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三坐标测量仪的检验校准探讨

作者:admin 时间:2018-02-26 17:27

 1 三坐标测量仪的原理 
  几何测量以点的坐标位置作为基础,一般分为一维测量、二维测量和三维测量。坐标测量仪是专业进行几何测量的仪器。三坐标测量仪的原理是将被测量的零件放入测量仪容许的空间里,精密地测量出零件的X、Y、Z三个坐标的数值,并对这些标准的数值进行计算机数据处理,通过拟合形成测量的元素,例如圆形、球形、圆柱体、圆锥体、曲面等等,经过数学计算得出位置、形状公差以及其他几何数据。 
  作为一种数字化、现代化的科技测量设备,三坐标测量不仅可以测量尺寸,而且可以测量位置公差与几何形状,甚至可以完成非常复杂的测量任务。通常情况下,我们在使用三坐标测量仪的过程中,往往会遇到一些令人困扰的问题,采用三坐标测量和其他方法测量队同一尺寸进行测量,得到的结果却不一致。一般地,我们将原因归咎于三坐标测量仪的自身精度问。因此,对三坐标测量仪进行校准十分必要。 
  2 坐标测量仪的校对准则 
  坐标测量仪的校准主要解决的经典问题是发现坐标测量仪六个或六个以上的特征,并建立其局部的坐标系统。对坐标测量仪进行校对必须满足以下准则:第一,所选择的三点的矢量方向应保持基本一致,并且应用于校平零件。第二,随后所选择的两点的矢量方向也要保持基本一致,并且用于和前三点的矢量方向保持基本垂直,主要应用于找正零件的方向。第三,第六点的矢量方向要与前五点的矢量方向保持基本垂直,并且用于定义坐标的原点。除此以外,选择的特征点越多,相应的校准的精度就会越高。所以,此方法对于校准单个的零件十分有效。但是,对于批量的产品来说,此方法的效率显然是很低的,除了重复单个零件的校准过程以外,暂时还没有专门针对批量产品的校准以及评估误差的有效方法。通常情况下,批量产品的校准和评估误差的方法可以利用人工对基准零件进行校准的方法。对于夹在同一个工作台面上的零件,可以采用基准点的方法使得程序自动进行校准。 
  3 校对标准缺乏通用性 
  对于三坐标测量仪的校准准则和标准,无论是国际还是国家所提供的精度检测的方法都不能满足相关的溯源性的要求。它们仅仅对说明书中所指出的性能指标或者于购货合同中所指出的功能指标的验收标准以及复测方法。按照这种定义进行检定,坐标测量仪的溯源只能通过比长仪的方法或者进行不确定度分析的方法完成。 
  对标准件进行测量所得出的测量值与标准值之间的差异,可以当作修正值或者代替不确定度使用。此时,坐标测量仪起着一台比长仪所起的作用。对于大部分测量任务来说,这种方法简单、易行、准确、非常具有价值。其误差估计可以通过测量结果得出,不需采用黑盒子方法。比长仪的方法适用于象一般量规的检定。原因在于它们大多数情况下属于简单的几何形状,并具有标准器,标准器的使用对于更高精度的测量设备进行了溯源校准。 
  比长仪的测量方法也有其局限性,即必须保证所使用的标准器能够以足够高的精确度进行检定,这便是比长仪方法的缺点。因为,对大部分测量任务来说,建立一个特别的标准器是不可能的,或者说是没有意义的,这不仅需要很长的周期,而且非常昂贵,测量结果并非十分准确。所以,比长仪的方法并没有被广泛采用。同时,比长仪的测量方法不符合坐标测量仪的柔性和通用性要求。 
  进行不确定度分析的方法,需要确定坐标测量仪自身的偏差。这种偏差是由仪器的三个导轨的二十一项误差元素,包括直线度误差,位置度,扭摆和垂直度误差以及测头触测等误差组成。理论上讲,各种测量对象的测量误差基本上是由于这些误差元素所引起的。而这些误差元素在每个测量区域中叠加,各个坐标点的最终误差矢量便由这些误差元素的综合作用决定的。 
  不确定度分析,包括各误差元素的叠加以及计对测量任务的测量不确定度的作用,每个测量任务不能同时进行。这一过程对于复杂的测量任务尤其繁琐。主要原因在于坐标测量仪自身存在的误差很复杂。不同的测量任务,误差元素的叠加会不尽相同;同一个测量任务,如果采用不同的测量过程,它产生的结果也会不同。由此可见,这种方法仅对少数的测量任务有效,也就是当进行不确定分析的支出已经支付过的时候。在工业现场通过不确定度分析的校准方法是行不通的。 
  4 坐标测量仪的校准观念要改变 
  一般情况下,尺寸的校准值与真实值之间的偏差是由于测量仪元件自身的误差综合作用而成的。校准可以明确测量值与真实值之间的接近程度。对于简单的测量工具而言,其检定结果通常可以通过一个修正系数或者一条修正曲线给出。 
  坐标测量仪是加工测量技术的通用测量仪器。通过坐标测量仪几乎可以确定所有物体的几何参数,例如齿轮、马达机壳、压塑模具等。这些参数不是单个的点,而是校准的对象。由此,我们可以得出坐标测量仪的校准定义是确定这些几何参数的测量不确定度。坐标测量仪的测量任务具有多样性,因此,像简单的测量工具那样来检定对于坐标测量仪来说几乎是不可能的。从另一方面说,坐标测量仪由多个不同的组件组成,自身的误差比一般的简单工具复杂的多。 
  PTB鉴于普通的坐标测量方法的局限性,研究了一种新型测量方法虚拟坐标测量仪的方法。这种方法在不确定度分析方法的基础之上,借助于一个软件包,将坐标测量仪中所有的运动学与几何特征存储在计算机内,利用这种虚拟的、不存在的坐标测量仪对任何测量任务都可以进行模拟,并且估计其不确定度。此方法的重要组成部分是利用球板或孔板等二维标准具简单地确定测量仪的误差因素,代替传统且昂贵的使用水平仪、激光干涉仪的方法。虚拟坐标测量的方法充分考虑了测量的过程,在软件中就可以将其计算到测量不确定度中。 
  虚拟坐标测量的方法对于进行测量的溯源建立了更多的可能性。虚拟坐标测量的进一步研究目的则是将坐标测量的应用软件与模拟软件一体化,使得测量不确定度的计算可以平行于测量过程并在后台运行,最终实现每个测量任务都可以自动给出测量不确定度。 




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