三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)星型測(cè)針校正原理及校正方法

張超　張改革　劉琳

摘 要：介紹了三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)星型測(cè)針校正的校正目的和校正原理，分析了校正時(shí)探測(cè)角度范圍確定方法和標(biāo)準(zhǔn)球最佳安裝條件，指出星型測(cè)針校正的正確方法。

關(guān)鍵詞：三坐標(biāo);星型測(cè)針;測(cè)點(diǎn)分布;校正

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.24.131

在使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)零件較深處的內(nèi)徑和外徑，以及其內(nèi)腔當(dāng)中的溝槽和內(nèi)腔型線等一系列的參數(shù)時(shí)，需要通過(guò)星型測(cè)針來(lái)對(duì)這些單根測(cè)針無(wú)法探測(cè)到的位置進(jìn)行探測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的效果。星型測(cè)針由5根呈現(xiàn)垂直關(guān)系的球形測(cè)針?biāo)M成，在測(cè)量的過(guò)程中為保證其準(zhǔn)確性，在每次測(cè)量工作開(kāi)始之前都需要對(duì)測(cè)針進(jìn)行系統(tǒng)化的校正。

1 星型測(cè)針校正目的

（1）通過(guò)測(cè)針的校正能夠幫助相關(guān)工作人員明確測(cè)針的直徑數(shù)值以及測(cè)針的位置參數(shù)，通過(guò)這種方式，可以確保觸測(cè)點(diǎn)當(dāng)中的數(shù)據(jù)獲得相應(yīng)的正確補(bǔ)償。此外在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)應(yīng)用的過(guò)程中，工作人員在測(cè)針的選擇上要全面考慮測(cè)針的長(zhǎng)度和方位數(shù)值，使測(cè)針的球心相對(duì)位置準(zhǔn)確無(wú)誤，保證坐標(biāo)關(guān)系的準(zhǔn)確。

（2）在校正過(guò)程中，工作人員還要注意構(gòu)建測(cè)針不同角度之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，進(jìn)而有效提升測(cè)量數(shù)值的準(zhǔn)確性質(zhì)。在測(cè)量機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，軟件會(huì)對(duì)觸測(cè)點(diǎn)進(jìn)行捕捉，被捕捉到的觸測(cè)點(diǎn)即為紅寶石球當(dāng)中球心的坐標(biāo)。工作人員在測(cè)量過(guò)程匯總需要得到紅寶石球與工件接觸的點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)值，兩點(diǎn)之間的距離即代表著測(cè)針當(dāng)中的半徑長(zhǎng)度，鑒于上述分析，工作人員在測(cè)頭校準(zhǔn)的過(guò)程中要對(duì)其進(jìn)行一定程度的補(bǔ)償處理。

2 星型測(cè)針校正原理

星型測(cè)針校正主要使用標(biāo)準(zhǔn)球進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)球的直徑在10mm至50mm之間，其直徑和形狀誤差經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)。在測(cè)針校正的過(guò)程中，每一個(gè)測(cè)針的探測(cè)點(diǎn)需要均勻分布，數(shù)量在5個(gè)左右，同時(shí)在校正過(guò)程中為了對(duì)測(cè)頭的彎曲量進(jìn)行補(bǔ)充，充分減小誤差帶來(lái)的不良影響，需要在測(cè)頭軸的位置對(duì)2點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，在與軸垂直的圓周方向處對(duì)4點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，總共需要測(cè)量6個(gè)點(diǎn)，自動(dòng)化的機(jī)械設(shè)備將對(duì)一根測(cè)針的校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)存儲(chǔ)，之后再進(jìn)行其他測(cè)針的校正。

3 星型測(cè)針校正的探測(cè)角度范圍分析

在整個(gè)校正過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)以下情況：當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)某個(gè)方位的子測(cè)針進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，其余的子測(cè)針可以會(huì)與標(biāo)準(zhǔn)球產(chǎn)生一定的摩擦現(xiàn)象，進(jìn)而干涉校準(zhǔn)結(jié)果。對(duì)星型測(cè)針的校準(zhǔn)結(jié)果造成了一定的負(fù)面影響。

（1）測(cè)針校正角度范圍確定。在測(cè)針校正的過(guò)程中，探測(cè)點(diǎn)的決定因素相對(duì)比較單一，僅僅通過(guò)校準(zhǔn)測(cè)針的軸線方向來(lái)進(jìn)行判定，和校準(zhǔn)球在測(cè)量機(jī)當(dāng)中的空間方位并沒(méi)有直接的關(guān)系，當(dāng)校準(zhǔn)球的空間方位進(jìn)行對(duì)應(yīng)的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)有某一角度區(qū)域當(dāng)中的測(cè)針無(wú)法被校準(zhǔn)，具體的校準(zhǔn)范圍如圖1所示。

當(dāng)校準(zhǔn)的測(cè)針軸線位于校準(zhǔn)球的平面之內(nèi)，具體的公式表述如下：

在公式當(dāng)中，D代表的是校準(zhǔn)球的直徑長(zhǎng)度，D1代表的是校準(zhǔn)球當(dāng)中安裝桿的直徑長(zhǎng)度，d代表的測(cè)針球的直徑長(zhǎng)度，是校準(zhǔn)球當(dāng)中安裝角的數(shù)值。

通過(guò)上圖的分析我們可以看出，在此安裝方位之下，測(cè)針A角的范圍在圖片當(dāng)中表示為圖片當(dāng)中的陰影部分，具體公式如下：

（2）最佳安裝條件。如果進(jìn)行校正的測(cè)針在平面X，Y內(nèi)的投影線與校準(zhǔn)球的安裝桿軸線在投影線之間所形成的夾角，以及校準(zhǔn)球當(dāng)中的安裝角同時(shí)大于前面所計(jì)算出的Δα，那么我們可以就此推斷出可校正的測(cè)針A角的數(shù)值大約在±180°左右，這樣才能夠滿足最佳的安裝條件。

此外在實(shí)際校準(zhǔn)的過(guò)程當(dāng)中，在球頂點(diǎn)的探測(cè)以及輔助點(diǎn)獲取、測(cè)針球直徑和測(cè)頭座安裝方面均會(huì)存在一定的偏差，因此在校正的過(guò)程中工作人員要注意對(duì)測(cè)針的角度范圍進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，保證其小于標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算值，這樣才能夠保證自動(dòng)校準(zhǔn)在一個(gè)良好的運(yùn)行軌道當(dāng)中。

4 星型測(cè)針校正方法

在星型測(cè)針校正的過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些干涉性現(xiàn)象，為了消除這種不良影響，在校正過(guò)程中，工作人員在對(duì)某一子測(cè)針進(jìn)行校正使，要對(duì)校正球的支撐方向和測(cè)針的角度方向進(jìn)行調(diào)整，使二者之間的位置關(guān)系呈現(xiàn)平行的狀態(tài)，之后按照系統(tǒng)功能的執(zhí)行就能夠完成對(duì)5個(gè)測(cè)尖的自動(dòng)校正。

從圖2當(dāng)中我們可以看出，探測(cè)點(diǎn)在球頂點(diǎn)A出以及校準(zhǔn)球上與被校準(zhǔn)測(cè)針軸線垂直的B、C、D、E四個(gè)點(diǎn)，在這些探測(cè)點(diǎn)當(dāng)中都有相應(yīng)的輔助點(diǎn)，分別為A，、B，、C，、D，、E，。探測(cè)工作首先應(yīng)當(dāng)從輔助點(diǎn)開(kāi)始，在探測(cè)工作結(jié)束之后要首先回到輔助點(diǎn)，之后在轉(zhuǎn)回到球頂點(diǎn)A，上方，然后再向下一個(gè)點(diǎn)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，整個(gè)運(yùn)動(dòng)的路徑呈現(xiàn)為一個(gè)錐形，通過(guò)這種方式可以防止在探測(cè)的過(guò)程中發(fā)生非常規(guī)的碰撞。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文中筆者經(jīng)過(guò)系統(tǒng)化的實(shí)踐，并運(yùn)用相關(guān)理論知識(shí)進(jìn)行綜合性的分析，最終總結(jié)出了星型測(cè)針的校正方法，在校正過(guò)程中要對(duì)校正的角度范圍進(jìn)行及時(shí)敲定，并明確測(cè)針在標(biāo)準(zhǔn)球當(dāng)中的探測(cè)點(diǎn)位置，進(jìn)而對(duì)星型測(cè)針進(jìn)行精確校正。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊建風(fēng).三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)頭的正確使用[J].機(jī)床與液壓，2006（10）.

[2]葉震宇，王國(guó)民.觸發(fā)式測(cè)頭校正原理和注意事項(xiàng)[J].計(jì)量技術(shù)，2006（06）.

[3]李凱.三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)探針校準(zhǔn)的誤差分析[J].物理測(cè)試，2004（04）.

作者簡(jiǎn)介：張超（1986-），男，河南洛陽(yáng)人，本科，助理工程師，研究方向：計(jì)量檢測(cè)與管理。