三坐标测量机触发式测头误差分析

６ １
结构 的三 次对 称性 。这种 凸 角大 幅 降低 了三坐 标 测 量机 执 行高 精度 测量 的能 力 ，例 如 圆度 及 圆柱 度 的测 量 。
Ｚ
首先 假设 测 头是 一个 无 限硬 的 刚体 ，因此 可 以忽 略弯 曲因素 。为 产 生触 发信 号 ，会有 一个 绕
一
作者 简介 ：张心 明 （９７年一 ，男，研 究员 ，研究 方 向：精密 、超精 密加 工 、检 测及 装备 。 １６ ） 崔连 柱 （９ ３ ） １８ 年一 ，男，硕 士研究 生 ，研究方 向 ：精密 、超精密 加工 、检测 及装 备 。
第 ２期
张心 明 等 ：三 坐 标 测 量 机 触 发 式 测 头 误 差 分 析
的三 条 圆柱腿 与三对 触 点均保 持接触 ；当测杆 的 球状 端部 与工件接 触 时，不论受 到 ｘ、Ｙ、ｚ哪个 方 向的接 触力 ，至少 会 引起 一个 圆柱 腿与 触点 脱
． ．
‘
・
离接触 ，从 而 引起 电路 的断开 ，产 生 阶跃信 号 ， 通过采 样 电路 ，将沿 三个轴 方 向的坐 标数据 存储 处理 。 同时一个 与测 杆 同轴 的弹 簧提 供预 载 ， 以 测 头 凸角存在 的原因是 触发 式测 头 的三 点设
采集一 个测 量数据 。可见测 头 的性能 直接影 响测
量精度 和测 量效率 。触 发式 测头 结构 简单 、成本 低 ，可 用于 高速测 量 ，所 以广泛 应用 于现代 三坐 标测量 机 中 。但 由于 其精度 稍低 ，而 且不 能 以接 触状态 停 留在工件 表 面 ，因而只 能对 工件表 面作 离散 的逐 点测 量 ，不能作 连续 的扫描测 量 。
轴 的旋 转 角 ｆ， 由此产 生 的位 移称 为 旋转 将
位 移 ，用符 号 表 示 ，测 针 长度 为 Ｐ ，三 角架 中
心 ｐ到 旋转轴 一 的距 离 为 上，旋转 半径 为 月 。
由图 ４可得 ：
尺 厨 ：
（ ２ ）
转 换 至 笛 卡 尔 坐 标 系 中 ， 单 位 方 向 向量 为
机 电技 术
２１年 ４ ０１ 月
三坐标测 量机触发式测 头误差分析
张心 明 崔连 柱
（ 春 理 工 大 学 ， 吉 林 长 春 １０ ２ ） 长 ３ ０ ２
摘
要：通过对三坐标测量机 中广泛使用的触发式测头 的简化模型进行受力分析 ， 通过对测头模型预行程变化的定
．
量 分析 ，得 到 影 响 预 行程 的 因素 。
定量 分析 ，得 到限制 三坐标 测量 机进 行高 精度 空 间测 量 的因素 ，并提 出进一 步进 行误 差补偿 的方
法。
具有信 号 触发 的开关 机构 、测 头再定 位机 构和超
行程保 护机 构 。 三 坐标 测量机 进行 测量 时 ，测头测 端 与被测 零件接 触 至测 头触 发之 间的 过程 为“ 预行程 ” 。预
又因为ｃｓ ＝ ／ ｓ ＝ ／ ｏｆ ＰＲ，ｉ ＬＲ，且定义 ｌ ｎ Ｐ ， ＝ａ ： ／ 所以： ｒ ｔ ｎ ＬＰ，
端与 部件表 面触 发产 生 的力 Ｆ（ ， ， Ｆ 的方 向 Ｏ ） 力 是 由极角 ０和方 位 角 决定 的 。假 设测 头运 动 方
ｊ ｏ ｎ ＋ ｓ ｃｓ ｓ ‰ ｋ ｉ ｐｉ ｎ￥
， ”
２ 测 头 模 型 受 力 分 析
＝
如 图 ３ 所示 ，测 头 位 于 笛 卡 尔 坐标 系 当 中 （ｙ ｘｚ，单位 向量 ｉｋ） ｊ ，测 针 与 ｚ轴 重合 。测 针
长度 为 Ｐ， 圆柱腿 ＯＣ 的投影 与 轴夹 角 ，测
计原 则 ，当作用 给测 端一个 特 定方 向的力 时 ，可 能会产 生绕 一个或 两个接 触 点的旋转 ，导致 所需
／
图Leabharlann Baidu２ 测 头 凸 角 示 意 图
触 发力 的不 同 ，即产生 预行程 变化 ，如 图 ２ 所示 。 图中可 以明显看 到三 个 凸角 ，反映 了预行 程 的变 化量接 近 １ｇ 这种变 化模式 显示 － ７ ｍ。 ；Ｎ头
ｉｏ ｆｃ ｓ ０ ｃ ｓ ｓ ￣ ＋ｋ ｉｆ 。由于 旋转 角 ｃ ｓ ｏ ￣ ＋ｊ ｏ ｆ ｉ ｏ ｌ ｏ ｌ ｎｏ ｓｌ ｎ
ｆ非常 小 ， 因此 由于 旋转 所产 生 的位 移 量 可 以用
Ｒ 表 示 。所 以旋转 位移 可 以表示 为 ： ｄ ＝Ｒ （ｃ ｓ ｃ ｓｏ＋ Ｒ ｒｉｏ ｆ ｏ ￣ ｌ ｏ
确保 圆柱腿 与触 点 的接 触及 复位 。因此这种 测头
色 ，测量机 提供 数据 需要更 加严 格精 确 。测量机 的精度 和 重复性 受 多种 因素 的影 响 ，本研 究针对 三坐标 测 量机 中广 泛 使用 的触发 式测 头 的受力分 析模 型进行 分析 ，着 重通过 对测 头预 行程变 化 的
行程 的存在 并非 是误 差源 ， 因为在测 头认证 过程
中 ，生产 厂家 已使用 一个 已知 半径 的标准球 来确 定 一 个 合 理 的 测 针 半径 来 消 除 平 均 预行 程 的 影
响。
测 头 是三坐标 测 量机 的重要 部分 ，一般 的测 头 是 由一个 杆和 红宝 石球组 成 ，主要 用来测 量 工 作表面 ，通 过测端 的机 械位 置移 动 ，触发信 号 并
图 １ 触 发 式测 头结 构 示 意 图
１ ． 弹簧 ；２． 针 ：３ 号触 发机 构 ．４ 坝 ． 信
１ 触 发式 测 头 结 构 分析
常用触 发式测 头 内部 结构 如 图 １所示 。测杆
Ｙ
安装在 三 角架上 ，而 三角架 的三 条 圆柱腿 定位 于 三对触 点上 ，当测杆 没有受 到测 量力 时 ，三 角架
关键 词 ：三 坐 标 测 量机 ；误 差 分 析 ； 触 发测 头
中 图分 类 号 ： Ｔ ７ Ｔ ３ １ ６ 文献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ： １７ — ８ １ ０ １ｏ— ６— ３ Ｈ ２ Ｐ ９． ７ ６ ２４ ０ （ １）２ ０ ０ ０ ２
随着 测 量机在 应用 领域 扮演着 日益 重要 的角