三坐標測量機測頭的誤差校準.doc

三坐標測量機測頭的誤差校準內容摘要:經過幾十年的快速發(fā)展，坐標測量技術已臻成熟，測量精度得到極大提高，測量軟件功能更加強大，操作界面也日益完善，生產廠家遍布全球，開發(fā)出了適于不同用途的三坐標測量機型。幾十年的發(fā)展充分證明，現(xiàn)代三坐標測量系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)的測量模式，具有通用、靈活、高效等特點，可以通過計算機控制完成各種復雜零件的測量，符合機械制造業(yè)中柔性自動化發(fā)展的需要，能夠滿足現(xiàn)代生產對測量技術提出的高精度、高效率要求。除用于空間尺寸及形位誤差的測量外，應用坐標測量機對未知數(shù)學模型的復雜曲面進行測量，提取復雜曲面的原始形狀信息，重構被測曲面，實現(xiàn)被測曲面的數(shù)字化，不僅是坐標測量機應用的一個重要領域，也是反求工程中的關鍵技術之一，近年來也得到快速發(fā)展。關鍵詞：補償誤差探針找正校準三維特性觸發(fā)坐標測量機及其特點坐標測量機是一種具有很強柔性的尺寸測量設備，CMM在工業(yè)界的應用開始于對棱柱零件的快速、精確測量。但隨著CMM各方面技術的發(fā)展（如回轉工作觸發(fā)式測頭的產生），特別是計算機的CMM的出現(xiàn)，目前，CMM已廣泛應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具有適應性強，功能完善等特點。坐標測量機的出現(xiàn)，不僅提高了檢測設備的水平，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，隨著計算機硬件性能的提高和價格降低，絕大部分CMM均配有計算機，利用計算機可對測量所得的數(shù)據(jù)進行在線分析，以判別被控件是否合格。同時也可以使用統(tǒng)計技術來確定工藝能力是否滿足，分析誤差等來源。除了再質量檢測方面使用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)進行加工處理，建立CAD模型，并進一步生成加工指令來指導加工。CMM測頭測頭是CMM非常重要的部件，可以這樣說，測頭的發(fā)展先進程度就標志著CMM的發(fā)展先進程度。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、機器視覺等。最初人們使用CMM時，由操作人員移動坐標軸，所用的測頭是剛性的，當剛性測頭以一定的接觸力接觸到被測表面時，人為記錄下各坐標軸的坐標值。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的雛形，在使用測頭鉆孔的位置時也相當有效。CMM能被廣泛地應用，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前坐標軸的位置，從而自動記錄坐標值。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，雷尼紹公司的生產的CMM測頭現(xiàn)已成為行業(yè)標準配置，廣泛地用于各大生產廠家的CMM上。常見的測頭再運動學上，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。當探針接觸被測表面，并產生微小位移時，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電路發(fā)出信號。利用此信號就可以讀取當前的測量位置數(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，而不會影響測量結果。在觸發(fā)式測頭進行測量的過程中，探針必須偏移一個固定的數(shù)量才會觸發(fā)開關，因此，測量結果中要對這段偏移進行補償。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值作為點的輸入數(shù)據(jù)。因此，在測量時必須用恰當?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，為測頭端部球心坐標，8，a分別為測點法向與z軸夾角及法向在xy平面內投影與y軸夾角，則接觸點的坐標可表示為：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，當探針接觸被測表面時，探針的微笑移動可觸發(fā)開關，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，是坐標測量系統(tǒng)中非常重要的部件。三坐標測量機的工作效率、精度與測量頭密切相關，沒有先進的測量頭，就無法發(fā)揮測量機的卓越功能。坐標測量機的發(fā)展促進了新型測頭的研制，新型測頭的開發(fā)又進一步擴大了測量機的應用范圍。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，只是一個純機械式接觸頭。機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“接觸偏轉發(fā)訊回復”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(即過零發(fā)訊)，還可用于測微(即測出給定坐標值的偏差值)。因此按其功能，電氣接觸式測頭又可分為作瞄準用的開關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測球半徑補償誤差(1)測針的選擇正確選擇和使用測頭是影響坐標測量機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。可能的情況下，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）探針的校準在對工件進行實際檢測之前，首先要對測量過程中用到的探針進行校準。因為在許多尺寸的測量當中需要沿不同的方向進行探測，系統(tǒng)記錄的是探針中心的坐標而不是接觸點的坐標。為了獲得接觸點的坐標，必須對探針半徑進行補償。因此首先必須對探針進行校準。一般使用校準球來校準探針。校準球是一個已知直徑的校準球，校準探針的過程實際上就是對這個已知直徑的標準進行測量直徑的過程，如圖7-1所示。該球的測量值等于校準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果進行補償。校準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；將校準球裝在工作臺上，要確保不用移動校準球上打點，測點當選最少為五個；給定的點當數(shù)測完后，就可以得到測量所得的校準球的位置、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行校準，而且一旦探針改變位置，或者取下后下次再用時要重新進行校準，這樣一來在探針的校準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。測頭庫中的測頭經過一次校準后可重復交換使用而無需重新校準。工件的找正我們知道CMM有其本身的機器坐標系，而在進行檢測規(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中工件坐標系下進行的。因此在進行實際檢測之前首先要確定工件坐標系在CMM機器坐標系中的位置關系。即首先要在CMM機器坐標系中對工件進行找正。通常采用6點找正法，即“3-2-1”方法對工件進行找正。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基準面；其次通過測量兩點或兩點以上的