三坐標(biāo)測量機(jī)測頭的校正方法和誤差分析

喻彩麗,鄭 軍

(浙江科技學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院,杭州310023)

測頭系統(tǒng)是CMM測量系統(tǒng)的主要組成部分,根據(jù)測頭與被測表面的空間位置,可將其分為接觸式與非接觸式兩大類。浙江科技學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室中的意大利Hexagon旗下DEA的移動橋式坐標(biāo)測量機(jī)帶有TP類觸發(fā)式測量頭。為提高測量系統(tǒng)的精度,需對測頭系統(tǒng)進(jìn)行誤差分析和測球半徑補(bǔ)償。

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[1]。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[2]。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 三坐標(biāo)測量機(jī)的接觸式測頭測量原理

TP是接觸式結(jié)構(gòu)三維測頭,由測頭體、測桿、導(dǎo)線組成。測頭體內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示,這是一個彈簧結(jié)構(gòu),彈力大小即測力。由3個小鐵棒分別枕放在2個球上,在運(yùn)動位置上形成6點(diǎn)接觸。在接觸工件后產(chǎn)生觸發(fā)信號,并用于停止測頭的運(yùn)動。在測桿與工件接觸之后,再離開時(shí)彈簧把測桿恢復(fù)到原始位置。測球恢復(fù)位置精度可達(dá)到1μm。TP是接觸式測頭,其功能是在測尖接觸表面的瞬間產(chǎn)生一個觸發(fā)信號,因此其內(nèi)部為一微開關(guān)電路。測頭體與測桿內(nèi)部彈簧結(jié)構(gòu)連接,在復(fù)位狀態(tài)(未接觸表面)電路導(dǎo)通。一旦測尖接觸表面,測桿偏離復(fù)位狀態(tài),電路截止,形成一個觸發(fā)信號。在此瞬間可以記錄各個坐標(biāo)位置,從而實(shí)現(xiàn)對工件測量。

對于CMM 測量機(jī),影響測量精度的測頭性能參數(shù)為:測力、測量速度、測桿長度和測量方向。測頭的測力(和測桿連接彈性元件的預(yù)緊力)與測量精度有關(guān),測力越小,精度越低,測力越大,精度越高,測力大小可以調(diào)節(jié)。測頭的輸出和測量速度也有一定的關(guān)系,測速應(yīng)限定在一定范圍內(nèi)。TP測頭測量速度范圍為5～30 mm/s,并應(yīng)保持測量速度均勻,以保證測量精度。測桿長度,由于測桿具有重量,測桿增長時(shí),相當(dāng)于重力增大,從而對測頭精度產(chǎn)生影響[3]。所以,在微米級范圍應(yīng)使用短測桿,在0.01 mm可以使用加長桿。測量方向,測頭雖然可以在周向360°測量,通常,測量方向與測量表面的法線的方向不應(yīng)超過±45°。因此,對給定的待測量面型,測尖方向應(yīng)隨表面曲率變化而變化。

圖1 PT測頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.1 PT-probe structure

2 測球直徑的校正和誤差分析

用CMM進(jìn)行零件測量,理論上,測頭的球半徑應(yīng)為零,測頭和工件接觸為測頭中心。得到的數(shù)據(jù)是測頭中心的坐標(biāo)值,而非測頭與被測件接觸點(diǎn)的坐標(biāo)值。但實(shí)際上,測頭有一半徑,從而需要對測頭直徑進(jìn)行校正,即進(jìn)行測頭球心軌跡曲面域和測頭半徑補(bǔ)償[1]。

2.1 測球直徑的校正方法

一般來說,三坐標(biāo)測量機(jī)的測頭校正較為簡單,最先校正的測針作為測針組坐標(biāo)的原點(diǎn)[4]。如圖2所示,用測尖對標(biāo)準(zhǔn)球進(jìn)行測量(通常測5點(diǎn)),在球極上測一點(diǎn),球赤道面上均勻測4點(diǎn)。對于高精度的測量,采用9點(diǎn),即在球極上測一點(diǎn),球赤道面上均勻測4點(diǎn),球極和球赤道面之間的中間面上再采4點(diǎn)。

通過對標(biāo)準(zhǔn)球的測量,測球半經(jīng)得到了補(bǔ)償,如圖3所示,測頭中心值為P(X,Y,Z),接觸點(diǎn)值為P′(X′,Y′,Z′),測點(diǎn)坐標(biāo)值從P 到P′進(jìn)行了補(bǔ)償 。

2.2 測頭直徑校正的誤差分析

測頭校正是保證測量精度的基礎(chǔ),在測頭校正過程中引起的誤差主要因素有:測桿的彎曲變形、測頭校正時(shí)觸測點(diǎn)位置、測力、觸測速度和探測距離等。測力越小,精度越低。應(yīng)選用一定的測力和測速進(jìn)行測量,同時(shí)選用合適的探測距離,以保證測量精度。這里就測桿的彎曲變形和測頭校正時(shí)觸測點(diǎn)位置對測頭半徑補(bǔ)償誤差作詳細(xì)討論。

2.2.1 測頭校正時(shí)觸測點(diǎn)位置對測頭半徑補(bǔ)償誤差的影響

如圖4所示,測針軸線與被測面法線的夾角α越大,誤差越大。

圖4 補(bǔ)償誤差計(jì)算示意圖Fig.4 Calculabe diagram for compensating error

可見,當(dāng)測針軸線與被測面法線的夾角α=0時(shí),測球半徑補(bǔ)償誤差 Δ也為0。

在測頭校正測量時(shí),應(yīng)盡可能使測針軸線與被測面垂直,使測頭沿著被測表面的法線方向移動,以減小測球半徑的補(bǔ)償誤差。這點(diǎn)可以從表1的幾組校正及測量數(shù)據(jù)的對比中可以看出來,數(shù)據(jù)是在不同位置用同一測針測量對比的結(jié)果。

由表1可見,校正時(shí)測頭在不同的觸測位置測量會產(chǎn)生不同的結(jié)果,當(dāng)測針軸線與被測面法線的夾角α=0時(shí),測量結(jié)果最好,而在其他位置測量結(jié)果較差。

2.2.2 探針長度對測頭半徑補(bǔ)償誤差的影響

表1 不同位置標(biāo)準(zhǔn)球直徑的測量結(jié)果Table1 Measurement outcome of diameter of standard ball in different location

測針在測量時(shí),使用的測桿越長,則測頭產(chǎn)生的彎曲和偏斜就越大。由圖5可知,因?yàn)閷?shí)際測量時(shí),除了測頭體安裝時(shí)產(chǎn)生的軸間平移,還有軸(測桿)會發(fā)生傾斜,所產(chǎn)生的測頭半徑補(bǔ)償誤差 Δ=L sinα(L為測桿長度,α為測桿傾角),誤差Δ與測桿的長度和角度成正比,筆者用一測針在校正后對標(biāo)準(zhǔn)球進(jìn)行測量比較,測量結(jié)果見表2。由表2看到,隨測針長度的增加,其偏差也隨著增大。因此,在測量過程中,要求測頭的剛性和動態(tài)性能達(dá)到最佳的程度,保證一定的測量精度。

2.3 測頭直徑校正要點(diǎn)

通過測針直徑的校正,測頭在測量時(shí)對觸測延時(shí)和測針的變形起到補(bǔ)償作用,因?yàn)闇y量機(jī)在測量過程中測量軟件對測針寶石球半徑進(jìn)行了修正(把測針寶石球中心點(diǎn)的坐標(biāo)換算到觸測點(diǎn)的坐標(biāo))[5],為保證測量精度,在測針校正時(shí)要做到以下幾點(diǎn):

1)測座、測頭(傳感器)、探測桿、標(biāo)準(zhǔn)球要安裝可靠,牢固,保證測座中心軸和測頭中心軸的同軸度,必要時(shí)用千分表在高精度圓柱體外圍打表,然后對同軸度進(jìn)行調(diào)整。

圖5 實(shí)際測量產(chǎn)生傾斜Fig.5 Tilt in actual measurement

2)校正測頭時(shí)的測量速度應(yīng)與測量時(shí)的速度一致,所以應(yīng)該采用自適應(yīng)測量方式。注意觀察校正后測針的直徑是否與以前同樣長度時(shí)的校正結(jié)果一致,如果不一致,相差懸殊,則要查找原因,重新校正。要重復(fù)進(jìn)行2～3次校正,觀察其結(jié)果的重復(fù)程度。

3)如果測量時(shí)需要用多個測頭角度、位置或不同測針長度的測頭,在所有測頭都安裝好的情況下,在測量前一次把所有測頭都校正好。并且一定要檢查校正效果(準(zhǔn)確性)。方法是:用校正后的全部測頭依次測量標(biāo)準(zhǔn)球,觀察球心坐標(biāo)的變化,如果有1～2μm變化,是正常的。如果測量結(jié)果不一致,則要檢查測座、測頭、加長桿、測針、標(biāo)準(zhǔn)球的安裝是否牢固,找出原因重新校正。

表2 不同測桿長度標(biāo)準(zhǔn)球直徑的測量結(jié)果Table 2 Measurement outcome of diameter of standard ball for different length

3 結(jié) 語

CMM測量機(jī)除了機(jī)械本體外,測頭是測量機(jī)達(dá)到高精度的關(guān)鍵。正確選擇和使用測頭是影響三坐標(biāo)測量機(jī)測量精度的重要因素。測頭尺寸和測針有效工作長度的選取取決于被測工件。在任何情況下,測針的剛性和測球的球度都是不可或缺的。即在同等精度指標(biāo)下,測頭端部的測球直徑D與測桿長度L的比值D/L越大,其性能越好[6]。因此,在可能的情況下,選擇球頭直徑盡可能大、測桿盡可能短的測針,以獲得最佳的有效工作長度和測針剛性,提高測量精度。

[1] 虞鋼,虞和濟(jì).集成化激光智能加工工程[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2002.

[2] 崔州平.三坐標(biāo)測量機(jī)動態(tài)誤差與測球半徑補(bǔ)償誤差的研究[J].工具技術(shù),2009,43(5):106-108.

[3] ?？怂箍禍y量技術(shù)(青島)有限公司.實(shí)用坐標(biāo)測量技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

[4] 李凱.三坐標(biāo)測量機(jī)探針校準(zhǔn)的誤差分析[J].物理測試,2004(4):23-25.

[5] 葉震宇,王國民.觸發(fā)式測頭校正原理和注意事項(xiàng)[J].計(jì)量技術(shù),2006(6):58-59.

[6] 王紅敏,孫殿柱,張志誠.基于CMM的曲面檢測技術(shù)與測頭半徑補(bǔ)償[J].工具技術(shù),2006,40(10):77-80.