坐标测量机测量长度标准件的误差分析与控制方法

坐标测量机测量长度标准件的误差分析与控制方法

柴海峰 曹 阳 高 静

中航工业西安航空发动机（集团）有限公司 计量中心 陕西 西安 710021

摘要：针对零件车间标准件周期检测误差偏大的问题进行分析找出原因，确定科学的检测方法，提高周期检测一致性。

关键词：精度控制 CNC 法矢 误差分析

Coordinate Measuring Machine Length Standard Error Analysis and Control Methods

Chai Haifeng Cao Yang Gao Jing

AVIC Xi'an Aero-Engine （Group） metering center Co. Ltd Shaanxi Xi'an 710021

Abstract：Standard parts for parts workshop cycle detection error is too large to identify the cause of problems are analyzed to determine the scientific testing methods to improve the consistency of cycle detection.

Keywords： precision control； CNC； normal vector； error analysis

0、引言

随着我公司多机种研制，长度标准件的制造成倍增加，标准件周期检定在我们日常工作中的份额也随之变大，周期检定一致性问题也随之显现。以前出现一致性偏大的问题就调换设备重新检测，反复检测，这样既耽误时间，又浪费成本，已严重影响到车间的零部件交付。因此，围绕成本指标，采用群策群力、精益等工具找到问题的根源，对检测流程进行过程控制，对检测方法进行改进，从而提高周期检定的一致性。

标准件的尺寸检测是平面与平面、线与线的距离和圆柱、圆锥的直径。也就是圆度、圆柱度、圆锥度、平行度、垂直度和距离等参数的评价。经长期验证误差偏大的原因有以下几方面：

1、测量元素的精度控制

三坐标测量机在手动模式下相对CNC模式要有一定的误差，我们经过多次观察和实验发现：

1.1 测量机在测量点的时候，通过测量机光栅记录的点坐标是测针宝石球中心的坐标，而我们需要测量的点坐标是宝石球与工件接触点的坐标，这两者相差一个宝石球的半径，由前者经计算得到后者的过程，我们称之为测头半径修正（或测头补偿），是由测量机软件来实现的。

1.2 测量机软件进行测头半径修正的一个必要条件是要知道被测点的法向方向，在 CNC测量（即自动测量）时，其法向方向是由程序给出的；而手动测量时只能根据测量的触测方向或后退方向，来判断其法向方向来进行测头半径修正。

图1 测头修正方向示意图

1.3 在沿轴向方向测量点时，操纵杆比较容易掌握，法向方向比较容易判断而且比较准确；但是与轴向有一定角度尤其是空间点的测量时，由于操纵杆操作的协调性问题使测量和后退的方向不能完全是法向方向。因此当方向差的比较多时就会出现测头半径补偿方向错误的情况，即出现极大误差。这对于操作测量机时间不多的操作人员来说是可能经常出现的。

1.4 所有测量软件中对于测量点的测头半径修正都是沿机器或零件坐标系的轴向方向进行的，其原因就是因为点的方向矢量无法准确确定。

针对以上问题，解决的办法：

（1）.我们知道这种问题产生的原因，只要在测量时加以注意并随着操作人员的逐步熟练就可以得到解决。

（2）.手动测量时，尽量沿被测点的法向方向触测和后退。

（3）.测量复杂标准件一定要建立零件坐标系，对于没有沿坐标轴向测量的测量点可以转化为测量平面或线。

（4）.手动测量时测量机软件可以自动生成自学习程序，手动测量后可以用自学习程序自动测量一遍，可以得到更为准确的结果。

2、位置公差的精度控制

在坐标测量机的测量过程中，平面与平面的垂直度或平行度的测量评价在测量方法上是非常重要的。因为测量方法不当会使测量的重复性很差，而且反映不了真实情况。为什么会造成这种情况？怎样测量才能够准确呢？

2.1 测量机的测量原理

测量元素时，坐标测量机用测头在被测零件的表面上触测几个点，测量系统将测量点的坐标传送到计算机，计算机根据所测量的元素用数学方法计算出该元素的特征数据和该元素的测量误差。比如圆：经计算得到圆心点坐标、圆直径、圆度误差、圆的投影平面。再如平面：平面的方向矢量、平面上点坐标、平面度误差。

我们可以通过以上的测量和计算得到所需的结果，也可以通过特征数据计算进一步得到其他位置误差。如：通过计算两个圆心之间的距离，与标准值的比较，得到位置度误差。通过计算两平面的方向矢量的夹角来计算两平面的角度。

为在测量中能够真实反映被测零件的误差，通常要求在测量时根据零件的大小、被测零件表面的光洁度选择测量点位置和测量点数。如果在这方面没有注意，有可能造成测量误差。如：测量圆时，要求尽量测到圆的全部，如果测量范围小于 1/4圆，你会发现其测量结果中，圆的直径和圆心点坐标的重复性很差，每次测量的结果相差很多。同理，当我们测量小平面的平行时也会发现其重复性很差。

为什么在测量时会出现以上情况呢？让我们进行以下分析：

2.2 测量的重复性与准确性

测量机在测量每一个点时都有一个精确度问题，在测量机的术语中我们称之为“重复性”，在测量机精度指标的 P值（即探测误差）中就反映了这一点。机器的 P值所涉及的因素很多，反映了测量机整体的品质。除机器的因素外，零件表面的形状误差也会影响测量点的重复性。因此这个误差是始终存在的。由于重复性误差的影响，就出现了以下的问题。

图2 曲面误差分析示意图

从图2的示意中可以看出：

中间的小圆是被测圆，由于测量点的分布小于1/4圆时就可能出现计算出的结果的直径和中心点位置偏差很大的情况，而且结果的重复性相差很大。测量点的分布越接近整圆其结果越接近真实值。图中：当测量角度为θ1时其计算的圆可能是大圆。

图3 平面误差分析示意图

从上图的示意中我们不难想象，在测量整个平面时，在触测的全部 5个点中如果其中一个点 2μm的重复性或形状误差对这个平面的方向矢量几乎没有任何影响。但同样在这个平面的局部测量4个点中如有一个点有2μm误差的话，就会使这个平面的方向矢量非常大的变化。

总结以上分析结果：

（1）. 测量机由于标准件结构和形状的影响存在不可消除的重复性误差。

（2）. 由于重复性误差的存在，在测量时要尽量在被测元素的最大区域内测量，使得最大程度的反映标准件的真实情况。

2.3测量软件是如何计算垂直度、平行度和角度的

测量后的元素在计算软件中都是用矢量来表示的，如：线元素是由与测量方向有关的、与被测线平行的矢量，和通过测量点计算出的线上一点来表示的，为计算方便再加上一个该线的投影平面的方向矢量。一点一矢量即唯一表示这条线。这条线是有方向而没有长短的。面元素是由该平面的法向矢量和该平面上的一点来唯一表示这个面的，没有这个平面的长宽和大小的记录。在测量软件中计算夹角和垂直度就是用矢量计算的方法来实现的。

图4 测量机计算误差分析示意图

以上图示中可以了解测量机软件的计算方法。从线的垂直度和平行度的计算过程中可以看出：是先计算出两线的夹角，然后再根据被测线的长度计算出垂直度误差和平行度误差。求平面对平面的垂直度和平行度也是同样道理，其计算方法是一样的。 从以上说明可以得知：计算垂直度和平行度是通过计算矢量之间的夹角和被测长度来得出的。

2.4 影响平面垂直度、平行度测量的因素

如果我们所测量平面的面积比较大、形状误差很小、是正方形的，那我们测量它们之间的垂直度和平行度重复性误差会很小。而实际零件中被测平面的形状是多种多样的，以长方形的比较多。而且能够测量到的部分可能又受到测头、测杆的限制，测量的范围不够大。因此经常会出现测量平面比较窄的类似长方形的现象。如前所述，面的方向矢量在测量范围大的时候受重复性影响比较小，而测量范围小的时候受重复性影响比较大。所以长方形平面的方向矢量在窄的方向变化比较大。

图5 测量机角度计算误差分析示意图

而平面的垂直度中其方向矢量计算夹角时，是空间角度。所以没有真实反映平面之间的垂直度。由于长方形中，窄边方向的矢量变化大，而计算垂直度或平行度时的长度却是按长边输入的。因此出现误差被放大的情况。

综合以上：

（1）.长方形平面窄边方向的矢量变化大。

（2）.平面对平面计算垂直度或平行度时，其矢量的夹角是空间角度。

由于计算平面的垂直度或平行度时其长度值输入的往往是长边的长度，所以误差被放大。由于变化大的矢量角度加被放大的误差，所以计算平面的垂直度或平行度时往往重复性极差，而且不能真实反映实际情况。

如此说，那平面的垂直度和平行度就无法测量了？那也不是，只要我们了解的问题的原因，我们就有解决的办法。

2.5 平面的垂直度或平行度的测量方法

测量平面的垂直度或平行度的方法有以下几种：

因为造成测量时方向矢量变化的原因是存在有重复性误差，而且测量的平面比较窄。所以要尽量避免这种情况，尽量使测量范围大一些。在无法避免的时候，要适当增加测量点数，以求避免个别差点影响方向矢量的情况。这种方法也适合测量小于1/4圆的圆弧的情形。

用测量平面对线或线对线的方法替代平面对平面的测量方法。这种方法使需要测量的方向和测量长度方向一致，比较真实的反映零件的真实情况而不会放大测量误差。并且通过计算角度可以直观的了解零件误差产生原因，便于提供返修意见。在一条线不能反映全部垂直或平行的时候，可以根据需要多测量几条线，最终误差以最大的为准。

注意：要计算线与线垂直度或平行度时，应将线投影至公共平平面；因为如前所述，在计算机软件中计算矢量时，往往是直接计算，因而可能是空间方向夹角，对计算垂直度会有一些影响。

3、采取的措施

通过以上的分析我们应该采取以下措施：

（1）对标准件按公差进行归类，周期检测固定到各个设备。

（2）在检测各元素时严格执行几何量元素测量参数的规定。

（3）对检测程序进行整理、固化。

（4）严格执行几何量的检定/校准及实验室检测管理中关于标准件的定温时间的规定。

4、结论

通过技术攻关和摸索试验，解决了车间标准件周期检测误差偏大的问题。经过大量标准件的检测与比对，检测流程进行过程控制以及检测方法的改进，制定标准件的检测规范，提高了周期检测的合格率，从而保证了生产单元标准件周期检测的一致性。

参考文献：

[1] 费业泰. 误差理论与数据处理 [M] . 北京：机械工业出版社，2000.

[2] 张国雄. 三坐标测量机 [M] . 天津：天津大学出版社，1999.

[3] 国防科工委与质量司. 几何量计量 [M] . 北京：原子能出版社，2002

[4] 海克斯康测量技术（青岛）有限公司. 实用坐标测量技术 [M] . 北京：化学工业出版社，2007.

作者简介：

柴海峰（1977-），男，山西运城人，高级工程师，从事几何量计量测试技术研究。