三坐标测量机测量实践指导Word文档下载推荐.docx
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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。
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：
●探测系统的响应速度必须与坐标测量机的控制器兼容。
●在一个完整的测量过程中尽可能使用同一个探针。
●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ISO10360-5：
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：
●保持简单
●使用短且刚度大的探针
●尽可能使用所提供的最大球作为尖端
●检查确保探针尖端没有松动
●保持整洁
●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ISO10360-5：
2000几何产品技术规范（GPS）附件验收-坐标测量机复检实验—第5部分：
使用复合探测系统的坐标测量机中会给出详细的信息。
8.3大球尖端
探针尖端的直径应该尽可能的大。
使用大球的表面完成测量可以减少由于测量所带来的影响，而且由于会有更大的球/杆间隙，可以增大探针的灵活性。
所能使用的最大探球直径是由所测量的小孔的最小直径决定的，每一个探针都有一个有效的工作长度（EWL）。
图11有效工作长度
8.4检查触头尖端
探针尖端可能会出现工作松动。
特别是在探针与工件发生碰撞的时候。
在任何测量之前检查探针尖端与对应轴的连接是否紧固。
一个松动的尖端会导致测量结果的不准确，以及变动的结果，糟糕的数据条件。
同时如果尖端脱落也会导致工件损坏。
8.5保持清洁
探针尖端应该定期清洗。
将尖端整夜悬挂在机器上会不可避免的沾染灰尘。
即使在一个清洁的环境中，探针尖端任然可能从一些衣服类的纤维上沾染灰尘。
探针还可能从以前测量过的没有被合理清理的元件上沾染灰尘。
在校准之前用一个细刷清理尖端，并用指纹检查是否清理干净。
在校准探针之前，所有的痕迹和灰尘都应该清理干净。
如果是类似车间之类的工作环境，则还需要进行额外的清洗。
8.6探针尖端的类型
8.6.1星状探针
对于测量孔的直径，咬边，凹槽以及同心度等，应该使用星状探针（如图12）。
星状探针也可用于检查一些内部特征点如孔内的棱以及槽等。
这种类型的探针由于其多探针的探测能力可以最大限度的减少探针的移动量。
图12星状探针
8.6.2圆盘形探针
当所要测量的特征由于太小导致星状探针无法测量时，可以考虑使用盘状探针（图13）。
一个最基本的盘状探针只需要一个水平方向的环状直径计，但这只限制了对X轴和Y轴方向的探测。
这种圆盘的边缘是一种球形的形状，由于只有球面的一小区域可以接触，这种薄盘需要谨慎的校准角度以确保盘表面与被测特征表面可以正确的接触。
图13盘形探针
8.6.3其他特殊类型的探针
特殊类型的探针可用于一些不适合用标准测量的应用。
不同直径的圆筒形探针（图14）可用于测量螺纹，定位中心孔和金属板上的平洞。
图14柱形探针探测螺纹和薄片
一个大的空心陶瓷球（图15）可用于探测深部特征的X,Y,Z方向。
利用大直径球测量可以平均一些粗糙度的影响。
图15陶瓷空心球探针
尖端类型的探针（图16）是用来检测点，划线，和螺线深度。
使用这种圆尖端类型的探针可以获得更高的精度以及更多的表面特征，而且这种探针还可以检测小孔的位置。
图16指针探针
一个探针中心（图17）可以允许探测灵活性达到最大，使用一个最多可以装有五个探针的测头，可以根据用户的要求进行配置。
不同的尺寸的中心块都是可用的，每一个探针根据要求可以有不同的长度，顶圆直径。
使用者应该特别小心确保每个探针的质量不能过重以免因重量太大破坏测头机构处的平衡。
这种类型的探针可以通过避免在测量循环中改变探针，进而缩短测量循环周期。
图17五孔针中心
9.接触式探针的操作
9.1接触力
机械运动触发式测头的探测力可以通过旋转测头主体处的压缩弹簧端的螺杆螺丝钉进行调整。
这样的调整是非常重要的，由于测量误差是随探测力的减少成线性关系的。
然而，探测力也不能太小以避免误触发的发生。
如果进行了这种性质的调整，那么还需要对测头和触笔进行重新校准。
对于某些类型的测头，改变探针的长度或使用加长杆都将改变引发测头触发所需的触发力。
这是由于杠杆效应。
探针越短，所需的触发力就越大。
探测系统的生产厂家提供了一种克力计（图18）用于调整、设置、以及检验测头的触发力。
正确使用力计设置最佳的触发力可以使测头的性能达到最佳。
这种类型的力计可以用来设置从4克到35克之间的触发力，设置间隔在1克间，这足够用于所有类型探针触发力的设置。
探针的制造者通常会针对不同类型的探针与探针长度组合指定最佳的触发力。
图18克计仪
9.2逼近速度
在测量中，使用缓慢逼近的速度可以确保较高的精度；
对于所有测量使用同样的方法速度可以确保高精度读数。
这种缓慢逼近的速度通常是在机器软件系统的控制下进行的，使用者是不能随意进行调整的。
我们强烈推荐在测量过程中使用的逼近速度应该与探针校准过程中使用的逼近速度一致，这样测量过程中的逼近力和方向与探针校准过程保持一致。
9.3工件变形
探针与工件之间接触点处会产生力。
如果被测原件不是很坚固，那么在测量过程中很容易引起工件的变形，这时应该考虑使用非接触式探针。
典型的非接触探测技术如：
视频或激光技术（详见第14部分）
一些坐标测量软件具有特殊的测力外推功能。
在测量的过程中，同时会测量测量力的大小，最终的结果是将测量力外推到零时的值。
这种测量软件适用于测量弹性工件。
9.4清洁
保持工作区域的清洁是非常重要的。
接触点处的切屑、灰尘和污物都会导致测量结果的不准确，并且还可能导致探针尖部的磨损。
因此，在测量之前确保工件和探针尖部的清洁是非常重要的。
探针尖部应该用干净的软毛刷或无绒布清洗。
.保持参考球的整洁也是非常重要的。
同样可以使用软毛刷或无尘布对参考球进行清洗。
被测原件也应该用合适的溶剂进行清洗以除去油、油脂、污垢和指纹等痕迹。
9.5探针轴接触
在坐标测量软件的编程中，需要补偿探针的直径，如果探针轴而不是探针尖端接触到工件表面，那么一个不准确的读数将会被记录。
因此在编程测量程序时，进行预测量以确保探针轴不会与工具发生碰撞是非常重要的（图19）。
图19探针接触而不是探针轴接触
9.6总结
●用克力计检测使用一个合适的触发力
●使用最合适的逼近速度
●保持探针尖端和校准球的干净
●检查探针轴以其确保不会与工件接触
10.探测系统的校准
最常见的触发式测头是基于机械动态触发机制。
接触式触发测头所受到的系统误差取决于测头逼近的方向。
这些误差可以被坐标测量机的制造者在软件中进行修正。
利用NIST实施软件修正的方法的详细信息具体参阅：
‘NIST模式助推坐标测量机精度’。
一旦探测系统确定后，由于所有探针必须纠正探针尖部的直径，因此需要对它利用参考球或其他已知的标准件进行校准。
也可以使用量规和平面设置环对测头进行校准。
然而，当考虑到需要对所有的探测方向进行校准，参考球就是最佳的选择。
校准涉及到确定探针顶部的直径以及他们之间的距离。
这将相当于创造了一个假想的零间距的探测球可以有效地探测任何点。
需要注意的是探针球的有效直径总是比它实际的尺寸小，当考虑到它需要插入到一个弯曲的轴端时。
正确使用参考球以及及时将最新的标准尺寸输入到程序是非常重要的。
保证探针顶端以及标准校准件的绝对清洁也是至关重要的。
即使最小的粉尘量也会导致不正确的校准。
无论是探针还是参考球都应该使用软毛刷清洁。
利用放大镜检查参考球上的指纹或灰尘迹象。
任何杂尘都必须清除。
为了实现准确和一致的测量，使用者应该应该尽可能保持测量时的环境条件与探测系统在认证期间的条件一致。
例如，探针逼近被测工件的方向应该与校准时逼近的方向尽可能的一致。
对于每个探针的校准，建议采集25—50个点进行校准。
图20探针校准
尽管对探针进行非常认真的校准不会直接减少探针设计固有的误差，但这样仍可以有助于提高测量的精确度。
例如，当需要测量两个球之间的距离时，两个球体中心之间距离的计算不受探针尖部直径误差的任何影响。
但是当测量一些特征尺寸如两个面之间的长度或一个孔直径时，探针尖部的半径误差会对测量结果产生影响，这是因为它是用在尺寸特征的计算。
通过增加探针尖部校准时点的数量，会导致探针尖部的测量更加准确。
为了保持提高校准的优点，被测工件的特征点的数量也应该增加。
如前所述，每一个探针的校准需要使用25-50个点进行校准。
我们建议对于直径较小的探针直径应该使用较小的参考球，例如对于校准直径为1毫米的尖部应该使用直径为8毫米的参考球。
使用者应该明白如果有多个参考球可用，那么软件中所涉及的直径值应该是正在使用的参考球。
通常使用者常犯的一个错误是将正在使用的参考球的直径的值输错。
如果出现这种情
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