探讨坐标测量机的测量误差来源及可靠结果

1、计量校准：浅谈坐标测量机的误差来源及评定方法曹摘磊李祥瑞（安徽省计量科学研究院，安徽合肥230001）要：从坐标测量机的结构组成，以及坐标测量机探测系统对测量要素的采集方式，探讨坐标测量机的测量误差来源，根据误差的来源，在对坐标测量机出厂技术要求进行检测的方法时，考虑如何使得测量结果更为可靠。关键词：坐标测量机；误差来源中图分类号：TB92文献标识码：A国家标准学科分类代码：410.55DOI：1015988/jcnki10046941201509006DiscussiononErrorSourcesandEvaluationMethodsofCoordinateMeasuringMachin

2、eCaoLei引言坐标测量机随着数控技术的发展，如今广泛应用于机械制造、电子、汽车等工业中，它可以进行零部件的尺寸、形状及相互空间位置的测量。作为一种通用性强、自动化程度高的高精度测量仪器，在先进的制造技术与科学研究中有极广泛的应用。2坐标测量机的误差检测要求及技术规范。坐标测量机的测量系统已经成熟，可靠，但在安装及使用过程中，坐标测量机还必须进行检测和校准，才能有效保证测量机的测量精度。坐标测量机各单项误差的检测是一项相当复杂的过程，这中间包括测量出位置误差、直线度误差、角摆误差，垂直度误差、探测误差等等。国际标准化组织至今相继发布了ISO/10360等六个标准。我国于1997年也发布了与I

3、SO103602等同的GB/T1685721997中华人民共和国国家标准“坐标，测量机的性能评定”于2010年更新了JJF10642010。中华人民共和国计量校准规范“坐标测量机校准规范”为了能够对坐标测量机进行符合要求的性能检测和验收，在上述标准和规范中定义了坐标测量机的主要性能指标：长度测量示值误差E和探测误差P，并规定了其测量方法。在测量过程中，结合坐标测量机的特点和使用情况，总结了一些方法，提高测量的准确度，为提高产品质量提供保证。3校准的内容和测量过程相关的误差源3.1探针点的采集评定及误差在坐标测量机测量任何几何元素时，都是由一定数量的点组成。在采集元素点的时候是通过坐标测量系统中

4、以每点坐标来确定，而在探针采点时都具有一定得方收稿日期：20150805LiXiangrui向性，采测方向与轴线一致，这样才能保证对点采测的准确性。图1在坐标测量机测量时，若探头的测量方向沿X轴向，如图1所示，采测到C点的坐标实际上是，探头中心O点的坐标。经校准后半径为r的球形探头M点的坐标在X轴方向上产生的误差：X=r（1sin），在Z轴方向上产生的误差：Z=r·cos。因此在理论上讲，当测量点的形面法线与测量方向不一致时，将产生上述误差，°测量方向与测量形面垂直，此从图中可知，当=90时，时的误差为零。通常，依据坐标测量机的校准规范，我们以探测误差（P）probinge

5、rror来评定探头在测量过程中所引入的系统误差，用坐标测量机测定球形尺寸实物标准器的半径范围在检测球上用单个探针以离散点探测方式进行测量。这项误差直接影响到坐标测量机的测量精度。计量校准：计量校准：探测误差P不大于规定的最大允许探测误差MPEP（P=rmaxrminMPEP）。在标准球上均匀选取25个探测点进行探测，计算最小二乘（高斯）球的中心，并使用25个测量值分别对该球心计算出径向距离r，P=rmaxrmin。各测量点应在检测球上匀称分布，至少覆盖半个球面。推荐采样点分布为：一点位于检测球极点；四点均布且与极点成22.5°；八点均布，相对于前者绕极轴旋转22.5°且与极

6、点成45°；四点均布，相对于前者绕极轴旋转22.5°且与极点成67.5°；八点均布，相对于前者绕极轴旋转22.5°且与极点成90°。来评定各个误差的综合到一起后的测量结果，这其中也包括了测头的探测误差的影响量以及环境对测量结果的影响量。规范要求是通过比较5个不同长度尺寸实物标准器的校准值，实物标准器放在测量空间的7个不同的方向或位置，各测量3次，共进行105次测量，考虑了测量不确定度后，所有105次测量的坐标测量机的示值误差E不大于规定的用于尺寸测量的坐标测量机的最大允许示EMPE，值误差MPE，坐标测量机的性能符合出厂的技术要求。如在35组尺

7、寸测量中最多有五组，每组测量的3个值中只允许有一个值超出合格区。每一个超出合格区的尺寸测量必须在相应的方向和位置重测10遍；当所有重复测量的数据满足示值误差E不大于规定的最大允许示值误差MPE，用于尺寸测量的坐标测量机的性能符合要求。在某些情况下，例如对于特别大的测量机，某些人造标准器不够长而不适于使用，在此情况下，建议使用激光干涉仪测量，在每条测量线的全长上均匀测点不少于20间隔，来回三次，每次测量过程中不得重新设置激光干涉仪或坐标测量机的示值。（JJF10642010附录B）对于某些测量机，不用接触式探测系统的干涉测量并不适合于接触式测量机的几何误差补偿，此时应当采用以接触式探测所得到的测

8、量结果。参考文献1崔州平.三坐标测量机动态误差与测球半径补偿误差的研究J.工具技术，2009，43（5）：106108210038817马俊杰.三坐标机测量误差浅析.汽车工艺与材料，（2002）040022043郭俊杰，张琳，皮彪.坐标测量机的空间误差检测及21项几何误A.1004132X（2002）13108104差分离的方法4JJF10642010坐标测量机校准规范5GB/T16857.22006产品几何技术规范（GPS）坐标测量机的验.收检测和复检检测.第2部分：用于测量尺寸的坐标测量机作者简介：曹磊，男，助理工程师。工作单位：安徽省计量科学研究院。通讯地址：230001安徽省合肥市包河

9、区仓河工业园延安路13号。李祥瑞，安徽省计量科学研究院（合肥230001）。图23.2坐标测量机的单轴误差：Y，Z三个轴组成，坐标测量机通常由X，以X轴为列：XTY，XTZ。在X轴方向上存在二个直线度误差，XTY，XTZ是测量机沿X轴运动时在Y轴方向或在Z轴方向产生的位移，称为沿X轴运动时在Y轴方向或在Z轴方向的直线度误差。一个位置误差XTX。XTX是测量机沿X轴运动时在X方向产生的位移误差，也称为X轴的标尺在特定轴线上的位置误差。XY，XZ。XX，XY和XZ三个角摆误差XX，Y轴或Z轴产是测量机沿X轴方向运动时分别绕X轴、生的转角，称为沿X轴运动的角摆误差。以上所述的直线度误差、位置误差、角摆误差，在坐标测量机的校准规范中，实际以尺寸测量的示值误差E（上接第11页）人与设备交互作用可理解为测量人员无法成熟驾驭激光跟踪测量系统；而设备本身的原因在于激光跟踪测量系统基本都是由激光跟踪头（跟踪仪）、控制器、用户计算机、反射器（靶镜）及测量附件等多种无件组成。元件越多可靠自然差一些。另外，激光跟踪测量系统本身容易受到大气温度、压力、湿度及气流流动的影响。针对这两方面原因，为提高激光跟踪测量系统精度，请专业设备工程师一起制定措施并最终形成了标准化操作程序文件。参考文献1M.哈尔滨工程大质量辅导用书编写组.质量专业理论与实务20