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三坐标测量机测头的校正方法和误差分析
2018-06-19  来自: 厦门英昊达精密设备有限公司浏览次数:133

测头系统是CMM测量系统的主要组成部分,根据测头与被测表面的空间位置,可将其分为接触式与非接触式两大类。常规移动桥式坐标测量机带有TP类触发式测量头。为提高测量系统的精度对测头系统进行误差分析和测球半径补偿。


    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。


2二坐标测重机的接触式测头测重原理

TP是接触式结构三维测头,由测头体、测杆、导线组成。测头体内部结构如图2-1所示,这是一个弹簧结构,弹力大小即测力。由三个小铁棒分别枕放在两个球上,在运动位置上形成6点接触。在接触工件后产生触发信号,并用于停止测头的运动。在测杆与工件接触之后,再离开时弹簧把测杆恢复到原始位置。测球恢复位置精度可达到1um.TP是接触式测头功能是在测尖接触表面的瞬间产生一个触发信号,因此其内部为一微开关电路。测头体与测杆内部弹簧结构连结,在复位状态(未接触表面)电路导通。一旦测尖接触表面,测杆偏离复位状态,电路截止,形成一个触发信号。在此瞬间可以记录各个坐标位置,从而实现对工件测量。



      对CMM测量机影响测量精度的测头性能参数为:测力、测量速度、测杆长度和测量方向。测头的测力(和测杆连接弹性元件的预紧力)和测量精度有关,测力越小,精度越低,测力越大,精度越高,测力大小可以调节。测量速度:测头的输出和测量速度也有的关系,测速应限定在范围内。对TP测头测量速度范围为5~30mm/s,并保持测量速度均匀,以保证测量精度。测杆长度:由于测杆具有重量,测杆增长时,相当于重力增大,从而对测头精度产生影响】。所以,在微米级范围应使用短测杆,在0.01mm可以使用加长杆。测量方向:测头虽然可以在周向360度测量,通常,测量方向与测量表面的法线的方向不应超过正负45度。因此,对给定的待测量面型,测尖方向应随表面曲率变化而变化。


3.测球直径的校正和误差分析

用CMM进行零件测量,理论上,测头的球半径应为零,测头和工件接触为测头中心。得到的数据是测头中心的坐标值,而非测头与被测件接触点的坐标值,但实际上,测头有一半径,从而需要对测头直径进行校正,即进行测头球心轨迹曲面域和测头半径补偿。

3.1测球直径的校正方法


一般来说,三坐标测量机的测头校正较为简单,是用各测针依次对一标准球进行测量,如图4-1所示,先校正的测针作为测针组坐标的原点。通常一个球体由4点就可确定,现在用6点来探测标准球,用这种方法可得到佳的配合,因为计算机要对各个方向探测点的测球半径和测针弯曲进行平衡计算。

通过对标准球的测量,计算机实际上得到的是以上测针中心半径的包络球面,计算机软件通过这些点的测针宝石球中心x、y、z坐标值,进行球的拟合计算,得出拟合球的球心坐标、直径和形状公差。

将拟合球的直径减去标准球的直径,就得到校正后测针宝石球的直径【】,如图4-2所示,d=D1-D。


3.2测头直径校正的误差分析

众所周知,测头校正是保证测量精度的基础,在测头校正中会引起的误差有:测杆的弯曲变形、测头校正时的位移和位置、测头表面或标准球表面污染等因素。

表1不同截面标准球直径的测量结果


      在测头校正时,一般在标准球各轴向的大直径处或附近进行,这是因为此时的测球接触角小,由此产生的误差也小,这点可以从表1的几组校正及测量数据的对比中可以看出来,它们是在用一号针位置用同一测针对比的结果。


由表1可见,校正时测头在不同截面上探测会产生不同的结果,在标准球大截面上探测结果比较好,即Z=0的位置,此时探测方向与x轴的接触为零,而在其他位置探测结果较差。由图3-1可见,当校正探测的接触点在P处时,接触角为0,计算机所计算圆的直径会减小,那么所得到的测头直径会减小,而用此直径的测头去正常测量就会产生误差,该误差就会带到正常测量的结果中去,同时还会增大校正的平均偏差,使校正精度降低,


测针在测量时,使用的测杆越长,则测头产生的弯曲和偏斜就越大。由图3-4可知,在实际测量时,测杆会发生倾斜,产生的误差A=Lsinα(L为测杆长度,a为测杆倾角),所以误差A与测杆的长度和角度成正比,使测头在校正时产生误差,笔者用一测针在校正后对标准球进行测量比较,结果见表2.由表2看到,随测针长度的增加,其平均偏差有增大的趋势,因此会对测量结果带来影响。


测量过程中,要求测头的刚性和测球的形状都达到尽可能较佳的程度,保证的测量精度,在对测头的使用上,应注意:

1)测头长度尽可能短。测头弯曲或偏斜越大,精度将越低。因此在测量时,尽可能采用短测头。

2)连接点少。每次将测头与加长杆连接在一起时,就额外引入了新的潜在弯曲和变形点,因此在使用过程中,尽可能减少连接的数目。

3)使测球尽可能大,主要原因有两个:使得球/杆的空隙大,这样减少了由于“晃动”而误触发的可能,测球直径较大可削弱被测表面未抛光对精度造成的影响。


表2不同测杆长度标准球直径的测量结果


3.3测头直径校正要点

通过测针直径的校正,测头在测量时对触测延时和测针的变形起到补偿作用,因为测量机在测量过程中测量软件对测针宝石球半径进行了修正【6】,(把测针宝石球中心点的坐标换算到触测点的坐标),为保证测量精度,在测针校正时要做到以下几点::

1)测座、测头(传感器)、加长杆、测针、标准球要安装可靠、牢固,不能松动、有间隙。同时,保持测针和标准球清洁。

2)校正测头时的测量速度应与测量时的速度一致,所以应该采取自动测量方式,如果手动方式校正,应注意测量速度的均匀,位置的正确。注意观察校正后测针的直径是否与以前同样长度时的校正结果有大的偏差,如果有很大变化,则要查找原因或清洁标准球和测针。同时,校正时的形状误差要控制在范围内。重复进行2~3次校正,观察其结果的重复程度。

3)当需要进行多个测头角度、位置或不同测针长度的测头校正时,校正后要检查校正效果(准确性)。方法是:全部定义的测头校正后,使用测球功能,用校正后的全部测头依次测量标准球,观察球心坐标的变化,如果有1~2um变化,是正常的。如果变化比较大,则要检查测座、测头、加长杆、测针、标准球的安装是否牢固,这是造成这种现象的重要原因。

4)更换测头(不同的软件方法不同),因为测针长度是测头自动校正的重要参数,如果测针长度输入出现错误,会造成测针的非正常碰撞,轻者碰坏测针,重则造成测头损坏。要注意。

5)正确输入标准球直径。从以上所述的校正测头的原理中可以得知,标准球直径值直接影响测针宝石球直径的校正值。虽然这是一个“小概率事件”,但是对初学者来说,这是可能发生的。


4.结论

CMM测量机除了机械本体外,测头是测量机达到高精度的关键。正确选择和使用测头是影响三坐标测量机测量精度的重要因素。测头尺寸和测针有效工作长度的选取取决于被测工件。在任何情况下,测针的刚性和测球的球度都是不可或缺的。即在同等精度指标下,测头端部的测球直径D与测杆长度L的比值DL越大,其性能越好。因此,在可能的情况下,选择球头直径尽可能大、测杆尽可能短的测针,获的有效工作长度和测针刚性,提高测量精度。

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