三坐标测量机测头的误差校准

1、三坐标测量机测头的误差校准内容摘要:经过几十年的快速发展，坐标测量技术已臻成熟，测量精度得到极大提高，测量软件功能更加强大，操作界面也日益完善，生产厂家遍布全球，开发出了适于不同用途的三坐标测量机型。几十年的发展充分证明，现代三坐标测量系统打破了传统的测量模式，具有通用、灵活、高效等特点，可以通过计算机控制完成各种复杂零件的测量，符合机械制造业中柔性自动化发展的需要，能够满足现代生产对测量技术提出的高精度、高效率要求。 除用于空间尺寸及形位误差的测量外，应用坐标测量机对未知数学模型的复杂曲面进行测量，提取复杂曲面的原始形状信息，重构被测曲面，实现被测曲面的数字化，不仅是坐标测量机应用的一个重要领域，也是反求工程中的关键技术之一，近年来也得到快速发展。关键词：补偿误差 探针 找正 校准 三维特性 触发坐标测量机及其特点坐标测量机是一种具有很强柔性的尺寸测量设备，CMM在工业界的应用开始于对棱柱零件的快速、精确测量。但随着CMM各方面技术的发展（如回转工作触发式测头的产生），特别是计算机的CMM的出现，目前，CMM已广泛应用于对各类零件的自动检测。与投影仪、轮廓测量仪、圆度测量仪、激光测量

2、仪等比较，CMM具有适应性强，功能完善等特点。坐标测量机的出现，不仅提高了检测设备的水平，而且在自动化检测中也是一个生重要的突破。CMM在自动化程度方面有很大的差别。计算机控制的CMM具有自动执行检测、分析检测数据和输出检测结果的功能，而一般的CMM仅有手动控制功能或手动控制加示教功能。目前，随着计算机硬件性能的提高和价格降低，绝大部分CMM均配有计算机，利用计算机可对测量所得的数据进行在线分析，以判别被控件是否合格。同时也可以使用统计技术来确定工艺能力是否满足，分析误差等来源。 除了再质量检测方面使用CMM外，CMM还可以用于对实物的仿物的信制加工中，即所谓逆向工程。在这种情况下，由CMM测量实际工件，并将测量所得的数据传到系统中，由CAD/CAM系统对这些数据进行加工处理，建立CAD模型，并进一步生成加工指令来指导加工。 CMM测头测头是CMM非常重要的部件，可以这样说，测头的发展先进程度就标志着CMM的发展先进程度。CMM可以配置不同类型的测头传感器。接触类的测头主要包括触发式、模拟式两种。非接触式包括激光三角测量、激光成像、机器视觉等。最初人们使用CMM时，由操作人员移动坐标轴

3、，所用的测头是刚性的，当刚性测头以一定的接触力接触到被测表面时，人为记录下各坐标轴的坐标值。这种初期的 CMM不可能具有自动检测的能力，使用范围受到了极大的限制。但是由于它具有了三坐标的雏形，在使用测头钻孔的位置时也相当有效。CMM能被广泛地应用，其主要的一个原因是发明了触发式测头，触发式测头的最大功能是它的触发功能，即当探针接触被测表面并有一定的微笑位移时，测头就发出一电信号，利用此信号可以立即锁定当前坐标轴的位置，从而自动记录坐标值。触发式测头是由雷尼绍公司发明的，现在该公司生产一系列的触发式测头，可用于CNC加工中心，雷尼绍公司的生产的CMM测头现已成为行业标准配置，广泛地用于各大生产厂家的CMM上。常见的测头再运动学上，探针处于由三个圆柱棒6个球组成的6个触点唯一确定的位置上，用一个轻型的有参紧力的弹簧维持这一位置。6个 触点图中的方式依次连接，并接一个恒定电流电源。当探针接触被测表面，并产生微小位移时，6个触点中将有一个或一个以上的触点断开，从而使回路中的电阻迅速增大。当回路中的电阻增大到一定数值时，两端超过一定数值的电压将将起到开关电路发出信号。利用此信号就可以读取当前的测

4、量位置数据。这种测头的特点是具有三维特性，即X,Y,Z三个方向的移动接触均能引起触发。因此，可以从不同的方向接触被测表面，而不会影响测量结果。 在触发式测头进行测量的过程中，探针必须偏移一个固定的数量才会触发开关，因此，测量结果中要对这段偏移进行补偿。探针接触被测表面后，为了避免移动过量而折段，探针需要反方向退出一定距离。因此测量速度比硬探头扫描测量速度低。CMM是用探针端部球的中心坐标值作为点的输入数据。因此，在测量时必须用恰当的方法推断测头端部球与被测零件的触点位置。在非CAD指导的检测系统中，通常在触点附近作三点测量，从而近似地找出通过该三点的平面法线，这不仅要耗费很多时间，从而测量精度也比较低。在CAD指导的检测系统中可以根据被测工件的CAD模型直接计算出被测点法向，让测头从法向接触被测点，这样就比较容易判断触点的位置。如图所为触点坐标，为测头端部球心坐标，8，a分别为测点法向与z轴夹角及法向在xy平面内投影与y轴夹角，则接触点的坐标可表示为：x=x-R sinB.sinay=x-R sinb.sinaz=X-R sinb.sina 图所示为探针的形状。它的作用是为红宝石球提供

5、一个固定的支撑，当探针接触被测表面时，探针的微笑移动可触发开关，从而发出信号。探针有不同的类型。如图所示，根据不同的需要可以选择不同的类型的探针。为了获得较高的测量精度，建议在实际测量时遵循以下两条原则：1、尽量使用长度短的和刚性好的探针。测量时探针的弯曲越大，偏移越大，测量的重复精度就越低。2、尽量选用直径大的红宝石探针。选用直径大的红宝石探针，一方面可以减小加工表面缺陷时测量精度的影响，另一方面可以增大探针的有效工作长度。如图7-8所示。1 测头的分类 测量头作为测量传感器，是坐标测量系统中非常重要的部件。三坐标测量机的工作效率、精度与测量头密切相关，没有先进的测量头，就无法发挥测量机的卓越功能。坐标测量机的发展促进了新型测头的研制，新型测头的开发又进一步扩大了测量机的应用范围。按测量方法，可将测头分为接触式（触发式）和非接触式两大类。触发式测量头又分为机械接触式测头和电气接触式测头；非接触式测头则包括光学显微镜、电视扫描头及激光扫描头等。本文讨论的重点为触发式测头。 (1)机械接触式测头 接触式测头又称为“刚性测头”、“硬测头”，一般用于“静态”测量，大多作为接触元件使用。这种测

6、头没有传感系统，无量程、不发讯，只是一个纯机械式接触头。机械接触式测头主要用于手动测量。由于人工直接操作，故测头的测量力不易控制，只适于作一般精度的测量。由于其明显的缺点，目前这种测头已很少使用。 (2)电气接触式测头 电气接触式测头又称为“软测头”，适于动态测量。这种测头作为测量传感器，是唯一与工件接触的部件，每测量一个点时，测头传感部分总有一个“接触偏转发讯回复”的过程，测头的测端与被测件接触后可作偏移，传感器输出模拟位移量的信号。这种测头不但可用于瞄准(即过零发讯)，还可用于测微(即测出给定坐标值的偏差值)。因此按其功能，电气接触式测头又可分为作瞄准用的开关测头和具有测微功能的三向测头。电气接触式测头是目前使用最多的测头。 2 测球半径补偿误差 (1)测针的选择 正确选择和使用测头是影响坐标测量机的测量精度的重要因素。测针安装在测头上，是测量系统中直接接触工件的部分，它与测头的通讯式连接渠道称作触发信号。如何选用合适的测针类型和规格取决于被测工件的特征，但是在任何情况下，测针的刚性和测球的球度都是不可或缺的。 工业用红宝石是高硬度的陶瓷材料，红宝石测球具有很好的球度，测量时红宝石

7、测球的球头磨损可忽略不计。测针针杆一般用非磁性的不锈钢针杆或碳钨纤维针杆，以保证测针的刚性。测针的有效工作长度(EWL)使得测针接触工件时可获得精确的测点位置。球头尺寸和测针有效工作长度的选取取决于被测工件。可能的情况下，选择球头直径尽可能大、测杆尽可能短的测针，以保证最大的球头/测杆距，获得最佳的有效工作长度和测针刚性。需要时可加长测杆以增大探测深度，但值得注意的是，使用测针加长杆会降低刚性，从而降低测量精度。（3）探针的校准在对工件进行实际检测之前，首先要对测量过程中用到的探针进行校准。因为在许多尺寸的测量当中需要沿不同的方向进行探测，系统记录的是探针中心的坐标而不是接触点的坐标。为了获得接触点的坐标，必须对探针半径进行补偿。因此首先必须对探针进行校准。一般使用校准球来校准探针。校准球是一个已知直径的校准球，校准探针的过程实际上就是对这个已知直径的标准进行测量直径的过程，如图7-1所示。该球的测量值等于校准球的直径加探针直径，这样也就可以确定探针直径，将探针直径除以2，得出探针半径，系统用这个值就可以对测量结果进行补偿。校准的具体操作步骤一般如下：将探头正确的安装在CMM的主轴上；

8、将探针在工件表面移动，看是否均能测得到，检查探针是否清洁。记住，一旦探针的位置发生改变，就必须重新校准；将校准球装在工作台上，要确保不用移动校准球上打点，测点当选最少为五个；给定的点当数测完后，就可以得到测量所得的校准球的位置、直径、形状偏差，由此可以得到探针的半径值。测量过程中所有要用到的探针都要进行校准，而且一旦探针改变位置，或者取下后下次再用时要重新进行校准，这样一来在探针的校准方面要用去大量的时间。为解决这一问题，有的CMM上配有测头库和测头自动交换装置。测头库中的测头经过一次校准后可重复交换使用而无需重新校准。工件的找正 我们知道CMM有其本身的机器坐标系，而在进行检测规划时，检测点数量及其分布的确定以及检测路径的生成及信真等都是在CAD中工件坐标系下进行的。因此在进行实际检测之前首先要确定工件坐标系在CMM机器坐标系中的位置关系。即首先要在CMM机器坐标系中对工件进行找正。通常采用6点找正法，即“3-2-1”方法对工件进行找正。如图7-12所示，首先通过在指定平面上测量三点或三点以上的点校准基准面；其次通过测量两点或两点以上的点来校准基准轴；最后再测一点来计算原点。在以上三

9、步操作中检测点位置的确定都是依据工件坐标系来选择的。工件在工作台上的搁置方式一般有两种。一种是通过专用夹具或自动装卸装置，将工件放在工作台沙锅内的某仪固定位置。这样，通过一次工件找正，再以后测量同批工件时，由于工件的位置基本上是确定的，故无须再对工件进行找正，直接就可进行测量；另一种是通过肉眼的观察直接将工件放在工作台的某一合适位置，在这种情况下每测一工件都必须首先对其在工作台上进行找正。(2)测球半径补偿误差 当测针接触到工件时，三坐标测量机接收的的坐标值应是红宝石球头中心点坐标，显然，测量软件将自动沿着测针从接触点回退的方向加上一个测球半径值作为测量值。但该测量值是一个与测头的机械惯性有关的动态值。实际上，测量作为一个动态过程，其测量值应该考虑到从测头采点到实际向系统传送该点坐标值时发生的机器空间移动距离。尽管这个距离极小，但对系统计算动态尺寸有一定影响。 在实际测量时，每测量一个元素，系统都可以自动区分测球半径的补偿方向，计算正确的补偿半径。在采点开始后，测量软件将在沿着测针接触工件的方向上对测球进行半径补偿。但被补偿点并非真正的接触点，而是测头沿着测针接触工件方向的延长线上的一个点。这样就造成了补偿误差，产生误差的大小与测球的半径及该工件被测面与笛卡尔坐标轴的夹角有关，夹角越大，误差越大。 测球半径r对补偿误差的影响 补偿误差与测球半径r成正比关系，即测球半径r越小，补偿误差也越小。因此当用三坐标测量机进行点位测量时，应选用尽可能小的测球。 测针轴线与被测表面法线间的夹角对补偿误差的影响 当测针轴线与被测表面法线间的夹角等于0时，测球半径补偿误差也为0。因此，测量时要尽可能使测针轴线与被测表面垂直，使测头沿着被测表面的法线方向移动，以最大限度地减小测球半径补偿误差。 在用三坐标测量机测量点元素时，测量软件在自动补偿测球半径过程中会出现测球半径补偿误差。通过运用参考坐标系找正工件或用CNC模式进行测量，使测头沿着

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