GLOBAL ADVANTAGE系列三坐标机精度超差分析

刘 勇 纪兰香 梅军建 赵永刚 宋旭日 杨艳锋

（1.陕西宝鸡150信箱11分箱 陕西宝鸡 2.四川省新材料研究中心 成都 3.四川泸州116信箱 四川泸州）

（4.吉林通化市果松镇 吉林通化 5.河南卢氏县黑马渠镇 河南卢氏 6.云南弥勒19信箱 云南弥勒）

一、引言

Global Advantage系列三坐标测量机（简称三坐标机或坐标机，CMM）是青岛海克斯康生产的系列经济型高精度坐标测量系统，主要用于大中型工件的尺寸检测，与传统机械工卡量具相比，其测量精度和工作效率显著提高。单位曾购买该系列坐标机数台，（含Global A575、Global A775的2个型号），在日常使用中，出现一些精度超差的典型案例，通过梳理总结近5年来精度超差原因和注意事项，旨在为该系列坐标机的日常维护使用提供参考。

二、三坐标机精度影响因素及解决措施

三坐标机包含有测量机主机、触测系统（英国雷尼绍）、机械气路系统（含空压机，意大利阿特拉斯）、电气控制柜（B3CLC）、计算机及软件系统（图1），由于测量系统组成复杂，精度影响因素众多，既有坐标机自身组成系统的原因，又有环境条件因素，还有计量校准过程中的操作环节把握等原因，需要逐一进行分析。

1.三坐标机自身系统因素

（1）气路及导轨系统。三坐标机采用空气轴承导向，高压气体通过气眼进入工作面和导轨面之间，形成均匀的气隙，正常工作时气隙6～10 μm，气压浮动导致气浮块间隙变化，影响测量机的重复性。气压不足时，会使导轨不能完全浮起造成与导轨摩擦，轻者影响精度，重者磨损导轨和气浮块、损坏测量机。因此，压力正常时，必须保证压缩空气的洁净度及导轨的平面度，以确保空气轴承正常工作。

图1 Global A系列三坐标测量机

具体解决措施主要包括，经常采用酒精纱布或酒精脱脂棉擦拭导轨，定期放干气路系统中的水和油，定期检查并更换滤芯，定期检查气管。

由于工艺间整修原因，2012年有1台三坐标机气路系统管路断开，整修完毕后重新连接。开机后虽能运行，但导轨处有油膜，且坐标机主腿及辅腿运行不畅，后对空压机及冷干机开机24 h，并放干三联体、前置过滤器及空压机中的水和油，并对所有导轨重新擦拭，故障消失。

（2）计数系统。计数系统由光栅尺、读数头、信号转换电路等组成，读数头和光栅尺间的间隙是可变的，但在出厂前都经过调整并固定稳当（0.15 mm），使输出信号符合控制系统要求。当发生厉害的撞击后，光栅尺和读数头之间的距离可能发生变化，引起输出信号不稳定或者无法识别及精度超差。所以，避免撞击、杜绝严重撞击事件是维护计数系统极为有效的途径。

配备2名操作手分别控制电气控制柜及操作盒上的急停按钮，一旦发现异常，按下“E-STOP”，使坐标机停止运行，以保护计数系统。

2010年在进行年度例行坐标机计量校准时，由于电气控制柜中LOG-02板损坏导致坐标机运行速度突然加快，操作手紧急按下“E-STOP”按钮，坐标机急停，由于反应及时，计数系统未受损坏。

（3）电气控制系统。电气系统由控制柜（B3C-LC）及内部各控制单元板、操纵盒、互联电缆及各电机、光栅读数头、温度传感器等部件组成。测量机主要由控制柜中的各种控制单元板及外围设备实现对测量机的精确控制。控制系统的互联电缆很多，电缆接头部分的松紧程度直接影响着各类光电信号的传输及转换。

要特别注意电缆接头部分，定期检查接头松紧是否适度，不要因为发生松动影响测量机使用（1次/年）。定期检查电缆是否有破损（1次/年）。严禁随意拆装控制系统部件，不允许随意更改测座控制器的跳线设置。

2012年10月在例行维护检查中，电气控制柜电路断开后重新连接。开机后虽能运行，但测座控制器指示有间断闪亮，后重新紧固所有电缆连接，故障消失。

（4）触测系统。触测系统由测座（Probe Head）、测头（Probe）、测针（Tip）和连接件组成。一般使用PH10M测座的坐标机，用PHC10-2控制器与之配合完成对测座信号的控制，用TP20接触式测头完成测量数据的触发信号。坐标测量机可以与不同公司的多种测座、测头配合使用，不同的测座需要搭配不同的测座控制器完成对测座的控制，不同的测头的精度、安装接线方式也各不相同。触测系统的不同组合方式、洁净度直接影响到测量的精确性。应正确选择测座测头测针组合、正确安装测头测针、经常性保持测头及测座吸盘的清洁。

2012年6月，在进行操作调试时，坐标机执行完“归零”程序后，测头灯灭（掉电），反复激活3次，测头灯始终不亮，在手动操作控制盒时测量机可以运行，但无法执行“test soft”程序，重新清洁测头吸盘、测针接触面，激活测头，测头指示灯亮，坐标机正常，打开“test soft”程序，可以正常检测。

2013年对三坐标机进行年度计量校准时，温湿度合格，采用中测力测头吸盘进行示值误差校验时，结果高出要求值；后采用标准测力测头吸盘重新校验，结果合格。对比表明，标准测力测头吸盘精度较高适合进行计量校准（精度校验），中测力测头吸盘适合进行零件检测。

2.环境条件影响

除了测量机本身因故障造成测量机精度误差外，其环境温湿度也直接影响到测量机精度，造成测量误差。

（1）温度因素。三坐标测量机的长度基准光栅是按照20℃修正及装配调试的，当温度偏离太大时会对测量机精度造成很大的影响。在测量机的机房内温度自下而上是逐渐升高的，每个轴的光栅温度和零件温度的差别就影响了测量机测量的精度。作为高精度计量检测仪器，正常工作温度20±2℃。

使用测量机时要尽量保持测量机机房的环境温度与鉴定时一致，并保持在20±2℃。电气设备、计算机、人员都是热源。在设备安装时要做好规划，使电气设备、计算机等与测量机有一定距离；测量机机房加强管理，不要有多余的人员停留。

2012年对三坐标机进行年度计量校准时，现场温度为18.5℃，在进行示值误差校验时，结果总高出要求值，后对工艺间进行升温至20℃，重新校验，结果合格。

（2）湿度因素。湿度对测量机的影响较大，湿度控制不当将严重影响测量机寿命。在南方湿度较大的地区或北方的夏季或雨季，当正在制冷的空调被关闭后，空气中的水汽会很快凝结在温度相对较低的测量机导轨和部件上，会使测量机的气浮块和某些部件严重锈蚀，影响测量机的寿命。计算机和电气控制系统的电路板也会因湿度过大出现腐蚀和造成短路。应随时监控工艺间环境湿度，并使其贮存湿度控制在30%～70%，使用湿度控制在65%±5%。

由于坐标机工艺间通风条件有限，湿度常年过大，未开空调状况下，湿度在75%～85%，2011年，在进行年度例行坐标机计量校准时，由于电气控制柜中LOG-02板故障导致坐标机运行速度突然加快，后经厂家技术人员确认原因为环境湿度过大，引发电路板击穿，导致故障。后与后勤保障单位协调，改为每天开启空调进行温湿度保障。

3.计量校准过程中的关键环节

按照国标JJF 1064-2010《坐标测量机校准》要求，必须每年对三坐标机进行计量校准（也称精度校验）。计量校准过程中任一环节的把握都直接影响到对坐标机精度的评定，因此，需要重点把握其关键环节，并给出解决措施。

（1）计量校准前期准备环节。工艺间清洁程度、量块及标准球的安装、温湿度平衡时间的控制直接影响到计量校准的结果，因此在前期准备过程中需要注意把握。

将量块和标准球取出，置于清洁工艺间在20±2℃、40%～70%环境条件下恒温24 h后，再将量块安装在支架上。量块安装条上的底座半球及固定螺杆位置要恰当、松紧要适度；用无水乙醇将脱脂棉蘸湿，将量块端面擦拭干净；将装配好的量块支架放在工艺间内，恒温4 h以上。

2012年对三坐标机进行年度计量校准时，现场温湿度条件合格，在进行示值误差校验时，500 mm长量块结果总高出要求值，后检查量块支架，发现紧固螺钉过紧，拧松至不晃动后，重新校验，结果合格。

2013年对三坐标机进行年度计量校准时，现场温湿度条件合格，在进行探测误差校验时，结果总高出要求值，后检查标准球，发现球表面有微小尘粒，清洁后，重新校验，结果合格。

（2）测头校验环节。测头校验的目的是要校正出测杆（测尖）红宝石球的直径，进行测量点测头修正，并得出不同测头位置的位置关系，在测头校验时产生的误差将全部加入到测量中去，所以在测头校验环节需要保证正确与准确。

每一次移动或更换探针、测头，都要进行测头校验，并始终保持测针及标准球清洁；同时，选用合适的测针尺寸和合适的方向来标定测头，在软件中输入的标准球直径值和所用的标准球尺寸必须相符。

2014年7月在例行检测调试时，测头校验后，进行某部组件检测时，检测结果超出要求值下限，分析产品为新交付品，尺寸应满足要求，检查探针及标准球洁净，检查测头校验环节，发现标准球尺寸值输错，输入正确值，重新检测，结果合格。

（3）量块摆放环节。在进行示值误差校验时，需要将量块组按照X轴、Y轴、Z轴、k1（ag）、k2（df）、k3（ce）、k4（bh）这7个方向放置，如图2所示。同时，量块组放置的方向和位置都会对校准过程中的采点产生重要影响，所以量块组摆放的高度和位置都要合适，方向要正确。

图2 空间对角线7个方向示意

解决措施：量块组放置过程中，放置X轴、Y轴、Z轴时要尽量使块规与各轴平行，放置k1、k2、k3、k4时要使量块组与台面成45°角，并将量块组摆放在测量机台面的中央位置，具体参见图3。

2014年对三坐标机进行年度计量校准时，现场温湿度条件合格，在进行示值误差k1方向校验时，手动采点结束后，程序命令栏报错并显示“测头超出坐标机测量允许范围”，坐标机停止采点。后检查量块组并移动其位置，重新执行，程序运行正常。

（4）采点环节。当测头触点垂直于测头体接触工件时，三坐标测量机上的触发式测头可以给出最佳结果。理想情况下，应该垂直表面±20°（图4）采样，以避免测头触点刹车。正确的采点技术可以消除许多常见测量误差，而不正确的采点或刹车将产生不一致、无法重复的结果，从而影响到测量机的精度判定。

图3 空间对角线k1方向示意

图4 采点角度

尽量选取测头垂直于工件方向轴，避免测头触点平行于测杆采样，避免杆碰撞采点，避免使用测杆伸展组合太长的测头。

2010年对三坐标机进行年度计量校准时，现场温湿度条件合格，在进行探测误差校验时，结果高出要求值，后检查测头校验值，发现偏离标准球给定值0.5 μm，重新测头校验，尤其在标准球上采点时使测头尽量垂直采到球顶点上、平行采到赤道上，结果合格。

（5）测量结果评定及精度补偿环节。按照JJF 1064-2010《坐标测量机校准规范》要求，每个尺寸测量的3个值中只允许有一个值超出合格区，在5个尺寸实物标准器放在测量空间的7个不同的方向和位置的35个尺寸测量中最多允许出现5次，每一个超出合格区的尺寸测量必须在排除可能产生误差的因素后，在相应的方向和位置重测10遍，分析误差产生的原因。若结果仍不合格，需由专业技术人员进行包括线性度和垂直度两项精度补偿，补偿后再次测量量块组，检查补偿是否正确和满足精度要求。

2013年对三坐标机进行年度计量校准时，现场温湿度条件合格，在进行探测误差及示值误差校验时，探测误差超出标准值1倍，示值误差7个方向只有一个方向合格，重新校验仍不合格，协调厂家技术人员进行垂直度精度补偿后，探测误差及示值误差计量合格。

三、结论

Global A系列三坐标测量机的精度维护是一项长期工作，需要使用单位与厂家长期努力、共同探索研究其科学规律，找准其精度影响因素，完善适合于各类使用环境下的精度维护方法，严把关键环节，尽早掌握其特点规律，真正实现其使用功能的最大及最优。应该着重从以下3点把握。

（1）在坐标机的日常维护保养方面，应该优化环境保障的条件，严格遵循使用说明书，定期通电、排放气路系统废水废油、更换滤芯及真空泵油。

（2）在坐标机的日常使用过程中，严格控制环境温湿度条件，减小坐标机光栅尺受温度波动导致的线膨系数影响，降低控制柜等电路受湿度影响电路故障的概率。

（3）在坐标机计量校准方面，需要严把测前温湿度平衡、采点、安装、精度补偿等关键环节，严格遵循《坐标测量机校准规范》，使测量结果更为精确、可信。