三坐标球头测量系统误差分析

三坐标球头测量系统误差分析
摘要：在三坐标测量中，对于测量软件中测头系统补偿误差存在两个观点，其一，测量机厂家海克斯康认为他们的补偿系统误差很小，对于我们公司现有产品的测量精度要求完全可以满足，我们现在在测量中是打开测头补偿系统进行测量的。

其二，608所和西工大认为测头系统补偿有一定的误差，因此，他们在测量时关闭测头补偿系统。

最近我们在测量叶轮中，有设计人员提出了测头选取的大小会再一定的测量误差，对零件的测量结果有一定的影响，针对这一问题我们决定进行理论和实际的分析研究，得到确切的结论。

标签：三坐标;测量;测头;系统;补偿;误差
1 现状分析
在三坐标测量中，对于测量软件中测头系统补偿误差存在两个观点，第一个观点：测量机厂家海克斯康认为其补償系统误差很小，对于我们公司现有产品的测量精度要求完全可以满足，我们现在在测量中是打开测头补偿系统进行测量的;第二个观点：608所和西工大认为测头系统补偿有一定的误差，所以在测量时关闭测头补偿系统。

最近在测量叶轮中，有设计人员提出了测头选取的大小会一定的测量误差，对零件的测量结果有一定的影响，针对该问题，我们决定作以理论和实际的分析研究，得到确切的结论。

2 球头补偿原理
2.1 测头的定义及校验
在对工件进行检测之前，需要对所使用的测杆进行定义及校验。

在PC-DMIS 的测头功能中按照实际采用的测杆配置进行定义，并添加所用到的测头角度。

之后用标准球对其进行校验，得到正确的球径和测头角度。

2.2 校验测头的目的
在进行工件测量时，在程序中出现的数值是软件记录测杆红宝石球心的位置，但实际是红宝石球表面接触工件，这就需要对实际的接触点与软件记录的位置沿着测点矢量方向进行测头半径、位置的补偿，消除以下三方面误差：
（1）理论测针半径与实际测针半径之间的误差。

（2）理论测杆程度与实际测杆长度的误差。

（3）测头旋转角度之误差。

通过校验消除以上三个误差，得到正确的补偿值。

因此，校验结果的准确度，
直接影响工件的检测结果。

3 观点说明
3.1 错误观点
一部分人认为，在实际测量是，每测量一个元素，系统都可以自动区分测球半径的补偿方向，计算正确的补偿半径。

在采点开始后，测量软件将在沿着测针接触工件的方向上对测球进行半径补偿。

但被补偿点并非真正的接触点，而是测头沿着测针接触工件方向的延长线上的一个点。

这样就造成了测头半径补偿误差，产生误差的大小与测球的半径与该工件被测面与笛卡尔坐标轴的夹角有关，夹角越大，误差越大，详见图1。

3.2 正确观点
软件在获取每一个触测点时，得到的是测针红宝石球球心点的位置，我们最终想要获得的是红宝石球与工件表面接触的特征点，这两个点之间的间距为触测方向（矢量方向）上的测针半径值，这就需要通过测头补偿来实现，即将红宝石球心点沿测针触测方向（矢量方向）补偿测针半径之后，得到工件的特征点，而不是竖直方向的延长点。

4 测量验证
从研究三坐标测量系统的补偿原来我们可以发现，正常经过校验的测头，打开补偿控制要求，理论上不会出现测量误差。

为了验证测头打开补偿状态测量误差，进行了不同球径在平面与曲面的测量对比。

4.1 平面测量
（1）使用?1.5球头测量平面上的一点，重复测量10次，得到测头校验精度为0.002mm。

（2）使用?2球头测量平面上的一点，重复测量10次，得到测头校验精度为0.002mm。

（3）使用?3球头测量平面上的一点，重复测量10次，得到测头校验精度为0.001mm。

（4）使用?5球头测量平面上的一点，重复测量10次，得到测头校验精度为0.001mm。

4.2 曲面测量
（1）使用?5球头测量曲面上的一点，重复测量10次，得到测头校验精度
为0.001mm。

（2）使用?2球头测量曲面上的一点，重复测量10次，得到测头校验精度为0.002mm。

（3）使用?3球头测量曲面上的一点，重复测量10次，得到测头校验精度为0.001mm。

（4）使用?5球头测量曲面上的一点，重复测量10次，得到测头校验精度为0.001mm。

5 结束语
经过对球头测量原理的分析与实际测头直径在平面与曲面上的测量对比，我们可以得出结论，就是测头直径的大小对测量精度有一定的影响，测头直径大比直径小的精度要低万分之三到万分之五左右，这样的精度对测量常规零件的影响是可以忽略不记，实际测量中出现的问题是由于产品本身不合格所导致。

参考文献
[1]QUINDOS7培训手册[Z].海克斯康测量技术有限公司.
[2]PC-DMIS使用手册[Z].海克斯康测量技术有限公司.。