三坐标测量机测量实践指导.doc
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1、良好的测量实践指导坐标测量机探测摘要:这本指南是一本关于测头与探测的通用指导。它包含探测实践,接触式测头的类型、它们的优点和缺点,以及他们如何工作。它也涵盖了各种探针配置的优点和缺点;选择合适的测头球尺寸以及在坐标测量机上使用非接触传感器。目录1.引言31.1共坐标测量机31.2 坐标测量机的测头42.机械型触发式测头的设计和原则43.模拟(测量)测头64.探测系统概述74.1 工件的相关注意事项74.2 探测系统的选择84.3 探测系统的条件85. 探测头的选择95.1 非铰接探针头95.2 铰接式探测系统95.3 改进测头/探针116. 探针加长杆127. 探针加长杆,接头和适配器的选择1
2、28. 探针类型的选择148.1 保持简单148.2 短而硬158.3 大球尖端158.4 检查触头尖端158.5 保持清洁168.6 探针尖端的类型169. 接触式探针的操作199.1 接触力199.2 逼近速度209.3 工件变形209.4 清洁209.5 探针轴接触219.6 总结2110. 探测系统的校准2111. 工件测量2412. 测量不确定度的来源2412.1 探针轴的弹性变形2412.2 测量流程2512.3 总结2712.4 热膨胀2813.连续扫描2813.1 开环扫描2913.2 闭环扫描2913.3 连续扫面测头2913.4 扫描探针的选择3114.非接触式探测系统31
3、15. 发布的标准3316. 总结3417. 术语表3418.健康和安全36良好的测量实践英国国家物理试验所(NPL)定义了良好测量习惯的六条指导性原则。它们是:正确的测量:测量应该满足规定,并与要求相一致。使用正确的测量工具:测量应该使用已经被证明是适合测量目的的设备和方法。合适的人员:测量人员应该有能力胜任,具有适当的资质,见多识广。定期的检查:应该有内部独立的对所有测量设备和测量流程的技术流程的评估。论证的一致性:在一个地方所得到的测量结果与在其它地方所得到的应该是一致的。正确的测量流程:优秀的测量流程应该在所有的测量中与国家或国际标准相一致。1.引言1.1共坐标测量机坐标测量机是一种通
4、过移动探测系统来达到确定工件表面空间坐标的测量系统。坐标测量机具通过手动操作初步布局检测设备的初始位置。随着数控机床在50年代为了满足美国航天计划对复杂零部件生产需求的发展,以及随后在70年代计算机数字控制系统的引进,此时的生产技术比通用的检测设备更加准确。CMM演化过程中一个重要的因素是David McMurtry 于1972年发明的触发式测头Rolls-Royce1。这个触发式测头是一个可以快速准确检测低触发力的三维传感器。当联系到为计算机数控机械开发的精密线性测量系统加上便宜但功能强大的计算机硬件和软件,这就为高精度自动化检测中心开辟了道路。坐标测量机被广泛应用于精密制造业,它可以对零部
5、件进行快速可靠的尺寸测量。坐标测量机的价格比较昂贵,但它们的测量结果对保持可靠的制造过程却是至关重要的。坐标测量机可以分为两种类型:手工控制和计算机直接控制。手动控制坐标测量机一般用作首件的检验工作。如果在以生产为导向的重要制造环境中,计算机直接控制坐标测量机是通用的选择。计算机直接控制通常是制造商需要收集和分析大量数据维持生产过程的控制时的最佳选择工具。坐标测量机通常是完全处于计算机直接控制下,因此可以消除任何操作者对所记录数据质量的影响。1.2 坐标测量机的测头坐标测量机通过使用各种设备检测物体的表面。这些设备包括触发式测头,模拟(测量)测头,连续扫面和非接触系统。这本散装的指南重要集中介
6、绍触发式测头,同时也会适当介绍其他探测系统的内容。2.机械型触发式测头的设计和原则大部分的坐标测量机使用接触式触发测头,因此掌握一些触发式测头的基本工作原理对我们是非常有帮助的。接触式触发测头的设计者所面临的一个问题是他们所设计的测头的精确度必须高于被测工件生产所需要的精度。所设计的测头只有运用运动学的原理才可以在实际操作中达到这样的精度,而且在实际操作中测头所需的精度并不完全取决于工件的制造的精度。接触式触发测头采用一种动态定位的方式来保持触笔可以在一个高度可重复的方式。一个典型的装置(如图1所示)有三个圆柱棒组成,每一个圆柱棒与一对小球相接触。这一构造限制了接触笔的六个自由度,因此接触笔在
7、偏置后总可以返回到相同的位置。当触笔在任何一个方向发生偏转时,会使接触式电路产生一个触发信号。这个触发信号通知计算机记录在此接触时刻的机器位置。这些记录的点坐标存储以供后续使用。测头的设计允许触笔在接触后发生进一步的偏转,从而给坐标测量机留下了减速的时间。随着触笔脱离物体表面,弹簧力会使触笔复位。该结构可以使探针对表面的探测精度达到亚微米级的检测。图1接触式触发测头的立体剖视图动态设计触发式测头相关的主要问题是触发探针所需的接触力取决于探针和表面的接触方向从而导致几何接触结果会有微小的不同。这种不同会导致探针在接触工件表面的瞬间产生触发信号时所产生的弯曲力矩不同。这种在触发信号产生前由于触发力
8、不同所产生的偏差称为预行程偏差。这种取决于偏转范围的方向称为预行程变化。探针的预行程可以通过与探针规格相反的校准参考范围进行消减。由于预行程根据探测的方向不同而变化,对探针在相同的测量方向进行有目的的测量中确定探针的合格性是非常必要的。探针设计的进步可以帮助减少这种影响。使用三个位于探测头顶部的高敏感的应变片可以检测到探针和工件之间接触力。在这样的设计中,触发信号在非常小的接触力情况下产生,而且在不同方向接触中触发力相一致,因此减少了误差。图2微应变传感器这种应变仪探针技术相对于传统动态动态探针的有点如下:增加探针的支撑长度(由于接触力低,探针弯曲可以最小化)。长针可以在使用时不降低测量精度。
9、可以消除波束特性。由于低的一致性的触发力可以增加重复性。在不降低精度情况下可以使用三维操作对波状外形表面进行测量。相比于传统的动态探针,这种探针寿命可以十倍。图3微应变仪变换器图三显示了测量模块是如何通过一个运动关节安装在测头上的。这样的结构可以使测量模块具有快速更换的能力,同时还使探针具有超程保护的能力。在触发式测头的进一步发展中,测头引入了复合冲击传感器,应变和运动传感器的结合,这种类型的探针可以检测探针与工件表面的微小冲击影响,以及探针位移和绝对位移期间所受到的力。3.模拟(测量)测头许多高精度的坐标测量机利用模拟测头。测头系统(如图四)由三个弹簧平行四边形组成,弹簧平行四边形在测量轴方
10、向有3mm的偏转范围。在每个方向的运动量通过一个感应测量系统获取。每个平行四边形被夹在中间的位置;感应测量系统的初始点会被调整到这个位置。当与工件发生接触时,一个感应线圈系统会产生测量力。当探测系统调整到接近零坐标的位置时,机床坐标和探针头的残余挠度(扫面数字化单元)传输到计算机。在高速移动式的测头的预偏转量在探测方向。这样可以确保测头停在其规定的偏转范围内以防止过接触或碰撞。与触发式探针最主要的区别是模拟探针的测量是静态的进而可以大幅度的增加测量精度。模拟探针的运行有两种状态:自由浮动模式(同时在三个轴工作),非测量轴被固定的固定模式。图4模拟探针头4.探测系统概述模拟式测头和触发式测头都有
11、一个用作与被测工件接触的探针。为获得精确测量所需要的测量点的数量在很大程度上取决于操作者技能和经验。使用者在这方面所需的指导在英国国家物理实验所(NPL)规范实践指导41页中坐标测量机的测量策略中讲解。使用者在测量前所需要考虑的关键因素将在下文进行总结。4.1 工件的相关注意事项对于选定工件的测量程序需要进行确定。很明显需要注意的一点是坐标测量机的工作包络空间应该足够大以容纳被测工件,而且还应该有足够的自由空间允许探针在工件表面进行没有碰撞危险的运动。探针必须能够到达所有被测特征表面的能力。同时还应该考虑到测量目标所需要的测量不确定度(通常为最小制图公差的20%)。如果制图公差没有要求,那就没
12、有必要达到最精确的测量结果。4.2 探测系统的选择典型的探测系统包含四部分:测头,测头扩展部,探针调整或扩展部,探针。4.2.1 可用的测头类型包括铰接,非铰接以及手动或机动。手动铰接测头需要使用者的干预,这样需要在结合点处暂停部件程序,进而会增加计算机直接控制的测量时间,并影响测量的精确度。测头的选择应该考虑目标精确度。第五部分将详细介绍测头。4.2.2 测头扩展部测头扩展部的选择取决于所需要的测量类型,测量精度,所使用的探针的质量和长度和探针连接部位的刚度。测头扩展部位于测头和接触触发器之间。测头扩展部在第六部分详细介绍。4.2.3 探针扩展选择探针扩展和适配器可以使测量帮助测头探测难以到
13、达的地方。所用的部件包括转向节,五路探针中心,简单扩展以及可以允许探针连接不同螺纹尺寸的M3/M2和M5/M4适配器。必须注意的是如果所使用的探针比螺纹尺寸小会导致探针的刚度不足降低测量精度。使用比测头螺纹尺寸大的探针容易引起触头的错误触发。探针扩展部将在第七节中详细介绍。4.2.4 探针的选择对于探针的选择主要需要考虑两点,即满足探针接触的要求,对于工件上所有点的测量没有干涉,在接触点保持可重复性。探针的选择在第八部分将做详细介绍。4.3 探测系统的条件为了保持精度,需要对探针组合进行“校准”。这涉及到确定探针半径,以及每个探针之间的距离。这通常是通过将限制每个探针到校准参考范围实现的。软件
14、然后确定探球尖端的直径以及它们之间的距离。探针/探球的条件将在第十部分详细介绍。5. 探测头的选择测头的选择需要考虑很多因素主要有以下:l 探测系统的响应速度必须与坐标测量机的控制器兼容。l 在一个完整的测量过程中尽可能使用同一个探针。l 探测器本身应该能够兼容所有被应用的探针。在手动操作中,触摸式测头可能会受到意外的碰撞,因此当探针将要接触到工件时,使用者将要改变探针的速度和力度,但这也可能会导致过行程。为了避免损坏,手动操作测头的触发机制设计必须比计算机直接控制的探测装置更加坚固。测头的选择也会显著影响系统的整体性能。为了满足所有的测量要求,在测头选择的时候可能会作出妥协。例如一个测头,当
15、配合一个拥有比较大的测量力但比较沉重的探针时,探针的响应速速会减慢。同样,在选择测头的时候,操作者应该意识到更加敏感的探针需要一个更好的操作环境。最好的结果是使用者应该检测当地的环境温度,同时和在使用的指定的特定的测头相比较。除了在灵敏度和热操作环境之间权衡考虑测头的重量外,使用者还应该考虑是否使用铰接或非铰接头,是否应该是自动还是手动的。读者还应该对ISO 10360-5:2000 几何产品规范坐标测量机(CMM)的验收批准执行测试条例第五部分有所了解。5.1 非铰接探针头非铰接探针头只允许一个固定测头方向例如:垂直向下。这种测头被广泛应用于测量特性加工或被冲压成扁平的金属板,或任何只需要一
16、个垂直向下测头可以测量的零件。它们可以被应用与手动控制或直接计算机控制的机器。5.2 铰接式探测系统铰接式探测系统(如图5)可以使操作者能够探测许多不同的方向。铰接式测头可以控制探测点的方向。A轴控制在垂直平面内的仰角度数,B轴控制在水平平面内探测点的方向。这些角度的增量通常是15度或7.5度。这种类型的测头允许工件的背面或侧面以及具有倾斜角度特征的点。铰接式探测系统通常可以分为两类:手动和电动的。每一个铰链式探测头都有一个最大允许伸长量。如果需要测量一个深孔内部,使用者需要确保所使用的测头可以伸长到所需的长度。手动铰链探测系统需要用户干预移动探针到达所需要的方向。这种类型的探针可以被用在手动
17、机械或计算机直接控制机械上;但是在计算机直接控制的设备上,程序会在每个程序探测定向点处停止,等待使用者确定测头方向。图5英国PH1类型和PH5类型探测头使用手动铰链探测系统,一旦所需的位置被确定,新的探针位置需要与参考球进行校准才能确定。需要指出的是,当操作者对测头进行定位时,由操作者产生的热可能通过触碰探针引起探针的膨胀导致测量的结果出现偏差。使用一些类型的手动铰链探测系统时,在探针位置发生多次改变后重新通过参考球获得资质。在测量的过程中,在测头使用以前获得的资质点时,在没有进一步与参考球对比就进行测量时,测头可能会被操作者重新定位。其它一些手动铰链探测系统,在测头每一次重新定位时,需要通过
18、直接使用参考球获得重新获得资质。在使用这种类型的测头时,需要特别注意的是由于担心出现资质误差进而导致测量误差,参考球在进行获取资质时不能移动。自动或机动探测系统(图六)可以通过零件测量程序自动地改变测头角度。因此复杂的零件测量程序可以在完全无人干预的情况下改变测头的角度。这些测头只能使用在自动化的坐标测量机上。在手动铰链探测程序所需的资质审查流程也同样适用于自动或机动探测系统中。如果操作者使用的是计算机直接控制测量机,那么只需要偶尔的按照手动铰链测头调节知道调整测头链接。然而,如果测量流程需要定期的调整探测角度,那么使用自动铰接测头就是必须的。这样可以使使操作者借助零件测量程序避免在设备测量周
19、期中不断地暂停调整手动测头的方向。如果操作者站在零件程序测量周期中站在机器旁边频繁地改变测头方向,那么零件测量程序的优点将无法展现。图6英国PH10M可转位电动头5.3 改进测头/探针测头的精度取决于触发系统的设计。应变式触发测头比简单的触发式测头设计具有更高的精确度,特别是当使用长探针时,这种对比更加明显。需要考虑到系统在局部程序内应该具有自动改变探针尖端的能力。由于这些测头的探针平时总是被拧松脱离探测器,所以在每次使用前都需要对探针进行重新校准。一些探针模块是通过磁力连接到探针上的。这些模块可以通过手工操作或模块改变机架被移动或取代。为了保持精度,建议在探针模块被改变后,在下一步测量进行之
20、前,需要对探针进行重新校准。如果在最近一次校准后,房间内的温度发生改变,更需要对探针进行重新校准。使用自动更换装置(如图7)允许探针尖端在没有操作人员的干预下在内部程序控制下自动更换。图7自动更换架6. 探针加长杆使用者应该确保探针扩展的长度被保持在最低限度。但同时也应该确保在整个测量过程探针的长度能够满足探针接触到所需测量的工具表面。测头和配件的制造商一般会给出探针的最大推荐扩展长度。使用超出这些长度的扩展会严重影响测头的测量准确性和重复性。例如英国产的电动探测头PH9的最大加长杆长度为200毫米。7. 探针加长杆,接头和适配器的选择使用接头,适配器以及探针加长杆可以方便地测量一些难以测量的
21、表面特征。探针适配器(如图8)可以在探针能够接触表面的前提下帮助探针测量一些角度特征。它可以定位在垂直面或水平面上。当测头不能正确定位探针时,可以参考本书附件。图8探针关节探针适配器(图9)可以允许在触发式测头上使用所有类型的探针。但使用者应该意识到一点如:M2螺纹的探针连接到M3螺纹的测头上时由于会减少探针的刚度进而导致探针的精确度降低。同样,使用一个大尺寸的探针连接到一个小尺寸的探针上时,可能会引起探针错误的触发。图9探针适配器探针加长杆(图10)可以增加探测范围通过延长由测头到探针的距离。使用探针加长杆时,由于会降低探针的刚度同时增加探针对温度变化的敏感性,进而会导致探测精度的降低。钢制
22、探针每增加100毫米时,环境温度每变化1摄氏度时,探针的长度变化量会因此增加0.001毫米。图10探针加长杆对于任何类型的适配器,确保在测量过程中所有的连接都紧固是最重要的。8. 探针类型的选择探针尖端直接与工件接触,它们一般是由合成单结晶高度球形的工业红宝石(Al2O3)安装在轴端。红宝石是一种很硬的陶瓷材料以确保触球的磨损最小。有许多不同类型以及不同尺寸的红宝石以满足不同的应用;安装在探针上的轴通常使用的是无磁不锈钢材,陶瓷碳纤维或碳化钨。红宝石球探针适用于大多数的探测应用。为了尽可能的增加测量精度,使用者应该遵循以下原则:l 保持简单l 使用短且刚度大的探针l 尽可能使用所提供的最大球作
23、为尖端l 检查确保探针尖端没有松动l 保持整洁l 使用最适合类型的探针8.1 保持简单为了保证测量精度,使用者应该保持探针系统尽可能的简单,单一的直探针通常会比接有弯头和接头的探针具有更好的性能。因此,只要可能,使用者应该选择只有一个而不是复合探针的索引测头。8.2 短而硬 确保探针是短而硬的,大的探针弯曲量会降低测量精度。但如果为了测量一个特殊的任务,在不得已的情况下必须使用一个长的探针或加长杆,但还是有必要使用一个高精度的测头。在这种情况下,使用者应该首先应该在一个已知尺寸的样品上做一个测验以验证是否达到规定的性能要求。在ISO 10360-5:2000几何产品技术规范(GPS)附件验收-
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