三坐標(biāo)測量機間測量結(jié)果不一致的原因

邵振振

（鴻富錦精密電子（鄭州）有限公司，河南鄭州 450019）

1 背景情況

隨著現(xiàn)代精密制造業(yè)的發(fā)展和產(chǎn)品加工裝配品質(zhì)需求的提高，三坐標(biāo)測量機作為幾何量大型精密測量設(shè)備，以其高精度、高效率、自動化、通用性的特點，正逐漸替代位置、尺寸、形狀測量的傳統(tǒng)設(shè)備，在制造業(yè)，尤其在汽車、航天航空行業(yè)被廣泛應(yīng)用并普及[1]。隨著尺寸檢測任務(wù)的加大，同車間會安裝多臺三坐標(biāo)測量機，三坐標(biāo)測量機間測量相同產(chǎn)品的測量結(jié)果一致，才能通過驗收。

三坐標(biāo)測量機作為一種量具，其測量結(jié)果受誤差理論的影響，即測量結(jié)果是物理真值與測量誤差之和。測量誤差包含系統(tǒng)誤差和隨機誤差。系統(tǒng)誤差是可以避免的，而隨機誤差是客觀存在的，無法從根本上消除。從“人機料法環(huán)”角度分析出導(dǎo)致測量結(jié)果不一致的測量誤差產(chǎn)生的原因，可以在制定驗證方案時合理避免系統(tǒng)誤差，縮小隨機誤差，盡可能使測量結(jié)果接近真值，從而保證整個量測系統(tǒng)的順利驗收。

2 三坐標(biāo)測量機間測量結(jié)果的一致性驗證方案簡介

針對檢測室里多臺三坐標(biāo)測量機間測量結(jié)果一致性驗證，常用方案如下：①人員配置：方案制定人員（總工程師），取放料操作員，數(shù)據(jù)記錄及整理人員等；②驗證對象：檢測室各臺已完成精度校正的三坐標(biāo)測量機；③測試樣品：隨機選取現(xiàn)場加工的10 片物料，清理干凈；④準(zhǔn)備過程：保證三坐標(biāo)測量機校針結(jié)果合格，保證使用同一檢測程序，保證裝夾治具合格；⑤實施過程：現(xiàn)場選取3 名熟練操作員，第一人取10 片物料用各臺三坐標(biāo)測量機進行檢測，每片物料均重新取放裝夾、檢測3 次，保存30 次檢測結(jié)果。待第一人檢測結(jié)束后，第二人重復(fù)第一人檢測過程。同理，第三人待第二人結(jié)束后，亦重復(fù)上述過程。同時，記錄人員做好環(huán)境、溫濕度等數(shù)據(jù)記錄，總工程師現(xiàn)場監(jiān)控整個過程有無紕漏；⑥數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)處理人員針對30 次檢測結(jié)果進行統(tǒng)計處理，得出三坐標(biāo)測量機間測量結(jié)果差異；⑦結(jié)論總結(jié)：總工程師查看數(shù)據(jù)處理結(jié)果有無異常，如有異常則回溯問題原因，否則宣布驗證結(jié)論。

3 從五要素角度分析測量誤差產(chǎn)生的原因

3.1 “人”的因素導(dǎo)致測量誤差

“人”主要是指驗證方案實施活動中的所有參與人員，包含方案制定人員、樣品檢測操作人員及數(shù)據(jù)處理人員等?！叭恕弊鳛橹饕炞C方案參與和實施者，其活動中的一舉一動都可能對被測對象造成影響，因此“人”是誤差產(chǎn)生的主要來源。因為測量結(jié)果一致驗證是一項非常嚴(yán)謹(jǐn)、專業(yè)性的工作，對人員的職業(yè)素養(yǎng)有較高的要求，所以“人”在其中起著至關(guān)重要的作用。

制定方案人員應(yīng)具有全局觀，熟練掌握三坐標(biāo)測量機的檢測應(yīng)用原理，且針對檢測室整個檢測系統(tǒng)能力分析有清晰的認(rèn)識，能夠把握整個驗證方案實施過程的品質(zhì)。制定方案人員應(yīng)具備優(yōu)異的品質(zhì)意識，能夠考慮好所有影響品質(zhì)的細節(jié)，在把關(guān)好所有參與對象品質(zhì)的同時，需對整個驗證方案制定詳盡、嚴(yán)謹(jǐn)、規(guī)范，且全程監(jiān)控操作過程。此外，其應(yīng)做好標(biāo)準(zhǔn)化表單，并做好記錄，確保整個過程無差錯、無遺漏。

樣品檢測人員的操作手法（如樣品取放、樣品裝夾）應(yīng)規(guī)范，且應(yīng)盡量避免樣品在使用過程中被污染。統(tǒng)計人員的品質(zhì)意識及操作（如數(shù)據(jù)抄寫、數(shù)據(jù)計算）應(yīng)正確、規(guī)范，實施過程應(yīng)認(rèn)真、細致，避免數(shù)據(jù)抄寫錯誤導(dǎo)致隨機誤差，保證測量結(jié)果的真實性、可靠性。

3.2 “機”的因素導(dǎo)致測量誤差

“機”是指參與比對的三坐標(biāo)測量機。三坐標(biāo)測量機本身的精度及穩(wěn)定性會導(dǎo)致測量過程中產(chǎn)生不同的誤差，影響三坐標(biāo)測量機間測量結(jié)果的一致性走向。

三坐標(biāo)測量機驗收精度不僅應(yīng)合格，且應(yīng)保持各軸向精度數(shù)據(jù)趨勢一致性。例如某檢測室有2 臺T454 型三坐標(biāo)測量機，驗證合格要求“測量同一產(chǎn)品，測量結(jié)果差值不超過8 μm”。查找參數(shù)知，T454 型號三坐標(biāo)測量機精度驗收合格范圍為MPEe：±（4.7+3 L/1000）μm，L 為測量長度，mm。若以400 mm 量程計算，其400 mm 處精度驗收范圍為（-5.9～+5.9）μm。假如這2 臺三坐標(biāo)測量機在400 mm 量程處精度都符合驗收標(biāo)準(zhǔn)，一臺在極限-5.9 μm 處驗收通過，另一臺在極限+5.9 μm 處驗收通過。那么在測量同一400 mm 長度產(chǎn)品時，其測量結(jié)果之間最小差值絕對值為（理想狀況下，只考慮誤差精度，不考慮其他因素）。顯然，測量結(jié)果差值是不符合驗證要求的。所以，技術(shù)人員在調(diào)試三坐標(biāo)測量機時，應(yīng)使用相同標(biāo)準(zhǔn)件，盡可能調(diào)試各臺三坐標(biāo)測量機間軸向精度保持正偏差或負(fù)偏差的數(shù)據(jù)趨勢一致性，減少因此帶來的系統(tǒng)誤差影響。

三坐標(biāo)測量機應(yīng)運行平穩(wěn)，各部件無異常。三坐標(biāo)測量機是由很多部件組成的，如外罩、防塵罩、各線材等。如果這些部件安裝不好，那么可能對測量機運行過程中產(chǎn)生干涉，影響測量機測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為避免三坐標(biāo)測量機在運行中發(fā)生晃動，一般會將水平儀放到測量機的大理石平臺上，檢查橫向和縱向水平，觀察水平儀的氣泡是否在中間。如不在中間，則首先調(diào)整測量機各腳墊與地面接觸實在，然后調(diào)整測量機支撐大理石的支撐點的高度，直至水平合格為止，確認(rèn)各支撐點無虛接，這樣既確保了測量機的水平，又保證測量過程中測量機不晃動。保證各軸傳動機構(gòu)運行流暢，無其他配件異常摩擦干涉，減小隨機誤差產(chǎn)生的可能。對于老舊的三坐標(biāo)測量機，應(yīng)加強三坐標(biāo)測量機的機構(gòu)、電氣及光柵讀數(shù)頭等日常保養(yǎng)，保證三坐標(biāo)測量機精度、準(zhǔn)確度等計量特性符合技術(shù)要求[2]。

另外，測座系統(tǒng)應(yīng)安裝緊固可靠，測針校驗結(jié)果應(yīng)符合要求，避免旋轉(zhuǎn)測座的不同角度間校針結(jié)果誤差過大。針對測試樣品的檢測尺寸，應(yīng)選用合理的測針配置，因為測針選取過長或者配置過多過重，都會導(dǎo)致測量結(jié)果重復(fù)性差，導(dǎo)致測量結(jié)果誤差過大。

3.3 “料”的因素導(dǎo)致測量誤差

“料”指的是所用到的測試樣品。測試樣品作為被測對象，其實時狀態(tài)可能會導(dǎo)致不同的測量誤差，嚴(yán)重影響測量結(jié)果的精度。

測試樣品在被測試前，應(yīng)對測試樣品進行全方位的檢查，清理干凈臟污、毛刺，確保測試樣品在測試中測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定、可靠。當(dāng)用多個測試樣品做驗證時，應(yīng)做好編號，然后將其靜置于檢測室環(huán)境中2 h 以上，保證與三坐標(biāo)測量機保持相同溫濕度，減少環(huán)境影響。

測試樣品在使用中，應(yīng)合理裝夾，最好保證夾具有相同的裝夾力。因為裝夾力不同，將導(dǎo)致測試樣品的變形程度也不同，會給測量結(jié)果帶來一定程度的誤差。樣品取放過程中，應(yīng)避免中途污染或磕碰刮傷，導(dǎo)致其狀態(tài)發(fā)生變化。在一臺三坐標(biāo)測量機測試后，應(yīng)再次檢查測試樣品，記錄好相關(guān)數(shù)據(jù)，確認(rèn)無異常后再繼續(xù)測試。

在完成全部驗證工作后，應(yīng)整理好測試樣品，做好安置，以備后續(xù)查用。

3.4 “法”的因素導(dǎo)致測量誤差

“法”指的是驗證比對實施方案。比對方案的不嚴(yán)謹(jǐn)會導(dǎo)致測量誤差的產(chǎn)生。比對方案應(yīng)經(jīng)經(jīng)驗豐富的高級品質(zhì)工程師研討審核通過后，方可執(zhí)行。

在進行驗證比對實施前應(yīng)制定詳細、可靠的實施方案。方案應(yīng)涵蓋驗證目標(biāo)、實施對象、實施人員、測量過程方法、環(huán)境條件要求、數(shù)據(jù)記錄等。方案應(yīng)使用相同的測試樣品、測量程序、夾具等，保證除測量機本身外其他條件的同一性，來減小誤差產(chǎn)生的可能。

按照制定好的方案執(zhí)行，使整個實施過程程序化、模塊化、流程化，可避免失誤，也可供相關(guān)人員事后根據(jù)方案步驟，快速梳理，查漏補缺。

3.5 “環(huán)”的因素導(dǎo)致測量誤差

“環(huán)”指的是驗證實施所處的檢測室環(huán)境。因為測試樣品、三坐標(biāo)測量機所處環(huán)境的溫度、濕度等變化會導(dǎo)致三坐標(biāo)測量機材料、光柵計數(shù)裝置、樣品等產(chǎn)生形變，影響測試精度，導(dǎo)致測量誤差的產(chǎn)生。好的檢測室環(huán)境是決定三坐標(biāo)測量機穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)。三坐標(biāo)測量機應(yīng)安裝在安靜的封閉的房間里，以免惡劣的環(huán)境影響測量精度和使用壽命。建議室內(nèi)溫度（20±5）℃，相對濕度20%～80%，設(shè)備附近應(yīng)少粉塵、少日曬，不能有強振動源、強磁場，電源供電電壓220 V±10%，頻率（50±3）Hz[3]；氣源氣壓穩(wěn)定無波動（氣浮式導(dǎo)軌檢測機需求）。不穩(wěn)定的環(huán)境條件變化會導(dǎo)致光柵尺、各軸材料及測試樣品熱脹冷縮變化不一致導(dǎo)致測量結(jié)果不真實，有偏差。強振動源、強磁場、供電電壓不穩(wěn)可能會導(dǎo)致測量結(jié)果不穩(wěn)定、不精確。

要減少溫濕度變化對測量精度的影響，①要給檢測室安裝恒溫恒濕空調(diào)，保證測量時的溫濕度的梯度變化，減少溫濕度對測量機的影響；②對測量工件進行恒溫，恒溫的作用是保證工件的溫度與測量機的濕度一致，減少熱膨脹系數(shù)對測量結(jié)果的影響；③可以利用三坐標(biāo)測量機自帶的溫度補償功能，將溫度傳感器放置于工件的顯著位置，輸入工件材料的熱膨脹系數(shù)，測量機在進行測量時會自動根據(jù)工件溫度進行相應(yīng)補償，盡可能地減少因溫濕度小范圍變化導(dǎo)致的誤差。

強振動源強磁場、供電電壓不穩(wěn)的影響具有隨機性，會給整個驗證測量系統(tǒng)帶來隨機誤差，影響測量結(jié)果的可靠性，因此應(yīng)采取裝減振氣墊，安裝穩(wěn)壓器等措施來預(yù)防此類問題的發(fā)生。

通過保持符合要求的檢測室環(huán)境條件，做好檢測室5S 工作，保證測量過程及測量結(jié)果的可靠性。

4 結(jié)語

三坐標(biāo)測量機間測量結(jié)果保持一致性，一直是現(xiàn)場質(zhì)量工程師注重開展的對設(shè)備進行驗收的一項重要工作。本文以“人機料法環(huán)”質(zhì)量管理要素為突破點，拆解分析導(dǎo)致測量結(jié)果不一致的原因，進而制定合理方案，規(guī)范操作流程方法，完成驗證目標(biāo)，保障檢測系統(tǒng)可靠性，為企業(yè)產(chǎn)品的加工驗證提供快速、可靠的數(shù)據(jù)，保障企業(yè)產(chǎn)出高品質(zhì)產(chǎn)品。