三坐標球頭測量系統誤差分析

王恩雙 徐連軍

摘 ?要：在三坐標測量中，對于測量軟件中測頭系統補償誤差存在兩個觀點，其一，測量機廠家海克斯康認為他們的補償系統誤差很小，對于我們公司現有產品的測量精度要求完全可以滿足，我們現在在測量中是打開測頭補償系統進行測量的。其二，608所和西工大認為測頭系統補償有一定的誤差，因此，他們在測量時關閉測頭補償系統。最近我們在測量葉輪中，有設計人員提出了測頭選取的大小會再一定的測量誤差，對零件的測量結果有一定的影響，針對這一問題我們決定進行理論和實際的分析研究，得到確切的結論。

關鍵詞：三坐標;測量;測頭;系統;補償;誤差

1 現狀分析

在三坐標測量中，對于測量軟件中測頭系統補償誤差存在兩個觀點，第一個觀點：測量機廠家海克斯康認為其補償系統誤差很小，對于我們公司現有產品的測量精度要求完全可以滿足，我們現在在測量中是打開測頭補償系統進行測量的;第二個觀點：608所和西工大認為測頭系統補償有一定的誤差，所以在測量時關閉測頭補償系統。最近在測量葉輪中，有設計人員提出了測頭選取的大小會一定的測量誤差，對零件的測量結果有一定的影響，針對該問題，我們決定作以理論和實際的分析研究，得到確切的結論。

2 球頭補償原理

2.1 測頭的定義及校驗

在對工件進行檢測之前，需要對所使用的測桿進行定義及校驗。在PC-DMIS的測頭功能中按照實際采用的測桿配置進行定義，并添加所用到的測頭角度。之后用標準球對其進行校驗，得到正確的球徑和測頭角度。

2.2 校驗測頭的目的

在進行工件測量時，在程序中出現的數值是軟件記錄測桿紅寶石球心的位置，但實際是紅寶石球表面接觸工件，這就需要對實際的接觸點與軟件記錄的位置沿著測點矢量方向進行測頭半徑、位置的補償，消除以下三方面誤差：

（1）理論測針半徑與實際測針半徑之間的誤差。

（2）理論測桿程度與實際測桿長度的誤差。

（3）測頭旋轉角度之誤差。

通過校驗消除以上三個誤差，得到正確的補償值。因此，校驗結果的準確度，直接影響工件的檢測結果。

3 觀點說明

3.1 錯誤觀點

一部分人認為，在實際測量是，每測量一個元素，系統都可以自動區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。這樣就造成了測頭半徑補償誤差，產生誤差的大小與測球的半徑與該工件被測面與笛卡爾坐標軸的夾角有關，夾角越大，誤差越大，詳見圖1。

3.2 正確觀點

軟件在獲取每一個觸測點時，得到的是測針紅寶石球球心點的位置，我們最終想要獲得的是紅寶石球與工件表面接觸的特征點，這兩個點之間的間距為觸測方向（矢量方向）上的測針半徑值，這就需要通過測頭補償來實現，即將紅寶石球心點沿測針觸測方向（矢量方向）補償測針半徑之后，得到工件的特征點，而不是豎直方向的延長點。

4 測量驗證

從研究三坐標測量系統的補償原來我們可以發現，正常經過校驗的測頭，打開補償控制要求，理論上不會出現測量誤差。為了驗證測頭打開補償狀態測量誤差，進行了不同球徑在平面與曲面的測量對比。

4.1 平面測量

（1）使用?1.5球頭測量平面上的一點，重復測量10次，得到測頭校驗精度為0.002mm。

（2）使用?2球頭測量平面上的一點，重復測量10次，得到測頭校驗精度為0.002mm。

（3）使用?3球頭測量平面上的一點，重復測量10次，得到測頭校驗精度為0.001mm。

（4）使用?5球頭測量平面上的一點，重復測量10次，得到測頭校驗精度為0.001mm。

4.2 曲面測量

（1）使用?5球頭測量曲面上的一點，重復測量10次，得到測頭校驗精度為0.001mm。

（2）使用?2球頭測量曲面上的一點，重復測量10次，得到測頭校驗精度為0.002mm。

（3）使用?3球頭測量曲面上的一點，重復測量10次，得到測頭校驗精度為0.001mm。

（4）使用?5球頭測量曲面上的一點，重復測量10次，得到測頭校驗精度為0.001mm。

5 結束語

經過對球頭測量原理的分析與實際測頭直徑在平面與曲面上的測量對比，我們可以得出結論，就是測頭直徑的大小對測量精度有一定的影響，測頭直徑大比直徑小的精度要低萬分之三到萬分之五左右，這樣的精度對測量常規零件的影響是可以忽略不記，實際測量中出現的問題是由于產品本身不合格所導致。

參考文獻

[1]QUINDOS7培訓手冊[Z].海克斯康測量技術有限公司.

[2]PC-DMIS使用手冊[Z].海克斯康測量技術有限公司.