三坐标检测结果的可靠性探讨

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Study on the Reliability of Measurement Results by CMMLI Qilong，XU Wei，TIAN Qingyuan(Hefei Bolin Advanced Materials Co.，Ltd..Herei Anhui 230088，China)Abstract：For several years，coordinates measuring machine(CMM)has become the necessary equipment for measuring dimen-sional precision，form and position tolerance of parts.The factors such as the location and quantity of contact points，choice of thestylus，surface condition and fixation methods of the part and SO on，afecting the measurement and their eliminating methods were ex-plored，and the diferent measuring methods whi ch should be adopted in various conditions were presented。

Keywords：CMM；Measuring；Reliability某公司主要采用粉末冶金工艺进行汽车零部件和液压泵零件的生产，随着技术的发展，对产品精度的要求越来越高，例如某型号侧板平面度要求0.010 0mlTl，某型号转子的直径公差为0.005 0 mm。高精度的产品需要先进的检测设备。三坐标测量机是-种新型高效的精密测量仪器，具有高精度、高速度、很好的柔性、很强的数据处理和适应现撤境的能力，现已被广泛应用于机械制造、汽车工业、航空航天业、模具、科学研究等部门，成为现代工业检测和质量控制不可或缺的测量设备 -3]。Carl Zeis CONTURA G2三坐标测量机，长度测量最大允许示值误差MPEE≤(1.8L/300) m，变量 的单位为mm。但经常有这样的事情发生：产品加工完成以后，该司检验的结果，与发到客户手中客户的检测结果不-致，有时差距还很大，偶尔还会发生退货现象，这类问题给该司和客户造成了很大损失。为了解决这类问题 ，必须找出产生检测差距的原因，保证三坐标测量结果的可靠性，达到帮助生产者和使用者找到问题和分析问题的目的。为此，作者研究了-些与三坐标测量有关的因素，具有-定的实际和理论意义。

1 测量过程针对具体产品，使用 Calypso进行脱机编程，包括建立工件坐标系、导人数模、设置安全平面、编程输出、设置策略、检查安全参数等，然后启动自动测量，完成测量。

2 测量原理三坐标为接触式检测，即在测量时，探针移动到物体表面，当触碰到物体时，物体会给探针-个反作用力，当反作用力大于某个数值 (-般为 100 mN)时，就会记录下测量点的坐标值和法线方向。比如需要测量-个圆的直径，在圆的周围取-定数量的点，通过这些点的坐标值拟合出-个圆，拟合的方法有最小二乘法、内切、外接、最小内切、最大外接，不同的几何元素，拟合的方式有差别。采用三坐标测量机测量时，所有的几何元素、形位公差都是用测量点来计算，所用测量点不同，计算结果就会有偏差，偏差大婿与工件表面情况和机器重复精度有关，所以在测量中，三坐标测量机所采样点的位置和点数肯定会影响到其测量结果。

3 测量因素的影响3.1 点的位置和数量假如需要测量图1的平面，测量该平面的目的是为了利用该平面的法线方向建立工件坐标系。图1中的8个点位测量点，即局部测量 7点和对角测量 1点，结果相差 1 m，对该平面的法线方向影响可能很大；8个点如果均布在平面的4角和4边的中点，其中-个点的结果相差 1 m，对该平面法线方向的影响就可以忽略不计了。测量圆时，如果测量范围小收稿日期：2012-06-21基金项目：科技部中小企业创新基金项 目 (11C26213401950)作者简介：李其龙 (1981-)，男，硕士，主要从事粉末冶金方面的研究。E-mail：li-qilong###163.tom。

第 l4期 李其龙 等：三坐标检测结果的可靠性探讨 ·115·于圆周的1/4，圆的直径和圆心点坐标的重复性很差，可能影响的测量结果有圆度、圆的直径、圆心距等。为了使测量结果更准确，测量时应使测量点尽量布满整个被测几何元素，最大程度地反映零件的真实情况。

图 l 采点位置对测量结果的影响理论上当然测量点越多，结果越准确，但实际中点的数量不可能无限多，以能满足测量精度为准，点的数量的选取与待测几何元素的大孝表面粗糙度有关。待测几何元素越大，为了能够反映零件的真实情况，采取的点数应越多，且分布均匀。对形位误差差的零件，在评价尺寸时，其测量不确定度应放大，也就是说，测量结果的不准确度会越差。通常，可以加大测量点数，尽量减少因采点密度不够大所带来的影响。点的分布也要旧能地均匀，旧能地广。在实际测量中，对于同-大孝同-粗糙度的几何元素，可以尝试用不同的点的分布和密度，看测量结果的重复性，以后遇到大型粗糙度相似的待测几何元素，在测试时就能做到有的放矢。该司测量某-侧板平面度，选取25个点以上时，平面度波动为0.001 0 mm，测量面长约 140 mm，宽约 70 mm，表面粗糙度RaO.4。测量点的数量还与测量目的有关，比如同-个圆，测量轮廓度时的点数-般比测量直径时要多。

3.2 工件的装夹方式三坐标测量时，装夹方式应满足以下要求：(1)不使工件损坏和变形；(2)工件测量时不发生位移；(3)方便测量。这些条件说起来简单，做起来难，有时候-不小心就容易忽略，最容易忽略的就是不使工件变形。特别是长厚比值较大的工件，在装夹时很容易变形。该公司曾经测量-个侧板，长厚比约 14，使用橡皮固定在大理石工作台上，工件测量时受到自身的重力和探针的接触力，测量其平面度为0.025 8；采用永磁吸盘固定 (型号 x51160，江苏无锡建华机床附件集团有限公司)，工件测量时受到自身的重力、探针的接触力和吸盘的吸力，平面度为0.005 4。

通过比较可以看出：装夹方式不当，引起的测量误差非常大。这样的结果不但不能为生产或技术提供依据，反而会误导生产或技术。

3.3 探针选取有些人的认识可能存在着-个误区，即测量探针的大小与测量结果无关。假如图2中的曲线是某待测几何元素微观放大图，测量点为图2中箭头位置，那么使用0.8 mm探针探i贝lJ. 所得到的坐标值肯定和使用6.0 rnm探针探测点的坐标值不-样，从图2可以清楚地看到探针的大小与测量结果有关。探针的选取首先要能完成测量 ，比如-个 2 mm的孔，就不可能使用6.0 mlTl的探针∮着要看待测几何元素的表面粗糙度，粗糙度数值较大的几何元素，可以使用较大的探针测量。该公司是生产粉末冶金产品的，因为粉末产品都存在着空隙，采用大探针测量，可以减少测量过程中出现的坏点。由于测量是触碰式接触，测量时探针与几何元素表面有个作用力，当测量点的法线方向和测杆方向垂直时，就会使测针杆变形，因此也会影响测量结果，尽管这个影响很小，但也是个原因。总结起来，探针的选取，在满足测量任务的前提下，尽量选取测头较大、测杆较粗较短的探针，测量时测杆方向尽量和测量点法线方向-致。

图2 探针测量示意图3.4 打点扫描 的选取三坐标测试时有两种测试方式，即打点和扫描。

打点是打完-点，探针回退-定距离，然后再去打下- 点；扫描是探针打完-点后直接移到待测的下-点进行采点，探针-般在工件表面进行移动。无论打点和扫描，都是在工件表面进行采点，扫描也可以看作是打点的-种特例。如果采取相同的点数，打点要比扫描费时；从探针磨损速度上说，扫描更容易磨损探针；在实际测量中，扫描取的点数-般要比打点多，所以从测量点数量看，扫描要比打点更准确-些。除了-些必须扫描才能完成的测量任务，比如轮廓度，- 般建议使用打点，但测量点数要足够多。

3.5 其他因素三坐标测量对不同的几何元素有不同的评定方式，通常默认的评定方式是最小二乘法，除非必要，不建议修改评定方式。比如要测量-个转子 (奇数齿数)外接圆直径，这时用最小二乘法误差相当大，因此这时必须使用外接或最大外接评定。

编写程序时，-般要手动采点，确定待测几何元素；有工件对应的数模时，完成工件坐标系建立后，待测几何元素就不需要手动采点选取了，只需要是数模上操作完成。手动采点时，由于是人工操作，打点时用力不均匀，测量点方向与待测几何元素该点的法线方向也有差距，这些会对测量结果产生-定的影响。为了保证测量结果高度准确，建议是编写及调试程序完成后，启动自动测量，测量结果以自动测量结