三坐標(biāo)測量機(jī)測頭的測球半徑補(bǔ)償誤差

1、三坐標(biāo)測量機(jī)測頭的測球半徑補(bǔ)償誤差1950 年英國 FERRANTI 公司制造出第一臺(tái)數(shù)字式測頭移動(dòng)型三坐標(biāo)測量機(jī)、 1973年前西德 OPTON 公司完成三維測頭設(shè)計(jì)并與電子計(jì)算機(jī)配套推出第一個(gè)三 坐標(biāo)測量系統(tǒng)以來，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(diǎn)，可以通過 計(jì)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(dòng)化發(fā)展的需 要，能夠滿足現(xiàn)代生產(chǎn)對(duì)測量技術(shù)提出的高精度

2、、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(duì)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(shí)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(gè)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。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

3、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(diǎn)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(gè)純機(jī)械式接觸 頭。機(jī)械接觸式測頭主要用于手動(dòng)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(diǎn)，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(dòng)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(gè)點(diǎn)時(shí)，測頭傳感部分總有一個(gè) “接觸 偏轉(zhuǎn)

4、 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(hào)。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三坐標(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(hào)。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

5、是高硬度的陶瓷材料，紅寶石測球具有很好的球度，測量時(shí)紅寶石 測球的球頭磨損可忽略不計(jì)。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(shí)可獲得 精確的測點(diǎn)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?情況下，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(shí)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(huì)降低剛性，從而降低測量精度。(2)測球半徑補(bǔ)償誤差 當(dāng)測針接觸到工件時(shí)，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(diǎn)坐 標(biāo)，顯然，測量軟件

6、將自動(dòng)沿著測針從接觸點(diǎn)回退的方向加上一個(gè)測球半徑值作 為測量值。但該測量值是一個(gè)與測頭的機(jī)械慣性有關(guān)的動(dòng)態(tài)值。實(shí)際上，測量作 為一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，其測量值應(yīng)該考慮到從測頭采點(diǎn)到實(shí)際向系統(tǒng)傳送該點(diǎn)坐標(biāo)值 時(shí)發(fā)生的機(jī)器空間移動(dòng)距離。盡管這個(gè)距離極小，但對(duì)系統(tǒng)計(jì)算動(dòng)態(tài)尺寸有一定 影響。在實(shí)際測量時(shí)，每測量一個(gè)元素，系統(tǒng)都可以自動(dòng)區(qū)分測球半徑的補(bǔ)償方向，計(jì) 算正確的補(bǔ)償半徑。在采點(diǎn)開始后，測量軟件將在沿著測針接觸工件的方向上對(duì) 測球進(jìn)行半徑補(bǔ)償。但被補(bǔ)償點(diǎn)并非真正的接觸點(diǎn)，而是測頭沿著測針接觸工件 方向的延長線上的一個(gè)點(diǎn)。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(duì)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(diǎn)位測量時(shí)，應(yīng)選用盡可能小的測球。測針軸線與被測表面法線間的夾角 對(duì)補(bǔ)償誤差的影響 當(dāng)測針軸線與被測表面法線間的夾角 等于 0時(shí)，測球半徑補(bǔ)償誤差 也為 0。 因此，測量時(shí)要盡可能使測針軸線與被測表面垂直，使測頭沿著被測表面的法線 方向移動(dòng)，以最大限度地減小測球半徑補(bǔ)償誤差。在用三坐標(biāo)測量機(jī)測量點(diǎn)元素時(shí)，測量軟件在自動(dòng)補(bǔ)