仪器计量校准机构天溯与您探析三坐标测量机测量过程与误差

- 2019-09-26-

三坐标测量机是现代化的一种自动测量技术,是高精度、高效率自动化测量技术发展的重要体现。按其机构形式可分为桥式、龙门式、便携式、悬臂式等,桥式是一种非常普遍的结构形式,大部分公司三坐标测量机均为桥式结构,适合日常教学与应用。三坐标测量机的测量原理是精确测出零件表面的空间三坐标值,经过一定算法拟合成线、面、圆柱、球等测量元素,通过数学计算,得出其形状、位置及其它几何量数据。可见,精确测量出零件表面点的坐标,是评价形状、位置等几何量误差的基础。


然而,实际的三坐标测量机应用并不充分,主要因为三坐标测量机的操作使用要求具有专业的知识基础,非专业人员很难进行后期编程等操作,更重要的是,测量方法没有统一标准,如点的个数、位置等的选取等,企业、高校多依靠经验丰富的测量人员完成工件检测、实践教学等。


本文针对三坐标测量机的测量过程进行简要分析,去除人员、经验、特殊工件对测量流程的影响,提出具有普遍适应性的测量流程,包括分析工件图纸、设计测量方案、完成测量过程、评价测量结果及打印测量报告等。这些将有助于三坐标测量机的初学人员学习与巩固,是测量人员形成良好测量习惯和标准测量流程的重要知识基础。

1:测量过程分析

本文以Daisy8106型三坐标测量机为例,测量软件为AC-DMIS通用型,结合实践教学,简要分析三坐标测量的测量规程。


1.1测量要求与流程

三坐标测量机是一种精密度很高的测量设备,对工作环境有着严格要求,如温度应控制在20+/-2℃,湿度控制在40%-60%,以及良好的防震保证。


分析图纸,根据图纸要求确定被测量,大致规划测量过程,如基准的选择、测点的布置等。


测量之前要选择合适的测头并进行测头校验,获取测球半径值。测头校验一般使用标准球作为基准,测点方法最少为五点法,即标准球顶部取一点,赤道上测四点。校验时,测座、测头、标准球均要固定良好,且表面洁净。测头校验是开始测量的首要环节,对测量结果影响较大,务必足够重视。


为了避免测量时使用机器坐标系带来的回零误差,开始测量前还需要建立工件坐标系。建立合适的坐标系是三坐标测量机后续测量的基础,合理的坐标系将有助于提高测量精度和测量效率,并且,批量检测时,在编程中建立适当的坐标系可以降低工作强度,提高测量速率。简单来说,建立坐标系的方法有以下三种:


①工件位置找正。主要应用于测量规则几何工件时建立坐标系,对三维模型的存在与否没有要求。运用该方法建立工件坐标系时必须遵守321法则,即首先在待测工件上采三个以上的点来确定基准平面,其次在工件上测量两个以上的点来确定基准线,最后确定基准点,完成坐标系建立。


@RPS找正。运用RPS找正建立工件坐标系需要三维模型,主要针对原点不在工件本身、或无法找到相应的基准元素,多用于曲面薄壁、钣金类零件,如汽车、飞机的配件,这类零件的坐标系多在车身或机身上。


③三个中心点找正。三个中心点找正建立坐标系的方法简称三点找正,需要三维模型,主要针对一些特殊工件需通过三点找正确定工件位置的情况。其中,3个中心点必须是空间的非矢量元素,能确定准确的位置。元素包括点、圆、椭圆、球、方槽、圆槽,但是点必须采点位置准确,圆、椭圆、方槽、圆槽必须投影才可建立坐标系。



为了得到更加准确的测量数据,测量过程中要注意工件的摆放,以保证工件测点顺序与测针移动方向一致,这样测头移动更合理、安全。三坐标测量机是通过拾取表面点的空间坐标来完成各种几何量数据测量的,因此,测点个数及位置等的选取至关重要。理论上,采点越多越好,合理地增加测量点数可有效降低测量的不确定度,实际中,采样点尽可能多且分布均匀,覆盖整个元素范围,并符合元素测量采点规律。另外,也可通过数学计算的方法分析点的个数和位置,Kim等人研究了测点数与测量结果之间的关系,结果表明,测点数越多,测量结果越精确,但实际中应用较少,多以最少点数及经验确定。企业中批量检测时,过多的测点数会降低测量效率,而要根据测量任务及精度要求,确定测量位置及点数。


三坐标测量机拾取空间采样点坐标后,经过数学运算才能得到零件的几何参数误差,算法中多采用最小二乘法。

1.2测量结果评价与误差来源分析

测量过程完成后,测量结果的分析与评定,主要是误差来源分析,是高精度产品检验的一项要求,直接影响产品评定。它是测量可靠性的表达,定量的计算描述就是测量不确定度。测量不确定度的影响因素主要有以下几个方面:


①方法误差。主要指测量方法不完善引起的误差,如采点个数及位置的选择,基准的选择与测量,工件安装是否合理等等。测量方法的选择要建立在对图纸与零件装配、功用等的透彻分析基础上,对于不明确的地方,可以由有经验人员来把握。


②设备误差。指由测量设备本身存在的误差而引起的测量误差,一般用测量机的示值误差或不确定度来表示,它与机器的使用工况有关,因此,三坐标测量机的日常维护保养及定期的精度补偿至关重要,另外,测头部分也是此类误差的重要来源,如测座不同角度旋转定位时产生的误差等。误差补偿技术是修正测量设备误差的重要方法,科研工作者也进行了深入的研究,是未来提高三坐标测量机测量精度的主要发展趋势。


③人员误差。指测量人员受到自身能力限制,而在测量时引入的误差,如手动采点时由于测量速度、方向、力度的差异而产生的误差。测量人员在工作过程中尽量使各种测量影响因素趋于一致、降低到最小,如相同的测量力、测量速度均匀过渡等,并尽量使用三坐标测量机自动测量模式,这些在一定程度上可以减小人员误差。


④环境误差。指由于环境因素与测量设备规定的标准状态不一致而引起的误差。如温度、湿度、气压、振动、灰尘等,其中以温度对测量精度的影响最大。三坐标测量机工作时的温度要求是20+/-2℃


结束语

三坐标测量机作为一种精密检测手段,其测量过程要求严格。本文就测量过程的主要环节进行了细致的分析,包括测量环境要求、测头校验、建立工件坐标系、工件位置摆放及采点个数与位置等,同时,讨论了测量过程中误差产生的来源,如方法误差、设备误差、人员误差、环境误差,并提出应对策略。实践证明,良好的测量操作与测量结果误差分析能够实现三坐标测量机的高精度、高效率使用,同时,也是测量人员的重要素养要求。


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