RationalDMIS如何应用3-2-1法建立零件坐标系?

提示： 这篇文章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。1.引言1.三坐标测量机坐标测量机是一种通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。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。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。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测头类型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：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。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。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。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。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。 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。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-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）。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。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。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。 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。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。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。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。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）。9.6 总结l 用克力计检测使用一个合适的触发力l 使用最合适的逼近速度l 保持探针尖端和校准球的干净l 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。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。如果出现这种情况，那么校准的结果将会不准确。还应当指出，如果一台机器已经按照ISO 10360：2验证完毕，那么在测量过程中所进行的验证所使用的参考球应该与验证测试中所使用的参考球为同一个球。最好是无论什么时候都尽可能使用买设备时所提供的参考球。书面所记录的关于探针的校验常数应该保存以备以后参考。如果经常使用同一个探针，那么应该定期检测这个探针的规格参数是否发生变化。至少应该记录探针的有效直径。一些坐标测量软件提供了探测点与真实球的偏差指标。使用者应该检查这些偏差是否在正常的预期范围内。需要注意的是如果探针校准出行偏差，那么以后所有的测量结果都将不正确直到下一次正确的校准为止。同时需要考虑以下问题：探针是否输出正常的结果，如果没有，这个值为什么发生了改变？如果校验结果发生了明显的改变，那么使用者应该采取行动调查原因。确保探针和参考球是干净的，输入电脑的参考球的直径值应该与正在使用的参考球相一致，测量步骤也应该与以前所使用的一致。测量已知制品的尺寸如量块或平面设置环是对探测系统的又一种校验。如果量块的实际尺寸与你所测量的结果出现的偏差超过了不确定度，那么需要对探针进行重新校准以及从新检查。总结探针校验过程中的关键步骤：l 保持探针以及参考球的干净l 检查输入软件的参考球的直径值是否正确l 测量工件所使用的探测步骤应该与校准探针时的步骤一致，如果可以，使用自动校准例程。l 检查所有的测量值——将他们打印出来l 与历史数据对比检查l 在测量工件之前先测量一个量具进行校验11. 工件测量一个加工后的工件是一些列标准形状的结合体如平面、圆、直线、圆柱体、圆锥体和球体等。这些几何特征可以被一定数量的点定义。这些点的数量以及位置的选取是非常重要的。在本手册后边将会介绍测量点的数量以及位置选取的指导。12. 测量不确定度的来源12.1 探针轴的弹性变形探针轴实际上是一个一段内置于探针上另一端受到探针顶部力作用的悬臂梁。这个测量触发力会导致探针轴的应变，进而导致轴的弯曲。因此轴的选取需要特别注意。12.1.1 粗探针探针轴的弯曲量与轴的直径的四次方成反比。因此将探针轴的直径增大为原来的两倍，可以将相关测量误差减少为原来的十六分之一。因此建议尽量使用最大的探球直径这样可以允许使用更大的探针轴以进入探球的内部。12.1.2 短探针动态触发式接触测头的误差与探针长度的平方成正比。（探针弯曲量是随长度的增加而增加，但所学的触发力是探针的长度成线性增加，因此产生二次效应）这种假设是在探针轴具有相同的横截面积情况下。使用者应该选择的探针长度只要仅够测量工件即可。在能够探测所有你所需要测量的形状特征的前提下尽量选择最短的探针。如果有可能把探针长度减少一半，那么探测误差也会减少四分之一。12.1.3 探针材料的刚度一个有刚性材料制成的探针将可以有效抵抗弯曲；刚度值增加一部，探针的弯曲也会减少一半。但是由于刚性材料具有更高的密度，会导致探针的质量增加。但这会在坐标测量机测头运动的加速阶段会由于探针的惯性运动导致探针的误触发。因此探针制造商采取折中的方法选用一些特殊刚度的材料（表1），这是材料的弹性模量与密度的比值表。表1 典型材料的刚度性能 由上表可知，硬质合金的刚度虽然很高但它的单位刚度很低，因为它的密度很高。陶瓷却又很高的单位刚度因为它不仅轻而且刚度大。最好的材料（没有在表中出现）是碳化纤维，因为它比陶瓷更轻且刚度更高。但碳化纤维的缺点是它所制成的轴径必须大于3毫米。钢是最差的材料，它不仅密度大而且对与长探针来说刚度不够。12.1.4 实验上述对测量的影响因素很难被关系式量化。但它们可以通过如下的实验测定：安装一个已知的尺寸的标准件如量块或平面设置环。使用平时常用的探针和测头结构进行测量。检查测量尺寸大小的变化量，对于环规，检查中心位置的变化量。用每一个探针测量的尺寸与已知尺寸对比可以给使用者每个探针相关的测量误差指标。12.2 测量流程任何类型的探测系统的性能特点都会受到使用者所采取的测量流程的影响。例如，仪器的动态误差取决于探测方向、探测速度、距离以及加速度值等特性。以下所列的参数是根据它们能对使用触发式测头的坐标测量机的影响的参数。l 探针轴的长度l 探针轴的横截面积l 逼近表面的距离l 逼近表面的速度l 逼近表面的方向l 探针轴的安装l 工件的方向l 工件的位置l 测量时的探测力l 测头中返程弹簧的压力l 探针轴的机械性能l 探针尖部的形状（球面）l 接触条件（特别是污垢）F M M Chan (1997)的文章“多轴触发式测头的性能特点”中对这些参数进行了详细的研究和报告。这些影响参数也适用于模拟测头。下文是一些研究总结。12.2.1 探针长度和轴颈的影响对不同长度和直径的探针的测试结果表明无论什么时候测量都应尽量避免使用长探针。使用长探针会发现其在与工件表面接触时的弯曲量比短探针更大。当使用长探针在水平位置中使用时会有一个额外的弯曲位移（重力垂度）会引起探针和探测机构的进一步弯曲。当使用者必须利用长探针测量深孔时，用户也必须意识到这样会产生潜在的误差。小截面的探针轴面（取决于探求的大小）往往会受到工件表面缺陷的影响。如果所使用的探针尖部的直径小于工件加工时所使用的刀具的提要，那么会产生比较大的测量读数结果。同样，如果当使用的小直径触球的的直径只是比探针径稍大一点，那么将存在探针轴比尖部小球率先接触到工件表面的风险。12.2.2 逼近方向的影响测量圆形特征有三种可选的逼近方法：径向、圆形和锯齿形。所有的逼近类型在测试的时候都进行了顺时针和逆时针方向的测试。使用锯齿形图案所获得的结果表明无论是在顺时针和逆时针方向，都会有相当大的变异性，而且这种模式所产生的变异性均比径向和圆形的大。实验结果还表明当测量圆形图案时，径向和圆形逼近方式在性能上没有区别。但是，当进行大量的测试时，就会发现径向逼近和圆形逼近还是有很明显的差别。同时该结果还证实了径向逼近是最佳的测量路径。12.2.3 逼近距离的影响为了确定逼近距离的影响，进行一系列不同距离的测试。逼近距离是指在接触到工件表面之前瞬时速度由快到慢的变化之间的跨度。坐标测量机受到震动量的激发（加速度与波动力）因此在速度变化之后会需求一个设置周期。这个安置周期通常是由坐标测量机的制造者指定的。较大的逼近距离可以得到较小的位置变化，这是因为这样可以允许测头达到一个稳定状态。这样可以在测头触发之前使机械振动衰减。例如使用24毫米的逼近距离比使用6毫米的逼近距离的误差会减少一半。在实践中必须在测量精度和测量速度之间做出妥协。因此再次建议使用者进行试验以确定适合最适合的逼近距离以及测量设置。12.2.4 测量速度的影响通过对一个原件使用进行不同的测量速度以确定最佳的测量速度（也称为逼近速度）。在此，我们会发现必须在慢的速测量速度（这会导致不合理的长的时间来完成使用者所需要的测量）和快速测量（会导致接触表面有较大的冲击力）之间做出妥协。通过观察可以发现，速度缓慢的测量虽然误差大但误差稳定，这是由低速时触发测头所需的大量时间导致的。使用快速测量时，测头在更短的时间内触发以及探针的偏转显著显著降低。然而，随着快速测量，探针接触时的力也会更大，这些都会对被测原件产生较大的影响同时还会引起震动以及惯性影响。实验结果表明，以111毫米每秒的快速测量以及以83毫米每秒的中等进给速度对于某些仪器在测试中会有最小的测量误差。因此建议使用者在自己的测量设置中进测试以确定最佳的测量速度。12.2.5 探针安装以及工件位置的影响为了确定不同工件位置对测量结果的影，安装了探针的颈环规在五个不同的位置进行测量。在每种情况下，环规和探针组件都平行于机床的坐标轴之一。所获得的测量结果表明当工件位于XY平面的机床台面中心时的测量结果的变化量最小，因此应该在适当的位置进行测量。无论在什么时候探针轴应该尽可能沿着垂直轴方向。12.3 总结上文所述清楚地表明使用者可以通过采取不同的测量策略引入或减小测量系统的误差。作为经验法则，当选择一个探针时应该遵循以下几点原则：l 为保持探针的高刚度应该尽可能减少探针组件的数量l 尽可能使用短探针l 尽可能使用大直径的探针球l 避免对探针不必要的处理——当连接长探针时应该使用手套上面所列的几点同样适用于模拟和触发式探测器。12.4 热膨胀探针潜在的热膨胀也是误差的来源。这种结果可能来源于连接测头和探针时的操作或改变手动铰链测头方向时的操作。下面给出一个温度影响指标，一个8毫米的测头（热膨胀系数︒C-1）在经历3︒C的温度变化后，直径的变化为：市场上所售的一些高精度的坐标测量机的这种变化是非常明显的。另一个重要的变化是探针轴长度的变化。对于一个100毫米的钢制轴（热膨胀系数为）当温度变化3︒C时，长度的变化量为：此外，如果一个T形测头的两个探针顶部的距离是100毫米，那么使用每个探针测量相同的特征位置时将会有明显的位移变化。因此在探针校准之前保持测量环境的热平衡是非常有必要的。这个过程可能持续几分钟到一个小时之间，具体取决于探针的尺寸以及所欲要的精度范围。如果环境温度是波动的，那就有必要再一定的时间间隔频繁的进行校准。13.连续扫描传统坐标测量配备触发式测头使用离散点式的测量方法记录工件表面的流线点数据。在离散点式测量中，坐标测量机将测头从工件表面升起，向前移动然后降低测头直到与工件表面在此接触为止，每一个点数据的采集过程都要经历这样的流程。这种单个点式流程的测量速度相对较慢，而且不适合复杂工件以及大量数据采集的应用的高效测量。当切换模式时，使用多用途测头可以利用测头的连续扫描与触发式操作快速设置流程。连续扫描模拟测头设计可以源源不断的向计算机系统返回数据，这样可以消除点对点测量测头测量时所需的运动辅助时间。坐标测量机可以使用两种类型的连续扫描方法，开环和闭环，具体取决于工件的几何形状是定义过的还是未定义的形状。13.1 开环扫描这种方法适用于已知或已经定义的几何形状的快速测量，这类几何形状有一些曲线和曲面，允许测头与表面保持连续接触。机器的运动是受储存在坐标测量机程序中的标称几何数据控制的。实际表面与理论表面之间的误差幅度会被详细记录下来。通过获取大量的数据以确保直径、位置的重复性以及对表面有一个更好的定义。13.2 闭环扫描这一技术适用于未数字化定义错综复杂的形状。模拟扫描测头检测零件表面方向的变化，并调整它的位置以与工件保持接触。部分适用于该方法的例子如：涡轮叶片、齿轮、凸轮、和转子等。13.3 连续扫面测头当使用扫描模式时，模拟测头在扫描周期中与工件表面保持稳定接触。机械的控制系统通过检测偏差并调整他们以保持固定的接触力。真正的三维系统是各向同性的-三个测量轴所施加的测量力是同时相同的。这种类型的测头适合检查曲面零件如齿轮、凸轮、转子和滚刀等。在进行三维运动测量时，需要精确探测表面的点以定义工件的真是几何形状。测头通常是低质量、高结构刚度以及没有摩擦阻尼这样以改善动态性能特点。二维探测系统由于不能同时使用所有的探测轴导致测量并不精确。测头尺寸的补偿只能发生在平面上而不能在空间上，因而它们它们不能获取零件表面的尺寸和进行真三维测量。这种测头有两种操作模式，轴向扫描（图25）和径向扫描（图26）。在轴向扫描中，只有轴向测头的自由移动，另外两个周固定。这种模式适合于分析。在径向扫描模式中（图26），轴向测头被锁定，其它两个轴自由移动。径向扫描适用于轮廓的应用。二维测头只有在扫描平面时能够补偿探针尖部尺寸；每一个测量点都会受到余弦误差的影响。这种方法不适合于复杂零件的检验。13.4 扫描探针的选择探针的选择取决于扫描程序以及所使用扫描测头的类型。建议所使用的探针直径与零件最后的切削加工中所使用的刀具具有相同的直径。探针应该尽可能的短以阻止过度的弯曲，但同时也应该有一定的长度以阻止柄部被污染。无论什么时候应该尽可能选择探针尖部为球形结构，然而，如果工件表面有缺陷使球部陷入，那么应该选择两个平行探针。14.非接触式探测系统传感器的发展趋势是非接触式光学传感器。这些传感器结合了光学元件，视频和激光技术。它们可以以极高的精度每秒收集超过20000个数据点。结合强大的数学引擎，大量的矢量数据可以被快速分析。本节简要介绍这些传感器，但目的不是指导怎么使用它们。激光测头也是一种非接触式测头这种类型的测头可以精确聚焦激光或红外光束射向工件上的一点，当光束射向工件表面时，它会形成光斑图像。反射光然后聚焦在光电矩阵上。从传感器到工件表面的任何变化会导致光电矩阵上光斑位置的变化。激光测头的扫描速度比接触式触发测头的速度更高，但是触发式测头可以提供更高的分辨率。激光测头出来的信号可以仿真模拟一个标准的接触式触发测头。这保证了激光测头可以使用现有的坐标测量机的软件而不需要单独的编程技术。由于激光测头可以避免工件表面的变形，因此它非常适合于柔软细腻材料的检验。这种系统典型的应用包括座椅、仪表盘、汽车塑料、粘土模型、以及快速原型模型。激光测头可以产生精确的测量系统，但同时应该注意到由于工件表面材料的反射特性可能产生某些类型的系统误差。一些非接触式传感器包含一个发射平面光的光源结构。当这束平面光照射到零件上时，沿光线会形成工件的轮廓。这个轮廓会被图像传感器检测到，并转换为可测量的数字图像，这组数字图像可以通过三角计算沿XYZ坐标轴沿线的数百点的坐标。非接触式传感器比模拟传感器具有更高的扫描速度，但它们的局限性是没法测量工件的所有特征。由于这种测头在扫描过程中需要频繁的重新取向，从而降低整个系统的效率。基于光学系统的尺寸和摄像头的像素分辨率有限，一般的光学系统不能用于高精度的应用。非接触式扫描方法可以结合模拟扫描扩展坐标测量机的应用，比如小型复杂零件的检测应用。目前大多数的坐标测量机的制造商都提供多传感器系统包括接触式、非接触式测量设备。在坐标测量机的程序中可以识别正在使用的是接触式触发测头还是光学系统。自动切换测头设备或多个功能探测头便于系统间的切换。多传感器系统的主要优点是它给用户提供的灵活性。对于一些同时需要触觉和光学测量的零件可以同时在一台仪器上进行测量，而不需要从坐标测量机转移到单独的光学系统，因此有助于检测的经济性。15. 发布的标准坐标测量机主要包含于国际标准ISO 10360 。这个标准主要有五部分：l ISO10360-1:2000 产品几何技术规范（GPS）-接受和复检试验坐标测量机（CMM）-第1部分：词汇l ISO10360-2:1994 坐标计量学第2部分：坐标测量机的性能评定l ISO10360-3:2000产品几何技术规范（GPS）-接受和复检试验坐标测量机（CMM）-第3部分：使用旋转平台作为第四轴的坐标测量机l ISO10360-4:2000 产品几何技术规范（GPS）-接受和复检试验坐标测量机（CMM）-第4部分：坐标测量机的扫描测量模式l ISO10360-5:2000 产品几何技术规范（GPS）-接受和复检试验坐标测量机（CMM）-第5部分：使用多探针探测系统的坐标测量机ISO 10360-1是与本指南相关的技术标准，因为它定义测头系统和探针系统的术语。它还有关于扫描部分的章节。ISO 10360-2的部分章节介绍了如何验证测头的性能。该测试是ISO 10360-5关于多测头系统以及ISO 10360-4关于扫描系统的延伸。16. 总结在本指南中许多操作实践的要点都已经突出强调过了。与坐标测量机测头相关的最突出的要点可以总结如下：l 选择最适合的测头l 选择适合的探针组合，并尽可能保持它的刚度l 经常校准探针l 保持一切干净l 保持记录l 探寻不正常结果的产生原因l 注意有关坐标测量机的标准规格17. 术语表这个术语表来自于英国技术手册。精密度：系指在相同条件下，对被测量进行多次反复测量，测得值之间的一致(符合)程度。从测量误差的角度来说，精密度所反映的是测得值的随机误差。铰链探测系统：可以通过手动或电动定位装置在空间不同角度位置定向的探测系统。模拟测头：探针的位移可以被测头连续可变的输出电压或电流成比例表示的比例测头。接触探测系统：需要与表面材料接触才能实现测量功能。离散点探测：表示测量点是直接评估后的中间点的特殊测量模式。边缘触发：非接触式测头在工件上自动定位边缘或对比界线的能力。加长杆：用来增加测头或探针探测范围的设备。加长杆位于测头和测头之间。分度头：一种铰接式测头可以被定向或锁定在一些空间位置。在每一个指定的位置探针尖部被校准后，分度头可以在无需重新校准的情况下移动到这些位置位置中的任一个。点动：在相邻的一个分度头的增量移动位置。运动座椅：当一机构的空间动态原件位于座椅位置时，通过系统的滚筒和球轴承形成运动学中的六点定位原则便形成。运动转换测头：接触式测头在运动座椅时形成的电流回路被探针的移动破坏，进而提供触发信号。动力学：关于运动以及力的科学。波束特性：用来描述动态转换测头由于预行程造成的测量误差。其请先参阅预行程变化。非接触式测头：不需要与工件表面物理接触就可以实现测量功能的探测系统。光学三角测量：聚焦激光从目标位置反射到一个光电传感装置以确定目标距离的非接触式测量方法。光学触发探测器：当目标达到预先设定的距离时光学非接触式测头提供一个触发信号。超程：测头触发信号产生到坐标测量机采取停止后之间的距离。超程力：在发生超程后探测球施加到表面的力。预行程：探测球接触到工件表面到触发器触发点之间的距离。预行程变化：也称为形式测量误差，这种系统误差主要来源于运动转换探测器的三裂预行程模式（在XV平面）这种类型传感器的机制。测头：在探测期间产生信号的装置。测头座：装配到坐标测量机主轴的装置用来固定测头安装连接器。测头座可以有固定的方向或者可以给测头轴提供重新定位。比例测头：一种位移测量测头，它提供一个输出，可以是模拟量或数字量，在规定工作范围内正比于测头位移。测头校准：建立后续测量所必须的探测系统所必须参数。滑枕：坐标测量机的组件，装载有探测系统。参考球：标准尺寸的球形物体，通过坐标测量机的测量使坐标测量机获得校验。再校验：在改变或移动测量组件或测量路径或环境温度改变后对测量程序的重新审查。扫描：在待检表面进行连续测量的探测模式。扫描测头：在工件表面不间断运动向接收器高速传输数据的一种比例测头。伺服定位头：一种电动铰链测头座，可以以高分辨率到达任何想要的空间位置。这个位置在探测过程中可以被伺服控制系统保持。高精度的旋转位置编码器可以避免重新校准。柄：一种平面或锥形轴用来将测头或测头座固定到坐标测量机的滑轨上。探针：由探针尖部和轴组成的机械装置。探针尖部：直接与工件表面接触的物理装置。探针转换系统：在不需要重新校准的情况下允许快速更换探针的一种基于高度可重复的运动约束系统。触发式测头：一种离散点采集的接触式探针。触发力：引发探针尖部触发测头所需要的力。单向可重复性：在相同触发条件相同触发方向下不同位置的连续触发。18.健康和安全一些光触发测头使用的是2级激光辐射，因此需要遵守激光安全预防措施。为安全起见，操作者应该穿戴实验室外套或工作服，并应该防止衣服上的纤维脱落在被测物件上。机器在计算机直接控制的状态下可能豪无预警的移动。操作者在机器自动运行期间应该站在机器后面。来源：山涧果子