影响坐标机的因素

坐标机是高精度的测量仪器，实验室的环境条件对坐标机的影响有着至关重要的作用。其中包括工件状态及环境，温度条件、振动、湿度、供电电源、压缩空气等影响因素。

（1）工件的状态及环境。工件的物理形态对测量结果有一定的影响。最普遍的是工件的表面粗糙度和加工留下的切削，冷却液和机油对测量误差也有影响，通常灰尘及脏东西可集中在测球上影响坐标机的性能和精度。因此建议在坐标机工作之前和工作之后对坐标机进行必要的清洁工作。

（2）温度条件。温度是影响坐标机精度最大的因素。被测件的温度与坐标机不一致、操作人员作为一个热源、人员的走动、外围设备的热源、空调设备的热惯性等都会引起温度场的改变。实验室内的温度梯度也会影响测量结果的准确度，因为它将引起坐标机上有关部件的变形。减小温度误差的最有效方法是：保持恒定的标准温度20℃，通过恒温使被测件温度与标准器温度一致，同时恒温也有利于减小温度梯度引起的变形误差。

（3）振动。由于较多的坐标机是应用在生产现场，振动成为一个普遍存在的问题，大型设备开启时振动会对坐标机造成较大影响，小幅振动是难以察觉的，但依然存在。如果振动的频率和坐标机自身的振动频率相混淆，对于测量精度也有较大影响，因此对于测量环境的振动也要预防。

（4）湿度。坐标机测量时湿度应在25%～75%范围内，最好保持在40%～60%范围内，尽量安装中央空调。因为使用台式空调风向会不平衡不均匀，不能让风直接吹到坐标机上，否则会对坐标机精度造成影响。

（5）供电电源。为保证系统及计算机良好的运作，对于电源有一定的要求，包括：电源电压变化、频率要求以及接地装置、屏蔽装置等。

（6）压缩空气。由于坐标机使用了精密空气轴承而需要压缩空气，应当满足压缩空气对坐标机的要求。应防止由于水和油侵入压缩空气对坐标机产生影响，同时防止突然断气对坐标机导轨产生伤害[2]。

3 校准坐标机所用标准器

校准坐标机用到的主要标准器为标准球和量块或步距规。

（1）标准球是对探测误差进行校准。探测误差校准方法的原理是通过确定测量点到最小二乘拟合球球心距离的范围，评价三维探测误差P是否符合规定的最大允许误差MPEp。

（2）量块或步距规是对坐标机的示值误差进行校准。用量块或步距规测量坐标机的精度是否在出厂的精度范围内。量块是用耐磨材料制造，横截面为矩形，并具有一对相互平行测量面的实物量具。量块的测量面可以和另一量块的测量面相研合而组合使用，也可以和具有类似表面质量的辅助体表面相研合而用于量块长度的测量，量块是一种端面长度标准，通过对计量仪器、量具和量规等示值误差检定等方式，使机械加工中各种制成品的尺寸溯源到长度基准。量块测量坐标机时是将量块装在支架上，按照所测量的X轴，Y轴，Z轴和四个空间总计七个方向来摆放支架和量块，选择五块量块在每一个长度方向测量三次，共15次，每次测量需要重新确定长度方向。在全部35个长度上的总和为105次。计算105次测量的每个长度测量的示值误差E值，取指示值与相应长度(约定)真值之差的绝对值。在得到的105个长度示值误差中无一个超出规定的MPEE值，则为合格。若为大尺寸的坐标机则分段测量，比如Y轴为两米分两段测量，先测第一段，然后移动量块位置至另一段测量，国内外知名的量块制造商有日本三丰、哈量、成量。

（3）而步距规是通过一系列测量面构成的、稳定的多示值实物标准器。步距规也叫节距规、阶梯规。它由精密的量块直线排列，永久固定于一个坚固的框架中，框架表面进行喷涂或镀层保护处理，可用于校准机床工作台移动精度和校准坐标机。步距规由于结构不同分为卧式、立式和立卧式，测量平面大小有差异。步距规的工作量块有钢质和陶瓷两种。因钢质量块易生锈不易养护且不耐磨损，绝大多数客户选用陶瓷量块步距规，与国外应用情况一致。现新制定的陶瓷量块标准已列入国家标准。国内外比较知名的步距规品牌有日本三丰、中国安一等。

（4）量块与步距规的对比。传统量块、端面规提供的是外测量尺寸，这是个异向工作面尺寸，当我们校准导轨定位精度时，某些情况下需要的是同向工作面，因为大多数机械结构都存在空程、间隙，导轨沿单一方向移动时影响不大，但是如果换向的话多数情况会出现换向误差，这包括导轨本身的换向误差和测头部分的换向误差。多数情况下换向误差不一定是个固定数值，这样的话很难判定校准出的误差到底是属于哪部分的，这给修正导轨带来困难。步距规可提供双向同向尺寸，还可以提供双向异向尺寸(内测量尺寸、外测量尺寸)，使用步距规校准导轨的连续移动精度，可以准确判断出各种误差来源，修正导轨时好对症下药。