本文以某自动变速器加工线上的三坐标测量机为例，论述了工件和工件温度、清洁度、测针选型、工装夹具设计、坐标系和测量参数等因素对测量结果的影响，提出了提高三坐标测量机实际测量精度的有效方法。

三坐标测量机的标称精度是建立在使用标准测针测量标准量块和标准球的基础上，实际工作时的测量精度与标称精度存在非常大的差别。在使用过程中，其实际测量精度会受到各种因素的影响。本文结合某公司新建自动变速器壳体加工线，分析了影响三坐标测量机实际测量精度的一些因素。该加工线产品为自动变速器壳体和液压模块阀板，工件材料为压铸铝合金，所用三坐标测量机为活动桥式测量机。

工件和环境温度的影响

工件的实际尺寸随温度的变化而变化。Fe的线性热膨胀因数约为12.2mm/m.℃，Al的线性热膨胀因数约为23.2mm/m.℃，因此温度对于精密测量，尤其是铝合金工件的测量数据有较大的影响。表1、表2、表3和表4是同一个工件分别在18.5℃和21.5℃的温度下测量得到的数据。表1和表2表明，距离和直径尺寸随温度升高而呈线性增大，变化比例近似于材料的线性热膨胀因数。由于零件材料不均匀以及测量误差，体现到某一具体尺寸时，变化量会略偏离理论值。

表3表明，由于位置尺寸随温度变化，位置度也会受温度影响，但变化规律比较复杂。通常距离坐标系原点越远，温度变化量越大，位置度变化量越大。表4表明，圆柱度、平面度、垂直度和平行度等形位公差通常受温度影响较小。

变速器壳体和发动机缸体缸盖形状复杂，需要测量的特性很多，通常测量一个工件需要1h左右。如果工件温度和测量室环境温度相差比较大，在测量的过程中，工件的温度逐渐变化（即温度的时间梯度），对测量精度也会有较大的影响。

因此，需要对工件和测量室进行严格的温度控制。通常，用于精加工的加工中心都配有切削液恒温系统，使加工出来的工件温度在一定范围内（如（20±5）℃）。测量室则要求环境温度（20±2）℃，温度的空间梯度≤1℃/m3，温度的时间梯度≤2℃/8h。如果工件的温度和测量的温度不一致，则需要在测量室放置一段时间，使其温度稳定下来再进行测量。

工件和环境清洁度的影响

工件中较大的切屑对测量数据的影响是非常明显的，一般很容易从测量数据中看出异常。但是细小的切屑附着在工件加工面上不容易被发现，却对高精度测量有较大的影响。变速器壳体和发动机缸体缸盖加工线上都有清洗机，测量工序应该安排在清洗工序之后。如果是工序间测量或者生产线调试阶段无法用清洗机清洗，应该用蘸无水乙醇的绸布擦拭工件。如果用棉布等纺织物和纸巾中擦拭工件的话，纤维遗留在工件中，并通过接触（尤其是扫描测量）被粘到测针上。当测针上面的纤维积累到一定程度，会对测量数据产生影响。这是因为纤维使测针针尖的实际尺寸发生了变化，而且变化后的测针形状是不规则的、尺寸是不稳定的，所以会导致测量数据出现无规律波动。

表5和表6表明，测针上粘有纤维导致孔距离和圆柱度数据出现无规律波动。位置度和直径受影响的情况相同。测量平面度时通常采用触测的方式，并且是测针最前端接触工件，该部位不容易粘上纤维，因此平面度几乎不受影响。

同样，环境中的灰尘和纤维等脏东西可集中在针尖测球上影响三坐标测量机的精度。

测针选型带来的精度损失

正如前面所述，三坐标测量机的标称精度都是建立在标准测针的基础上。该测针通常是φ5mm的针尖、长度80mm的测针杆，直接与吸盘连接，没有加长杆、接头和旋转关节，并且是Z向测针（竖直向下）。

而实际测量的时候，则需要用各种各样的加长杆、接头和旋转关节、测针杆和针尖测球通过螺纹连接来配置成各种各样的测针。这样配置出来的测针长度、重量和刚性各不相同，而且由于连接的环节比较多，累积误差也比较大。

因此，在测针选型时应该注意以下几点：

1. 尽量使用简单的测针组合，减少测针接头

每增加一个测针与加长杆的连接，便增加了一个潜在的弯曲和变形点。在应用中尽可能减少测针组件数。

2. 尽量减少测针的长度和重量

测针越长、重量越大，弯曲或变形量就越大。如果需要加长杆，尽量使用较轻的材料，例如碳纤维。

3. 尽量使用直径大的针尖测球

这样能增大测球/测杆的距离，从而减少由于碰撞测杆所引起的误触发； 测球越大可用的测杆直径也越大，增加了测针的刚性；测球直径越大，受被测工件表面粗糙度的影响越小。

4. 尽量使用Z向的（竖直向下）测针

实验表明，X向和Y向的（水平方向）测针相比Z向的测针有更大的精度损失。

测针各连接环节松动带来精度损失

测针的螺纹连接的环节容易松动，轻微的松动并不会导致连接关节晃动，但是复紧的时候可以感觉到拧紧力矩变小。表7为一根长度为210mm的加配硬质合金延长杆的水平方向测针（见图），连接关节松动前和松动后重复精度对比。虽然测针只是轻微的松动，但是重复精度已经发生很大的变化。

为减少测针精度损失，要做到以下几点：

1. 定期对测针各连接环节进行检查和紧固

螺纹紧固时要控制施加力矩的大小，既要保证连接环节紧固没有间隙，又要保证不至于力矩过大破坏螺纹。

2. 每天开始测量工作之前，每次调整过测针或设备后应校准测针。

工装夹具的影响

工件测量时需要在三坐标测量机的工作台上定位和夹具。因为三坐标测量机的测力很小，如果工件形状规则并且自重比较大，则可能不需要夹具。像变速器壳体那样形状不规则、刚性较差，并且需要在一个姿态下完成多个面上的特性测量的零件，则需要测量夹具。为减少夹具带来的测量误差，要做到以下几点：

1. 考虑工件姿态时，尽量使要测量的面朝上。如果有多个面需要同时测量，尽量使精度要求高的面朝上，尽量使需要用长测针测量的面朝上，以便采用Z向测针。

2. 夹具的元件应该对测针、测座和Z轴立柱进行避让，以缩短测针长度。

3. 测量刚性较差的零件时，尽量使支撑点和夹紧点重合并且夹紧力不宜太大，避免夹紧变形。应该在悬空较大的地方设置辅助支撑，以增强整个系统的刚性。辅助支撑采用自适应或可调的支撑，不宜采用3个以上固定支撑，以免过定位。

坐标系的影响

在选择坐标系时优先考虑使用零件坐标系，选择基准元素时优先考虑使用设计基准和加工基准，以避免基准不统一带来的误差。作为基准的面和线（通常是一个面和两个孔）最好选择能够覆盖最大面积的特征，即最好选择最大的面和两个距离最远的孔。作为基准元素的面和孔应该有较高的精度。如果基准元素本身精度差，则测量结果会变差。如基准面的平面度比较差，则测量出来的平行度、垂直度和位置度都会变差。

测量参数的影响

三坐标测量机有“触测”和“扫描”两种工作方式。测量参数包括触测的测力、扫描的测力和过滤参数以及扫描速度等。一般按照三坐标测量机制造商提供的标准参数进行设置。但是标准参数不一定适用于所有零件所有特性的测量。对于精度较高的特性，应该用经过更高精度设备或计量院检定的校准件进行验证，然后根据验证结果对参数进行微调。

振动带来的影响

振动则会导致测量机停止运行甚至损坏。而轻微的振动会影响测量精度。机加工车间里全是大型设备，振动源比较多，需要为三坐标测量机的建造防振地基。但是防振地基并不能绝对隔绝振动对三坐标测量机的影响。如果测量机附近新增加了振动源（如新增设备或者施工），测量数据突然出现波动又排除了其他因素，应该考虑振动的影响。必要时可以选择其他隔振系统，如橡胶弹性垫、螺旋弹簧或气浮隔振系统。

结语

通过本次对三坐标测量机实际测量精度的研究，我们总结出了上述影响因素和对策。在确定测量方案、测针选型、工装夹具设计和应用操作的过程中，我们应该逐项认真考虑，排除不良因素的影响，使三坐标测量机发挥最高的测量精度。其中，测针和工装夹具的影响不容易被发现，并且后期整改工作量较大，需要特别注意。