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【正文】 位置。如圖所為觸點坐標，為測頭端部球心坐標， 8， a 分別為測點法向與 z 軸夾角及法向在 xy 平面內(nèi)投影與 y軸夾角，則接觸點的坐標可表示為： x=x’ R y=x’ R z=X’ R 圖所示為探針的形狀。它的作用是為紅寶石球提供一個固定的 支撐，當探針接觸被測表面時，探針的微笑移動可觸發(fā)開關(guān)，從而發(fā)出信號。探針有不同的類型。如圖所示，根據(jù)不同的需要可以選擇不同的類型的探針。為了獲得較高的測量精度，建議在實際測量時遵循以下兩條原則： 盡量使用長度短的和剛性好的探針。測量時探針的彎曲越大，偏移越大，測量的重復(fù)精度就越低。 盡量選用直徑大的紅寶石探針。選用直徑大的紅寶石探針，一方面可以減小加工表面缺陷時測量精度的影響，另一方面可以增大探針的有效工作長度。如圖 78所示。 1 測頭的分類 測量頭作為測量傳感器，是坐標測量系統(tǒng)中非常重要的 部件。三坐標測量機的工作效率、精度與測量頭密切相關(guān)，沒有先進的測量頭，就無法發(fā)揮測量機的卓越功能。坐標測量機的發(fā)展促進了新型測頭的研制，新型測頭的開發(fā)又進一步擴大了測量機的應(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。本文討論的重點為觸發(fā)式測頭。 (1)機械接觸式測頭 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，只是一個純機械式接觸頭。機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，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 (即過零發(fā)訊 )，還可用于測 微 (即測出給定坐標值的偏差值 )。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 測球半徑補償誤差 (1)測針的選擇 正確選擇和使用測頭是影響坐標測量機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。可能的情況下，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。 （ 3）探針的校準 在對工件進行實際檢測之前，首先要對測量過程中用到的探針進行校準。因為在許多尺寸的測量當中需要沿不同的方向進行探測，系統(tǒng)記錄的是探針中心的坐標而不是接觸點的坐標。為了獲得接觸點的坐標，必須對探針半徑進行補償。因此首先必須對探針進行校準。一般使用校準球來校準探針。校準球是一個已知直徑的校準球，校準探針的過程實際上就是對這個已知直徑的標準進行測量直徑的過程，如圖 71 所示。該球的測量值等于校準球的直徑加探針直徑，這樣也就可以確定探針直徑，將探針直徑除以 2，得出探針半徑，系統(tǒng)用這個值就可以對測量結(jié)果進行補償。校準的 具體操作步驟一般如下：將探頭正確的安裝在 CMM的主軸上；將探針在工件表面移動，看是否均能測得到，檢查探針是否清潔。記住，一旦探針的位置發(fā)生改變，就必須重新校準；將校準球裝在工作臺上，要確保不用移動校準球上打點，測點當選最少為五個；給定的點當數(shù)測完后，就可以得到測量所得的校準球的位置、直徑、形狀偏差，由此可以得到探針的半徑值。 測量過程中所有要用到的探針都要進行校準，而且一旦探針改變位置，或者取下后下次再用時要重新進行校準，這樣一來在探針的校準方面要用去大量的時間。為解決這一問題，有的 CMM 上配有測頭庫和測頭 自動交換裝置。測頭庫中的測頭經(jīng)過一次校準后可重復(fù)交換使用而無需重新校準。 工件的找正 我們知道 CMM 有其本身的機器坐標系，而在進行檢測規(guī)劃時，檢測點數(shù)量及其分布的確定以及檢測路徑的生成及信真等都是在 CAD 中工件坐標系下進行的。因此在進行實際檢測之前首先要確定工件坐標系在 CMM機器坐標系中的位置關(guān)系。即首先要在 CMM 機器坐標系中對工件進行找正。通常采用 6點找正法，即“ 321”方法對工件進行找正。如圖 712 所示，首先通過在指定平面上測量三點或三點以上的點校準基準面；其次通過測量兩點或兩點以上的點來校準基 準軸；最后再測一點來計算原點。在以上三步操作中檢測點位置的確定都是依據(jù)工件坐標系來選擇的。‘ 工件在工作臺上的擱置方式一般有兩種。一種是通過專用夾具或自動裝卸裝置，將工件放在工作臺沙鍋內(nèi)的某儀固定位置。這樣，通過一次工件找正，再以后測量同批工件時，由于工件的位置基本上是確定的，故無須再對工件進行找正，直接就可進行測量；另一種是通過肉眼的觀察直接將工件放在工作臺的某一合適位置，在這種情況下每測一工件都必須首先對其在工作臺上進行找正。 (2)測球半徑補償誤差 當測針接觸到工件時，三坐標測量機接收的的坐 標值應(yīng)是紅寶石球頭中心點坐標，顯然，測量軟件將自動沿著測針從接觸點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械慣性有關(guān)的動態(tài)值。實際上，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到實際向系統(tǒng)傳送該點坐標值時發(fā)生的機器空間移動距離。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)分測球半徑的補償方向，計算正確的補償半徑。在采點開始后，測量軟件將在沿著測針接觸工件的方向上對測球進行半徑補償。但被補償點并非真正的接觸點，而 是測頭沿著測針接觸工件方向的延長線上的一個點。這樣就造成了補償誤差，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軸的夾角有關(guān)，夾角越大，誤差越大。 ① 測球半徑 r 對補償誤差的影響 補償誤差δ與測球半徑 r成正比關(guān)系，即測球半徑 r越小，補償誤差δ也越小。因此當用三坐標測量機進行點位測量時，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對補償誤差的影響 當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償誤差。 在用三坐標測量機測量點元素時，測量軟件在自動補償測球半徑過程中會出現(xiàn)測球半徑補償誤差。通過運用參考坐標系找正工件或用 CNC 模式進行測量，使測頭沿著被測表面的法線方向移動采集點的坐標，可以盡量減小測球半徑補償誤差，正確進行測球半徑補償，提高測量精度 .