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三维计量的探测系统摘要三维参数是最常见的工件质量特性。这些特征一致性测试的测量过程包含着探测表面的重要子过程。一个种类繁多的用于探测不同测量任务的测量系统在车间里，以及在这计量环境，已经发明了。在坐标测量机（CMM）中即使在亚微米范围内，探测系统必须保证感应操作重复性。本文介绍要求、不同的原则和接触测量系统在三维计量的参数，与一些探测系统，这一系统在实践中使用的例子。关键词：三维计量，探头，三坐标测量机（CMM）1任务，目的和测量的基础知识。对工件的长度测量是比较两个表面点的实际长度与标准1的距离。对一个工件的几何量测量（例如大小，两架飞机或两轴直接的距离，圆的直径，外形的偏差，垂直度，跳动，粗糙度等等）几何量来衡量一个工件的距离，是指选定的测量点对工件的真实面的位置和距离。因此，有必要通过用传感元件（如：笔尖）触碰在实际表面的所需点，或则通过非接触式传感方式对实际表面所需的点234（如：运用多种光学效应），并且测量其位置参照其他表面的实际点或以某种方式定义的基准点，基准或基准系统 - 从实际面而得。该组件连接参照点与工件的表面点成的测量电路是探测系统（图1）。该探头是坐标测量机（CMM）5或三维测量仪器的最重要元件之一，是为一个测量的整体的准确性负责。即使在恶劣的环境中和一切影响的存在如工件材料，表面地形，温度，振动，动力学，探测系统也必须确保检测子进程在亚微米范围内6的重复性。最合适探测工件的尺寸测量常见的是接触和光学探测系统。由于探测系统任务的一般性和种类繁多的实施方法，本文无法处理所有的。因此，重点是限于测量范围从亚微米到数毫米不等的触觉探测系统的坐标测量。他们的工作主要是基于一个与工件的机械作用，并且他们通常在多个方向测量。光学和大范围探测和测量系统是被描述在2002年沙特电信P主题论文【7】、【8】中。一个探测系统的主要任务是阐述了一维探测系统：一个工件的长/高的完整测量（一维（1D），偏转法），图2a。通过旋转【10】、【11】、【12】或则转换工件或则探测系统，测量从一个标准的工件或则从理想的形状【9】（圆或直线）的偏差的尺寸之间的区别。在这种情况下，固定部分（不论工件还是探测系统）必须被放置在一个特定的位置和方向上（一维，差分法），图2b。一个表面点和一个或多个外部长度测量系统【13】、【14】之间的联系例如：高度（一维）测量装置，图2c、图3。通过轴的数量，探测系统通常被提及，这里他们能操作。他们被分为：一维（1D）二维（2D）及三维（三维）操作系统。大多数情况下它们的功能特性均来自于一个直角，圆柱或球坐标系统。一维探测系统是在一个方向灵敏。二维系统是在一个平面灵敏。在三维空间中的小费球在空间的任意位移都被测量。在特殊情况下：2 探测系统是在飞机上敏感，且只有有限的灵敏度/测量范围垂直于这架飞机。图2：一维探测系统的目的。（a：高度的完整测量，b：差异或偏差测量，c：联动一个长度（高度）测量系统）图3：坐标系里的探测系统。（b：提示校正向量；rm:探测点的位置向量在机械坐标系）探测点在机械坐标系中的位置向量rm是该探测系统参考点rr的位置向量的和，改探测系统的位置向量rp到球的中心点，并且向量b从中心点到实际接触点（图3）。当一个三维坐标系（xw,yw,zw）在工件定义，从机械坐标系转换成工件坐标系后，所有的测量点就可以作为rw输出。多参考点的位置的能被进行三维测量，例如通过三坐标测量机，激光跟踪仪或多点定位系统。【15】。因此，机械坐标系统可以成为卡迪尔（所有的三坐标测量机）或则球形（如激光跟踪仪【16】）。一个接触探测系统必须至少有以下特点（图4），以满足其要求：一个接触元件，以建立一个与工件的相互作用（如针尖球【17】）一个转换设备，将关于相互作用的信息从接触元件传给传感器（如触笔轴）。一个能量产生元件（暂停），以产生一种定义的探测力（如弹簧）一个传感器感应接触元件与工件（例如电器开关）的相互作用。一个输出传递信息为触发长度测量装置（如规模）或进一步处理（如弯曲校正，考虑到合格的球头半径，仪器软件的评估）。响应特性q=Rs (1)q：探测系统的输出信号R：响应S：球尖的位移矢量描述了测量性能。探测系统能安装在一个固定位置或者在具有测量系统18位置（图4）的传动装置，以满足确定有关外部数据（如三坐标测量机）的瞬间位置。图4：2探测系统的基本配置。如果球尖位置的测量尽可能的直接接触，那么该测量就更可靠。这是因为任何一种传输导致偏差和过滤。注：探测点（如就签上）和检测点之间的距离应该尽可能短。为了达到最佳的动态性能，这两点之间的质量（绝对量，转动惯量）应该尽可能低。最常见的直接测量的例子是韦斯光纤探针（参加，4）和尖探头雷尼绍（参加，3,1），通过光学测量球尖的位置。探针头应尽可能短，这探针头的刚度应尽可能高，接缝应避免。1.1探测进程测量过程可分为四个连续的任务：定位，探测，测量和评价。定位是将工件带入探测系统的测量范围，反之亦然的过程。在传统的三坐标测量机中，这通常是通过移动探测系统。在定位中关键是不断的检测探测系统和工件之间的距离从而避免碰撞19和确定的最大安全的测量范围时就达到了。这一基本任务的探测是当目标点是在探测系统的测量范围和物理连接，这个物理连接是在出触碰元件和表面之间建立的。测量是比较测量尺寸和测量标准。为了达到这个目的，测量可以被分离（如量块）或融入探测系统（如校准尺度）。当探测系统在运动时，它的位置也要被测量。表面点的实际位置矢量p转变成探测点位置矢量rp（探测、测量）在探测器中坐标系可以通过矩阵Mp（图5）描述。伴随着机械坐标系各个方面的未知，这个点的实际位置矢量p应该被探测。当探测系统已被定位，该探测系统的参考点的位置矢量r被定义，相对于机床坐标系。图5：测量作为一个转变过程。通过探测和测量该点的实际位置矢量p是由探测系统矩阵Mp（f）转化为校正测量点的位置矢量rp(2),这通常不同于与该点的实际位置矢量在坐标系中描述的，因为很多影响（特别是探测力f）和探测系统的信号传输特性。矩阵M描述了包括结果（在机床坐标系测量点坐标）的整个测量过程。如果矩阵描述测量过程是精知的和可逆性（3），那么目标接触点的实际坐标可以准确地导出。这是不幸的北非如此，由于环境和其他不完全已知的影响。探测的误差来源于不同的实际矩阵和它的近似估计。矩阵通过设计，材料的组件和软件的感应系统，以及环境和其他因素的影响被定义。测量给出了在机械坐标系中的球的中心点（表示测量点）。该信息以被校正，考虑了影响（如探头，由于弯曲力的方向和价值，环境和资格数据），和尖球的半径和-如果需要的话-如果是已知信息-方向向量b。转换后的工件坐标系得到向量rw（图3）。因此表面点可以被描述独立于机械坐标系。（对于标准的几何特性，探测方向并不是必须的，因为所有的尺寸可以通过增加或减少计算的参数（从小球的中心坐标计算）参照提示球的直径/半径的特点）。1.2影响探头性能的因素如今大量不同的探测系统商业上用的，执行多种测量任务。三坐标测量机的主要制造商正在开发他们 的探测系统，为了从第三方供应商中独立，并避免技术妥协当集成探测系统用于三坐标测量机。一般来说，他们不出售自己的探测系统给其他的三坐标测量机的制造商。有时候，他们融入一个可探测系统在他们自己的探测系统里，是对客户需求，或者是为了避免在他们自己的探测系统中的重大变化。小型三坐标测量机制造商没有能力发展自己的探测系统，因此他们利用现有的探测系统，为他们自己的三坐标测量机。在世界市场上占主导地位的探测系统制造商供应测量系统的厂家以及机床行业三坐标测量机。来作一个系统概述，探测系统的各个方面及其应用描述如下（图6）。图6：探测系统的各个方面。硬探头，触摸式触发探头，测量探测系统硬探头是硬探针。用于检测被测量和探测头之间的接触的传感器是经营者（其行动带来的指针接触工件，图7a）或电流测量仪器，如果一个电压被应用在一个金属工件和一个坚硬的钢尖探头球中。这个解决方案是触摸触发探测。图7：硬（a）,触摸式触发（b）和测量（3）探针。图8：触摸触发的响应特性和探测系统（d：pretravel）对于触摸探测系统触发，最终结果是布尔20（接触或非接触）。当由于移动尖端球接触表面21（图7B和图8）时，或当尖端球再次离开表面22时，产生一个触发信号。第二种可能具有较高的重复性优势23，24。与此相反，测量系统提供关于尖端球的位置的量化信息伴随提及的参考点，这参考点需要扫描（图7c和图8）25，26，27，28。分离点探测，扫描分离点探测是通过发射两次探测之间的表面和在下一个点被探测时再次接触它，对表面点连续测量。这个方法的缺点是它需要很长的时间，每一个点的接近表面的过程和退出必须重复每一个被测量点。在扫描方式中，当一套座标在时间序列时被抽样，触碰元件被引导在表面的沿线上，尖端球一直触碰着表面29。在扫瞄方式下许多点每个单位时间可以被测量。以上被定义的扫描方式与接触触发器探测系统是不可行的，但却是可能完成伪探测器在地表面移动与断断续续的接触的方式。然而数据捕捉速率小于测量探针。静态、动态。当测量系统的各个组成部分保持静止时，静态探测完成。动态测量执行，在测量系统读出时，至少一个部件在移动。由于静态测量的触发信号只能被产生在运动，所以接触触发器探测这儿是不可能的。主动，被动。悬浮能工作被动（也就是没有驱动，如弹簧）或者主动（也就是驱动，如电磁式）。主动原则的优点，就是一个可和调，方向独立的探测力能被实现。被动系统的优点是低质量，提供更好的动态性能和较低的价格。串联，并联。在每个轴上，探测系统必须允许尖端球的运动。对于二维或三维探测系统可安排在要么并联要么串联方式（图9）。图9：串联和并联运动分析（x、y、z：平动自由度：转动自由度）安放对静态和动态性能都有很强的影响，以及探测系统的大小和重量。连续动力学包括几个独立被堆叠的轴，这通常是平动和相互垂直的30、31。在一个坐标中的运动是指一个轴的运动（图9a）。相反，并联运动学被描述有通过一个运动在一个坐标介入至少两个轴，像一个有六足机架结构的特点。（图9）。通常串联运动学允许更大的移动，而并联运动学往往是硬的，因此可以具有更好的动态性能。在探测系统中传感器的信号评估方法用串联运动学分析更简单。这种系统的定向响应模式遵循自然地从笛卡尔坐标系自然叠放的性质，而那些并联运动学系统是对运动学元素特别安排而定。定向反应模式如果一个探测系统是敏感的在一个以上方向（一维，2 维，三维），定向反应模式（相当于定向预行程的变化）是利益11、12、32、33、34。在不同的方向的灵敏度可能被造成，由于探头的暂停，探头不对称的惯性力矩，在不同的方向，方向传感器的灵敏度依赖于机轴的装配，取决于探测方向的力，探头的偏差和包括独立组合的探测系统的方向依赖动态行为【35】。非独立的方向灵敏度的影响结果是探头的相同的位移导致不同的输出信号，这信号是依赖于这个位移的方向上的。因此，举例来说，当测量一个理想的球体时，一个偏差将被显示。这是必须注意的，该影响对于探测孔和轴承是不同的。图10：Pretravel变化37、38。（a:雷尼绍 TP6;b:雷尼绍TP200;在同一尺度）评估软件可以弥补这个非均质特性的影响，如果它是可重复的和已知的探测方向39、40、41、42、43、44。如果效果得不到补偿，这可能导致测量误差。压电传感器可以显示出比应变式传感器较小的pretravel变化的影响；运动电阻探针一般要高得多pretravel变化显示（图10，3.2秒雷尼绍TP800）。探测系统和横向定位能力探测系统可以用作简单的测量装置，当他们相对于工件不移动。添加一个线性垂直于轴的探测方向提供了基本的粗糙度测量设备配置。一个直线定位轴在一个一维测量系统的灵敏方向提高了测量方位和导致测量工具如高度和不同的测量系统。一个三坐标测量机的三维结果从三个线性无关轴的整合与三维探测系统。探测系统具有旋转定位能力（铰接头）铰接探测头通常是用已用过的两个垂直旋转轴设备去重新调整探头（见图11）。重新调整的能力，提高无障碍的不同定位的工件特性和使接触雕刻表面在每一个接触点的法线方向45、46、47。铰接头是有效的伴随连续和离散角分割并是手动操作，或机动。一个铰接探头由一个一维探头组成，并且旋转定位能力可以作为二维探测系统，为主轴旋转圆度测试仪需要。图11：铰接头90、93。（作者：雷尼绍，蔡司提供）探针和探头改变装置使用探针和探头变化装置能有一个积极的经济效果，就像探测系统可以做自动配置、加速增长、或提高测量任务48、49、50、51、52、53、54、55。最重要的是一个高度可以调节的夹具（通常为基础确定悬板）为这个指针或指针组合。环境影响受环境影响的测试结果，最重要的是如如何偏离影响温度2C的参考热膨胀或收缩导致工件的受力和测量系统。更糟的是工件或者包括探针的测量系统的内部的温度梯度测量系统，因为他们导致变形如弯曲。温度的变化会导致温度梯度和引起anisotropic热膨胀作用，在探测系统，在探针和探针连接处。另一个重要的环境影响是震动，在探测系统中震动导致动态影响，并因此导致偶尔的测量偏差在独立的探针测量中或导致一个明显的波动在扫描模具进行表面测量时。尖端球（机械过滤）探测系统的输出是位移（所涉及的是指这样一个定义零位置在测量的最开始）相关的接触元件。如果那时一个尖端球，它一般是表征其方位点的中心的位置。为了得到正确的测量点的位置（探测点）中心点的位置输出已于校正通过添加一个尖端修正向量b（图3）的尖端半径的长度方向球从这中心点到这个探测点56。尖端球的半径被获得从一个资格程序为探测系统57（见下文）。如果修正过程需要方向，它可以从探测系统中获得（如果方向向量b是被测量），通过插值（至少三个探测点在相邻的表面探测点）或估计（例如CAD模型）。如