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三座標測量機標準球原理及測頭標定方法

來源: 瀏覽: 發佈日期:2021-08-30 16:11:03

三座標測量機標準球原理及測頭標定方法

   一、標準球原理與標定直徑

  1 : 標準球原理

  在進行測針紅寶石球標定時,配合標準球使用。常見的標準球直徑一般在(10-50)mm之間,其基本數值和形狀誤差均已按計量技術規範校準,出廠附件中所配置的標準球一般都會帶有校準證書。標定測頭之前必須先在測量系統中對測頭進行定義,如選擇測座、測頭、加長杆、測針、標準球實際直徑等參數,同時需要定義測頭編號,該編號能區別測頭的位置、角度和長度。然後用手動、操縱桿、自動方式在標準球的球表面四周以點接觸的方式測量5點以上(通常推薦測量8-12點),測量的一系列點必須分佈均勻。測量系統在採集到一系列點的座標(測針紅寶石球的球心座標)後,按程序對這些點的座標進行數值擬合計算,獲得擬合的虛擬球球心座標、直徑和形狀誤差。擬合的虛擬球球心直徑與標準球的實際校準直徑之差,即爲標定後的測針紅寶石球直徑的標定值,亦可成爲紅寶石球的“標定直徑”。同理,其他位置、角度和長度的測針均按照上述原理和方法進行標定,根據各擬合虛擬球的球心座標,獲得各測頭之間的空間相對位置關係,測量系統根據標定結果計算出測頭位置關係矩陣。當採用不同位置、角度和長度的測針對同一個零部件不同部位的元素進行測量時,測量系統都會把選用的不同測針轉換到同一個編號的測頭測針上,就像每次都在用同一個測頭測針進行測量一樣。經過在同一標準球(未更換過空間位置的)上標定過的測頭,都能準確地實現這種自動轉換功能,這種自動轉換的功能爲測量帶來了極大的便利。

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  2 : 標定直徑

  在實際測量過程中,不難發現存在測頭測針標定後的“標定值”小於名義值的現象,但是該現象不會影響測量機的測量準確度。相反,還會對觸測信號的延時和測針的微小形變產生補償作用。在座標測量機測量過程中,測量系統會對測頭測針紅寶石球半徑進行修正(即上文提到把測針紅寶石球球心座標換算到觸測點的空間座標),這種修正使用的是“標定直徑"而不是“名義直徑”。該現象產生的原因有以下3個方面:

  (1)觸發式的測頭在原理上相當於槓桿結構。點接觸測量時,必須使測頭的傳感器能夠觸發才能發出信號。由於測針(相當於力臂)有一定的長度,所以在測針的寶石球接觸到標準球後,還要運行一段距離,才能觸發傳感器,測針越長,這段距離就越大。因此導致觸發信號有一定的延遲,使擬合球的直徑小於測針寶石球直徑和標準球直徑之和。測量時把擬合球的直徑減去標準球的實際校準直徑後,得到的標定後測頭測針直徑的標定值小於其名義值。

  (2)測頭測針在點接觸式測量過程中,會產生極其微小的形變,這種形變會加大觸發信號的延遲,這也是造成這種現象的原因之一。

  (3)測頭傳感器的觸發信號傳遞給計數器所需的時間是固定的。但是在觸發信號傳遞的這段時間內,光柵讀數的變化率與座標測量機的觸測速度是相關的,觸測速度快時,測針的“標定直徑"就小。

  二、測頭標定過程中可能影響準確度的因素

  1 : 測杆長度對測頭標定準確度的影響

  選取直徑名義值爲3mm的測頭,分別用3種長度(20mm、70mm和150mm)的加長杆對標稱值爲24.996的標準球進行標定,其標定結果如表1所示。

  加長杆越長,其標定的準確度越低。根據圖1所示,在實際測量過程中,既有測頭體安裝時沒有嚴格位於軸線上,也會有加長杆發生傾斜的現象,其引起的測頭半徑誤差補償爲△=Lsinα,其中L爲測量桿的長度,α爲測量桿偏離豎直方向的角度,誤差△和杆長L、夾角α都成正比。因此,在標定過程中整個測頭的剛性是一個很重要的參數,也就是說加長杆越長,標定測頭的準確度就會越低。

  2 : 標定角度對標定產生的影響

  測針的軸線與被測圓的法線不平行時(夾角爲α)會產生誤差,並且夾角α越大,誤差值會越大。

  根據上式可知,夾角α越大,則產生的誤差越大。

  選用前面同樣的三座標測量機做實驗,以20mm的測杆爲例進行標準球標定試驗,獲得的試驗數據如表2所示。

  當α=0時,測量軸線與被測圓法線夾角產生的標定誤差值*小,並且隨着角度的增大,其誤差值會增大。

  三、標定過程中的問題及解決方法

  在進行測頭標定過程中,應當注意以下問題:

  1 : 測座、測頭、加長杆、測針、標準球必須安裝牢固、可靠,不能有任何鬆動。在確保測針、標準球安裝牢固後,要反覆擦拭標準球和測針,保持標準球和測針的清潔。

  2 : 標定測頭時,標定速度應當與測量時的速度保持一致。注意觀察測針此次標定結果(主要是“標定直徑”和標定時的形狀誤差),檢查其與以前同等長度時的標定結果相比較是否有較大的偏差。如果有較大的變化,需要仔細查找原因,並反覆清潔測針和標準球。然後對其進行重複性標定,通常重複標定2-3次,觀察其標定結果的重複程度,如果重複性在(1-2)um則是正常的。

  3 : 當需標定多個測頭的位置、角度或不同長度的測針測頭時,標定後一定要檢查標定效果的準確性。用標定後的所有測頭分別測量標準球,並留意標準球球心座標的變化情況,如變化範圍保持在(1-3)um內,則是正常的。否則,需要檢查測座、測頭、加長杆、測針、標準球的安裝是否牢固、可靠。

  4 : 使用不同長度的測針進行標定,測針長度是測頭自動標定的重要參數之一,如果出現錯誤,會導致測針的非正常接觸測量,會出現碰壞測針或者造成測頭損壞的嚴重後果。

  5 : 務必保證輸入正確的標準球直徑(名義直徑)。根據上文所述的標定測頭的原理可知,標準球名義直徑將直接影響到測針紅寶石球直徑的標定值(標定直徑)。