坐標測量機測頭標定是測量過程中非常重要的一個環(huán)節(jié)，在標定過程中產(chǎn)生的誤差將影響最終的測量結(jié)果，特別是標定不同位置、角度和長度的測頭時，標定結(jié)果的準確性顯得尤其重要。在后續(xù)的測量過程中發(fā)現(xiàn)問題，再重新標定測頭，將會增加較大的工作量，降低工作效率。

一、測頭標定的原因

坐標測量機測頭需要標定的原因主要有以下4個方面：

1：獲得測頭測針的紅寶石球的補償直徑

在測量過程中，測針上的紅寶石球以點接觸的形式接觸被測零部件的測量部位，同時測頭上的傳感器會產(chǎn)生一個接觸信號，該信號被光柵計數(shù)系統(tǒng)采集后，光柵計數(shù)系統(tǒng)會將此時的光柵計數(shù)器鎖存并傳遞給計算機測量系統(tǒng)，測量系統(tǒng)收集的是一個空間幾何坐標點（x，y，z）。

實際上，該坐標點是測針紅寶石球的球心坐標，該坐標點與測量過程中所需的測針與被測量零部件接觸點的坐標之間存在已知的數(shù)值關(guān)系，即相差一個測針紅寶石球的半徑值。所以，為了計算出測針紅寶石球與被測零部件測量部位接觸點的空間幾何坐標，必須通過測頭標定來獲得測針紅寶石球的直徑，即補償直徑。

2 : 獲得測針在不同位置與其在第一個位置之間具體的數(shù)值關(guān)系

該原因主要是針對多探針系統(tǒng)的坐標測量機。

在用坐標測量機進行具體的測量過程中，被測零部件不能隨意搬動和翻轉(zhuǎn)。

為了方便測量，通常需根據(jù)具體情況科學(xué)合理地選擇合適長度、形狀的測頭（如柱形、星形和針形等）和測頭位置。

為了使選擇的不同測針、測頭不同位置所測量的數(shù)值能夠直接進行計算，需要把它們之間的相互關(guān)系先進行測量，然后在計算時進行數(shù)值換算。

因此，為了獲得測針在不同位置與其在第一個位置之間具體的數(shù)值關(guān)系，在測量的前期準備工作中通常需先進行測頭標定。

3 : 理論測桿長度與實際測桿長度的誤差

坐標測量機測量過程中，由于一些工件比較復(fù)雜或者孔比較深等原因，需要使用加長的測量桿。測量力會使測桿產(chǎn)生很微小的形變彎曲。彎曲量的大小除了和測量力的大小有關(guān)還與測桿長度有關(guān)。

一些主軸可旋轉(zhuǎn)的坐標測量機還需考慮測球中心與主軸不在一條直線上所引起的偏心。所以在使用之前需要對測桿測頭進行標定。

4 :測頭旋轉(zhuǎn)角度之誤差

使用三坐標測量機對工件進行測量時，其最佳狀態(tài)是讓測針在豎直方向進行測量。

對于復(fù)雜型面工件需要旋轉(zhuǎn)角度采點測量，而測座的旋轉(zhuǎn)角度由于不符合阿貝原則會引入阿貝誤差，并且測頭在旋轉(zhuǎn)過程中會引入機械誤差。

二、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(shù)值和形狀誤差均已按計量技術(shù)規(guī)范校準，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(tǒng)中對測頭進行定義，如選擇測座、測頭、加長桿、測針、標準球?qū)嶋H直徑等參數(shù)，同時需要定義測頭編號，該編號能區(qū)別測頭的位置、角度和長度。然后用手動、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布均勻。

測量系統(tǒng)在采集到一系列點的坐標（測針紅寶石球的球心坐標）后，按程序?qū)@些點的坐標進行數(shù)值擬合計算，獲得擬合的虛擬球球心坐標、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，即為標定后的測針紅寶石球直徑的標定值，亦可成為紅寶石球的“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(jù)各擬合虛擬球的球心坐標，獲得各測頭之間的空間相對位置關(guān)系，測量系統(tǒng)根據(jù)標定結(jié)果計算出測頭位置關(guān)系矩陣。

當采用不同位置、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(tǒng)都會把選用的不同測針轉(zhuǎn)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(jīng)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(xiàn)這種自動轉(zhuǎn)換功能，這種自動轉(zhuǎn)換的功能為測量帶來了極大的便利。

2 : 標定直徑

在實際測量過程中，不難發(fā)現(xiàn)存在測頭測針標定后的“標定值”小于名義值的現(xiàn)象，但是該現(xiàn)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(chǎn)生補償作用。在坐標測量機測量過程中，測量系統(tǒng)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坐標換算到觸測點的空間坐標），這種修正使用的是“標定直徑"而不是“名義直徑”。

該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因有以下3個方面：

（1）觸發(fā)式的測頭在原理上相當于杠桿結(jié)構(gòu)。點接觸測量時，必須使測頭的傳感器能夠觸發(fā)才能發(fā)出信號。

由于測針（相當于力臂）有一定的長度，所以在測針的寶石球接觸到標準球后，還要運行一段距離，才能觸發(fā)傳感器，測針越長，這段距離就越大。因此導(dǎo)致觸發(fā)信號有一定的延遲，使擬合球的直徑小于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后，得到的標定后測頭測針直徑的標定值小于其名義值。

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

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

三、測頭標定過程中可能影響準確度的因素

1 : 測桿長度對測頭標定準確度的影響

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

根據(jù)表1可以得到結(jié)論：加長桿越長，其標定的準確度越低。根據(jù)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于軸線上，也會有加長桿發(fā)生傾斜的現(xiàn)象，其引起的測頭半徑誤差補償為△=Lsinα，其中L為測量桿的長度，α為測量桿偏離豎直方向的角度，誤差△和桿長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(shù)，也就是說加長桿越長，標定測頭的準確度就會越低。

2 : 標定角度對標定產(chǎn)生的影響

圖2為標定角度示意圖，測針的軸線與被測圓的法線不平行時（夾角為α）會產(chǎn)生誤差，并且夾角α越大，誤差值會越大。

根據(jù)上式可知，夾角α越大，則產(chǎn)生的誤差越大。

選用前面同樣的三坐標測量機做實驗，以20mm的測桿為例進行標準球標定試驗，獲得的試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可知，當α=0時，測量軸線與被測圓法線夾角產(chǎn)生的標定誤差值最小，并且隨著角度的增大，其誤差值會增大。

四、標定過程中的問題及解決方法

在進行測頭標定過程中，應(yīng)當注意以下問題：

1 : 測座、測頭、加長桿、測針、標準球必須安裝牢固、可靠，不能有任何松動。在確保測針、標準球安裝牢固后，要反復(fù)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(yīng)當與測量時的速度保持一致。

注意觀察測針此次標定結(jié)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(jié)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，并反復(fù)清潔測針和標準球。然后對其進行重復(fù)性標定，通常重復(fù)標定2-3次，觀察其標定結(jié)果的重復(fù)程度，如果重復(fù)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，標定后一定要檢查標定效果的準確性。

用標定后的所有測頭分別測量標準球，并留意標準球球心坐標的變化情況，如變化范圍保持在（1-3）um內(nèi)，則是正常的。否則，需要檢查測座、測頭、加長桿、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(shù)之一，如果出現(xiàn)錯誤，會導(dǎo)致測針的非正常接觸測量，會出現(xiàn)碰壞測針或者造成測頭損壞的嚴重后果。

5 : 務(wù)必保證輸入正確的標準球直徑（名義直徑）。根據(jù)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）。

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