三坐标测量机间测量结果不一致的原因

邵振振

（鸿富锦精密电子（郑州）有限公司，河南郑州 450019）

1 背景情况

随着现代精密制造业的发展和产品加工装配品质需求的提高，三坐标测量机作为几何量大型精密测量设备，以其高精度、高效率、自动化、通用性的特点，正逐渐替代位置、尺寸、形状测量的传统设备，在制造业，尤其在汽车、航天航空行业被广泛应用并普及[1]。随着尺寸检测任务的加大，同车间会安装多台三坐标测量机，三坐标测量机间测量相同产品的测量结果一致，才能通过验收。

三坐标测量机作为一种量具，其测量结果受误差理论的影响，即测量结果是物理真值与测量误差之和。测量误差包含系统误差和随机误差。系统误差是可以避免的，而随机误差是客观存在的，无法从根本上消除。从“人机料法环”角度分析出导致测量结果不一致的测量误差产生的原因，可以在制定验证方案时合理避免系统误差，缩小随机误差，尽可能使测量结果接近真值，从而保证整个量测系统的顺利验收。

2 三坐标测量机间测量结果的一致性验证方案简介

针对检测室里多台三坐标测量机间测量结果一致性验证，常用方案如下：①人员配置：方案制定人员（总工程师），取放料操作员，数据记录及整理人员等；②验证对象：检测室各台已完成精度校正的三坐标测量机；③测试样品：随机选取现场加工的10 片物料，清理干净；④准备过程：保证三坐标测量机校针结果合格，保证使用同一检测程序，保证装夹治具合格；⑤实施过程：现场选取3 名熟练操作员，第一人取10 片物料用各台三坐标测量机进行检测，每片物料均重新取放装夹、检测3 次，保存30 次检测结果。待第一人检测结束后，第二人重复第一人检测过程。同理，第三人待第二人结束后，亦重复上述过程。同时，记录人员做好环境、温湿度等数据记录，总工程师现场监控整个过程有无纰漏；⑥数据处理：数据处理人员针对30 次检测结果进行统计处理，得出三坐标测量机间测量结果差异；⑦结论总结：总工程师查看数据处理结果有无异常，如有异常则回溯问题原因，否则宣布验证结论。

3 从五要素角度分析测量误差产生的原因

3.1 “人”的因素导致测量误差

“人”主要是指验证方案实施活动中的所有参与人员，包含方案制定人员、样品检测操作人员及数据处理人员等。“人”作为主要验证方案参与和实施者，其活动中的一举一动都可能对被测对象造成影响，因此“人”是误差产生的主要来源。因为测量结果一致验证是一项非常严谨、专业性的工作，对人员的职业素养有较高的要求，所以“人”在其中起着至关重要的作用。

制定方案人员应具有全局观，熟练掌握三坐标测量机的检测应用原理，且针对检测室整个检测系统能力分析有清晰的认识，能够把握整个验证方案实施过程的品质。制定方案人员应具备优异的品质意识，能够考虑好所有影响品质的细节，在把关好所有参与对象品质的同时，需对整个验证方案制定详尽、严谨、规范，且全程监控操作过程。此外，其应做好标准化表单，并做好记录，确保整个过程无差错、无遗漏。

样品检测人员的操作手法（如样品取放、样品装夹）应规范，且应尽量避免样品在使用过程中被污染。统计人员的品质意识及操作（如数据抄写、数据计算）应正确、规范，实施过程应认真、细致，避免数据抄写错误导致随机误差，保证测量结果的真实性、可靠性。

3.2 “机”的因素导致测量误差

“机”是指参与比对的三坐标测量机。三坐标测量机本身的精度及稳定性会导致测量过程中产生不同的误差，影响三坐标测量机间测量结果的一致性走向。

三坐标测量机验收精度不仅应合格，且应保持各轴向精度数据趋势一致性。例如某检测室有2 台T454 型三坐标测量机，验证合格要求“测量同一产品，测量结果差值不超过8 μm”。查找参数知，T454 型号三坐标测量机精度验收合格范围为MPEe：±（4.7+3 L/1000）μm，L 为测量长度，mm。若以400 mm 量程计算，其400 mm 处精度验收范围为（-5.9～+5.9）μm。假如这2 台三坐标测量机在400 mm 量程处精度都符合验收标准，一台在极限-5.9 μm 处验收通过，另一台在极限+5.9 μm 处验收通过。那么在测量同一400 mm 长度产品时，其测量结果之间最小差值绝对值为（理想状况下，只考虑误差精度，不考虑其他因素）。显然，测量结果差值是不符合验证要求的。所以，技术人员在调试三坐标测量机时，应使用相同标准件，尽可能调试各台三坐标测量机间轴向精度保持正偏差或负偏差的数据趋势一致性，减少因此带来的系统误差影响。

三坐标测量机应运行平稳，各部件无异常。三坐标测量机是由很多部件组成的，如外罩、防尘罩、各线材等。如果这些部件安装不好，那么可能对测量机运行过程中产生干涉，影响测量机测量数据的准确性。为避免三坐标测量机在运行中发生晃动，一般会将水平仪放到测量机的大理石平台上，检查横向和纵向水平，观察水平仪的气泡是否在中间。如不在中间，则首先调整测量机各脚垫与地面接触实在，然后调整测量机支撑大理石的支撑点的高度，直至水平合格为止，确认各支撑点无虚接，这样既确保了测量机的水平，又保证测量过程中测量机不晃动。保证各轴传动机构运行流畅，无其他配件异常摩擦干涉，减小随机误差产生的可能。对于老旧的三坐标测量机，应加强三坐标测量机的机构、电气及光栅读数头等日常保养，保证三坐标测量机精度、准确度等计量特性符合技术要求[2]。

另外，测座系统应安装紧固可靠，测针校验结果应符合要求，避免旋转测座的不同角度间校针结果误差过大。针对测试样品的检测尺寸，应选用合理的测针配置，因为测针选取过长或者配置过多过重，都会导致测量结果重复性差，导致测量结果误差过大。

3.3 “料”的因素导致测量误差

“料”指的是所用到的测试样品。测试样品作为被测对象，其实时状态可能会导致不同的测量误差，严重影响测量结果的精度。

测试样品在被测试前，应对测试样品进行全方位的检查，清理干净脏污、毛刺，确保测试样品在测试中测量数据的稳定、可靠。当用多个测试样品做验证时，应做好编号，然后将其静置于检测室环境中2 h 以上，保证与三坐标测量机保持相同温湿度，减少环境影响。

测试样品在使用中，应合理装夹，最好保证夹具有相同的装夹力。因为装夹力不同，将导致测试样品的变形程度也不同，会给测量结果带来一定程度的误差。样品取放过程中，应避免中途污染或磕碰刮伤，导致其状态发生变化。在一台三坐标测量机测试后，应再次检查测试样品，记录好相关数据，确认无异常后再继续测试。

在完成全部验证工作后，应整理好测试样品，做好安置，以备后续查用。

3.4 “法”的因素导致测量误差

“法”指的是验证比对实施方案。比对方案的不严谨会导致测量误差的产生。比对方案应经经验丰富的高级品质工程师研讨审核通过后，方可执行。

在进行验证比对实施前应制定详细、可靠的实施方案。方案应涵盖验证目标、实施对象、实施人员、测量过程方法、环境条件要求、数据记录等。方案应使用相同的测试样品、测量程序、夹具等，保证除测量机本身外其他条件的同一性，来减小误差产生的可能。

按照制定好的方案执行，使整个实施过程程序化、模块化、流程化，可避免失误，也可供相关人员事后根据方案步骤，快速梳理，查漏补缺。

3.5 “环”的因素导致测量误差

“环”指的是验证实施所处的检测室环境。因为测试样品、三坐标测量机所处环境的温度、湿度等变化会导致三坐标测量机材料、光栅计数装置、样品等产生形变，影响测试精度，导致测量误差的产生。好的检测室环境是决定三坐标测量机稳定可靠的基础。三坐标测量机应安装在安静的封闭的房间里，以免恶劣的环境影响测量精度和使用寿命。建议室内温度（20±5）℃，相对湿度20%～80%，设备附近应少粉尘、少日晒，不能有强振动源、强磁场，电源供电电压220 V±10%，频率（50±3）Hz[3]；气源气压稳定无波动（气浮式导轨检测机需求）。不稳定的环境条件变化会导致光栅尺、各轴材料及测试样品热胀冷缩变化不一致导致测量结果不真实，有偏差。强振动源、强磁场、供电电压不稳可能会导致测量结果不稳定、不精确。

要减少温湿度变化对测量精度的影响，①要给检测室安装恒温恒湿空调，保证测量时的温湿度的梯度变化，减少温湿度对测量机的影响；②对测量工件进行恒温，恒温的作用是保证工件的温度与测量机的湿度一致，减少热膨胀系数对测量结果的影响；③可以利用三坐标测量机自带的温度补偿功能，将温度传感器放置于工件的显著位置，输入工件材料的热膨胀系数，测量机在进行测量时会自动根据工件温度进行相应补偿，尽可能地减少因温湿度小范围变化导致的误差。

强振动源强磁场、供电电压不稳的影响具有随机性，会给整个验证测量系统带来随机误差，影响测量结果的可靠性，因此应采取装减振气垫，安装稳压器等措施来预防此类问题的发生。

通过保持符合要求的检测室环境条件，做好检测室5S 工作，保证测量过程及测量结果的可靠性。

4 结语

三坐标测量机间测量结果保持一致性，一直是现场质量工程师注重开展的对设备进行验收的一项重要工作。本文以“人机料法环”质量管理要素为突破点，拆解分析导致测量结果不一致的原因，进而制定合理方案，规范操作流程方法，完成验证目标，保障检测系统可靠性，为企业产品的加工验证提供快速、可靠的数据，保障企业产出高品质产品。