三坐标测量机测头的测球半径补偿误差的计算

三 坐 标 测 量 机 测 头 的 测 球 半 径 补 偿 误 差 的 计 算 2006-7-10 工 具 技 术 三 坐 标 测 量 机 测 头 的 测 球 半 径 补 偿 误 差原 作 者 :山 东 理 工 大 学 先 进 制 造 技 术 研 究 中 心 王 红 敏 等 出 处 :工 具 技 术【 论 文 摘 要 】 从 1950 年 英 国 FERRANTI 公 司 制 造 出 第 一 台 数 字 式 测 头移 动 型 三 坐 标 测 量 机 、 1973 年 前 西 德 OPTON 公 司 完 成 三 维 测 头 设 计并 与 电 子 计 算 机 配 套 推 出 第 一 个 三 坐 标 测 量 系 统 以 来 ， 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 。从 1950 年 英 国 FERRANTI 公 司 制 造 出 第 一 台 数 字 式 测 头 移 动 型 三 坐标 测 量 机 、 1973 年 前 西 德 OPTON 公 司 完 成 三 维 测 头 设 计 并 与 电 子 计 算机 配 套 推 出 第 一 个 三 坐 标 测 量 系 统 以 来 ， 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 。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 头机 械 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 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 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 。(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