三坐标测量误差及其处理分析

刘京苑

(清远职业技术学院，广东 清远 511500)

0 引言

三坐标测量机属于自动化、高精度、多功能的接触式测量仪器。在工业生产技术不断发展的情况下，也对三坐标测量机提出了更高的精度要求。三坐标测量机测量误差的产生有着较多的原因，对测量精度造成的影响也有很大区别，难以比较与评定，因此，本文将机器精度、几何误差等作为主要检测内容，就三坐标测量机几种常见测量误差及处理策略进行分析。

1 三坐标测量机及其工作机理

三坐标测量机作为科技时代下的应用与测量仪器代表性设备，是以空间三个维度为依据进行测量范围的构建，在光栅尺和测头的运用下为扫描和读取提供精确性保障，在对生产部件曲面、长度、宽度和高度进行科学计算测量后，获取精确的位置公差、三维结构，以此精度测量加工与生产部件。三坐标测量机在空间三个相互垂直特点的运用下，结合导向设备引导方式，借助读数头实现数据获取，并在处理器的帮助下加工数据，随后在科学运算下可精确测量加工部件和机械零件[1]。三坐标测量机具有自动化与数字化的优势，不但能将测量工作速度大幅度提升，同时还能推动测量工作质量的进一步提升，是当前设计、生产、加工及检验等工作领域中应用十分广泛的一种测量设备。

2 三坐标测量机测量误差

2.1 不合理的工作面选择引发的误差

此类误差主要引发原因在于不一致的数据采集和数学模型计算方法。如图1所示，具体实践中期望以被测要素进行数据采集，并以圆为依据对数据进行处理，然而实际采集中，因XY面处轴线有垂直偏移存在，以致于采集数据为椭圆，倘若以圆为依据进行处理，就会有一定的误差产生。

图1 误差产生原因模型

2.2 三坐标测量机测头引发的误差

三坐标测量机测头可通过扫描测量工件表面，此类工作方式会影响测头表面，而当摩擦增加时，测头也会有形变出现，尤其是个别硬度较高的材料会划伤三坐标测量机红宝石材料，如此一来三坐标测量机测头就会有误差产生。同时，三坐标测量机测头时常会与温度不同的工件相接触，测头会出现热胀冷缩的状况。而红宝石尽管具有较高的强度，在温度变化这一物理性能方面却有些许不足存在，以致于红宝石会出现剧烈磨损甚至崩裂的情况，此时三坐标测量机测量也会有误差产生[2]。以铝合金材料工件作为三坐标测量机测量对象时，工件和测头红宝石间会有化学变化产生，红宝石测头会沾上铝合金部件材料，测头精确性受到影响，三坐标测量机测量也就会有较大误差产生。

2.3 三坐标测量机测球直径校正引发的误差

三坐标测量机测球直径校正有着一定的技术要求，倘若有校正问题出现，就会影响三坐标测量机的应用，此时三坐标测量机就会有测量误差产生。就测量直径校正而言，常见问题有：测点选择数量不足、在校正期间并未补偿测球半径等。此类问题会使三坐标测量机测球精度受影响，进而产生测量误差。

2.4 探针校准引发的误差

依据测量角度误差不难发现，测量期间须补偿探针半径误差。结合标准可得到探针半径实际值，然而在校准中依然有误差存在。此类误差的来源主要为：测头承载力匹配；标准球安装牢靠；标准球球度；校准速度与测量速度一致；测杆的刚性；测杆设置的中间节点减少等。

2.5 三坐标测量机测针长度引发的误差

三坐标测量机测针在具体测量实践中，随着测杆长度的提升，会产生更大的弯曲和偏斜问题。在校正测针之后，测量标准球时，随着测针长度的提升，测量结果也会产生更大的误差，同时当测量长度增加之后，测量精度也会逐渐降低。因此，在各个工件特征的测量中长测杆并不适用。

3 三坐标测量机测量误差的控制措施

3.1 合理选择工作面

针对工作面选择不合理所引发的误差而言，在测量时须旋转坐标系，旋转某坐标轴平行于被测回转体轴线后即可开始测量。同时，测量期间对于被测对象的选择应确保正确，如对圆柱直径进行测量时，不应测量单一截面圆，而应以圆柱状作为测量对象。

3.2 准确校正测头

校正测头的目的在于将测杆红宝石球的直径校正出，修正测量点测头，以此将不同测头位置彼此间的位置关系得到。在校正测头时，须在测量中加入所有产生的误差。故而，必须为测头校正提供准确性保障。采取不同测头位置时，将所有测头位置校正完后，须借助测量标准球球心点坐标方法对效验精度进行检查。倘若有着较高的测量精度要求，就应对测头重新进行校正，以便为数值提供精确性保障。

3.3 正确选择测量方法

结合以往测量经验得知，越短的测针能够得到更准确的测量结果，因此三坐标测量机测针长度越短越佳。在精密度较高的测量过程中，测量所选取的测针应以较短的为主。接头与长杆应尽量减少，也可实现测量精度的提升。三坐标测量仪测量期间，应尽量选择更大的测头直径范围，这是因为测头是三坐标测量仪测量中的重要测量配件，能对测量结果造成直接影响。

3.4 三坐标测量机测球误差控制措施

①须对三坐标测量机应用条件进行控制，尽量将三坐标测量机测球损坏避免，测量高硬度部件时，实测工作的开展应采取氧化错测球。②须对测量工件的温度进行控制，工件若是存在温度过高或是过低的问题，不能直接进行测量，测量工作须在温度稳定后再开始。③测量铝合金材料工件时，须将红宝石测头及时更换，以便为测量提供精度保障，并将红宝石受沾染而出现的经济损失避免。④测量铸铁工件时，测头应以氧化错为主，以便对测量精度进行有效控制，并节省测量成本。值得一提的是，在控制三坐标测量机测球直径时，应以9点测量方法为主，通过测针组坐标原点的确定，推动校正精度的提升，并在标准球测量下对测球半径误差进行补偿，如此即可推动三坐标测量机直径校正精确度的提升。

3.5 三坐标测量机测针长度误差控制措施

长度适宜的接长杆材料的选择，能在一定程度上提高稳定性、一致性，进而为测量结果的准确性提供保障。碳纤维长测杆和接长杆材料十分常用，硬度高、质量轻。钛合金具有较高的密度、较好的稳定性和强度，用于测杆制造时十分适用。测针的选择应以较大直径、较短测杆为主，如此可推动最佳有效工作长度、测针刚性的实现。

4 结语

在计算机的控制下，三坐标测量可高效、准确测量复杂零件，具有显著的优点。但三坐标测量机也有个别误差存在，因此，必须采取有效措施，补偿系统性误差，以便将误差范围缩小。而对于非系统性误差而言，其引发原因多为测量期间的人为过失引发的，对此也需要采取合理有效的手段将误差控制至最低。