三坐标测量机测头的校正方法和误差分析

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1、《浙江科技学院学报》2010年12月发表三坐标测量机测头的校正方法和误差分析喻彩丽（浙江科技学院机械与汽车工程学院杭州310023）摘要：三坐标测量机的测头是坐标测量机的关键部件，主要用来触测工件表面。为确保测量机的测量精度和测量效率，通过对三坐标测量机测量系统接触式测头结构特点的分析，并对测头校正时所产生的误差进行了分析探讨，提出了测头直径有效的校正和使用方法，从而获得最佳的有效工作长度和测针刚性，提高了测量精度。关键词：三坐标测量机测头系统误差分析测头校正中图分类号：TG87文献标识号：A文章编号：Erroranal

2、ysisandthemethodofcompensatingprobeofthreecoordinatemeasurementmachineYuCai-li(SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,ZhejiangUniversityofScienceandTechnology,Hangzhou310023,China)Abstract:CMM-probesystemsarekeycomponentsofcoordinatemeasurementmachines,tomeas

3、urethesurfaceoftheworkpiece．Inordertoensuremeasurementaccuracyandmeasurementefficiency.ThroughthestructureoftheCMM-probesystemofisanalyzed.，Thesourceofthecompensatingerrorarediscussed.Thevirtualcompensatingandthemethodofusesareproposed，effectiveworkinglengthandte

4、stpinrigidityImprovedmeasurementaccuracy．Keywords:coordinatemeasurementmachineprobesystemserroranalysisprobecalibration1．引言测头系统是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。学校意大利Hexagon旗下DEA的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

5、常重要的[1]部件。三坐标测量机的工作效率、精度与测量头密切相[2]关，没有先进的测量头，就无法发挥测量机的卓越功能。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图2-1PT测头内部结构光学显微镜、电视扫描头及激光扫描头等。本文讨论的重点Fig2-1ThePT-probestructure为触发式测头。2三坐标测量机的接触式测头测量原理TP是接触式结构三维测

6、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

7、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一定的关系，测速应限定在一定范围内。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[3]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

8、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