三坐标测量机标准球原理及测头标定方法

三坐标测量机标准球原理及测头标定方法

 　　一、标准球原理与标定直径

　　1 : 标准球原理

　　在进行测针红宝石球标定时，配合标准球使用。常见的标准球直径一般在(10-50)mm之间，其基本数值和形状误差均已按计量技术规范校准，出厂附件中所配置的标准球一般都会带有校准证书。标定测头之前必须先在测量系统中对测头进行定义，如选择测座、测头、加长杆、测针、标准球实际直径等参数，同时需要定义测头编号，该编号能区别测头的位置、角度和长度。然后用手动、操纵杆、自动方式在标准球的球表面四周以点接触的方式测量5点以上(通常推荐测量8-12点)，测量的一系列点必须分布均匀。测量系统在采集到一系列点的坐标(测针红宝石球的球心坐标)后，按程序对这些点的坐标进行数值拟合计算，获得拟合的虚拟球球心坐标、直径和形状误差。拟合的虚拟球球心直径与标准球的实际校准直径之差，即为标定后的测针红宝石球直径的标定值，亦可成为红宝石球的“标定直径”。同理，其他位置、角度和长度的测针均按照上述原理和方法进行标定，根据各拟合虚拟球的球心坐标，获得各测头之间的空间相对位置关系，测量系统根据标定结果计算出测头位置关系矩阵。当采用不同位置、角度和长度的测针对同一个零部件不同部位的元素进行测量时，测量系统都会把选用的不同测针转换到同一个编号的测头测针上，就像每次都在用同一个测头测针进行测量一样。经过在同一标准球(未更换过空间位置的)上标定过的测头，都能准确地实现这种自动转换功能，这种自动转换的功能为测量带来了极大的便利。

　　2 : 标定直径

　　在实际测量过程中，不难发现存在测头测针标定后的“标定值”小于名义值的现象，但是该现象不会影响测量机的测量准确度。相反，还会对触测信号的延时和测针的微小形变产生补偿作用。在坐标测量机测量过程中，测量系统会对测头测针红宝石球半径进行修正(即上文提到把测针红宝石球球心坐标换算到触测点的空间坐标)，这种修正使用的是“标定直径"而不是“名义直径”。该现象产生的原因有以下3个方面：

　　(1)触发式的测头在原理上相当于杠杆结构。点接触测量时，必须使测头的传感器能够触发才能发出信号。由于测针(相当于力臂)有一定的长度，所以在测针的宝石球接触到标准球后，还要运行一段距离，才能触发传感器，测针越长，这段距离就越大。因此导致触发信号有一定的延迟，使拟合球的直径小于测针宝石球直径和标准球直径之和。测量时把拟合球的直径减去标准球的实际校准直径后，得到的标定后测头测针直径的标定值小于其名义值。

　　(2)测头测针在点接触式测量过程中，会产生极其微小的形变，这种形变会加大触发信号的延迟，这也是造成这种现象的原因之一。

　　(3)测头传感器的触发信号传递给计数器所需的时间是固定的。但是在触发信号传递的这段时间内，光栅读数的变化率与坐标测量机的触测速度是相关的，触测速度快时，测针的“标定直径"就小。

　　二、测头标定过程中可能影响准确度的因素

　　1 : 測杆长度对测头标定准确度的影响

　　选取直径名义值为3mm的测头，分别用3种长度(20mm、70mm和150mm)的加长杆对标称值为24.996的标准球进行标定，其标定结果如表1所示。

　　加长杆越长，其标定的准确度越低。根据图1所示，在实际测量过程中，既有测头体安装时没有严格位于轴线上，也会有加长杆发生倾斜的现象，其引起的测头半径误差补偿为△=Lsinα，其中L为测量杆的长度，α为测量杆偏离竖直方向的角度，误差△和杆长L、夹角α都成正比。因此，在标定过程中整个测头的刚性是一个很重要的参数，也就是说加长杆越长，标定测头的准确度就会越低。

　　2 : 标定角度对标定产生的影响

　　测针的轴线与被测圆的法线不平行时(夹角为α)会产生误差，并且夹角α越大，误差值会越大。

　　根据上式可知，夹角α越大，则产生的误差越大。

　　选用前面同样的三坐标测量机做实验，以20mm的测杆为例进行标准球标定试验，获得的试验数据如表2所示。

　　当α=0时，测量轴线与被测圆法线夹角产生的标定误差值*小，并且随着角度的增大，其误差值会增大。

　　三、标定过程中的问题及解决方法

　　在进行测头标定过程中，应当注意以下问题：

　　1 : 测座、测头、加长杆、测针、标准球必须安装牢固、可靠，不能有任何松动。在确保测针、标准球安装牢固后，要反复擦拭标准球和测针，保持标准球和测针的清洁。

　　2 : 标定测头时，标定速度应当与测量时的速度保持一致。注意观察测针此次标定结果(主要是“标定直径”和标定时的形状误差)，检查其与以前同等长度时的标定结果相比较是否有较大的偏差。如果有较大的变化，需要仔细查找原因，并反复清洁测针和标准球。然后对其进行重复性标定，通常重复标定2-3次，观察其标定结果的重复程度，如果重复性在(1-2)um则是正常的。

　　3 : 当需标定多个测头的位置、角度或不同长度的测针测头时，标定后一定要检查标定效果的准确性。用标定后的所有测头分别测量标准球，并留意标准球球心坐标的变化情况，如变化范围保持在(1-3)um内，则是正常的。否则，需要检查测座、测头、加长杆、测针、标准球的安装是否牢固、可靠。

　　4 : 使用不同长度的测针进行标定，测针长度是测头自动标定的重要参数之一，如果出现错误，会导致测针的非正常接触测量，会出现碰坏测针或者造成测头损坏的严重后果。

　　5 : 务必保证输入正确的标准球直径(名义直径)。根据上文所述的标定测头的原理可知，标准球名义直径将直接影响到测针红宝石球直径的标定值(标定直径)。