三坐标测量基本参数对测量准确度影响的研究

刘广东，刘心宇，韦晶

（1.黑龙江省机械科学研究院，哈尔滨 150040；2.黑龙江省中医药科学院南岗分院，哈尔滨 150006）

1 三坐标测量基本参数对测量准确度影响的分析

1.1 三坐标测量机的工作原理及参数作用分析

三坐标测量机就是在3个相互垂直的方向上有导向机构、测长元件、数显装置，有一个能够放置工件的工作台（大型和巨型不一定有），测头可以以手动或机动方式轻快地移动到被测点上，由读数设备和数显装置把被测点的坐标值显示出来的一种测量设备。显然这是最简单、最原始的测量机。有了这种测量机后，在测量容积里任意一点的坐标值都可通过读数装置和数显装置显示出来。测量机的采点发讯装置是测头，在沿X、Y、Z等3个轴的方向装有光栅尺和读数头。其测量过程就是当测头接触工件并发出采点信号时，由控制系统去采集当前机床三轴坐标相对于机床原点的坐标值，再由计算机系统对数据进行处理。

1.2 三坐标测量机的基本参数分析

本文以图1所示海克斯康旗下思瑞品牌的三坐标测量机Croma564为例，从三坐标测量机的测量空间、三轴行程、移动速度、移动加速度和触测力度分析对检测精度及效率的影响。

图1 Croma564三坐标测量机

1）三坐标测量机测量空间。Croma564三坐标测量机的测量空间为Dx634 mm、Dy144 mm、Dz1594 mm，此项参数直接影响可测量产品的体积大小，在可触测范围内不影响测量精度，但是极限的产品摆放可能会对编辑程序的路径设计提高难度，为了避让产品而过于繁复地设计行走路径会大幅降低检测效率。

2）三坐标测量机三轴行程。Croma564三坐标测量机的三轴行程为：X轴行程为500 mm，Y轴行程为600 mm，Z轴行程为400 mm，此项参数也会影响被测量产品的体积大小，由于三坐标测量机在接近行程极限时会被迫减速并且为行程限位留出安全距离，所以基本参数标明的行程要略大于实际工作行程[1]。经过多次测量试验，发现在三坐标测量机运行到临界行程段，运行速度锐减为三坐标测量机最低速度（当前设定速度），加速度为零，这也表明，在必须使用到极限行程来测量产品时，极限行程段的测量工作将以最低效率运行，并且在100次测量中有7次发生了高误差读取触测点，给测量结果带来非常大的误差。

3）移动速度。Croma564三坐标测量机的移动速度为520 mm/min，此项参数将极大地影响产品检测效率，三坐标测量机进行检测工作时，影响效率的因素主要有两点：运行检测路径时的测头移动时间；触测被检测元素时的逼近回退时间。但是逼近回退时间为检测工作所必须完成的工作任务，所以缩短测头的检测路径时间是提高检测效率的最佳途径。

4）移动加速度。Croma564三坐标测量机的移动加速度为1730 mm/s2，此项参数也是影响产品检测效率的关键参数，甚至超过了移动速度带来的时间消耗，在测头移动至三坐标测量机系统认为的安全控件后，会沿检测路径向下一检测元素进发，移动加速度越大，运行检测路径的时间越短，但是如果发生意外触测，测头及测针与意外触测物体碰撞的力度也越大，尤其在手动模式下极容易造成测头及测针的损坏，因此在利用较大移动加速度的同时，必须保证运行路径的安全性。

5）触测力度。Croma564三坐标测量机的触测力度为0.96 N，此项参数稍微影响触测点数据记录的准确性，但是在光栅尺分辨率足够且测针测头无故障的情况下不会对测量精度产生影响，值得说明的是，触测力度将影响被测产品的装夹方式和程度，由于三坐标测量机的工作台面平面度和光洁度极高，所以被测产品放置其上不会有太大的表面摩擦力，在三坐标测量机的触测力度下，被测产品极易发生移动，在Croma564三坐标测量机的0.96 N触测力度下，质量较大的金属产品甚至不需要固定，但是质量小的产品（如小型铝制品或尼龙制品等）则需要用三坐标测量机的装夹工装进行固定，保证被测产品的稳定性。

2 三坐标测量机参数优化检测程序说明及参数修改的分析

2.1 三坐标测量机参数优化检测程序

本文为研究影响三坐标测量机测量精度及效率最大化，编写一个利用50环规（如图2、图3）检测基本尺寸的检测程序。

图2 50标准环规

图3 环规标称值

利用此程序，将前文提到的对检测精度及效率影响最大的参数进行比对，检测程序编写如下[2]：

以环规上端面为平面1，以环规中心孔为圆1，利用面圆法初建和精建坐标系（如图4），进而多次重复检测环规中心孔来确定准确度的变化。

图4 检测程序坐标系

2.2 变更参数多次测量结果对比

移动参数对比如表1所示。移动加速度对比，如表2所示。

表1 移动参数对比

表2 移动加速度对比

本文展示的为部分重复测量结果，由此可见，改变移动速度和加速度可以影响测量精度，但对精度的改变幅度不大，在可接受的误差范围内，适当调整移动速率参数，可以在保证精度的同时提高检测效率[3]。

3 结论

本文讨论改变三坐标测量机的移动速度和移动加速度这两项对检测效率和检测精度影响最大的参数值，得到的结论是对精度影响不大，但是一定程度上提高了检测效率，所以在使用三坐标测量机检测产品时，出厂所设置的基本参数不应被视为无形硬件且不可更改[4]，可以根据待测产品的不同在保证精度的情况下适当修改以提高检测效率。