三坐標(biāo)測量機(jī)測頭的誤差校準(zhǔn)--專題.doc

三坐標(biāo)測量機(jī)測頭的誤差校準(zhǔn)內(nèi)容摘要:經(jīng)過幾十年的快速發(fā)展，坐標(biāo)測量技術(shù)已臻成熟，測量精度得到極大提高，測量軟件功能更加強(qiáng)大，操作界面也日益完善，生產(chǎn)廠家遍布全球，開發(fā)出了適于不同用途的三坐標(biāo)測量機(jī)型。幾十年的發(fā)展充分證明，現(xiàn)代三坐標(biāo)測量系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)的測量模式，具有通用、靈活、高效等特點，可以通過計算機(jī)控制完成各種復(fù)雜零件的測量，符合機(jī)械制造業(yè)中柔性自動化發(fā)展的需要，能夠滿足現(xiàn)代生產(chǎn)對測量技術(shù)提出的高精度、高效率要求。除用于空間尺寸及形位誤差的測量外，應(yīng)用坐標(biāo)測量機(jī)對未知數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜曲面進(jìn)行測量，提取復(fù)雜曲面的原始形狀信息，重構(gòu)被測曲面，實現(xiàn)被測曲面的數(shù)字化，不僅是坐標(biāo)測量機(jī)應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域，也是反求工程中的關(guān)鍵技術(shù)之一，近年來也得到快速發(fā)展。關(guān)鍵詞：補(bǔ)償誤差探針找正校準(zhǔn)三維特性觸發(fā)坐標(biāo)測量機(jī)及其特點坐標(biāo)測量機(jī)是一種具有很強(qiáng)柔性的尺寸測量設(shè)備，CMM在工業(yè)界的應(yīng)用開始于對棱柱零件的快速、精確測量。但隨著CMM各方面技術(shù)的發(fā)展（如回轉(zhuǎn)工作觸發(fā)式測頭的產(chǎn)生），特別是計算機(jī)的CMM的出現(xiàn)，目前，CMM已廣泛應(yīng)用于對各類零件的自動檢測。與投影儀、輪廓測量儀、圓度測量儀、激光測量儀等比較，CMM具有適應(yīng)性強(qiáng)，功能完善等特點。坐標(biāo)測量機(jī)的出現(xiàn)，不僅提高了檢測設(shè)備的水平，而且在自動化檢測中也是一個生重要的突破。CMM在自動化程度方面有很大的差別。計算機(jī)控制的CMM具有自動執(zhí)行檢測、分析檢測數(shù)據(jù)和輸出檢測結(jié)果的功能，而一般的CMM僅有手動控制功能或手動控制加示教功能。目前，隨著計算機(jī)硬件性能的提高和價格降低，絕大部分CMM均配有計算機(jī)，利用計算機(jī)可對測量所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線分析，以判別被控件是否合格。同時也可以使用統(tǒng)計技術(shù)來確定工藝能力是否滿足，分析誤差等來源。除了再質(zhì)量檢測方面使用CMM外，CMM還可以用于對實物的仿物的信制加工中，即所謂逆向工程。在這種情況下，由CMM測量實際工件，并將測量所得的數(shù)據(jù)傳到系統(tǒng)中，由CAD/CAM系統(tǒng)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，建立CAD模型，并進(jìn)一步生成加工指令來指導(dǎo)加工。CMM測頭測頭是CMM非常重要的部件，可以這樣說，測頭的發(fā)展先進(jìn)程度就標(biāo)志著CMM的發(fā)展先進(jìn)程度。CMM可以配置不同類型的測頭傳感器。接觸類的測頭主要包括觸發(fā)式、模擬式兩種。非接觸式包括激光三角測量、激光成像、機(jī)器視覺等。最初人們使用CMM時，由操作人員移動坐標(biāo)軸，所用的測頭是剛性的，當(dāng)剛性測頭以一定的接觸力接觸到被測表面時，人為記錄下各坐標(biāo)軸的坐標(biāo)值。這種初期的CMM不可能具有自動檢測的能力，使用范圍受到了極大的限制。但是由于它具有了三坐標(biāo)的雛形，在使用測頭鉆孔的位置時也相當(dāng)有效。CMM能被廣泛地應(yīng)用，其主要的一個原因是發(fā)明了觸發(fā)式測頭，觸發(fā)式測頭的最大功能是它的觸發(fā)功能，即當(dāng)探針接觸被測表面并有一定的微笑位移時，測頭就發(fā)出一電信號，利用此信號可以立即鎖定當(dāng)前坐標(biāo)軸的位置，從而自動記錄坐標(biāo)值。觸發(fā)式測頭是由雷尼紹公司發(fā)明的，現(xiàn)在該公司生產(chǎn)一系列的觸發(fā)式測頭，可用于CNC加工中心，雷尼紹公司的生產(chǎn)的CMM測頭現(xiàn)已成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)配置，廣泛地用于各大生產(chǎn)廠家的CMM上。常見的測頭再運動學(xué)上，探針處于由三個圓柱棒6個球組成的6個觸點唯一確定的位置上，用一個輕型的有參緊力的彈簧維持這一位置。6個觸點圖中的方式依次連接，并接一個恒定電流電源。當(dāng)探針接觸被測表面，并產(chǎn)生微小位移時，6個觸點中將有一個或一個以上的觸點斷開，從而使回路中的電阻迅速增大。當(dāng)回路中的電阻增大到一定數(shù)值時，兩端超過一定數(shù)值的電壓將將起到開關(guān)電路發(fā)出信號。利用此信號就可以讀取當(dāng)前的測量位置數(shù)據(jù)。這種測頭的特點是具有三維特性，即X,Y,Z三個方向的移動接觸均能引起觸發(fā)。因此，可以從不同的方向接觸被測表面，而不會影響測量結(jié)果。在觸發(fā)式測頭進(jìn)行測量的過程中，探針必須偏移一個固定的數(shù)量才會觸發(fā)開關(guān)，因此，測量結(jié)果中要對這段偏移進(jìn)行補(bǔ)償。探針接觸被測表面后，為了避免移動過量而折段，探針需要反方向退出一定距離。因此測量速度比硬探頭掃描測量速度低。CMM是用探針端部球的中心坐標(biāo)值作為點的輸入數(shù)據(jù)。因此，在測量時必須用恰當(dāng)?shù)姆椒ㄍ茢鄿y頭端部球與被測零件的觸點位置。在非CAD指導(dǎo)的檢測系統(tǒng)中，通常在觸點附近作三點測量，從而近似地找出通過該三點的平面法線，這不僅要耗費很多時間，從而測量精度也比較低。在CAD指導(dǎo)的檢測系統(tǒng)中可以根據(jù)被測工件的CAD模型直接計算出被測點法向，讓測頭從法向接觸被測點，這樣就比較容易判斷觸點的位置。如圖所為觸點坐標(biāo)，為測頭端部球心坐標(biāo)，8，a分別為測點法向與z軸夾角及法向在xy平面內(nèi)投影與y軸夾角，則接觸點的坐標(biāo)可表示為：x=x-RsinB.sinay=x-Rsinb.sinaz=X-Rsinb.sina圖所示為探針的形狀。它的作用是為紅寶石球提供一個固定的支撐，當(dāng)探針接觸被測表面時，探針的微笑移動可觸發(fā)開關(guān)，從而發(fā)出信號。探針有不同的類型。如圖所示，根據(jù)不同的需要可以選擇不同的類型的探針。為了獲得較高的測量精度，建議在實際測量時遵循以下兩條原則：1、盡量使用長度短的和剛性好的探針。測量時探針的彎曲越大，偏移越大，測量的重復(fù)精度就越低。2、盡量選用直徑大的紅寶石探針。選用直徑大的紅寶石探針，一方面可以減小加工表面缺陷時測量精度的影響，另一方面可以增大探針的有效工作長度。如圖7-8所示。1測頭的分類測量頭作為測量傳感器，是坐標(biāo)測量系統(tǒng)中非常重要的部件。三坐標(biāo)測量機(jī)的工作效率、精度與測量頭密切相關(guān)，沒有先進(jìn)的測量頭，就無法發(fā)揮測量機(jī)的卓越功能。坐標(biāo)測量機(jī)的發(fā)展促進(jìn)了新型測頭的研制，新型測頭的開發(fā)又進(jìn)一步擴(kuò)大了測量機(jī)的應(yīng)用范圍。按測量方法，可將測頭分為接觸式（觸發(fā)式）和非接觸式兩大類。觸發(fā)式測量頭又分為機(jī)械接觸式測頭和電氣接觸式測頭；非接觸式測頭則包括光學(xué)顯微鏡、電視掃描頭及激光掃描頭等。本文討論的重點為觸發(fā)式測頭。(1)機(jī)械接觸式測頭接觸式測頭又稱為“剛性測頭”、“硬測頭”，一般用于“靜態(tài)”測量，大多作為接觸元件使用。這種測頭沒有傳感系統(tǒng)，無量程、不發(fā)訊，只是一個純機(jī)械式接觸頭。機(jī)械接觸式測頭主要用于手動測量。由于人工直接操作，故測頭的測量力不易控制，只適于作一般精度的測量。由于其明顯的缺點，目前這種測頭已很少使用。(2)電氣接觸式測頭電氣接觸式測頭又稱為“軟測頭”，適于動態(tài)測量。這種測頭作為測量傳感器，是唯一與工件接觸的部件，每測量一個點時，測頭傳感部分總有一個“接觸偏轉(zhuǎn)發(fā)訊回復(fù)”的過程，測頭的測端與被測件接觸后可作偏移，傳感器輸出模擬位移量的信號。這種測頭不但可用于瞄準(zhǔn)(即過零發(fā)訊)，還可用于測微(即測出給定坐標(biāo)值的偏差值)。因此按其功能，電氣接觸式測頭又可分為作瞄準(zhǔn)用的開關(guān)測頭和具有測微功能的三向測頭。電氣接觸式測頭是目前使用最多的測頭。2測球半徑補(bǔ)償誤差(1)測針的選擇正確選擇和使用測頭是影響坐標(biāo)測量機(jī)的測量精度的重要因素。測針安裝在測頭上，是測量系統(tǒng)中直接接觸工件的部分，它與測頭的通訊式連接渠道稱作觸發(fā)信號。如何選用合適的測針類型和規(guī)格取決于被測工件的特征，但是在任何情況下，測針的剛性和測球的球度都是不可或缺的。工業(yè)用紅寶石是高硬度的陶瓷材料，紅寶石測球具有很好的球度，測量時紅寶石測球的球頭磨損可忽略不計。測針針桿一般用非磁性的不銹鋼針桿或碳鎢纖維針桿，以保證測針的剛性。測針的有效工作長度(EWL)使得測針接觸工件時可獲得精確的測點位置。球頭尺寸和測針有效工作長度的選取取決于被測工件?？赡艿那闆r下，選擇球頭直徑盡可能大、測桿盡可能短的測針，以保證最大的球頭/測桿距，獲得最佳的有效工作長度和測針剛性。需要時可加長測桿以增大探測深度，但值得注意的是，使用測針加長桿會降低剛性，從而降低測量精度。（3）探針的校準(zhǔn)在對工件進(jìn)行實際檢測之前，首先要對測量過程中用到的探針進(jìn)行校準(zhǔn)。因為在許多尺寸的測量當(dāng)中需要沿不同的方向進(jìn)行探測，系統(tǒng)記錄的是探針中心的坐標(biāo)而不是接觸點的坐標(biāo)。為了獲得接觸點的坐標(biāo)，必須對探針半徑進(jìn)行補(bǔ)償。因此首先必須對探針進(jìn)行校準(zhǔn)。一般使用校準(zhǔn)球來校準(zhǔn)探針。校準(zhǔn)球是一個已知直徑的校準(zhǔn)球，校準(zhǔn)探針的過程實際上就是對這個已知直徑的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量直徑的過程，如圖7-1所示。該球的測量值等于校準(zhǔn)球的直徑加探針直徑，這樣也就可以確定探針直徑，將探針直徑除以2，得出探針半徑，系統(tǒng)用這個值就可以對測量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。校準(zhǔn)的具體操作步驟一般如下：將探頭正確的安裝在CMM的主軸上；將探針在工件表面移動，看是否均能測得到，檢查探針是否清潔。記住，一旦探針的位置發(fā)生改變，就必須重新校準(zhǔn)；將校準(zhǔn)球裝在工作臺上，要確保不用移動校準(zhǔn)球上打點，測點當(dāng)選最少為五個；給定的點當(dāng)數(shù)測完后，就可以得到測量所得的校準(zhǔn)球的位置、直徑、形狀偏差，由此可以得到探針的半徑值。測量過程中所有要用到的探針都要進(jìn)行校準(zhǔn)，而且一旦探針改變位置，或者取下后下次再用時要重新進(jìn)行校準(zhǔn)，這樣一來在探針的校準(zhǔn)方面要用去大量的時間。為解決這一問題，有的CMM上配有測頭庫和測頭自動交換裝置。測頭庫中的測頭經(jīng)過一次校準(zhǔn)后可重復(fù)交換使用而無需重新校準(zhǔn)。工件的找正我們知道CMM有其本身的機(jī)器坐標(biāo)系，而在進(jìn)行檢測規(guī)劃時，檢測點數(shù)量及其分布的確定以及檢測路徑的生成及信真等都是在CAD中工件坐標(biāo)系下進(jìn)行的。因此在進(jìn)行實際檢測之前首先要確定工件坐標(biāo)系在CMM機(jī)器坐標(biāo)系中的位置關(guān)系。即首先要在CMM機(jī)器坐標(biāo)系中對工件進(jìn)行找正。通常采用6點找正法，即“3-2-1”方法對工件進(jìn)行找正。如圖7-12所示，首先通過在指定平面上測量三點或三點以上的點校準(zhǔn)基準(zhǔn)面；其次通過測量兩點或兩點以上的點來校準(zhǔn)基準(zhǔn)軸；最后再測一點來計算原點。在以上三步操作中檢測點位置的確定都是依據(jù)工件坐標(biāo)系來選擇的。工件在工作臺上的擱置方式一般有兩種。一種是通過專用夾具或自動裝卸裝置，將工件放在工作臺沙鍋內(nèi)的某儀固定位置。這樣，通過一次工件找正，再以后測量同批工件時，由于工件的位置基本上是確定的，故無須再對工件進(jìn)行找正，直接就可進(jìn)行測量；另一種是通過肉眼的觀察直接將工件放在工作臺的某一合適位置，在這種情況下每測一工件都必須首先對其在工作臺上進(jìn)行找正。(2)測球半徑補(bǔ)償誤差當(dāng)測針接觸到工件時，三坐標(biāo)測量機(jī)接收的的坐標(biāo)值應(yīng)是紅寶石球頭中心點坐標(biāo)，顯然，測量軟件將自動沿著測針從接觸點回退的方向加上一個測球半徑值作為測量值。但該測量值是一個與測頭的機(jī)械慣性有關(guān)的動態(tài)值。實際上，測量作為一個動態(tài)過程，其測量值應(yīng)該考慮到從測頭采點到實際向系統(tǒng)傳送該點坐標(biāo)值時發(fā)生的機(jī)器空間移動距離。盡管這個距離極小，但對系統(tǒng)計算動態(tài)尺寸有一定影響。在實際測量時，每測量一個元素，系統(tǒng)都可以自動區(qū)分測球半徑的補(bǔ)償方向，計算正確的補(bǔ)償半徑。在采點開始后，測量軟件將在沿著測針接觸工件的方向上對測球進(jìn)行半徑補(bǔ)償。但被補(bǔ)償點并非真正的接觸點，而是測頭沿著測針接觸工件方向的延長線上的一個點。這樣就造成了補(bǔ)償誤差，產(chǎn)生誤差的大小與測球的半徑及該工件被測面與笛卡爾坐標(biāo)軸的夾角有關(guān)，夾角越大，誤差越大。測球半徑r對補(bǔ)償誤差的影響補(bǔ)償誤差與測球半徑r成正比關(guān)系，即測球半徑r越小，補(bǔ)償誤差也越小。因此當(dāng)用三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行點位測量時，應(yīng)選用盡可能