坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)頭系統(tǒng)的校準(zhǔn)研究*

陳偉琪 陳艷華 張勇

坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)頭系統(tǒng)的校準(zhǔn)研究*

陳偉琪1陳艷華2張勇1

（1.廣東省現(xiàn)代幾何與力學(xué)計(jì)量技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2.清華大學(xué))

介紹坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)頭性能參數(shù)的校準(zhǔn)和補(bǔ)償方法；設(shè)計(jì)一套基于三維微宏移動(dòng)平臺(tái)和測(cè)力傳感器的校準(zhǔn)系統(tǒng)；采用該系統(tǒng)對(duì)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)模擬式測(cè)頭的觸發(fā)變形進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，獲得測(cè)頭的探測(cè)力和實(shí)際變形量；補(bǔ)償后的測(cè)頭系統(tǒng)在平面內(nèi)探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量球的誤差不超過(guò)0.3 μm，滿足坐標(biāo)測(cè)量機(jī)模擬式測(cè)頭的校準(zhǔn)需求。

接觸測(cè)頭；標(biāo)定；預(yù)行程

0　引言

測(cè)頭系統(tǒng)是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的核心部分，通常分為接觸式測(cè)頭與非接觸式測(cè)頭2類。其中接觸式測(cè)頭又分為機(jī)械式測(cè)頭、觸發(fā)測(cè)頭和掃描測(cè)頭[1]；非接觸式測(cè)頭主要指光學(xué)測(cè)頭。目前，由于光學(xué)測(cè)頭景深方向的量程較小，主要用于二維測(cè)量，在三維測(cè)量中接觸式測(cè)頭占主要地位。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)頭誤差是測(cè)量誤差的主要來(lái)源。接觸式測(cè)頭的預(yù)行程、重復(fù)性、分辨力、量程、測(cè)量力大小和自身耦合等性能是影響測(cè)量精度的主要因素。因此，對(duì)測(cè)頭誤差進(jìn)行辨識(shí)并補(bǔ)償，是提高三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量精度的有效手段[2-3]。

測(cè)頭性能參數(shù)辨識(shí)和誤差補(bǔ)償也稱為測(cè)頭標(biāo)定，可分為離線標(biāo)定和聯(lián)機(jī)標(biāo)定。聯(lián)機(jī)標(biāo)定是在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上，使用標(biāo)準(zhǔn)器件（標(biāo)準(zhǔn)球）對(duì)測(cè)頭進(jìn)行校準(zhǔn)。離線標(biāo)定需要用特定的標(biāo)定系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析、檢測(cè)并校正。目前，測(cè)頭標(biāo)定主要是聯(lián)機(jī)標(biāo)定，但聯(lián)機(jī)標(biāo)定事實(shí)上是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的整機(jī)標(biāo)定，其標(biāo)定結(jié)果包含測(cè)量機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和測(cè)量軟件的誤差。為單獨(dú)獲得測(cè)頭系統(tǒng)探測(cè)補(bǔ)償數(shù)據(jù)，本文設(shè)計(jì)一套基于微動(dòng)臺(tái)PI-611.3SF和測(cè)力傳感器Nano17-Net/DAQ的校準(zhǔn)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)測(cè)頭的離線標(biāo)定。

1　校準(zhǔn)系統(tǒng)原理

標(biāo)定裝置示意圖和結(jié)構(gòu)圖分別如圖1、圖2所示，主要由基座（花崗巖）、測(cè)力傳感器Nano17-Net/DAQ（量程為/-12 N，-17 N，分辨力為1/320 N）、微動(dòng)臺(tái)PI-611.3SF（//三軸量程為100 μm×100 μm×100 μm，分辨力為1 nm）、三維微宏位移平臺(tái)和監(jiān)視窗口CCD組成。

圖1　標(biāo)定裝置示意圖

圖2　標(biāo)定裝置結(jié)構(gòu)圖

本文標(biāo)定的測(cè)頭為三層雙片簧正交層疊式模擬測(cè)頭，標(biāo)定的性能參數(shù)有測(cè)頭三軸的耦合誤差、測(cè)量力和預(yù)行程。標(biāo)定過(guò)程中，三維微宏位移平臺(tái)提供大行程位移，使PI臺(tái)工作面與測(cè)頭測(cè)端慢慢靠近直至接觸；PI臺(tái)固定于三維微宏位移平臺(tái)上方，提供精密的微小位移量；Nano17用于標(biāo)定觸發(fā)力的大小。信號(hào)處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)傳感器輸出電壓信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換和傳輸。上位機(jī)進(jìn)行最后數(shù)據(jù)處理、分析和曲線描述，并建立位移量與測(cè)頭信號(hào)之間的關(guān)系曲線，實(shí)現(xiàn)測(cè)頭性能的測(cè)試和校準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)期間，需時(shí)刻觀察監(jiān)視窗口CCD，避免因位移過(guò)量導(dǎo)致測(cè)頭損壞。

1.1　測(cè)量力

接觸式測(cè)頭依據(jù)受力—變形的原理進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量力是其一項(xiàng)重要指標(biāo)[4-5]。測(cè)量力過(guò)大會(huì)降低測(cè)量精度甚至破壞被測(cè)件；測(cè)量力過(guò)小則接觸不可靠，同樣影響測(cè)量精度。本裝置采用測(cè)力傳感器Nano17來(lái)標(biāo)定測(cè)量力，并以此計(jì)算測(cè)桿變形和擠壓變形。

影響測(cè)量結(jié)果的測(cè)桿變形和接觸面的擠壓變形如圖3所示。測(cè)量外尺寸情況下，測(cè)頭的實(shí)際位移量1′總比測(cè)桿不變形情況下的位移量1小；測(cè)量?jī)?nèi)尺寸情況下，測(cè)頭的實(shí)際位移量2′總比測(cè)桿不變形情況下的位移量2大；測(cè)桿變形需引入測(cè)端直徑修正量1、減小兩倍的測(cè)桿變形2及擠壓變形量2W。

圖3　測(cè)量真實(shí)外尺寸與內(nèi)尺寸

測(cè)端直徑修正量1為

其中0為測(cè)頭直徑。

測(cè)桿彎曲位移變形量[6]為

其中，為測(cè)量力；為測(cè)桿長(zhǎng)度；為測(cè)桿材料的彈性模量；為測(cè)桿直徑。

當(dāng)測(cè)球接觸被測(cè)面時(shí)，在測(cè)量力作用下，測(cè)球的彈性變形W[7]為

其中，為測(cè)量力；1，2分別為測(cè)球和被測(cè)面的彈性模量；1，2分別為測(cè)球和被測(cè)面的泊松比；0為測(cè)頭直徑。

測(cè)量外尺寸時(shí)，被測(cè)尺寸為

測(cè)量?jī)?nèi)尺寸時(shí)，被測(cè)尺寸為

1.2　預(yù)行程

測(cè)量過(guò)程中有2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：接觸點(diǎn)P和觸發(fā)點(diǎn)Q，如圖4所示。工件開始接觸測(cè)針時(shí)，由于測(cè)桿系統(tǒng)并非理想剛體，不會(huì)立即產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，而是在其變形足夠大時(shí)才會(huì)有信號(hào)輸出。因此，在PI臺(tái)驅(qū)動(dòng)工作面移動(dòng)從與測(cè)頭接觸被測(cè)體到測(cè)頭發(fā)出觸發(fā)信號(hào)之間有一段位移，這段位移稱作為預(yù)行程。

圖4　預(yù)行程示意圖

測(cè)頭預(yù)行程計(jì)入測(cè)量結(jié)果會(huì)影響測(cè)量精度，且由于測(cè)頭結(jié)構(gòu)特性，沿各方向的測(cè)頭預(yù)行程是不同的，表現(xiàn)為測(cè)頭預(yù)行程的空間變化。預(yù)行程變化給誤差補(bǔ)償帶來(lái)困難，降低了接觸式測(cè)頭在精密曲面（如圓度、圓球度和齒輪齒廓偏差等）測(cè)量的精度應(yīng)用[8-10]。因此，觸發(fā)式測(cè)頭在使用前必須標(biāo)定其預(yù)行程并進(jìn)行補(bǔ)償，本文采用實(shí)際變形量進(jìn)行綜合補(bǔ)償。

2　實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

基于搭建的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，針對(duì)測(cè)頭觸發(fā)力及測(cè)針變形、預(yù)行程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和分析。

標(biāo)定觸發(fā)力流程如圖5所示。在測(cè)頭信號(hào)值達(dá)到閾值時(shí)，Nano17輸出值即為觸發(fā)力。

圖5　觸發(fā)力流程圖

按照?qǐng)D5流程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：調(diào)整三維微宏位移平臺(tái)，使得安裝測(cè)力傳感器的工作平臺(tái)接近測(cè)頭測(cè)端；控制PI臺(tái)微動(dòng)接觸測(cè)頭測(cè)端，繼續(xù)驅(qū)動(dòng)PI臺(tái)，直到測(cè)頭輸出值達(dá)到閾值；記錄此時(shí)Nano17輸出信號(hào)，此輸出力值即為觸發(fā)力；上述步驟重復(fù)10次，計(jì)算平均值。

本文采用?？怂箍迪盗袦y(cè)頭，理論觸發(fā)力為（0.10±0.03）N，測(cè)桿長(zhǎng)度40 mm、測(cè)頭直徑為3.5 mm，測(cè)頭與PI臺(tái)工作面的材料參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)分別改變測(cè)桿直徑，測(cè)量方向的測(cè)量力和實(shí)際變形量。測(cè)頭的理論變形量按式(6)計(jì)算。測(cè)頭實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表1　測(cè)頭參數(shù)和工作面材料參數(shù)

將表1參數(shù)分別代入式(2)和式(3)，可得

表2　測(cè)頭實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

當(dāng)測(cè)桿直徑從2.0 mm~8.0 mm變化時(shí)，方向測(cè)桿的實(shí)際變形量范圍為44.012 μm~0.995 μm。經(jīng)與理論變形量相比，實(shí)際測(cè)量的變形量約大0.805 μm，這是由于探測(cè)系統(tǒng)的測(cè)頭預(yù)行程、機(jī)械裝置的摩擦以及擠壓變形量影響所致。方向的測(cè)頭補(bǔ)償按該校準(zhǔn)系統(tǒng)給出的實(shí)際量值進(jìn)行補(bǔ)償。

采用該裝置測(cè)量探頭方向的測(cè)量力和實(shí)際擠壓變形量。當(dāng)測(cè)桿直徑從2.0 mm~8.0 mm變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的測(cè)頭直徑2.5 mm ~15.0 mm，測(cè)得的實(shí)際測(cè)量力處于0.120 N~0.128 N，實(shí)際擠壓變形量處于1.016 μm~ 0.960 μm，取測(cè)量力為0.120 N，按式(7)計(jì)算得到理論擠壓變形量為0.120 μm~0.061 μm。與方向同樣的道理，方向?qū)嶋H變形量比理論值約大0.898 μm。方向的測(cè)頭補(bǔ)償也按該校準(zhǔn)系統(tǒng)給出的實(shí)際量值進(jìn)行補(bǔ)償。

3　驗(yàn)證與分析

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)廣泛使用的直徑為5 mm的測(cè)頭進(jìn)行補(bǔ)償驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。方向測(cè)頭綜合變形補(bǔ)償值取2.029 μm，方向測(cè)頭綜合變形補(bǔ)償值取0.988 μm。采用三維微宏位移平臺(tái)與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量球進(jìn)行驗(yàn)證。為提高三維微宏動(dòng)位移的準(zhǔn)確性，平面內(nèi)的位移采用激光干涉儀來(lái)監(jiān)控。激光干涉儀的允許誤差為±（0.03 μm+1.5×10-6，為測(cè)量距離）。本次驗(yàn)證采用的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量球直徑為29.9063 mm，擴(kuò)展不確定度= 0.4 μm (= 2)，已采用精密測(cè)長(zhǎng)儀和圓度儀校準(zhǔn)；5 mm測(cè)頭也采用精密測(cè)長(zhǎng)儀校準(zhǔn)，實(shí)際直徑值為4.9983 mm,擴(kuò)展不確定度= 0.3 μm (= 2)。

在三維微宏位移平臺(tái)上固定安裝標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量球，精密調(diào)整測(cè)頭測(cè)球與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量球的相對(duì)位置。在方向探測(cè)時(shí)，確保測(cè)頭測(cè)球的球心處于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量球方向的最大直徑所在平面上；在方向探測(cè)時(shí)，確保測(cè)頭測(cè)球的球心處于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量球最高點(diǎn)的正上方。

采用該5 mm測(cè)頭在平面內(nèi)探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量球，從激光干涉儀上獲得測(cè)量結(jié)果為34.9003 mm，方向測(cè)頭綜合變形補(bǔ)償值取2.0290 μm，修正后測(cè)頭直徑取4.9943 mm，得到探頭探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量球的直徑為29.9060 mm。影響該直徑的不確定分量有：1）激光干涉儀存在±0.1 μm的測(cè)量誤差，按均勻分布，則引入的不確定分量為0.06 μm；2）測(cè)頭直徑校準(zhǔn)引入的不確定度分量為0.15 μm；3）按經(jīng)驗(yàn)，獲取最大直徑的拐點(diǎn)存在0.1 μm不確定分量，合成以上3項(xiàng)不確定度分量，取= 2，則探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量球直徑的擴(kuò)展不確定度為0.4 μm。

三維微宏位移平臺(tái)上方向無(wú)法安裝激光干涉儀來(lái)提高宏動(dòng)位移的準(zhǔn)確度，故目前方向的補(bǔ)償數(shù)據(jù)還無(wú)法獲得驗(yàn)證。

4　結(jié)論

本文采用基于三維微宏位移平臺(tái)和測(cè)力傳感器的校準(zhǔn)系統(tǒng)，對(duì)測(cè)頭系統(tǒng)的探頭進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，可獲得測(cè)頭系統(tǒng)的測(cè)量力、在平面及方向的探測(cè)補(bǔ)償值。與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量球比對(duì)表明，該校準(zhǔn)系統(tǒng)在平面內(nèi)能可靠獲取探測(cè)補(bǔ)償數(shù)據(jù)。由于坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)頭系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化關(guān)系比較復(fù)雜，不同坐標(biāo)系統(tǒng)的耦合精度有待加深研究，方向的探測(cè)補(bǔ)償值還有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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Research on the Calibrating of CMM Probe System

Chen Weiqi1Chen Yanhua2Zhang Yong1

(1.Guangdong Provincial Key Laboratory of Modern Geometric and Mechanical Metrology Technology 2.Tsinghua University)

A calibration system based on a three-dimensional micro-macro mobile platform and force sensor to calibrate an analogue touch probe is proposed in this paper. The detection force and actual deformation of the probe are obtained. The compensated probe system is verified by the standard measuring ball, and the detection error of the compensated probe does not exceed 0.3 μ m. The device meets the calibration requirements of three-dimensional analog probe.

Touch Probe; Calibration; Pre-Travelling

NQI專項(xiàng)高端裝備制造質(zhì)量大尺度計(jì)量測(cè)試方法與技術(shù)研究（2017YFF0204800）

陳偉琪，男，1973年生，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：精密幾何量計(jì)量檢定和研究。E-mail: cwq0579@163.com