淺談?dòng)绊懭鴺?biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量精度的幾個(gè)因素及校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)器

王麗莎

遼寧賽寶計(jì)量檢測(cè)服務(wù)有限公司 遼寧 沈陽(yáng) 110100

概述

坐標(biāo)機(jī)是由機(jī)械主機(jī)、位移傳感器、探測(cè)系統(tǒng)、控制部分和測(cè)量軟件等組成的測(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)測(cè)頭對(duì)被測(cè)物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可以對(duì)各種復(fù)雜形狀的三維零件表面坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)坐標(biāo)機(jī)的配置不同，測(cè)量可以手動(dòng)、機(jī)動(dòng)或自動(dòng)進(jìn)行。通過(guò)增加不同附件，如旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、旋轉(zhuǎn)測(cè)座、多探針組合、接觸或非接觸測(cè)頭等，可以提高測(cè)量的靈活性和適用范圍。通過(guò)人機(jī)對(duì)話，可以在計(jì)算機(jī)控制下完成全部測(cè)量的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理工作。

1 工作原理

坐標(biāo)機(jī)的測(cè)量原理：測(cè)量時(shí)，將被測(cè)工件置于坐標(biāo)機(jī)的測(cè)量空間中，通過(guò)機(jī)器運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)傳感器即測(cè)頭實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量空間內(nèi)任意位置的被測(cè)點(diǎn)的瞄準(zhǔn)，當(dāng)瞄準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)時(shí)測(cè)頭即發(fā)出讀數(shù)信號(hào)，通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)就可以得到被測(cè)點(diǎn)的幾何坐標(biāo)值。根據(jù)這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算求出待測(cè)的幾何尺寸和相互位置關(guān)系[1]。

2 影響坐標(biāo)機(jī)的因素

坐標(biāo)機(jī)是高精度的測(cè)量?jī)x器，實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境條件對(duì)坐標(biāo)機(jī)的影響有著至關(guān)重要的作用。其中包括工件狀態(tài)及環(huán)境，溫度條件、振動(dòng)、濕度、供電電源、壓縮空氣等影響因素。

（1）工件的狀態(tài)及環(huán)境。工件的物理形態(tài)對(duì)測(cè)量結(jié)果有一定的影響。最普遍的是工件的表面粗糙度和加工留下的切削，冷卻液和機(jī)油對(duì)測(cè)量誤差也有影響，通?；覊m及臟東西可集中在測(cè)球上影響坐標(biāo)機(jī)的性能和精度。因此建議在坐標(biāo)機(jī)工作之前和工作之后對(duì)坐標(biāo)機(jī)進(jìn)行必要的清潔工作。

（2）溫度條件。溫度是影響坐標(biāo)機(jī)精度最大的因素。被測(cè)件的溫度與坐標(biāo)機(jī)不一致、操作人員作為一個(gè)熱源、人員的走動(dòng)、外圍設(shè)備的熱源、空調(diào)設(shè)備的熱慣性等都會(huì)引起溫度場(chǎng)的改變。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度梯度也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度，因?yàn)樗鼘⒁鹱鴺?biāo)機(jī)上有關(guān)部件的變形。減小溫度誤差的最有效方法是：保持恒定的標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃，通過(guò)恒溫使被測(cè)件溫度與標(biāo)準(zhǔn)器溫度一致，同時(shí)恒溫也有利于減小溫度梯度引起的變形誤差。

（3）振動(dòng)。由于較多的坐標(biāo)機(jī)是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，振動(dòng)成為一個(gè)普遍存在的問(wèn)題，大型設(shè)備開(kāi)啟時(shí)振動(dòng)會(huì)對(duì)坐標(biāo)機(jī)造成較大影響，小幅振動(dòng)是難以察覺(jué)的，但依然存在。如果振動(dòng)的頻率和坐標(biāo)機(jī)自身的振動(dòng)頻率相混淆，對(duì)于測(cè)量精度也有較大影響，因此對(duì)于測(cè)量環(huán)境的振動(dòng)也要預(yù)防。

（4）濕度。坐標(biāo)機(jī)測(cè)量時(shí)濕度應(yīng)在25%～75%范圍內(nèi)，最好保持在40%～60%范圍內(nèi)，盡量安裝中央空調(diào)。因?yàn)槭褂门_(tái)式空調(diào)風(fēng)向會(huì)不平衡不均勻，不能讓風(fēng)直接吹到坐標(biāo)機(jī)上，否則會(huì)對(duì)坐標(biāo)機(jī)精度造成影響。

（5）供電電源。為保證系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)良好的運(yùn)作，對(duì)于電源有一定的要求，包括：電源電壓變化、頻率要求以及接地裝置、屏蔽裝置等。

（6）壓縮空氣。由于坐標(biāo)機(jī)使用了精密空氣軸承而需要壓縮空氣，應(yīng)當(dāng)滿足壓縮空氣對(duì)坐標(biāo)機(jī)的要求。應(yīng)防止由于水和油侵入壓縮空氣對(duì)坐標(biāo)機(jī)產(chǎn)生影響，同時(shí)防止突然斷氣對(duì)坐標(biāo)機(jī)導(dǎo)軌產(chǎn)生傷害[2]。

3 校準(zhǔn)坐標(biāo)機(jī)所用標(biāo)準(zhǔn)器

校準(zhǔn)坐標(biāo)機(jī)用到的主要標(biāo)準(zhǔn)器為標(biāo)準(zhǔn)球和量塊或步距規(guī)。

（1）標(biāo)準(zhǔn)球是對(duì)探測(cè)誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。探測(cè)誤差校準(zhǔn)方法的原理是通過(guò)確定測(cè)量點(diǎn)到最小二乘擬合球球心距離的范圍，評(píng)價(jià)三維探測(cè)誤差P是否符合規(guī)定的最大允許誤差MPEp。

（2）量塊或步距規(guī)是對(duì)坐標(biāo)機(jī)的示值誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。用量塊或步距規(guī)測(cè)量坐標(biāo)機(jī)的精度是否在出廠的精度范圍內(nèi)。量塊是用耐磨材料制造，橫截面為矩形，并具有一對(duì)相互平行測(cè)量面的實(shí)物量具。量塊的測(cè)量面可以和另一量塊的測(cè)量面相研合而組合使用，也可以和具有類似表面質(zhì)量的輔助體表面相研合而用于量塊長(zhǎng)度的測(cè)量，量塊是一種端面長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)計(jì)量?jī)x器、量具和量規(guī)等示值誤差檢定等方式，使機(jī)械加工中各種制成品的尺寸溯源到長(zhǎng)度基準(zhǔn)。量塊測(cè)量坐標(biāo)機(jī)時(shí)是將量塊裝在支架上，按照所測(cè)量的X軸，Y軸，Z軸和四個(gè)空間總計(jì)七個(gè)方向來(lái)擺放支架和量塊，選擇五塊量塊在每一個(gè)長(zhǎng)度方向測(cè)量三次，共15次，每次測(cè)量需要重新確定長(zhǎng)度方向。在全部35個(gè)長(zhǎng)度上的總和為105次。計(jì)算105次測(cè)量的每個(gè)長(zhǎng)度測(cè)量的示值誤差E值，取指示值與相應(yīng)長(zhǎng)度(約定)真值之差的絕對(duì)值。在得到的105個(gè)長(zhǎng)度示值誤差中無(wú)一個(gè)超出規(guī)定的MPEE值，則為合格。若為大尺寸的坐標(biāo)機(jī)則分段測(cè)量，比如Y軸為兩米分兩段測(cè)量，先測(cè)第一段，然后移動(dòng)量塊位置至另一段測(cè)量，國(guó)內(nèi)外知名的量塊制造商有日本三豐、哈量、成量。

（3）而步距規(guī)是通過(guò)一系列測(cè)量面構(gòu)成的、穩(wěn)定的多示值實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)器。步距規(guī)也叫節(jié)距規(guī)、階梯規(guī)。它由精密的量塊直線排列，永久固定于一個(gè)堅(jiān)固的框架中，框架表面進(jìn)行噴涂或鍍層保護(hù)處理，可用于校準(zhǔn)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)精度和校準(zhǔn)坐標(biāo)機(jī)。步距規(guī)由于結(jié)構(gòu)不同分為臥式、立式和立臥式，測(cè)量平面大小有差異。步距規(guī)的工作量塊有鋼質(zhì)和陶瓷兩種。因鋼質(zhì)量塊易生銹不易養(yǎng)護(hù)且不耐磨損，絕大多數(shù)客戶選用陶瓷量塊步距規(guī)，與國(guó)外應(yīng)用情況一致?，F(xiàn)新制定的陶瓷量塊標(biāo)準(zhǔn)已列入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)外比較知名的步距規(guī)品牌有日本三豐、中國(guó)安一等。

（4）量塊與步距規(guī)的對(duì)比。傳統(tǒng)量塊、端面規(guī)提供的是外測(cè)量尺寸，這是個(gè)異向工作面尺寸，當(dāng)我們校準(zhǔn)導(dǎo)軌定位精度時(shí)，某些情況下需要的是同向工作面，因?yàn)榇蠖鄶?shù)機(jī)械結(jié)構(gòu)都存在空程、間隙，導(dǎo)軌沿單一方向移動(dòng)時(shí)影響不大，但是如果換向的話多數(shù)情況會(huì)出現(xiàn)換向誤差，這包括導(dǎo)軌本身的換向誤差和測(cè)頭部分的換向誤差。多數(shù)情況下?lián)Q向誤差不一定是個(gè)固定數(shù)值，這樣的話很難判定校準(zhǔn)出的誤差到底是屬于哪部分的，這給修正導(dǎo)軌帶來(lái)困難。步距規(guī)可提供雙向同向尺寸，還可以提供雙向異向尺寸(內(nèi)測(cè)量尺寸、外測(cè)量尺寸)，使用步距規(guī)校準(zhǔn)導(dǎo)軌的連續(xù)移動(dòng)精度，可以準(zhǔn)確判斷出各種誤差來(lái)源，修正導(dǎo)軌時(shí)好對(duì)癥下藥。

4 結(jié)束語(yǔ)

精度對(duì)坐標(biāo)機(jī)來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，任何一個(gè)小的因素都能影響坐標(biāo)機(jī)的測(cè)量精度，因此在使用過(guò)程中要十分注重外界環(huán)境對(duì)坐標(biāo)機(jī)的影響，力求將影響降到最低。