GLOBAL ADVANTAGE系列三坐標(biāo)機(jī)精度超差分析

劉 勇 紀(jì)蘭香 梅軍建 趙永剛 宋旭日 楊艷鋒

（1.陜西寶雞150信箱11分箱 陜西寶雞 2.四川省新材料研究中心 成都 3.四川瀘州116信箱 四川瀘州）

（4.吉林通化市果松鎮(zhèn) 吉林通化 5.河南盧氏縣黑馬渠鎮(zhèn) 河南盧氏 6.云南彌勒19信箱 云南彌勒）

一、引言

Global Advantage系列三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（簡(jiǎn)稱三坐標(biāo)機(jī)或坐標(biāo)機(jī)，CMM）是青島?？怂箍瞪a(chǎn)的系列經(jīng)濟(jì)型高精度坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，主要用于大中型工件的尺寸檢測(cè)，與傳統(tǒng)機(jī)械工卡量具相比，其測(cè)量精度和工作效率顯著提高。單位曾購(gòu)買該系列坐標(biāo)機(jī)數(shù)臺(tái)，（含Global A575、Global A775的2個(gè)型號(hào)），在日常使用中，出現(xiàn)一些精度超差的典型案例，通過梳理總結(jié)近5年來精度超差原因和注意事項(xiàng)，旨在為該系列坐標(biāo)機(jī)的日常維護(hù)使用提供參考。

二、三坐標(biāo)機(jī)精度影響因素及解決措施

三坐標(biāo)機(jī)包含有測(cè)量機(jī)主機(jī)、觸測(cè)系統(tǒng)（英國(guó)雷尼紹）、機(jī)械氣路系統(tǒng)（含空壓機(jī)，意大利阿特拉斯）、電氣控制柜（B3CLC）、計(jì)算機(jī)及軟件系統(tǒng)（圖1），由于測(cè)量系統(tǒng)組成復(fù)雜，精度影響因素眾多，既有坐標(biāo)機(jī)自身組成系統(tǒng)的原因，又有環(huán)境條件因素，還有計(jì)量校準(zhǔn)過程中的操作環(huán)節(jié)把握等原因，需要逐一進(jìn)行分析。

1.三坐標(biāo)機(jī)自身系統(tǒng)因素

（1）氣路及導(dǎo)軌系統(tǒng)。三坐標(biāo)機(jī)采用空氣軸承導(dǎo)向，高壓氣體通過氣眼進(jìn)入工作面和導(dǎo)軌面之間，形成均勻的氣隙，正常工作時(shí)氣隙6～10 μm，氣壓浮動(dòng)導(dǎo)致氣浮塊間隙變化，影響測(cè)量機(jī)的重復(fù)性。氣壓不足時(shí)，會(huì)使導(dǎo)軌不能完全浮起造成與導(dǎo)軌摩擦，輕者影響精度，重者磨損導(dǎo)軌和氣浮塊、損壞測(cè)量機(jī)。因此，壓力正常時(shí)，必須保證壓縮空氣的潔凈度及導(dǎo)軌的平面度，以確保空氣軸承正常工作。

圖1 Global A系列三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)

具體解決措施主要包括，經(jīng)常采用酒精紗布或酒精脫脂棉擦拭導(dǎo)軌，定期放干氣路系統(tǒng)中的水和油，定期檢查并更換濾芯，定期檢查氣管。

由于工藝間整修原因，2012年有1臺(tái)三坐標(biāo)機(jī)氣路系統(tǒng)管路斷開，整修完畢后重新連接。開機(jī)后雖能運(yùn)行，但導(dǎo)軌處有油膜，且坐標(biāo)機(jī)主腿及輔腿運(yùn)行不暢，后對(duì)空壓機(jī)及冷干機(jī)開機(jī)24 h，并放干三聯(lián)體、前置過濾器及空壓機(jī)中的水和油，并對(duì)所有導(dǎo)軌重新擦拭，故障消失。

（2）計(jì)數(shù)系統(tǒng)。計(jì)數(shù)系統(tǒng)由光柵尺、讀數(shù)頭、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路等組成，讀數(shù)頭和光柵尺間的間隙是可變的，但在出廠前都經(jīng)過調(diào)整并固定穩(wěn)當(dāng)（0.15 mm），使輸出信號(hào)符合控制系統(tǒng)要求。當(dāng)發(fā)生厲害的撞擊后，光柵尺和讀數(shù)頭之間的距離可能發(fā)生變化，引起輸出信號(hào)不穩(wěn)定或者無法識(shí)別及精度超差。所以，避免撞擊、杜絕嚴(yán)重撞擊事件是維護(hù)計(jì)數(shù)系統(tǒng)極為有效的途徑。

配備2名操作手分別控制電氣控制柜及操作盒上的急停按鈕，一旦發(fā)現(xiàn)異常，按下“E-STOP”，使坐標(biāo)機(jī)停止運(yùn)行，以保護(hù)計(jì)數(shù)系統(tǒng)。

2010年在進(jìn)行年度例行坐標(biāo)機(jī)計(jì)量校準(zhǔn)時(shí)，由于電氣控制柜中LOG-02板損壞導(dǎo)致坐標(biāo)機(jī)運(yùn)行速度突然加快，操作手緊急按下“E-STOP”按鈕，坐標(biāo)機(jī)急停，由于反應(yīng)及時(shí)，計(jì)數(shù)系統(tǒng)未受損壞。

（3）電氣控制系統(tǒng)。電氣系統(tǒng)由控制柜（B3C-LC）及內(nèi)部各控制單元板、操縱盒、互聯(lián)電纜及各電機(jī)、光柵讀數(shù)頭、溫度傳感器等部件組成。測(cè)量機(jī)主要由控制柜中的各種控制單元板及外圍設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量機(jī)的精確控制?？刂葡到y(tǒng)的互聯(lián)電纜很多，電纜接頭部分的松緊程度直接影響著各類光電信號(hào)的傳輸及轉(zhuǎn)換。

要特別注意電纜接頭部分，定期檢查接頭松緊是否適度，不要因?yàn)榘l(fā)生松動(dòng)影響測(cè)量機(jī)使用（1次/年）。定期檢查電纜是否有破損（1次/年）。嚴(yán)禁隨意拆裝控制系統(tǒng)部件，不允許隨意更改測(cè)座控制器的跳線設(shè)置。

2012年10月在例行維護(hù)檢查中，電氣控制柜電路斷開后重新連接。開機(jī)后雖能運(yùn)行，但測(cè)座控制器指示有間斷閃亮，后重新緊固所有電纜連接，故障消失。

（4）觸測(cè)系統(tǒng)。觸測(cè)系統(tǒng)由測(cè)座（Probe Head）、測(cè)頭（Probe）、測(cè)針（Tip）和連接件組成。一般使用PH10M測(cè)座的坐標(biāo)機(jī)，用PHC10-2控制器與之配合完成對(duì)測(cè)座信號(hào)的控制，用TP20接觸式測(cè)頭完成測(cè)量數(shù)據(jù)的觸發(fā)信號(hào)。坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可以與不同公司的多種測(cè)座、測(cè)頭配合使用，不同的測(cè)座需要搭配不同的測(cè)座控制器完成對(duì)測(cè)座的控制，不同的測(cè)頭的精度、安裝接線方式也各不相同。觸測(cè)系統(tǒng)的不同組合方式、潔凈度直接影響到測(cè)量的精確性。應(yīng)正確選擇測(cè)座測(cè)頭測(cè)針組合、正確安裝測(cè)頭測(cè)針、經(jīng)常性保持測(cè)頭及測(cè)座吸盤的清潔。

2012年6月，在進(jìn)行操作調(diào)試時(shí)，坐標(biāo)機(jī)執(zhí)行完“歸零”程序后，測(cè)頭燈滅（掉電），反復(fù)激活3次，測(cè)頭燈始終不亮，在手動(dòng)操作控制盒時(shí)測(cè)量機(jī)可以運(yùn)行，但無法執(zhí)行“test soft”程序，重新清潔測(cè)頭吸盤、測(cè)針接觸面，激活測(cè)頭，測(cè)頭指示燈亮，坐標(biāo)機(jī)正常，打開“test soft”程序，可以正常檢測(cè)。

2013年對(duì)三坐標(biāo)機(jī)進(jìn)行年度計(jì)量校準(zhǔn)時(shí)，溫濕度合格，采用中測(cè)力測(cè)頭吸盤進(jìn)行示值誤差校驗(yàn)時(shí)，結(jié)果高出要求值；后采用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力測(cè)頭吸盤重新校驗(yàn)，結(jié)果合格。對(duì)比表明，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力測(cè)頭吸盤精度較高適合進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)（精度校驗(yàn)），中測(cè)力測(cè)頭吸盤適合進(jìn)行零件檢測(cè)。

2.環(huán)境條件影響

除了測(cè)量機(jī)本身因故障造成測(cè)量機(jī)精度誤差外，其環(huán)境溫濕度也直接影響到測(cè)量機(jī)精度，造成測(cè)量誤差。

（1）溫度因素。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的長(zhǎng)度基準(zhǔn)光柵是按照20℃修正及裝配調(diào)試的，當(dāng)溫度偏離太大時(shí)會(huì)對(duì)測(cè)量機(jī)精度造成很大的影響。在測(cè)量機(jī)的機(jī)房?jī)?nèi)溫度自下而上是逐漸升高的，每個(gè)軸的光柵溫度和零件溫度的差別就影響了測(cè)量機(jī)測(cè)量的精度。作為高精度計(jì)量檢測(cè)儀器，正常工作溫度20±2℃。

使用測(cè)量機(jī)時(shí)要盡量保持測(cè)量機(jī)機(jī)房的環(huán)境溫度與鑒定時(shí)一致，并保持在20±2℃。電氣設(shè)備、計(jì)算機(jī)、人員都是熱源。在設(shè)備安裝時(shí)要做好規(guī)劃，使電氣設(shè)備、計(jì)算機(jī)等與測(cè)量機(jī)有一定距離；測(cè)量機(jī)機(jī)房加強(qiáng)管理，不要有多余的人員停留。

2012年對(duì)三坐標(biāo)機(jī)進(jìn)行年度計(jì)量校準(zhǔn)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)溫度為18.5℃，在進(jìn)行示值誤差校驗(yàn)時(shí)，結(jié)果總高出要求值，后對(duì)工藝間進(jìn)行升溫至20℃，重新校驗(yàn)，結(jié)果合格。

（2）濕度因素。濕度對(duì)測(cè)量機(jī)的影響較大，濕度控制不當(dāng)將嚴(yán)重影響測(cè)量機(jī)壽命。在南方濕度較大的地區(qū)或北方的夏季或雨季，當(dāng)正在制冷的空調(diào)被關(guān)閉后，空氣中的水汽會(huì)很快凝結(jié)在溫度相對(duì)較低的測(cè)量機(jī)導(dǎo)軌和部件上，會(huì)使測(cè)量機(jī)的氣浮塊和某些部件嚴(yán)重銹蝕，影響測(cè)量機(jī)的壽命。計(jì)算機(jī)和電氣控制系統(tǒng)的電路板也會(huì)因濕度過大出現(xiàn)腐蝕和造成短路。應(yīng)隨時(shí)監(jiān)控工藝間環(huán)境濕度，并使其貯存濕度控制在30%～70%，使用濕度控制在65%±5%。

由于坐標(biāo)機(jī)工藝間通風(fēng)條件有限，濕度常年過大，未開空調(diào)狀況下，濕度在75%～85%，2011年，在進(jìn)行年度例行坐標(biāo)機(jī)計(jì)量校準(zhǔn)時(shí)，由于電氣控制柜中LOG-02板故障導(dǎo)致坐標(biāo)機(jī)運(yùn)行速度突然加快，后經(jīng)廠家技術(shù)人員確認(rèn)原因?yàn)榄h(huán)境濕度過大，引發(fā)電路板擊穿，導(dǎo)致故障。后與后勤保障單位協(xié)調(diào)，改為每天開啟空調(diào)進(jìn)行溫濕度保障。

3.計(jì)量校準(zhǔn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

按照國(guó)標(biāo)JJF 1064-2010《坐標(biāo)測(cè)量機(jī)校準(zhǔn)》要求，必須每年對(duì)三坐標(biāo)機(jī)進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)（也稱精度校驗(yàn)）。計(jì)量校準(zhǔn)過程中任一環(huán)節(jié)的把握都直接影響到對(duì)坐標(biāo)機(jī)精度的評(píng)定，因此，需要重點(diǎn)把握其關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并給出解決措施。

（1）計(jì)量校準(zhǔn)前期準(zhǔn)備環(huán)節(jié)。工藝間清潔程度、量塊及標(biāo)準(zhǔn)球的安裝、溫濕度平衡時(shí)間的控制直接影響到計(jì)量校準(zhǔn)的結(jié)果，因此在前期準(zhǔn)備過程中需要注意把握。

將量塊和標(biāo)準(zhǔn)球取出，置于清潔工藝間在20±2℃、40%～70%環(huán)境條件下恒溫24 h后，再將量塊安裝在支架上。量塊安裝條上的底座半球及固定螺桿位置要恰當(dāng)、松緊要適度；用無水乙醇將脫脂棉蘸濕，將量塊端面擦拭干凈；將裝配好的量塊支架放在工藝間內(nèi)，恒溫4 h以上。

2012年對(duì)三坐標(biāo)機(jī)進(jìn)行年度計(jì)量校準(zhǔn)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)溫濕度條件合格，在進(jìn)行示值誤差校驗(yàn)時(shí)，500 mm長(zhǎng)量塊結(jié)果總高出要求值，后檢查量塊支架，發(fā)現(xiàn)緊固螺釘過緊，擰松至不晃動(dòng)后，重新校驗(yàn)，結(jié)果合格。

2013年對(duì)三坐標(biāo)機(jī)進(jìn)行年度計(jì)量校準(zhǔn)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)溫濕度條件合格，在進(jìn)行探測(cè)誤差校驗(yàn)時(shí)，結(jié)果總高出要求值，后檢查標(biāo)準(zhǔn)球，發(fā)現(xiàn)球表面有微小塵粒，清潔后，重新校驗(yàn)，結(jié)果合格。

（2）測(cè)頭校驗(yàn)環(huán)節(jié)。測(cè)頭校驗(yàn)的目的是要校正出測(cè)桿（測(cè)尖）紅寶石球的直徑，進(jìn)行測(cè)量點(diǎn)測(cè)頭修正，并得出不同測(cè)頭位置的位置關(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，所以在測(cè)頭校驗(yàn)環(huán)節(jié)需要保證正確與準(zhǔn)確。

每一次移動(dòng)或更換探針、測(cè)頭，都要進(jìn)行測(cè)頭校驗(yàn)，并始終保持測(cè)針及標(biāo)準(zhǔn)球清潔；同時(shí)，選用合適的測(cè)針尺寸和合適的方向來標(biāo)定測(cè)頭，在軟件中輸入的標(biāo)準(zhǔn)球直徑值和所用的標(biāo)準(zhǔn)球尺寸必須相符。

2014年7月在例行檢測(cè)調(diào)試時(shí)，測(cè)頭校驗(yàn)后，進(jìn)行某部組件檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)結(jié)果超出要求值下限，分析產(chǎn)品為新交付品，尺寸應(yīng)滿足要求，檢查探針及標(biāo)準(zhǔn)球潔凈，檢查測(cè)頭校驗(yàn)環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)球尺寸值輸錯(cuò)，輸入正確值，重新檢測(cè)，結(jié)果合格。

（3）量塊擺放環(huán)節(jié)。在進(jìn)行示值誤差校驗(yàn)時(shí)，需要將量塊組按照X軸、Y軸、Z軸、k1（ag）、k2（df）、k3（ce）、k4（bh）這7個(gè)方向放置，如圖2所示。同時(shí)，量塊組放置的方向和位置都會(huì)對(duì)校準(zhǔn)過程中的采點(diǎn)產(chǎn)生重要影響，所以量塊組擺放的高度和位置都要合適，方向要正確。

圖2 空間對(duì)角線7個(gè)方向示意

解決措施：量塊組放置過程中，放置X軸、Y軸、Z軸時(shí)要盡量使塊規(guī)與各軸平行，放置k1、k2、k3、k4時(shí)要使量塊組與臺(tái)面成45°角，并將量塊組擺放在測(cè)量機(jī)臺(tái)面的中央位置，具體參見圖3。

2014年對(duì)三坐標(biāo)機(jī)進(jìn)行年度計(jì)量校準(zhǔn)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)溫濕度條件合格，在進(jìn)行示值誤差k1方向校驗(yàn)時(shí)，手動(dòng)采點(diǎn)結(jié)束后，程序命令欄報(bào)錯(cuò)并顯示“測(cè)頭超出坐標(biāo)機(jī)測(cè)量允許范圍”，坐標(biāo)機(jī)停止采點(diǎn)。后檢查量塊組并移動(dòng)其位置，重新執(zhí)行，程序運(yùn)行正常。

（4）采點(diǎn)環(huán)節(jié)。當(dāng)測(cè)頭觸點(diǎn)垂直于測(cè)頭體接觸工件時(shí)，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上的觸發(fā)式測(cè)頭可以給出最佳結(jié)果。理想情況下，應(yīng)該垂直表面±20°（圖4）采樣，以避免測(cè)頭觸點(diǎn)剎車。正確的采點(diǎn)技術(shù)可以消除許多常見測(cè)量誤差，而不正確的采點(diǎn)或剎車將產(chǎn)生不一致、無法重復(fù)的結(jié)果，從而影響到測(cè)量機(jī)的精度判定。

圖3 空間對(duì)角線k1方向示意

圖4 采點(diǎn)角度

盡量選取測(cè)頭垂直于工件方向軸，避免測(cè)頭觸點(diǎn)平行于測(cè)桿采樣，避免桿碰撞采點(diǎn)，避免使用測(cè)桿伸展組合太長(zhǎng)的測(cè)頭。

2010年對(duì)三坐標(biāo)機(jī)進(jìn)行年度計(jì)量校準(zhǔn)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)溫濕度條件合格，在進(jìn)行探測(cè)誤差校驗(yàn)時(shí)，結(jié)果高出要求值，后檢查測(cè)頭校驗(yàn)值，發(fā)現(xiàn)偏離標(biāo)準(zhǔn)球給定值0.5 μm，重新測(cè)頭校驗(yàn)，尤其在標(biāo)準(zhǔn)球上采點(diǎn)時(shí)使測(cè)頭盡量垂直采到球頂點(diǎn)上、平行采到赤道上，結(jié)果合格。

（5）測(cè)量結(jié)果評(píng)定及精度補(bǔ)償環(huán)節(jié)。按照J(rèn)JF 1064-2010《坐標(biāo)測(cè)量機(jī)校準(zhǔn)規(guī)范》要求，每個(gè)尺寸測(cè)量的3個(gè)值中只允許有一個(gè)值超出合格區(qū)，在5個(gè)尺寸實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)器放在測(cè)量空間的7個(gè)不同的方向和位置的35個(gè)尺寸測(cè)量中最多允許出現(xiàn)5次，每一個(gè)超出合格區(qū)的尺寸測(cè)量必須在排除可能產(chǎn)生誤差的因素后，在相應(yīng)的方向和位置重測(cè)10遍，分析誤差產(chǎn)生的原因。若結(jié)果仍不合格，需由專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行包括線性度和垂直度兩項(xiàng)精度補(bǔ)償，補(bǔ)償后再次測(cè)量量塊組，檢查補(bǔ)償是否正確和滿足精度要求。

2013年對(duì)三坐標(biāo)機(jī)進(jìn)行年度計(jì)量校準(zhǔn)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)溫濕度條件合格，在進(jìn)行探測(cè)誤差及示值誤差校驗(yàn)時(shí)，探測(cè)誤差超出標(biāo)準(zhǔn)值1倍，示值誤差7個(gè)方向只有一個(gè)方向合格，重新校驗(yàn)仍不合格，協(xié)調(diào)廠家技術(shù)人員進(jìn)行垂直度精度補(bǔ)償后，探測(cè)誤差及示值誤差計(jì)量合格。

三、結(jié)論

Global A系列三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的精度維護(hù)是一項(xiàng)長(zhǎng)期工作，需要使用單位與廠家長(zhǎng)期努力、共同探索研究其科學(xué)規(guī)律，找準(zhǔn)其精度影響因素，完善適合于各類使用環(huán)境下的精度維護(hù)方法，嚴(yán)把關(guān)鍵環(huán)節(jié)，盡早掌握其特點(diǎn)規(guī)律，真正實(shí)現(xiàn)其使用功能的最大及最優(yōu)。應(yīng)該著重從以下3點(diǎn)把握。

（1）在坐標(biāo)機(jī)的日常維護(hù)保養(yǎng)方面，應(yīng)該優(yōu)化環(huán)境保障的條件，嚴(yán)格遵循使用說明書，定期通電、排放氣路系統(tǒng)廢水廢油、更換濾芯及真空泵油。

（2）在坐標(biāo)機(jī)的日常使用過程中，嚴(yán)格控制環(huán)境溫濕度條件，減小坐標(biāo)機(jī)光柵尺受溫度波動(dòng)導(dǎo)致的線膨系數(shù)影響，降低控制柜等電路受濕度影響電路故障的概率。

（3）在坐標(biāo)機(jī)計(jì)量校準(zhǔn)方面，需要嚴(yán)把測(cè)前溫濕度平衡、采點(diǎn)、安裝、精度補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵環(huán)節(jié)，嚴(yán)格遵循《坐標(biāo)測(cè)量機(jī)校準(zhǔn)規(guī)范》，使測(cè)量結(jié)果更為精確、可信。