《3D测量技术》课件-05-03测头的定义与校验

3D测量技术主讲教师：三坐标测量准备工作第五篇三、测头的定义与校验一套常见的、完整的测头系统包括：测座、转接（CONVERT）、测头（传感器，PROBE）、测针（TIP）、加长杆（EXTEN），如图所示测头系统组成。3.1测头配置的选择测量前的准备工作包括测头的定义与校验。通常将测头系统简称为测头，广义上的测头系统是指整个探测系统，狭义上的测头特指传感器。第三节测头的定义与校验测头系统组成3.2测座的选择手动旋转测座第三节测头的定义与校验测座有旋转式测座和固定式测座两种：自动旋转测座固定式测座3.3测头的选择第三节测头的定义与校验触发式测头1.触发式测头的适用场合当零件所被关注的是尺寸(如小的螺纹底孔)、间距或位置，而并不强调其形状误差(如定位销孔)，或所用的加工设备有能力加工出形状足够好的零件，而注意力主要放在尺寸和位置精度时，接触式触发测量是合适的，特别是对于离散点的测量。触发式测头测量尺寸、距离或位置比扫描测头快，触发测头体积较小，当测量空间狭窄时测头易于接近零件。3.3.1触发式测头第三节测头的定义与校验2.触发式测头的选用选用触发式测头时需要关注传感器的测力，触发测头的测力由硬件决定，根据不同的需要应选择不同测力的测头或吸盘，一般有磁力吸盘的测头，测力由吸盘决定。如图上图为海克斯康HP-T带有M8螺纹连接的触发式测头，±X、±Y和+Z五个方向的力均可触发测头传感器。从左到右依次为：红色标识低触发测力（LF），其触发测力为0.055N（带10mm的测针）；黄色标识标准触发测力(SF)，其触发测力为0.08N（带10mm的测针）；绿色标识中等触发测力(MF)，其触发测力为0.1N（带25mm的测针）；蓝色标识高触发测力(EF)，其触发力为0.1N（带50mm的测针）。可更换式触发测头第三节测头的定义与校验3.触发式测头的优缺点优势：（1）适于空间箱体类工件及巳知表面的测量；（2）通用性强；（3）有多种不同类型的触发测头及附件供采用；（4）采购及运行成本低；（5）应用简单；第三节测头的定义与校验3.触发式测头的优缺点优势：（6）适用于尺寸测量及在线应用；（7）坚固耐用；（8）体积小，易于在窄小空间应用；（9）由于测点时测量机处于匀速直线低速状态，测量机的动态性能对测量精度影响较小。第三节测头的定义与校验1.扫描式测头的特点扫描式测头能高速的采集数据，这些数据不仅可以用来确定零件的尺寸及位置，更重要的是能用众多的点来精确的描述形状、轮廓。3.3.2扫描式测头2.扫描式测头的应用（1）高精度测量由于扫描测头对离散点测量是匀速或恒测力采点，其测点精度可以更高。LSP-X3扫描式测头第三节测头的定义与校验2.扫描式测头的应用3.3.2扫描式测头（2）定向测量扫描测头可以直接判断接触点的法矢，对于要求严格定位、定向测量的场合，扫描测头对离散点的测量也具有优势。（3）对未知曲面扫描对于未知曲面的扫描，亦即称为数字化的场合下，扫描测头显示出了它的独特优势：因为数字化工作方式时，需要大量的点，触发式测头的采点方式显得太慢；由于是未知曲面，测量机运动的控制方式亦不一样，即在“探索方式”下工作；测量机根据已运动的轨迹来计算下一步运动的轨迹、计算采点密度等。第三节测头的定义与校验3.扫描式测头的优缺点优势：3.3.2扫描式测头（1）适于形状及轮廓测量；（2）高的采点率；（3）高密度采点保证了良好的重复性、再现性；（4）更高级的数据处理能力。第三节测头的定义与校验3.扫描式测头的优缺点劣势：3.3.2扫描式测头（1）比触发测头复杂；（2）对离散点的测量较触发测头为慢；（3）高速扫描时由于加速度而引起的动态误差很大，不可忽略，必须加以补偿；（4）针尖的磨损必须注意。第三节测头的定义与校验1.非接触式测头适用场合非接触测头没有测量力，适于柔软物体的检测需求；非接触式测头取样率可高达23000次/秒，适于表面形状复杂，精度要求不特别高的未知曲面，例如汽车、家电的木模、泥模等。但非接触测头由于受物体表面特性(颜色、光度、粗糙度、形状等)的影响较大，目前在大多数情况下，示值误差比接触式测头要大，在10微米级以上。同时，非接触测头的价格一般较贵。3.2.3非接触式测头非接触式测头第三节测头的定义与校验2.非接触式测头的选用选用非接触式测头的原则是：在可以应用接触式测头的情况下，慎选非接触式测头；在只测尺寸、位置要素的情况下尽量选接触式触发测头；考虑成本又能满足要求的情况下，尽量选接触式触发测头；易变形零件、精度不高零件、要求超大量数据零件的测量，可以考虑采用非接触式测头；要考虑软件、附加硬件(如测头控制器、电缆)的配套。3.2.3非接触式测头非接触式测头第三节测头的定义与校验测头加长杆的应用3.4加长杆的选择测头加长杆用于测量极深的特征和孔，或测量难以到达的点，其长度可达50-300mm，通常配合盘型、星型、五方向测针使用。3.4.1测头加长杆第三节测头的定义与校验不锈钢测针加长杆3.4加长杆的选择测针加长杆通过延长测针到测头的距离，增加了检测深度。但使用测针加长杆会因刚性降低而降低触测精度。3.4.2测针加长杆第三节测头的定义与校验加长杆的材质有一下几类：（1）碳化钨：用于稳定环境温度下的各种标准应用，主要在测量室使用。对于需要较大刚性的小直径测杆或短测杆（长度不超过50mm），使用碳化钨是最好的选择，小直径测杆可用于测球直径为1mm或更小的测针。此外，需要特别注意重量。（2）钢：用于具有超强刚性的加长杆，适合无需考虑重量因素的应用。（3）陶瓷：重量轻、坚固、热稳性好。但陶瓷测杆发生碰撞时会破碎，因此测杆/加长杆对测头有额外的碰撞保护作用。第三节测头的定义与校验加长杆的材质有一下几类：（4）碳纤维：其热稳定的特点具有极大优势，用于长测针时尤其如此，因此非常适合用在车间环境。（5）铝：极轻，因此原则上非常适合加长杆，但由于热膨胀只适合稳定的空调环境。（6）钛：与铝相比，具有热稳定、挠曲刚性强、重量极轻的优点，因此非常适合长加长杆。第三节测头的定义与校验常见测针类型3.5测针的选择3.5.1常见测针的类型a)直测针b)星型针b)盘形针d)柱形针e）点式测针f)半球形测针第三节测头的定义与校验3.5.2测针杆的材料采用非磁性不锈钢制造的测针杆广泛用于测球/端部直径为2mm或2mm以上、最长为30mm的测针。在此范围内,钢测针杆具备了最佳的刚性与重量比，测球、测杆及螺纹公差优异,从而保证测针具备最佳的刚性。对于需要大刚度的小直径杆或超长杆，使用碳化钨杆是最好的选择，小直径杆是测球直径为1mm或更小的测针所需要的，而超长杆的长度可达50mm。1.钢2.碳化钨第三节测头的定义与校验3.5.2测针杆的材料对于测球直径大于3mm、长度超过30mm的测针杆，陶瓷测针杆所具有的刚性优于钢测针杆，但重量远比碳化钨轻。碳纤维测针杆在拉伸和扭曲的情况下都能提供最佳的刚度特性（这对于星形结构的测针很重要），而且重量极低。对于长度大于50mm的测针杆来说，碳纤维是刚性最高且轻质的理想材料。它是高精度应变片式测头的最佳测针杆材料，具有优异的减振性能和可忽略不计的热膨胀系数。3.陶瓷4.碳纤维第三节测头的定义与校验3.5.3测球材料1.红宝石对于绝大多数测量场合来说，具有业界标准和最佳特性的测球材料中，红宝石是已知最硬的材料之一。极少有红宝石不是首选的测球材料的应用场合，但在两种情况下建议采用以其他材料制成的测球。第一种情况是对铝材进行高强度扫描的应用场合。因为这些材料之间互相吸引，会发生一种称为“粘附磨损”的现象，使被测件表面的铝积聚在测球上。对于这种应用场合有一种更好的材料，就是氮化硅。第二种情况是在铸铁上进行高强度扫描的应用场合。两种材料之间的相互作用会产生对红宝石测球表面的“粘附磨损”。对这种应用场合，建议采用氧化锆测球。第三节测头的定义与校验3.5.3测球材料2.氮化硅氮化硅具有许多与红宝石类似的特性。这是一种非常坚硬耐磨的陶瓷材料，可加工成精度很高的球体。也可抛光到极为光滑的表面光洁度。氮化硅与铝之间没有吸附性，因此不存在红宝石应用在类似场合所发生的粘附磨损现象。但氮化硅在钢材表面扫描时却具有很显著的磨耗特性，因此其应用最好限制在铝质工件上。3.氧化锆氧化锆是一种特别坚硬的陶瓷材料，其硬度和磨损特性均接近红宝石。但其表面特性使这种材料成为在铸铁工件上进行高强度扫描的理想材料。第三节测头的定义与校验3.5.4测针的尺寸如何选择测针规格，可以参考图中所示红宝石球测针的主要参数，选择测针时根据需要进行选择，注意不要忽略有效长度。测针样本示例第三节测头的定义与校验3.5.5测针附件与工具1.测针附件（1）测针螺纹转接件常见的测针螺纹规格有M5／M4／M3／M2，不同螺纹规格的测针与测头/加长杆之间需要用到螺纹转接件进行转接连接。螺纹转接件第三节测头的定义与校验3.5.5测针附件与工具（2）测针中心座测针中心座极大地扩展了单个测头检测的灵活性。配备多达5个相同螺纹的测针，该附件使您能根据自己的具体要求配置测针。测针中心座第三节测头的定义与校验3.5.5测针附件与工具（3）测针关节测针关节可对两个轴进行全面调节，从而使测针达到测量的角度要求。这种调节在测头不能由测座准确定向或测座的活动受限时特别有用。测针关节第三节测头的定义与校验3.5.5测针附件与工具2.测针工具测针工具专门用于将测针正确地安装到测头上以及组成特种测针组件，而不会造成测头内部损坏。常见测针工具第三节测头的定义与校验测头更换微视频第三节测头的定义与校验3.5.6测针选择的注意事项为保持接触点的精度，在测针选择时，应该注意以下几点：测针弯曲或变形量越大，精度越低。使用尽可能短的测针是最佳选择。每增加一个测针与测针杆的连接，便增加了一个潜在的弯曲和变形点。在使用中尽可能减少测针组件数。一是这样能增大测球/测针杆的距离，从而减少由于碰撞测针杆所引起的误触发；其次，测球直径越大，被测工件表面光洁度的影响越小。1.尽量选用短测针2.尽量减少接头3.选用的测球直径要尽量大第三节测头的定义与校验不同测头角度3.6测头的校验3.6.1测头校验的目的测头是三坐标测量机数据采集的重要部件。其与工件接触主要通过装配在测头上的测针来完成。对于不同的工件，使用不同规格的测针。并且对于复杂的工件可能使用多个测头角度来完成测量。第三节测头的定义与校验3.6.1测头校验的目的测头校验的目的如下：1）通过校验测头，测量软件才知道所使用测针的真实直径以及不同测头角度之间的位置关系。2）坐标测量机在测量零件时，是用测针的宝石球与被测零件表面接触，接触点与系统传输的宝石球中心点的坐标相差一个宝石球的半径，需要通过校验得到的测针的半径值，对测量结果修正。3）在测量过程中，往往要通过不同测头角度、长度和直径的测针组合来对特征进行测量。不同位置的测量点必须要经过转化才能在同一坐标下计算，通过测头校验得出不同测头角度之间的位置关系，才能进行准确的换算。第三节测头的定义与校验3.6.2测头校验的原理测头校验基本原理为通过在一个被认可的标准器上测点来得到测头的真实直径和位置关系。一般采用的标准器都是一个标准圆球（球度小于0.1μm），如图所示在标准球上校验测头时，测量软件首先根据测量系统传送的测点坐标（宝石球中心点坐标）拟和计算一个球，计算出拟合球的直径和标准球球心点坐标。这个拟合球的直径减去标准球的直径，就是被校正的测头（测针）的等效直径。测针校验原理示意图第三节测头的定义与校验3.6.2测头校验的原理在校验测头时，需要注意的是：1）增加校验测头的测点数，测针的等效直径越准确；2）校验测头和检测工件的速度保持一致；3）也可以用量环和块规进行测头检验，但是标准球是首选，因为它考虑了所有的方向。第三节测头的定义与校验3.6.3测头校验的操作1.进入“测头配置”操作2.配置测头校验测头一般步骤第三节测头的定义与校验3.6.3测头校验的操作3.添加角度“多个”方式增加角度“源自CAD”方式增加角度“源自网格”方式增加角度第三节测头的定义与校验3.6.3测头校验的操作4.定义标准球（1）在测头工具框点击“测量”，进入校验测头对话框；（2）在可用工具列表中单击“添加工具”，进入添加工具对话框；（3）在工具标识栏填写标准球的自定义名称；（4）在工具类型栏，下拉选取校准工具的类型（根据实际配置的校准工具选取）；定义标准球对话框第三节测头的定义与校验3.6.3测头校验的操作4.定义标准球定义标准球对话框（5）在支撑矢量栏填写标准球的支撑矢量；（6）在直径/长度栏填写标准球的直径（该值在标准球铭牌上查询）；（7）在材料类型下拉栏中选择标准球的材质；（8）点击确定，完成标准球的定义，回到校验测头对话框。第三节测头的定义与校验3.6.3测头校验的操作5．校验测头（1）定义测点数、逼近/回退距离、移动速度、接触速度等参数值，一般采用默认值；（2）校准测头的系统模式中选择“Man+DCC”模式；（3）校验模式中选择“用户默认”；（4）在没有选择任何测尖时默认选择“所有测尖”；（5）点击“测量”开始测量操作；第三节测头的定义与校验3.6.3测头校验的操作5.校验测头（6）在标定工具已移动对话框选择“是-手动采点定位工具”；（7）在警告窗口点击“确定”；（8）手动旋转测头到指定角度，在执行窗口点击“确定”；（9）操作手柄，将测头移动到沿测尖方向的标准球正上方，触测正上方的点，在手柄上点击“确认”按钮；（10）测头自动完成校验，并回退至安全位置，软件回到测头工具框界面。第三节测头的定义与校验测头定义与校验微视频第三节测头的定义与校验3.6.3测头校验的操作6.查看结果

结果操作如图所示（1）在测头工具框界面点击“结果”；（2）弹出校验结果文本框，查看校验结果，点击“关闭”，关闭校验结果文本框；（3）回到测头工具框界面，点击“确定”，完成测头校验操作。第三节测头的定义与校验3.6.3测头校验的操作技能拓展：1.星形测针的校验主要用于检测零件内腔，及深孔。例如缸径上的钻孔,沟槽等。其主要操作步骤如下：（1）新建一个测头文件;（2）在测头工具框配置测头组件（根据现场硬件配置）;第三节测头的定义与校验（3）添加角度（4）其它步骤同普通测针;（5）星形针校验注意事项：使用时，通常使用20mm加长杆；每添加一个角度，5个测尖同时添加此角度，若某测尖的不能采用此角度，应删除。安装时，尽量保证2、3、4、5号测针中两相对两测针连线与“X”轴或“Y”轴平行；配置测头文件时，首先选择1号位置的测针（当角度为A0B0时,竖直向下的测针），然后按照顺序选择2、3、4、5号测针；第三节测头的定义与校验（5）星形针校验注意事项：配置空间位置测针时，测针有效测量长度应为相对两个测针间红宝石球心连线的距离，即2与4号测针（或3与5号测针）之间的距离；1号测针不能单独使用。校验星形测针通常用双标准球。在校验某些角度的时候，需要用到双标准球中的从球，例如在校验T1A90B180位置时,5号测针就需要在可用工具列表中对从球的矢量方向进行定义（与主球的定义方向相反），同时要注意：为了使在此处校得的从球数据和在主球上校得的数据相互联系，应该选择一个在主球上校过，而且在从球上也能校验的一个角度，在从球上也校验一次。（注：主球指双标准球中位于上方的那个球，从球则是其中位于下方的）。第三节测头的定义与校验3.6.3测头校验的操作2.五方向测针的校验主要用于检测零件内腔，或深孔。使用方法类似星形测针。其主要操作步骤如下：（1）建立一个新的测头文件;（2）在测头工具框配置测头组件（根据现场硬件配置），如图（3）其它操作方法同星形测针第三节测头的定义与校验（4）五方向针校验注意事项：无论校验还是使用，五方向比星形测针更灵活。五方向的安装与形星测针一样，必须注意测针的方向指向，空连接1指向Z-；空连接2指向X+；空连接3指向Y+；空连接4指向X-；空连接5指向Y-；为空连接选择测针时，根据选择顺序定义测尖号；而形星测针的测尖号是固定的，与空连接号相对应。第三节测头的定义与校验3.6.3测头校验的操作3.柱形针的校验柱形针用来测量薄壁件（钣金件）。其主要操作步骤如下：（1）新建一个测头文件；（2）在“测头说明”中选择测头组件（根据现场硬件配置），如图所示。测座：HH-A-M5测头座：HP-TM-B测头：HP-TM-SF测针：TIP2BY20MMSHNK第三节测头的定义与校验3.6.3测头校验的操作3.柱形针的校验（3）点击“测量”，打开测头校正对话框，设置参数。其中，必