星形探针测量误差分析及解决方法

通过对环规测量数据的分析,发现星形探针在使用中存在着由于各个探针动态半径不同而造成的测量误差。在论述误差产生原因的基础上,提出了一种间接测量方法“测点计算法”,来消除星形探针带来的误差,进而提高测量精度。

星形探针是由4个或多个探针共同组成的一个探针组合,在测量时作为一个整体使用。由于星形探针的作用半径大于测杆半径,测杆不易与被测零件碰撞,因此在很大程度上拓展了三坐标测量机的测量范围,特别是在测量圆槽、盲孔、轴线较长的内孔、外圆柱以及箱体类零件时,它可以实现单探针无法完成的检测任务,得到了广泛应用[1]。

然而,在实际测量中,星形探针的测量结果往往会出现较大的重复误差,某些情况下误差甚至超出了仪器的精度范围,致使用户对三坐标测量机的测量结果产生怀疑。在测量机的精度和系统误差一定的情况下,本文就星形探针的不同使用方法可能带来的误差加以分析,试图找出产生误差的原因。

1 环规的测量数据

本文所用的被测件是直径49·9985mm的环规,使用的星形探针如图1所示。

探针经过标定后,其动态半径分别是:rt1=0·9944mm;rt2=0·9861mm;rt3=0·9925mm;rt4=0?9894mm;rt5=0·9900mm。

在检测孔类元素时,一般都会使用三坐标测量机的测圆指令(mcir)。由于星形探针由2、3、4、5号探针组合而成,测量时4个探针会有不同的顺序组合。本文探讨测量时所用的最后一个探针(以下简称终针)对测量结果的影响。

下面采用不同的测量方法检测环规,操作步骤如下:

(1)选择1号探针,使用测量机的mcir指令测量环规。五次测量结果分别为49·9991mm,49·9998mm, 49·9985mm, 49·9981mm, 49·9991mm。五次测量的平均值是49·9989mm,标准偏差是0·00032。与环规的实际值49·9985mm相差0·0004mm,测量机的测量结果是可信的。

(2)选择星形探针,分别以2、3、4、5号探针为终针,利用测量机的测圆功能(mcir)测量环规。测量数据见表1。

(3)计算各次测量的平均值和标准偏差[2],列于表1。

2 测量结果的误差分析

考查表1中的测量结果,可以发现:

(1) 20次测量的最大值是50·0077mm,最小值是49·9934mm,最大重复测量误差为0·0143mm;

(2)各次测量结果均不存在粗大误差,可以作为数据分析的依据;

(3)同一终针五次测量的标准偏差较小,测量系统具有相对稳定性;

(4)以2、3、5号探针为终针的测量结果与实际值49·9985mm相差较大;

(5)终针不同,对同一零件的测量结果有较大差异。

分析测量结果与终针动态半径的关系,令d′i=di-2*rti,其中, di为不同终针对环规的测量结果平均值, rti为终针的动态半径, d′i为没有补偿探针动态半径时的环规直径。当终针i分别为2、3、4、5时,则有:

(1)在补偿探针半径之前,终针的动态半径对测量结果几乎没有影响;

(2)在使用星形探针或多个探针测量一个圆时,测量机是以终针的动态半径进行补偿的。当执行测圆指令mcir时,测量系统首先记录每次采点时探针的中心坐标,得到四个未经补偿的点,然后再用这四个点和终针的动态半径评定所测的圆。因此,终针的动态半径不同,对同一环规的测量结果必然不同。

在使用星形探针检测某一元素时,为了消除测量误差,组成星形探针的单个探针应当具有相同的动态半径。动态半径是测球的半径、测杆的挠曲、标定过程等因素的综合体现。理论上,多次重复标定可以减小标定过程的随机误差,但测球的半径、测杆的挠曲等制造因素带来的误差却不能消除。所以,同一型号和规格的探针,其动态半径存在一定的误差。

3 问题的解决———测点计算法

圆是组成几何图形的基本要素,测圆的误差会直接影响到机械零件上与孔相关的圆度、圆柱度、同轴度、端跳、孔距等形位误差,必须解决星形探针对圆元素的正确测量问题。

分别以2、3、4、5号探针为终针,在环规上顺序测量4个点,利用这4个点计算一个圆(使用指令msh和icir,以下简称测点计算法),测量数据见表2。

考查表2中测点计算法的测量结果, 20次测量的重复精度是50·0015mm -50·0000mm =0·0015mm,在仪器精度范围内。

观察测量平均值,以5号探针为终针的测量结果(50·0012mm)最大,与最小值50·0005mm之差是0·0007mm,与单探针(1号探针)的测量结果49·9989mm之差是0·0017mm,与环规实际值49·9985mm之差是0·0023mm,都在仪器精度范围内,测量结果可靠。

使用测点计算法测量圆,测量结果不随终针的不同而变化。仪器每测量一个点,测量系统即用对应的探针动态半径对该点进行补偿,得到其实际坐标位置,再用这四个经过补偿的点评定所测的圆。测点计算法避免了各个探针动态半径的差异带来的误差,提高了测量精度。

表3和表4是分别用直接测圆法和测点计算法对直径是150mm的外圆柱的测量数据。从中可以看出,终针的动态半径也影响外圆的测量结果,而测点计算法同样适用于外圆的高精度测量。

4 结束语

星形探针的测量误差主要是由于探针之间的动态半径不同造成的。使用星形探针测量一个元素时,应保证所用的各个单探针具有相同的动态半径。

在圆元素的测量中,测点计算法可以消除星形探针带来的误差,提高测量精度。