三坐標(biāo)測(cè)量基本參數(shù)對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度影響的研究

劉廣東，劉心宇，韋晶

（1.黑龍江省機(jī)械科學(xué)研究院，哈爾濱 150040；2.黑龍江省中醫(yī)藥科學(xué)院南崗分院，哈爾濱 150006）

1 三坐標(biāo)測(cè)量基本參數(shù)對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度影響的分析

1.1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的工作原理及參數(shù)作用分析

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)就是在3個(gè)相互垂直的方向上有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、測(cè)長(zhǎng)元件、數(shù)顯裝置，有一個(gè)能夠放置工件的工作臺(tái)（大型和巨型不一定有），測(cè)頭可以以手動(dòng)或機(jī)動(dòng)方式輕快地移動(dòng)到被測(cè)點(diǎn)上，由讀數(shù)設(shè)備和數(shù)顯裝置把被測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值顯示出來的一種測(cè)量設(shè)備。顯然這是最簡(jiǎn)單、最原始的測(cè)量機(jī)。有了這種測(cè)量機(jī)后，在測(cè)量容積里任意一點(diǎn)的坐標(biāo)值都可通過讀數(shù)裝置和數(shù)顯裝置顯示出來。測(cè)量機(jī)的采點(diǎn)發(fā)訊裝置是測(cè)頭，在沿X、Y、Z等3個(gè)軸的方向裝有光柵尺和讀數(shù)頭。其測(cè)量過程就是當(dāng)測(cè)頭接觸工件并發(fā)出采點(diǎn)信號(hào)時(shí)，由控制系統(tǒng)去采集當(dāng)前機(jī)床三軸坐標(biāo)相對(duì)于機(jī)床原點(diǎn)的坐標(biāo)值，再由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

1.2 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的基本參數(shù)分析

本文以圖1所示?？怂箍灯煜滤既鹌放频娜鴺?biāo)測(cè)量機(jī)Croma564為例，從三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量空間、三軸行程、移動(dòng)速度、移動(dòng)加速度和觸測(cè)力度分析對(duì)檢測(cè)精度及效率的影響。

圖1 Croma564三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)

1）三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量空間。Croma564三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量空間為Dx634 mm、Dy144 mm、Dz1594 mm，此項(xiàng)參數(shù)直接影響可測(cè)量產(chǎn)品的體積大小，在可觸測(cè)范圍內(nèi)不影響測(cè)量精度，但是極限的產(chǎn)品擺放可能會(huì)對(duì)編輯程序的路徑設(shè)計(jì)提高難度，為了避讓產(chǎn)品而過于繁復(fù)地設(shè)計(jì)行走路徑會(huì)大幅降低檢測(cè)效率。

2）三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)三軸行程。Croma564三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的三軸行程為：X軸行程為500 mm，Y軸行程為600 mm，Z軸行程為400 mm，此項(xiàng)參數(shù)也會(huì)影響被測(cè)量產(chǎn)品的體積大小，由于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在接近行程極限時(shí)會(huì)被迫減速并且為行程限位留出安全距離，所以基本參數(shù)標(biāo)明的行程要略大于實(shí)際工作行程[1]。經(jīng)過多次測(cè)量試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)運(yùn)行到臨界行程段，運(yùn)行速度銳減為三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)最低速度（當(dāng)前設(shè)定速度），加速度為零，這也表明，在必須使用到極限行程來測(cè)量產(chǎn)品時(shí)，極限行程段的測(cè)量工作將以最低效率運(yùn)行，并且在100次測(cè)量中有7次發(fā)生了高誤差讀取觸測(cè)點(diǎn)，給測(cè)量結(jié)果帶來非常大的誤差。

3）移動(dòng)速度。Croma564三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的移動(dòng)速度為520 mm/min，此項(xiàng)參數(shù)將極大地影響產(chǎn)品檢測(cè)效率，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行檢測(cè)工作時(shí)，影響效率的因素主要有兩點(diǎn)：運(yùn)行檢測(cè)路徑時(shí)的測(cè)頭移動(dòng)時(shí)間；觸測(cè)被檢測(cè)元素時(shí)的逼近回退時(shí)間。但是逼近回退時(shí)間為檢測(cè)工作所必須完成的工作任務(wù)，所以縮短測(cè)頭的檢測(cè)路徑時(shí)間是提高檢測(cè)效率的最佳途徑。

4）移動(dòng)加速度。Croma564三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的移動(dòng)加速度為1730 mm/s2，此項(xiàng)參數(shù)也是影響產(chǎn)品檢測(cè)效率的關(guān)鍵參數(shù)，甚至超過了移動(dòng)速度帶來的時(shí)間消耗，在測(cè)頭移動(dòng)至三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)系統(tǒng)認(rèn)為的安全控件后，會(huì)沿檢測(cè)路徑向下一檢測(cè)元素進(jìn)發(fā)，移動(dòng)加速度越大，運(yùn)行檢測(cè)路徑的時(shí)間越短，但是如果發(fā)生意外觸測(cè)，測(cè)頭及測(cè)針與意外觸測(cè)物體碰撞的力度也越大，尤其在手動(dòng)模式下極容易造成測(cè)頭及測(cè)針的損壞，因此在利用較大移動(dòng)加速度的同時(shí)，必須保證運(yùn)行路徑的安全性。

5）觸測(cè)力度。Croma564三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的觸測(cè)力度為0.96 N，此項(xiàng)參數(shù)稍微影響觸測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄的準(zhǔn)確性，但是在光柵尺分辨率足夠且測(cè)針測(cè)頭無故障的情況下不會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響，值得說明的是，觸測(cè)力度將影響被測(cè)產(chǎn)品的裝夾方式和程度，由于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的工作臺(tái)面平面度和光潔度極高，所以被測(cè)產(chǎn)品放置其上不會(huì)有太大的表面摩擦力，在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的觸測(cè)力度下，被測(cè)產(chǎn)品極易發(fā)生移動(dòng)，在Croma564三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的0.96 N觸測(cè)力度下，質(zhì)量較大的金屬產(chǎn)品甚至不需要固定，但是質(zhì)量小的產(chǎn)品（如小型鋁制品或尼龍制品等）則需要用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的裝夾工裝進(jìn)行固定，保證被測(cè)產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

2 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)參數(shù)優(yōu)化檢測(cè)程序說明及參數(shù)修改的分析

2.1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)參數(shù)優(yōu)化檢測(cè)程序

本文為研究影響三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量精度及效率最大化，編寫一個(gè)利用50環(huán)規(guī)（如圖2、圖3）檢測(cè)基本尺寸的檢測(cè)程序。

圖2 50標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)

圖3 環(huán)規(guī)標(biāo)稱值

利用此程序，將前文提到的對(duì)檢測(cè)精度及效率影響最大的參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，檢測(cè)程序編寫如下[2]：

以環(huán)規(guī)上端面為平面1，以環(huán)規(guī)中心孔為圓1，利用面圓法初建和精建坐標(biāo)系（如圖4），進(jìn)而多次重復(fù)檢測(cè)環(huán)規(guī)中心孔來確定準(zhǔn)確度的變化。

圖4 檢測(cè)程序坐標(biāo)系

2.2 變更參數(shù)多次測(cè)量結(jié)果對(duì)比

移動(dòng)參數(shù)對(duì)比如表1所示。移動(dòng)加速度對(duì)比，如表2所示。

表1 移動(dòng)參數(shù)對(duì)比

表2 移動(dòng)加速度對(duì)比

本文展示的為部分重復(fù)測(cè)量結(jié)果，由此可見，改變移動(dòng)速度和加速度可以影響測(cè)量精度，但對(duì)精度的改變幅度不大，在可接受的誤差范圍內(nèi)，適當(dāng)調(diào)整移動(dòng)速率參數(shù)，可以在保證精度的同時(shí)提高檢測(cè)效率[3]。

3 結(jié)論

本文討論改變?nèi)鴺?biāo)測(cè)量機(jī)的移動(dòng)速度和移動(dòng)加速度這兩項(xiàng)對(duì)檢測(cè)效率和檢測(cè)精度影響最大的參數(shù)值，得到的結(jié)論是對(duì)精度影響不大，但是一定程度上提高了檢測(cè)效率，所以在使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)產(chǎn)品時(shí)，出廠所設(shè)置的基本參數(shù)不應(yīng)被視為無形硬件且不可更改[4]，可以根據(jù)待測(cè)產(chǎn)品的不同在保證精度的情況下適當(dāng)修改以提高檢測(cè)效率。