三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量螺紋量規(guī)誤差來(lái)源分析

馮 娜吳 健衛(wèi)尊義艾裕豐白小亮李光峰

1.西安石油大學(xué) （陜西 西安 710065）

2.中國(guó)石油集團(tuán) 石油管工程技術(shù)研究院 （陜西 西安710065）

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量螺紋量規(guī)誤差來(lái)源分析

馮 娜1,2吳 健2衛(wèi)尊義2艾裕豐2白小亮2李光峰2

1.西安石油大學(xué) （陜西 西安 710065）

2.中國(guó)石油集團(tuán) 石油管工程技術(shù)研究院 （陜西 西安710065）

研究了三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量螺紋量規(guī)時(shí)誤差的來(lái)源，重點(diǎn)分析了機(jī)械誤差、環(huán)境誤差、測(cè)頭探測(cè)誤差、軟件算法誤差、測(cè)量方法誤差等。通過(guò)分析闡述了在測(cè)量螺紋量規(guī)時(shí)中如何減少相關(guān)誤差，從而使測(cè)量數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 螺紋量規(guī) 誤差

引言

石油專用管中螺紋連接是最薄弱的環(huán)節(jié)。作為石油專用管的螺紋在連接強(qiáng)度、密封性、互換性上都有較高的要求，這樣就對(duì)作為檢驗(yàn)管材螺紋質(zhì)量的專用量具——石油用螺紋量規(guī)的檢測(cè)提出更高的要求。從而通過(guò)合格的螺紋量規(guī)將螺紋質(zhì)量不合格的管子檢測(cè)出來(lái),防止不合格油井管下井,最大限度避免或減少油井管失效事故的發(fā)生。

傳統(tǒng)的螺紋量規(guī)測(cè)量方法較多，如工具顯微鏡法、三針?lè)?、兩球法等等。這些方法的共同特點(diǎn)是手動(dòng)、簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，但普遍存在精度不高，通用性差，操作比較繁瑣，不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，以及無(wú)法對(duì)測(cè)量誤差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)。而螺紋量規(guī)由于自身特點(diǎn)：①要求精度很高(很多單項(xiàng)參數(shù)極限偏差達(dá)到μm)；②檢測(cè)項(xiàng)目較多 (螺紋量規(guī)的檢測(cè)項(xiàng)目達(dá)到近10種)，以上這些傳統(tǒng)的測(cè)量方法已不能滿足測(cè)量要求。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量螺紋量規(guī)工作原理

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)作為一種通用性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、高精度測(cè)量系統(tǒng)在先進(jìn)制造技術(shù)與科學(xué)研究中有極廣泛的應(yīng)用。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量螺紋量規(guī)工作原理是將被測(cè)螺紋量規(guī)置于坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量空間，控制測(cè)頭沿著量規(guī)螺紋的母線進(jìn)行測(cè)量，從而獲得螺紋量規(guī)母線上各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，根據(jù)這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算，求出量規(guī)的中徑、錐度、螺距等參數(shù)。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量螺紋量規(guī)測(cè)量過(guò)程是由計(jì)算機(jī)控制的，由于實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)測(cè)量，大大地提高了工作效率，特別適合于螺紋量規(guī)的批量檢測(cè)。由于排除了人為因素，可以保證每次都以同樣的速度和法矢方向進(jìn)行觸測(cè)，從而使測(cè)量精度也有了很大的提高。如圖1、圖2所示。

圖1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的組成實(shí)物圖

圖2 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的組成框圖

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量螺紋量規(guī)時(shí)坐標(biāo)機(jī)選型的重要性

目前，國(guó)內(nèi)外三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，世界上生產(chǎn)測(cè)量機(jī)的廠商已超過(guò)50家，品種規(guī)格也已達(dá)300種以上。但并非所有的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)都適合測(cè)量螺紋量規(guī)，坐標(biāo)機(jī)選型是非常重要的。選型不準(zhǔn)確，將直接影響螺紋量規(guī)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。選型時(shí)應(yīng)注意以下5點(diǎn)：

（1）根據(jù)螺紋量規(guī)選用合理的測(cè)量精度；

（2）根據(jù)螺紋量規(guī)確定合乎要求的測(cè)量范圍；

（3）根據(jù)螺紋量規(guī)選用合適的測(cè)量機(jī)類型；

（4）根據(jù)螺紋量規(guī)選用功能強(qiáng)大的測(cè)量軟件；

（5）根據(jù)螺紋量規(guī)確定各種類型尺寸的測(cè)頭。

作為國(guó)際互認(rèn)的螺紋量規(guī)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)石油螺紋量規(guī)計(jì)量站引進(jìn)德國(guó)LEITZ三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)PMM12106，根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)，這臺(tái)測(cè)量機(jī)的精度為：E值0.6+L/600μm,R值0.6μm,THP值1.5μm。同時(shí)配備QUINDOS 7測(cè)量軟件。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量螺紋量規(guī)誤差來(lái)源

影響三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量螺紋量規(guī)的誤差因素有很多，主要包括以下5個(gè)方面：機(jī)械誤差、環(huán)境誤差、測(cè)頭探測(cè)誤差、軟件算法誤差、測(cè)量方法誤差（見(jiàn)圖3）。

1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量螺紋量規(guī)時(shí)的機(jī)械誤差

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)有x軸、y軸、z軸3根相互垂直的軸線。測(cè)量中，測(cè)頭相對(duì)于被測(cè)螺紋量規(guī)作三維運(yùn)動(dòng)，其移動(dòng)的位移量可通過(guò)安裝在x軸、y軸、z軸的光柵尺讀出。誤差主要由以下4部分構(gòu)成：

（1）直線度運(yùn)動(dòng)誤差與角誤差。直線度運(yùn)動(dòng)誤差與角誤差是由導(dǎo)軌系統(tǒng)的綜合作用而產(chǎn)生的。

如沿x方向運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生y、z方向的偏移δy(x)和δz(x)。沿y向運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生x、z向的直線度運(yùn)動(dòng)誤差δx(y)和δz(y)。沿z向運(yùn)動(dòng)時(shí)，有x、y方向直線度運(yùn)動(dòng)誤差δx(z)和δy(z)。

沿其導(dǎo)軌作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，不僅會(huì)產(chǎn)生直線度運(yùn)動(dòng)誤差，還會(huì)產(chǎn)生繞3根軸回轉(zhuǎn)的角運(yùn)動(dòng)誤差。分別會(huì)有x、y、z3根軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角運(yùn)動(dòng)誤差εx(x)、εy(x)、 εz(x)、εx(y)、εy(y)、εz(y)、εx(z)、εy(z)、εz(z)產(chǎn)生。

（2）定位誤差。定位誤差指當(dāng)測(cè)量機(jī)的指令系統(tǒng)讓某運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)x時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位移往往不恰好為x。測(cè)量機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置與指令位置之差稱為定位誤差。如y軸的定位誤差。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量螺紋量規(guī)時(shí)測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)值來(lái)自于測(cè)量機(jī)光柵尺的讀數(shù)，而非驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的指令位置，所以通常定位誤差并不十分顯著。

（3）垂直度誤差。由于安裝原因，x軸、y軸、z軸這3根軸線之間的夾角可能偏離90度，造成軸線之間的垂直度誤差。垂直度誤差主要由導(dǎo)軌安裝、調(diào)整與加工誤差引起。一旦調(diào)整完畢，應(yīng)是一個(gè)定值誤差。

（4）動(dòng)態(tài)誤差。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中完成螺紋量規(guī)的數(shù)據(jù)采集，此時(shí)還需考慮測(cè)頭與測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性對(duì)校準(zhǔn)誤差的影響。當(dāng)測(cè)量機(jī)在作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，所有運(yùn)動(dòng)部件上都會(huì)產(chǎn)生慣性力，這些慣性力會(huì)使這些部件變形。變形的大小與慣性力成正比，與構(gòu)件的剛度成反比。除慣性力外，振動(dòng)也是引起動(dòng)態(tài)變形和位移誤差的重要因素。測(cè)量時(shí)需要頻繁改變測(cè)頭探測(cè)方向，以便采集到螺紋量規(guī)相對(duì)全面的幾何數(shù)據(jù),這時(shí)改變測(cè)量方向總是伴隨著加速、減速，造成傳動(dòng)的不平穩(wěn)性也是產(chǎn)生振動(dòng)的因素之一。所以在測(cè)量時(shí)，應(yīng)盡量保持探測(cè)速度恒定。圖4為坐標(biāo)測(cè)量機(jī)各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件在3個(gè)方向驅(qū)動(dòng)力和各自的慣性力作用下，引起的測(cè)頭位置處的動(dòng)態(tài)誤差。

2 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量螺紋量規(guī)時(shí)的環(huán)境誤差

圖3 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量螺紋量規(guī)的誤差框圖

由于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是一種高精度的檢測(cè)設(shè)備，所以其環(huán)境條件的好壞，對(duì)測(cè)量結(jié)果至關(guān)重要，包括螺紋量規(guī)的狀態(tài)及環(huán)境因素（溫度條件、濕度、壓縮空氣）。

溫度誤差又稱為熱變形誤差是影響測(cè)量誤差的主要環(huán)境因素之一。對(duì)于被測(cè)量規(guī)來(lái)說(shuō)，主要是它的幾何尺寸隨溫度而變化。對(duì)于測(cè)量機(jī)來(lái)說(shuō)，則有可能是它的結(jié)構(gòu)尺寸變化（如光柵尺），性能變化(如放大器、傳感器 )。測(cè)量機(jī)的長(zhǎng)度基準(zhǔn)-光柵尺是按照20℃修正的，測(cè)量機(jī)也是在這個(gè)溫度情況下裝配調(diào)試的，當(dāng)溫度偏離太大時(shí)會(huì)對(duì)測(cè)量精度造成很大影響。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)工作間規(guī)定環(huán)境條件的首要條件就是環(huán)境溫度。一般要求環(huán)境溫度控制在20±1℃范圍內(nèi)。環(huán)境溫度不僅要求三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)本身，還要求被測(cè)量規(guī)測(cè)量時(shí)也是這種溫度。所以在測(cè)量前，需將量規(guī)在恒溫20℃的工作間放置24h，使溫度盡量接近20℃。

量規(guī)的狀態(tài)指測(cè)量前的量規(guī)相關(guān)準(zhǔn)備工作，如量規(guī)的清潔、除毛刺，量規(guī)在測(cè)量臺(tái)上的固定裝夾等，如果測(cè)量前沒(méi)有充分的做好準(zhǔn)備就會(huì)產(chǎn)生誤差。量規(guī)在測(cè)量臺(tái)上的固定裝夾往往沒(méi)有引起足夠重視，正確裝夾的裝置必須滿足以下2個(gè)條件：①有利于測(cè)量的操作和測(cè)頭移動(dòng)；②裝夾裝置要使測(cè)頭盡量一次測(cè)完被測(cè)對(duì)象的采集數(shù)據(jù)。

3 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量螺紋量規(guī)時(shí)的測(cè)頭探測(cè)誤差

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)頭的探測(cè)誤差是影響測(cè)量的重要因素。在標(biāo)定測(cè)頭的直徑時(shí)，測(cè)量機(jī)與測(cè)球的誤差對(duì)標(biāo)定值均有影響。由于是接觸式測(cè)量，測(cè)頭會(huì)與測(cè)球、量規(guī)表面產(chǎn)生摩擦，也會(huì)引起測(cè)量誤差。測(cè)量量規(guī)時(shí)，測(cè)頭常會(huì)使用各種附件，如加長(zhǎng)桿、轉(zhuǎn)接體、多測(cè)頭連接座等，這些附件的誤差也直接影響測(cè)量精度。如在測(cè)量量規(guī)時(shí)需使用多探針，此時(shí)就需對(duì)各個(gè)探針測(cè)頭的進(jìn)行標(biāo)定。測(cè)量過(guò)程中，測(cè)頭需要自動(dòng)更換，更換裝置的重復(fù)定位精度也直接影響測(cè)量結(jié)果。

測(cè)量機(jī)在校驗(yàn)測(cè)頭以及粗定量規(guī)坐標(biāo)系時(shí)，均需要手動(dòng)操作，此時(shí)由于探測(cè)力的大小很難控制，所以探測(cè)時(shí)容易于產(chǎn)生誤差。

這里重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)一下測(cè)頭的校驗(yàn)。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量螺紋量規(guī)前，使用的4個(gè)方向的測(cè)頭都應(yīng)進(jìn)行校驗(yàn)。首先是讓軟件計(jì)算球心相對(duì)于測(cè)量機(jī)坐標(biāo)系零點(diǎn)的位置；其次是計(jì)算測(cè)頭的實(shí)際直徑。由于測(cè)桿的變形，測(cè)頭的直徑與上一次測(cè)量所用測(cè)頭直徑有所差別，進(jìn)行當(dāng)前測(cè)頭校驗(yàn)可以保證測(cè)頭半徑補(bǔ)償精度，并得出不同測(cè)頭的位置關(guān)系。在測(cè)頭校驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的誤差將全部加入到測(cè)量中去。所以在這個(gè)環(huán)節(jié)中要保證測(cè)頭校驗(yàn)的正確和準(zhǔn)確。

測(cè)頭校驗(yàn)后保存的測(cè)頭文件，在測(cè)頭、測(cè)桿沒(méi)有變化的情況下可以調(diào)出使用。但精度要求比較高的情況下，建議重新校驗(yàn)測(cè)頭

4 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量螺紋量規(guī)時(shí)的軟件算法誤差

在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中，根據(jù)被測(cè)元素中若干點(diǎn)的坐標(biāo)位置，按照一定的擬合準(zhǔn)則，通常依靠測(cè)量機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件來(lái)求得替代元素及其參數(shù)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，軟件也不可避免地帶入某些誤差，所選用的擬合準(zhǔn)則不同，采用的軟件不同，引起的誤差也不同。

軟件在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中產(chǎn)生誤差的主要原因如下：

（1）由于某些計(jì)算比較復(fù)雜，在軟件的編制過(guò)程中采用了一些近似算法，例如以線性最小二乘法代替非線性最小二乘法；

（2）經(jīng)過(guò)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，軟件中對(duì)方向余弦的值所給的有效數(shù)字位數(shù)不夠，而帶來(lái)誤差。

5 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量螺紋量規(guī)時(shí)的測(cè)量方法誤差

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量螺紋量規(guī)方式主要分為手動(dòng)探測(cè)模式與自動(dòng)探測(cè)模式。手動(dòng)探測(cè)模式測(cè)量即指校驗(yàn)測(cè)頭和粗定坐標(biāo)系。粗定坐標(biāo)系是指由人工操作，使測(cè)頭逐點(diǎn)探測(cè)量規(guī)表面的方式。自動(dòng)探測(cè)模式，就是測(cè)頭沿被測(cè)量規(guī)表面按照預(yù)先確定的速率運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)獲取測(cè)量數(shù)據(jù)的一種測(cè)量模式。此測(cè)量模式的最大特點(diǎn)是數(shù)據(jù)采集率高，即在短時(shí)間內(nèi)可以獲取量規(guī)的大量數(shù)據(jù)。

手動(dòng)探測(cè)模式測(cè)量中人為干預(yù)比較大，測(cè)量效率和測(cè)量精度也相對(duì)比較低。自動(dòng)探測(cè)模式測(cè)量在計(jì)算機(jī)程序的控制下，自動(dòng)完成整個(gè)軌跡的測(cè)量。掃描速度與掃描精度比較高。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量螺紋量規(guī)誤差實(shí)例分析

由以上分析可知,影響三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)精度的總誤差為：總誤差=機(jī)械誤差+環(huán)境誤差+測(cè)頭探測(cè)誤差+軟件算法誤差+測(cè)量方法誤差。

以中國(guó)石油螺紋量規(guī)計(jì)量站為例，用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量螺紋量規(guī)時(shí)5種分誤差對(duì)總誤差的影響分析如下：

機(jī)械誤差：計(jì)量站通過(guò)周期性對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行測(cè)量誤差校準(zhǔn)，以修改坐標(biāo)機(jī)測(cè)量誤差修正模型軟件中的參數(shù)，從而達(dá)到修正機(jī)械誤差的目的。

環(huán)境誤差：計(jì)量站具備嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境控制系統(tǒng)，可以保證坐標(biāo)機(jī)房間的溫度20±1℃。

軟件算法誤差：計(jì)量站通過(guò)QUINDOS 7測(cè)量軟件的編制去除了數(shù)據(jù)處理過(guò)程中產(chǎn)生的誤差。

機(jī)械誤差、環(huán)境誤差、軟件算法誤差、通過(guò)誤差修正技術(shù)對(duì)螺紋量規(guī)最終的校準(zhǔn)結(jié)果影響較小。而測(cè)頭探測(cè)誤差、測(cè)量方法誤差在誤差產(chǎn)生和處理中，人為因素會(huì)不可避免，不具有重復(fù)性。所以該類誤差很難通過(guò)誤差補(bǔ)償來(lái)得到修正，對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)精度的總誤差影響最大，貢獻(xiàn)最大。

結(jié)論

為了提高三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量螺紋量規(guī)的測(cè)量精度，需要采取一系列綜合性措施：

（1）定期邀請(qǐng)廠家對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行校正，提高機(jī)械結(jié)構(gòu)精度，其中包括測(cè)量機(jī)主機(jī)、導(dǎo)軌、測(cè)頭及其附件的精度，尤為重要的是提高它的重復(fù)精度。

（2）減小環(huán)境因素帶來(lái)的影響。

（3）在測(cè)量過(guò)程中減少更換測(cè)頭、加長(zhǎng)桿等操作。

（4）盡可能使探測(cè)速度均勻一致。

（5）完善三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量螺紋量規(guī)的軟件以及測(cè)量方法,其中需設(shè)計(jì)誤差補(bǔ)償。

（6）建立典型的量規(guī)測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù),即在三坐標(biāo)精度校驗(yàn)好的情況下進(jìn)行多次測(cè)量，將結(jié)果按照統(tǒng)計(jì)規(guī)律計(jì)算后得出一個(gè)合理的值，如89mm（32■in）油管,NC50等?？梢越?jīng)常作比對(duì)實(shí)驗(yàn)以確定三坐標(biāo)的精度情況。

[1]張國(guó)雄.三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)[M].天津:天津大學(xué)出版社,1999.

[2]張國(guó)雄.坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)發(fā)展方向[J].紅外與激光工程,2008(S1):1-2.

[3]孫科,田懷文.三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)頭半徑補(bǔ)償實(shí)用算法[J].機(jī)械.2009 (02):6-8.

The paper studies the source of error in measuring thread gauge with Coordinate Measuring Machine (CMM).The analysis concentrates on the following errors such as mechanical error,environmental error,probe measurement error,the software algorithm error,and measuring method error.Based on the analyses,it is expounded how to reduce the relevant errors in the measurement of thread gauge and how to get more accurate result.

Coordinate Measuring Machine(CMM)；thread gauge；errors

馮娜（1980-），女，在職碩士研究生，2003年畢業(yè)于西安石油大學(xué)測(cè)控技術(shù)及儀器專業(yè)，主要從事石油專用螺紋的檢測(cè)、校準(zhǔn)及研究工作。

2010-06-14