星型测针的选用及误差解决方法

刘巨强

摘 要：为满足复杂工件的检测需要，星型测头得以广泛使用，但测量过程中存在的误差不容忽视，我们要分析误差产生的原因，并加以解决。

关键词：测量；星型测头；误差

1 星型测针的选用

目前，三坐标测量机广泛应用于各种机械零部件尺寸、角度、形状和位置的测量，在工程建筑、生产制造、科技研发等各个领域起着越来越重要的作用。而使用三坐标测量机进行有效探测的关键因素之一就是测量测针的选用，测针作为测量机的一部分，主要用来探测工作表面，产生触发信号，产生测量数据。我们根据被测量的特征，选用合适的测针。

当测量时遇到一些较难测量的部位，如零件的内腔、深孔、沟槽之类，我们就可以选用如图1所示的星型测头，它是由4个或5个红宝石测针组合而成的，作为一个整体使用，大大拓展了测量范围，可以完成单测针所部能完成的多种检测任务，并可以有效地减少测量时间，提高检测效率。

为了保障测量过程的星型测针的探测精度，测量前需要对星型测针进行标定和校验，以PC-DMIS系统为例，具体标定步骤如下： （1）在文件菜单新建一个测头文件（界面如图2所示）。（2）在测头说明里对测头组件进行详细描述，5个测针分别定义方向（Z方向、X+方向、X-方向、Y+方向、Y-方向）如图2所示的界面。

图2

（3）添加探测需要的角度。（4）按照普通测针的方法进行标定。

2 星型测针的误差分析与解决

2.1 测针组合安装过程中产生的误差

如图3所示，安装过程中要尽量使测针2与测针4的连线与X轴保持平行，测针3与测针5的连线与Y轴保持平行，以消除由测针安装不平行引起的误差，同时加长杆的长度选用20mm以下，以尽量消除因测杆过长引起挠曲变形带来测量结果的误差。探球选用要尽量大些，这样球与杆的间隙较大，减小误触发的可能性，而且可以减轻因被测表面粗糙对精度造成的影响。

2.2 测针校准后半径补偿值的差异导致的测量误差

2.2.1 测量过程的描述

我们选用标准值为Φ30mm的光滑塞规进行外径尺寸的测量。测量此类轴类的零件，我们一般会选用三坐标测量机的测圆功能，使用图3所示的星型测头进行测量，从2号测头开始，5号测头结束，沿着外圆柱顺时针方向各采一个点，完成测量，得出直径值，再从3号测针开始，2号测针结束，以此类推，得出测量数据汇总表如表1所示。

2.2.2 测量数据的分析

我们根据表一分析测量数据，可以得出如下结论：（1）数据不存在明显的粗大误差，可以作为分析使用。（2）20个测量数据中，最大值为30.0031mm，最小值为29.9942mm，最大重复误差为0.0089mm，超出仪器最大允许误差 （2.5+L/300）μm。（3）从四组数据的平均值分析，第一组和第三组数据均超差。

2.2.3 分析误差的原因

为什么会产生上述误差，经过分析，是由于测针校正后半径补偿值的差异引起的，当使用星型测针进行测量前，测针先要通过标准球进行校准，得出每个测针的动态补偿半径，以便于测量结果的修正。而使用三坐标的圆测量功能时，测头先探测四个点的位置，系统记录出探头的中心坐标位置，拟合成一个标准圆，再使用最后一个探针的半径补偿值进行修正，如使用顺序为2-3-4-5号星型测针进行外圆测量时，最后以5号测针的补偿半径进行修正，带来较大的测量误差，也导致不同顺序测针的使用带来较大的重复误差。

2.2.4 解决问题的方法-测点构建圆周法

通过分析误差的原因，我们得出结论主要是因为测量点的修正半径不准确造成的，我们不妨思考一下，如何能够避免这个问题，我们可以采用测圆的另一方法，我们通过采集每一个点，然后用构建的功能去拟合成一个标准圆，它的优点是在采集每一个点的过程时，可以根据所用测针的补偿半径实现逐点修正，就可以杜绝因为统一修正带来的误差，我们采用点构建圆法对上述光滑塞规进行重新测量，具体测量数据如表2所示。

由表2分析，20次测量结果最大值：29.9994mm，最小值：29.9982mm，最大测量重复误差为：0.0012mm，在设备最大允许误差（2.5+L/300）μm的范围内，测量结果准确可靠。所以我们在测量过程中，尽可能采用逐点采集，构建元素，进行结果分析的方法，可有效地避免误差，提高测量的精度。

3 结束语

星型测头的选用，可以给日常的测量工作带来便利，也有助于解决很多测量过程中遇到的难题，但我们在使用过程中要对可能产生的误差进行分析，尽可能采取一些减小或控制误差的方法，以提高测量的精度，使得测量结果准确可靠。