三坐標(biāo)測量機(jī)測頭的測球半徑補(bǔ)償誤差

    從1950年英國FERRANTI公司制造出第一臺數(shù)字式測頭移動型三坐標(biāo)測量機(jī)、1973年前西德OPTON公司完成三維測頭設(shè)計并與電子計算機(jī)配套推出第一個三坐標(biāo)測量系統(tǒng)以來，經(jīng)過幾十年的快速發(fā)展，坐標(biāo)測量技術(shù)已臻成熟，測量精度得到極大提高，測量軟件功能更加強(qiáng)大，操作界面也日益完善，生產(chǎn)廠家遍布全球，開發(fā)出了適于不同用途的三坐標(biāo)測量機(jī)型。幾十年的發(fā)展充分證明，現(xiàn)代三坐標(biāo)測量系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)的測量模式，具有通用、靈活、高效等特點(diǎn)，可以通過計算機(jī)控制完成各種復(fù)雜零件的測量，符合機(jī)械制造業(yè)中柔性自動化發(fā)展的需要，能夠滿足現(xiàn)代生產(chǎn)對測量技術(shù)提出的高精度、高效率要求。

    除用于空間尺寸及形位誤差的測量外，應(yīng)用坐標(biāo)測量機(jī)對未知數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜曲面進(jìn)行測量，提取復(fù)雜曲面的原始形狀信息，重構(gòu)被測曲面，實(shí)現(xiàn)被測曲面的數(shù)字化，不僅是坐標(biāo)測量機(jī)應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域，也是反求工程中的關(guān)鍵技術(shù)之一，近年來也得到快速發(fā)展。

1 測頭的分類

    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。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。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)機(jī)械接觸式測頭

    接觸式測頭又稱為“剛性測頭”、“硬測頭”，一般用于“靜態(tài)”測量，大多作為接觸元件使用。這種測頭沒有傳感系統(tǒng)，無量程、不發(fā)訊，只是一個純機(jī)械式接觸頭。機(jī)械接觸式測頭主要用于手動測量。由于人工直接操作，故測頭的測量力不易控制，只適于作一般精度的測量。由于其明顯的缺點(diǎn)，目前這種測頭已很少使用。

(2)電氣接觸式測頭

    電氣接觸式測頭又稱為“軟測頭”，適于動態(tài)測量。這種測頭作為測量傳感器，是唯一與工件接觸的部件，每測量一個點(diǎn)時，測頭傳感部分總有一個“接觸—偏轉(zhuǎn)—發(fā)訊—回復(fù)”的過程，測頭的測端與被測件接觸后可作偏移，傳感器輸出模擬位移量的信號。這種測頭不但可用于瞄準(zhǔn)(即過零發(fā)訊)，還可用于測微(即測出給定坐標(biāo)值的偏差值)。因此按其功能，電氣接觸式測頭又可分為作瞄準(zhǔn)用的開關(guān)測頭和具有測微功能的三向測頭。電氣接觸式測頭是目前使用最多的測頭。

2 測球半徑補(bǔ)償誤差

(1)測針的選擇

    正確選擇和使用測頭是影響坐標(biāo)測量機(jī)的測量精度的重要因素。測針安裝在測頭上，是測量系統(tǒng)中直接接觸工件的部分，它與測頭的通訊式連接渠道稱作觸發(fā)信號。如何選用合適的測針類型和規(guī)格取決于被測工件的特征，但是在任何情況下，測針的剛性和測球的球度都是不可或缺的。

    工業(yè)用紅寶石是高硬度的陶瓷材料，紅寶石測球具有很好的球度，測量時紅寶石測球的球頭磨損可忽略不計。測針針桿一般用非磁性的不銹鋼針桿或碳鎢纖維針桿，以保證測針的剛性。測針的有效工作長度(EWL)使得測針接觸工件時可獲得精確的測點(diǎn)位置。球頭尺寸和測針有效工作長度的選取取決于被測工件�？赡艿那闆r下，選擇球頭直徑盡可能大、測桿盡可能短的測針，以保證最大的球頭/測桿距，獲得最佳的有效工作長度和測針剛性。需要時可加長測桿以增大探測深度，但值得注意的是，使用測針加長桿會降低剛性，從而降低測量精度。

(2)測球半徑補(bǔ)償誤差

    當(dāng)測針接觸到工件時，三坐標(biāo)測量機(jī)接收的的坐標(biāo)值應(yīng)是紅寶石球頭中心點(diǎn)坐標(biāo)，顯然，測量軟件將自動沿著測針從接觸點(diǎn)回退的方向加上一個測球半徑值作為測量值。但該測量值是一個與測頭的機(jī)械慣性有關(guān)的動態(tài)值。實(shí)際上，測量作為一個動態(tài)過程，其測量值應(yīng)該考慮到從測頭采點(diǎn)到實(shí)際向系統(tǒng)傳送該點(diǎn)坐標(biāo)值時發(fā)生的機(jī)器空間移動距離。盡管這個距離極小，但對系統(tǒng)計算動態(tài)尺寸有一定影響。

    在實(shí)際測量時，每測量一個元素，系統(tǒng)都可以自動區(qū)分測球半徑的補(bǔ)償方向，計算正確的補(bǔ)償半徑。在采點(diǎn)開始后，測量軟件將在沿著測針接觸工件的方向上對測球進(jìn)行半徑補(bǔ)償。但被補(bǔ)償點(diǎn)并非真正的接觸點(diǎn)，而是測頭沿著測針接觸工件方向的延長線上的一個點(diǎn)。這樣就造成了補(bǔ)償誤差，產(chǎn)生誤差的大小與測球的半徑及該工件被測面與笛卡爾坐標(biāo)軸的夾角有關(guān)，夾角越大，誤差越大。

①測球半徑r對補(bǔ)償誤差的影響

    補(bǔ)償誤差δ與測球半徑r成正比關(guān)系，即測球半徑r越小，補(bǔ)償誤差δ也越小。因此當(dāng)用三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行點(diǎn)位測量時，應(yīng)選用盡可能小的測球。

②測針軸線與被測表面法線間的夾角α對補(bǔ)償誤差的影響

    當(dāng)測針軸線與被測表面法線間的夾角α等于0時，測球半徑補(bǔ)償誤差δ也為0。因此，測量時要盡可能使測針軸線與被測表面垂直，使測頭沿著被測表面的法線方向移動，以最大限度地減小測球半徑補(bǔ)償誤差。

    在用三坐標(biāo)測量機(jī)測量點(diǎn)元素時，測量軟件在自動補(bǔ)償測球半徑過程中會出現(xiàn)測球半徑補(bǔ)償誤差。通過運(yùn)用參考坐標(biāo)系找正工件或用CNC模式進(jìn)行測量，使測頭沿著被測表面的法線方向移動采集點(diǎn)的坐標(biāo)，可以盡量減小測球半徑補(bǔ)償誤差，正確進(jìn)行測球半徑補(bǔ)償，提高測量精度。