三坐标测量机测量方案的设计

三坐标测量机测量方案的
设计探讨
常柴股份有限公司刘志明
前言
三坐标测量机以其测量效率高、精度高、适应性强等优点，广泛应用于机械制造、仪器制造、电子工业、汽车及航空等工业部门，用于零部件的几何尺寸、形位误差的测量，有“测量中心”的称号，是未来几何量测试的应用发展方向。

三坐标测量机的使用
在三坐标测量机的使用过程中，由于诸多因素，使得测量结果的准确度达不到应有精度。

在此，我想结合我厂三坐标测量机在实际使用过程中情况，谈谈我们的使用体会和测量方案的设计思路，供各位同行参考。

对使用测头个数的理解最终对称度测量
结果由3个测头测量
采样计算得到。

测头校正后的校验处理
建议在多测头测量方案中,
测头校正完成后，可将校正
球作为被测件，用校正好的
各测头分别测量校正球，其
测量结果的差值即为多测头
的校正误差。

如果该误差较大，可对误
差大的测头重新校正，使其
满足测量精度的要求。

测头的选择
2、少用、尽量不用加长测尖(包括加大测力)和加长杆。

使用加长测尖或加大了测力，测头的各向异性误差和探测误差也将随之增大。

使用加长杆时，测量机运动时导轨的偏摆及扭摆现象引起的测量误差也将随加长杆的长度而增大。

二、测量采点
1、采点测量几何元素时，在条件允许的情况下，采样点数应尽量多些，并且最好均布采点。

下面我们以三点法测量圆心坐标以及圆弧半径为例进行分析。

三点法测圆举例
在圆周上采样三点，根据这三点坐标可计算出圆的圆心坐标(x0,y0)和半径R：
=F1(x1,y1;x2,y2;x3,y3)
=F2(x1,y1;x2,y2;x3,y3)
间接测量误差分析
•这里圆心坐标的误差是由各采样点的坐标误差Δx
i ，Δy
i
产
生的，根据间接测量的函数误差分析：
•由于Δx0和Δy0中包含对函数F1，F2的偏微分，因而ΔX0与
ΔY
0就与采样点在圆上的位臵分布有关。

由上式可知，均布
采点的圆心计算误差小于不均布采点，特别是局部采点其函数误差较大。

采样点数与计算得到的圆心坐标和直径的关系
对于圆，采样点数与
计算得到的圆心坐标和
直径的弥散度右表。

从
表中可以看出，圆心坐
标误差要达到１微米左
右的弥散度，我们至少
要采16点才能满足要求。

测量采点
3、数控型测量机尽可能采用在数控状态下测量采样。

在数控状态下，测量机运动速度平稳，测量采点位臵准确一致，而且能够实现完全法线方向采样，减少测量误差。

三、测量方法的选用
1、应正确采用符合被测参数标注含义的测量方法
测量方法选择是否正确，关键是看其得到的测量结果，是否符合被测参数的标注含义，有个别图纸的标注存在一些问题，其图样标注含义与工件的实际工作特性不相符，我们可与设计人员进行沟通。

大跨距小长度孔同轴度误差测量问题
例如：在我们形位误差测量中存在较多争议的
大跨距小长度孔同轴度误差测量问题（两孔间的跨距与孔的长度比≥5）。

标注与实际工作状态的相符性
如果零部件在实际工作中，这两孔中安装的是一根轴类部件，其两孔同轴度的基准要素标注为两孔的公共轴线比较符合其实际工作状态。

标注与实际工作状态的相符性
但在我们见到的许多图样标注上却是以一个孔的轴线为基准要素，另一个孔的轴线对该基准轴线有同轴度要求，这种标注的含义与其实际工作特性不相符合，也使我们测量方案的测量误差成倍增大。

两种标注其同轴度误差含义
由于两种标注方法的含义差异很大，最终可能导致我们对工件的误判（参见图：e1为公共基准时的同轴偏移量，e2 为单孔
基准时的同轴
偏移量）。

单一孔基准要素
公共轴线基准要素
1
2e e >>12e e δδ>>
在设计测量方案时
2、应了解测量机与其它测量方法检测结果的差异性
作为三坐标测量机的测量方案的设计人员，应了解测量机与其它测量方法（如：平台测量、专用量检具测量等）的差异。

同轴度测量方法举例
我们还是用上述的大跨距孔同轴度误差的测量为例进行分析。

同轴度误差检测，在生产现场一般采用回转芯轴打表法测量或专用功能量规法检验。

回转芯轴打表法测量同轴度
单孔基准同轴度误差，用打表法测量由于芯轴与孔总是存在配合间隙，通过大跨距的放大作用，其测量误差较大，其测量原理符合单孔基准标注含义，但不符合工件实用特性，也会造成对工件的误判。

1、标注与实际工况
不符造成的误判；
2、由于测量误差大
造成的误判。

专用功能量规法检验同轴度
采用的功能量规法，由于量规与孔同样存在配合间隙，对于大跨距孔而言，其实际检验时，是以两孔的公共轴线为基准要素。

专用功能量规法检验同轴度
大跨距孔同轴度误差测量，如果图样标注是以单孔轴线作为基准要素，而我们检验时采用专用功能量规进行检验，其测量原理不符合图样标注含义，但符合工件实际工作特性。

产生误判的因素
我们在实际工作中，对于图样标注以单孔轴线为基准的大跨距孔同轴度，为什么以图样标
注含义进行测量时，其同轴度误差超差了许多，而轴类部件仍然能装配，并能正常工作。

其主
要原因之一就是同轴度图样标注与实际工作特
性不相符。

单基准要素延长线
在设计测量方案时
3、了解三坐标测量机的数据处理方法，合理选
用被测元素的体现方法
三坐标测量机的数据处理一般是采用最小二乘法，对于不是中心要素的元素（如平面、线的位臵以及圆的直径值等），根据最小二乘法原理，其计算结果一般大致处于被测实际轮廓要素中间位臵，当被测实际轮廓要素的形状误差较大时，与其它测量方案将产生较大的差异。

不同测量方法的差异性
如图所示，H1是用三坐标测量机在工件底面实际轮廓要素上直接采样测量得到的测量结果；H2是用平台测量法得到的测量结果。

用三坐标测量机的测量结果H1 比平台测量结
果H2 大约小f/2，f为底
面的平面度误差值，当
工件底面平面度误差f
较大时，两种测量方案
的测量结果将产生较大
的差异。

测量方案的设计
对于该类工件的测量方案设计，应考虑底面用一平面度较好的平面来模拟体现，我们在该模拟平面上采样的测量结果，既符合工件实际工作状态特性，也与现场平台测量结果有较好的一致性。

测量力对测量结果的影响
对于表面粗糙度低、材料硬度低的孔径测量，由于最小二乘法的算法以及测量机测头的测量力远远小于现场检测用的内径量表的测量力，故测量机的测量结果小于内径量表的测量结果，我们在工作中应加以注意。

数据处理方法对结果的影响我们还应注意三坐标测量机系统软件的计算输出结果的形式和计算方法，在某些三坐标测量机（如我公司购臵）的系统软件中，在计算线对面的平行度误差和线对线的垂直度误差时，其计算输出的结果是为一包容实际要素的一圆柱形的直径值，它是空间任意方向上的误差值。

数据处理方法对结果的影响线对面的平行度误差和线对线的垂直度误差项目的公差带形式是平行（垂直）于基准平面（轴线）的两平行平面之间的距离，计算输出结果应是在给定方向上的误差值（参见下图）。

数据处理方法对结果的影响如果我们按通常的测量方法，在建立了零件坐标系后进行测量操作，在这个零件坐标系中测量到上述的项目时，其计算结果将大于实际误差值，因为它包含了不属于规定方向上的误差值，
内燃机缸套孔轴线对主轴孔轴线的垂直度误差测量
数据处理方法对结果的影响
我们在测量上述的形位误差项目时，要为测量该类形位误差建立其单独的、特定的零件坐标系，才能剔除不属于给定方向的误差值，得到正确的测量结果。

第一轴
第二轴
要建立特定的零件坐标系测量线对线垂直度误差测量
第二轴第一轴
四、仪器使用环境的调整
应将仪器使用环境调整到与仪器校准、检定时的环境一致。

特别要注意温度、温度每小时变化率以及温度的空间梯度对测量精度的影响。

仪器使用环境的调整
有些测量机虽然有温度补偿功能，该功能对测量机系统的温度补偿效果较好。

对被测工件而言，除对形状比较规则的（如：量块之类）工件效果尚可外，对结构形状不规则的被测工件，由于不能正确确定其膨胀形式，其补偿效果不甚理想。

五、工件的安放位置
应尽量将被测件的零件坐标系方向平行于仪器导轨方向，这样由于导轨垂直度误差引起的测量误差也比较小。

也可将被测件翻转180度再测量一次，取其算术平均值，最大限度地减少仪器导轨垂直度误差对测量结果的影响。

结束语
以上是我们在三坐标测量机的
实际使用过程中的一些体会。

在此，谨以此文内容抛砖引玉，供大家参考。

由于水平有限，难免存在不妥之处，恳请各位专家、同行予以批评指正。

谢谢各位光临
再见。