三坐标测量机测球直径的校正和误差分析

骆 捷

（广东 惠州 516100）

1 坐标测量的原理

任何形状都是由空间点组成，所有的几何量测量都可归结为空间点的测量，因此精确进行空间点坐标的采集，是评定任何几何形状的基础。

坐标测量机的基本原理是将被测零件放入它已允许的测量空间，精密地测出被测零件表面的点在空间3个坐标位置的数值，将这些点的坐标数值经过计算机数据处理，拟合形成测量元素，如圆、球、圆柱、圆锥、曲面等，经过数学计算的方法得出其形状、位置误差及其他几何量数据。

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。

2 三坐标测量机测量的主要步骤

2.1 测头选择

测头部分是测量机的重要部件，测头根据其功能有：触发式、扫描式、非接触式（激光、光学）等。触发式测头是使用最多的一种测头。

一般的测头头部都是由一个杆和测球组成。最常见的测球的材料是红宝石，因为红宝石是目前已知的最坚硬的材料之一，只有极少的情况不适宜采用红宝石球。高强度下对铝材料制成的工件进行扫描时，选择氮化硅较好；对铸铁材料工件进行高强度扫描，推荐使用氧化锆球。

为保证一定的测量精度，在对测头的使用上，需要注意：

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

（2）连接点最少：每次将探针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。因此在应用过程中，尽可能减少连接的数目。

（3）使测球尽可能大：测球直径较大可削弱被测表面未抛光对精度造成的影响。

2.2 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，最先校正的测针作为测针组坐标的原点。如图1所示，用测尖对标准球进行测量（通常测5点），在球极上测一点，球赤道面上均匀测4点。对于高精度的测量，采用9点，即在球极上测一点，球赤道面上均匀测4点，球极和球赤道面之间的中间面上再采4点。

通过对标准球的测量，测球半经得到了补偿，如图2所示，测头中心值为 P（X，Y，Z），接触点值为 P′（X′，Y′，Z′），测点坐标值从P到P′进行了补偿。

图1 测头校正

图2 侧头半径补偿示意图

2.3 测头直径校正的误差分析

测头校正是保证测量精度的基础，在测头校正过程中引起误差的主要因素有：测杆的弯曲变形、测头校正时触测点位置、测力、触测速度和探测距离等。测力越小，精度越低。应选用一定的测力和测速进行测量，同时选用合适的探测距离，以保证测量精度。这里就测杆的弯曲变形和测头校正时触测点位置对测头半径补偿误差作详细讨论。

2.3.1 测头校正时触测点位置对测头半径补偿误差的影响

如图3所示，测针轴线与被测面法线的夹角α越大，误差越大。

图3 补偿误差计算示意图

图4 实际测量产生倾斜

可见，当测针轴线与被测面法线的夹角α＝0时，测球半径补偿误差Δ也为0。

在测头校正测量时，应尽可能使测针轴线与被测面垂直，使测头沿着被测表面的法线方向移动，以减小测球半径的补偿误差。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，数据是在不同位置用同一测针测量对比的结果。

表1 不同位置标准球直径的测量结果

由表1可见，校正时测头在不同的触测位置测量会产生不同的结果，当测针轴线与被测面法线的夹角α＝0时，测量结果最好，而在其他位置测量结果较差。

2.3.2 探针长度对测头半径补偿误差的影响

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4可知，因为实际测量时，除了测头体安装时产生的轴间平移，还有轴（测杆）会发生倾斜，所产生的测头半径补偿误差Δ＝Lsinα（L为测杆长度，α为测杆倾角），误差Δ与测杆的长度和角度成正比，笔者用一测针在校正后对标准球进行测量比较，测量结果见表 2。由表2看到，随测针长度的增加，其偏差也随着增大。因此，在测量过程中，要求测头的刚性和动态性能达到最佳的程度，保证一定的测量精度。

表2 不同测杆长度标准球直径的测量结果

2.4 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（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）、探测杆、标准球要安装可靠、牢固，保证测座中心轴和测头中心轴的同轴度，必要时用千分表在高精度圆柱体外围打表，然后对同轴度进行调整。

（2）校正测头时的测量速度应与测量时的速度一致，所以应该采用自适应测量方式。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一致，如果不一致，相差悬殊，则要查找原因，重新校正。要重复进行2～3次校正，观察其结果的重复程度。

（3）如果测量时需要用多个测头角度、位置或不同测针长度的测头，在所有测头都安装好的情况下，在测量前一次把所有测头都校正好，并且一定要检查校正效果（准确性）。方法是：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1～2 μm变化，是正常的。如果测量结果不一致，则要检查测座、测头、加长杆、测针、标准球的安装是否牢固，找出原因重新校正。

3 结束语

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D/L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，以获得最佳的有效工作长度和测针刚性，提高测量精度。

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