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(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(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。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(diǎn)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(jì)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(diǎn)。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(gè)生重要的突破。CMM在自動化程度方面有很大的差別。計(jì)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(jì)算機(jī)硬件性能的提高和價(jià)格降低，絕大部分CMM均配有計(jì)算機(jī)，利用計(jì)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(shí)也可以使用統(tǒng)計(jì)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(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)也相當(dāng)有效。CMM能被廣泛地應(yīng)用，其主要的一個(gè)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(shí)，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(yùn)動學(xué)上，探針處于由三個(gè)圓柱棒6個(gè)球組成的6個(gè)觸點(diǎn)唯一確定的位置上，用一個(gè)輕型的有參緊力的彈簧維持這一位置。6個(gè)觸點(diǎn)圖中的方式依次連接，并接一個(gè)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(shí)，6個(gè)觸點(diǎn)中將有一個(gè)或一個(gè)以上的觸點(diǎn)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(shí)，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(diǎn)是具有三維特性，即X,Y,Z三個(gè)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(gè)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(diǎn)的輸入數(shù)據(jù)。因此，在測量時(shí)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(diǎn)位置。在非CAD指導(dǎo)的檢測系統(tǒng)中，通常在觸點(diǎn)附近作三點(diǎn)測量，從而近似地找出通過該三點(diǎn)的平面法線，這不僅要耗費(fèi)很多時(shí)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(jì)算出被測點(diǎn)法向，讓測頭從法向接觸被測點(diǎn)，這樣就比較容易判斷觸點(diǎn)的位置。如圖所為觸點(diǎn)坐標(biāo)，為測頭端部球心坐標(biāo)，8，a分別為測點(diǎn)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(diǎn)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(gè)固定的支撐，當(dāng)探針接觸被測表面時(shí)，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(shí)際測量時(shí)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(shí)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(shí)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(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)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(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(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(shí)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?yàn)樵谠S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(diǎn)的坐標(biāo)。為了獲得接觸點(diǎn)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(gè)已知直徑的校準(zhǔn)球，校準(zhǔn)探針的過程實(shí)際上就是對這個(gè)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(gè)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(diǎn)，測點(diǎn)當(dāng)選最少為五個(gè)；給定的點(diǎn)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(shí)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(shí)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(shí)，檢測點(diǎn)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)或三點(diǎn)以上的點(diǎn)校準(zhǔn)基準(zhǔn)面；其次通過測量兩點(diǎn)或兩點(diǎn)以上的點(diǎn)來校準(zhǔn)基準(zhǔn)軸；最后再測一點(diǎn)來計(jì)算原點(diǎn)。在以上三步操作中檢測點(diǎn)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(shí)，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(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，測量軟件將自動沿著測針從接觸點(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)的動態(tài)值。實(shí)際上，測量作為一個(gè)動態(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)器空間移動距離。盡管這個(gè)距離極小，但對系統(tǒng)計(jì)算動態(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