CN106247914A - 一种坐标测量机触发式测头标定方法 - Google Patents

一种坐标测量机触发式测头标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种坐标测量机触发式测头标定方法。本发明的测头标定方法需要将测头旋转至四个及四个以上不同的方向，在不进行测头补偿的条件下，分别测量标准球，利用测得的四个及四个以上球的球心，采用最小二乘法构造一个球，将球的球心作为标准球球心，球半径的理论值为测头坐标系原点至测杆端部小球球心间距。据此，简单计算可完成触发式测头标定。本发明的测头标定方法适用于正交坐标测量机常用的采用可旋转测座的触发式测头。

Description

一种坐标测量机触发式测头标定方法
技术领域
本发明涉及几何量测量中的坐标测量技术及设备领域，具体为一种坐标测量机触发式测头标定方法。
背景技术
坐标测量机(Coordinate Measuring Machine，简称CMM)是最有代表性的一种通用数字化几何量测量仪器。在使用坐标测量机时，通过移动坐标测量机的活动部件将测头移动至所需位置，采集被测工件表面被测点的坐标值。通过软件处理、分析采集的被测点坐标值，实现被测工件的误差分析或模型重建。坐标测量机通常指正交坐标测量机。
触发式测头是坐标测量机最常用的测头，触发式测头主要由测座、测头传感器和测杆三部分构成，目前在工程应用中常采用的测座为可旋转测座。对于可旋转测座，测头坐标系的原点一般为测座旋转中心。测杆端部一般为红宝石小球，在测量时小球与工件接触，触发测头传感器中的力敏感元件，产生触发信号。在测量工件前须对测头进行标定，获得测杆端部小球有效半径及小球球心相对于测头坐标系原点的偏置向量。测头一般采用标准球进行标定，标准球的精度很高，经过标定，给出标准球半径标称值。
在现有技术中，一般采用两步法对坐标测量机触发式测头进行标定：首先手动操作坐标测量机在标准球上采集四个及四个以上点的坐标，计算标准球空间位置；然后采用自动测量模式，在标准球上采集四个及四个以上点的坐标，计算标准球空间位置，从而计算测杆端部小球球心相当于测头坐标系原点的偏置向量。现有技术存在的不足之处在于：
在上述计算中，实际利用了测头坐标系原点至测杆端部小球球心之间的标称距离，但是测杆与测头传感器之间是采用螺纹连接的，测头坐标系原点至测杆端部小球球心之间的实际距离与标称距离不可能一致；同时，不同操作人员安装时，由于用力不同，会导致测头坐标系原点至测杆端部小球球心之间距离与标称距离的差别不同。因此，采用现有方法理论上无法准确得到标准球球心位置，对保证测量结果的精度是不利的，特别是在采用可旋转测座并且在测量过程中需要将测头旋转至不同方向对工件进行测量时，这种影响不可忽略。
发明内容
本发明的目的是提供一种坐标测量机触发式测头标定方法，用于正交式坐标测量机，提高采用坐标测量机测量工件时的测量精度。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种坐标测量机触发式测头标定方法，包括坐标测量机所用的测头和标准球Sr，所述的测头主要由可旋转测座、测头传感器和测杆组成；其特点在于是按如下步骤进行：
1.1、安置标准球Sr固定不动,将测头旋转至四个及四个以上不同的方向D1、D2、…、Dn(n≥4)，在不进行测头补偿的条件下，即不进行测杆端部小球半径补偿和小球球心相对于测头坐标系原点偏置的补偿，分别测量标准球Sr表面；在该条件下，测得的标准球Sr表面点坐标则为触测时测头坐标系原点所在位置坐标，利用测得的点坐标数据分别计算得到四个及四个以上球S1、S2、…、Sn(n≥4)的球心O1、O2、…、On(n≥4)坐标值；
1.2、利用测得的四个及四个以上球S1、S2、…、Sn(n≥4)的球心O1、O2、…、On(n≥4)坐标值，采用最小二乘法构造一个球S，将球S的球心作为标准球Sr球心；
1.3、将测头旋转至所需方向，自动测量标准球Sr，经计算获得测杆端部小球有效半径及小球球心相对于测头坐标系原点的偏置向量，完成测头标定。
本发明的其特点还在于：
所述的步骤1.1可以分为两步实现：
首先手动操作坐标测量机，将测头旋转至四个及四个以上不同的方向D1、D2、…、Dn(n≥4)，在不进行测头补偿的条件下，分别测量标准球Sr表面，利用测得的点坐标数据分别计算得到四个及四个以上球S1、S2、…、Sn(n≥4)的球心O1、O2、…、On(n≥4)坐标值；
再采用自动测量模式，将测头旋转至四个及四个以上不同的方向D1、D2、…、Dn(n≥4)，在不进行测头补偿的条件下，分别测量标准球Sr表面，利用测得的点坐标数据分别计算得到四个及四个以上球S1、S2、…、Sn(n≥4)的球心O1、O2、…、On(n≥4)坐标值。
所述的步骤1.1还可以按以下方式实现：
首先手动操作坐标测量机，将测头旋转至一个方向D1，在不进行测头补偿的条件下，完成标准球Sr的测量，然后采用自动测量模式，在测头方向不变及不进行测头补偿的条件下，再进行标准球Sr的测量；如此依次将测头旋转至不同的方向D2、…、Dn(n≥4)，分别测量标准球Sr表面，利用测得的点坐标数据分别计算得到四个及四个以上球S1、S2、…、Sn(n≥4)的球心O1、O2、…、On(n≥4)坐标值。
本发明的技术原理：可旋转测座具有很高的精度，因此将测头旋转至不同位置时，可以认为测头坐标系原点至测杆端部小球球心之间距离的变化可以忽略，即在不进行测头补偿的条件下，将测头旋转至不同位置，分别测量标准球得到的球心理论上位于同一个大球的球面上。该大球的球心理论上与标准球球心重合，大球半径的理论值为测头坐标系原点至测杆端部小球球心之间距离。
本发明的有益效果：
本发明从理论上保证了标准球球心坐标的计算精度，提高了测头标定精度，从而保证了采用坐标测量机测量工件时的测量精度。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明
图1是触发式测头的示意图；
图中标号：1、可旋转测座，2、测头传感器，3、测杆。
图2是本发明的触发式测头标定时建议采用的最少测头方向示意图；
图3是本发明的触发式测头D1方向测量标准球的示意图；Sr为标准球。
图4是本发明的触发式测头D1方向测量标准球的测量结果示意图；
图5是本发明的触发式测头D2方向测量标准球的示意图；
图6是本发明的触发式测头D2方向测量标准球的测量结果示意图；
图7是本发明的触发式测为D4方向测量标准球的示意图；
图8是本发明的触发式测头D4方向测量标准球的测量结果示意图；
图9是本发明的触发式测头D1、D2、D3、D4、D5方向测量标准球所得五个球S1、S2、S3、S4、S5，及利用五个球的球心构造一个球面S的示意图。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步详细的说明。所有附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本方法，因此其仅显示与本发明有关的触发式测头、标准球及测得的球面示意图。一种坐标测量机触发式测头标定方法，包括坐标测量机所用的测头和标准球Sr，所述的测头主要由可旋转测座1、测头传感器2和测杆3组成；其特点在于是按如下步骤进行：
1.1、安置标准球Sr固定不动,将测头旋转至四个及四个以上不同的方向D1、D2、…、Dn(n≥4)，在不进行测头补偿的条件下，即不进行测杆端部小球半径补偿和小球球心相对于测头坐标系原点偏置的补偿，分别测量标准球Sr表面；在该条件下，测得的标准球Sr表面点坐标则为触测时测头坐标系原点所在位置坐标，利用测得的点坐标数据分别计算得到四个及四个以上球S1、S2、…、Sn(n≥4)的球心O1、O2、…、On(n≥4)坐标值；
1.2、利用测得的四个及四个以上球S1、S2、…、Sn(n≥4)的球心O1、O2、…、On(n≥4)坐标值，采用最小二乘法构造一个球S，将球S的球心作为标准球Sr球心；
1.3、将测头旋转至所需方向，自动测量标准球Sr，经计算获得测杆端部小球有效半径及小球球心相对于测头坐标系原点的偏置向量，完成测头标定。
本发明的其特点还在于：
所述的步骤1.1可以分为两步实现：
首先手动操作坐标测量机，将测头旋转至四个及四个以上不同的方向D1、D2、…、Dn(n≥4)，在不进行测头补偿的条件下，分别测量标准球Sr表面，利用测得的点坐标数据分别计算得到四个及四个以上球S1、S2、…、Sn(n≥4)的球心O1、O2、…、On(n≥4)坐标值；
再采用自动测量模式，将测头旋转至四个及四个以上不同的方向D1、D2、…、Dn(n≥4)，在不进行测头补偿的条件下，分别测量标准球Sr表面，利用测得的点坐标数据分别计算得到四个及四个以上球S1、S2、…、Sn(n≥4)的球心O1、O2、…、On(n≥4)坐标值。
所述的步骤1.1还可以按以下方式实现：
首先手动操作坐标测量机，将测头旋转至一个方向D1，在不进行测头补偿的条件下，完成标准球Sr的测量，然后采用自动测量模式，在测头方向不变及不进行测头补偿的条件下，再进行标准球Sr的测量；如此依次将测头旋转至不同的方向D2、…、Dn(n≥4)，分别测量标准球Sr表面，利用测得的点坐标数据分别计算得到四个及四个以上球S1、S2、…、Sn(n≥4)的球心O1、O2、…、On(n≥4)坐标值。
参见图1，图1是触发式测头的示意图，可旋转测座1可以绕两个相互垂直的方向旋转，测头传感器2用来产生触发信号，测杆3端部有一小球，测量时小球与被测件接触。可旋转测座1、测头传感器2、测杆3为测头的基本构件，依次安装在一起构成测头，测头传感器2与测杆3之间一般采用螺纹连接。当测量工件时，可以根据被测元素的空间位置，采用一定方式驱动可旋转测座1，将测头转至所需方向。
本发明的触发式测头标定方法需要在不进行测头补偿的条件下，包括不补偿测杆端部小球半径补偿和测杆端部小球球心相对于测头坐标系原点的偏置，将测头旋转至四个或四个以上不同方向测量标准球，在此条件下测得的点坐标为可旋转测座1旋转中心的坐标。
参见图2，图2是本发明的触发式测头标定时建议采用的最少测头方向示意图；D1、D2、D3、D4、D5为本发明建议的五个基本的方向。本发明建议的测头方向以高斯球方式表达，D1映射于高斯球沿-Z方向的极点，D2、D3、D4、D5在高斯球上的映射点均匀分布于与D1映射点对偶的大圆上。采用更多的测量方向测量标准球有利于提高标定精度，测量方向在高斯球上的映射点应在高斯球上尽量均匀分布。
参见图3，图3是本发明的触发式测头D1方向测量标准球的示意图；参见图4，图4是本发明的触发式测头D1方向测量标准球的测量结果示意图；如图4所示：测得球面S1，S1的球心与标准球Sr球心不重合，S1的半径大于Sr的半径。
参见图5，图5是本发明的触发式测头D2方向测量标准球的示意图；参见图6，图6是本发明的触发式测头D2方向测量标准球的测量结果示意图；如图6所示，测得球面S2，S2的球心与标准球Sr球心不重合，S2的半径大于Sr的半径。
参见图7，图7是本发明的触发式测头D4方向测量标准球的示意图；参见图8，图8是本发明的触发式测头D4方向测量标准球的测量结果示意图；如图8所示，测得球面S4，S4的球心与标准球Sr球心不重合，S4的半径大于Sr的半径。
参见图9，图9是本发明的触发式测头D1、D2、D3、D4、D5方向测量标准球所得五个球S1、S2、S3、S4、S5，及利用五个球的球心构造一个球面S的示意图；如图9所示，利用触发式测头D1、D2、D3、D4、D5方向分别测量标准球得到的五个球S1、S2、S3、S4、S5的球心，采用最小二乘法构造一个新的大球S，将球S的球心坐标作为标准球Sr的球心坐标，用于测头标定计算。
在测量工件过程中，针对每个不同的测头方向Dx，都应测量标准球来标定测头。测头偏置向量为测头坐标系原点指向测杆端部小球球心的向量，测杆端部小球有效半径为不进行测杆端部小球半径补偿条件下测量标准球得到的球半径与标准球半径标称值之差。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。

Claims (3)

1.一种坐标测量机触发式测头标定方法，包括坐标测量机所用的测头和标准球Sr，所述的测头主要由可旋转测座(1)、测头传感器(2)和测杆(3)组成；其特征在于是按如下步骤进行：
1.1、安置标准球Sr固定不动,将测头旋转至四个及四个以上不同的方向D1、D2、…、Dn(n≥4)，在不进行测头补偿的条件下，即不进行测杆端部小球半径补偿和小球球心相对于测头坐标系原点偏置的补偿，分别测量标准球Sr表面；在该条件下，测得的标准球Sr表面点坐标则为触测时测头坐标系原点所在位置坐标，利用测得的点坐标数据分别计算得到四个及四个以上球S1、S2、…、Sn(n≥4)的球心O1、O2、…、On(n≥4)坐标值；
1.2、利用测得的四个及四个以上球S1、S2、…、Sn(n≥4)的球心O1、O2、…、On(n≥4)坐标值，采用最小二乘法构造一个球S，将球S的球心作为标准球Sr球心；
1.3、将测头旋转至所需方向，自动测量标准球Sr，经计算获得测杆端部小球有效半径及小球球心相对于测头坐标系原点的偏置向量，完成测头标定。
2.根据权利要求1所述的一种坐标测量机触发式测头标定方法，其特征在于：
所述的步骤1.1可以分为两步实现：
2.1、首先手动操作坐标测量机，将测头旋转至四个及四个以上不同的方向D1、D2、…、Dn(n≥4)，在不进行测头补偿的条件下，分别测量标准球Sr表面，利用测得的点坐标数据分别计算得到四个及四个以上球S1、S2、…、Sn(n≥4)的球心O1、O2、…、On(n≥4)坐标值；
2.2、再采用自动测量模式，将测头旋转至四个及四个以上不同的方向D1、D2、…、Dn(n≥4)，在不进行测头补偿的条件下，分别测量标准球Sr表面，利用测得的点坐标数据分别计算得到四个及四个以上球S1、S2、…、Sn(n≥4)的球心O1、O2、…、On(n≥4)坐标值。
3.根据权利要求1所述的一种坐标测量机触发式测头标定方法，其特征在于：所述的步骤1.1还可以按以下方式实现：
首先手动操作坐标测量机，将测头旋转至一个方向D1，在不进行测头补偿的条件下，完成标准球Sr的测量，然后采用自动测量模式，在测头方向不变及不进行测头补偿的条件下，再进行标准球Sr的测量；如此依次将测头旋转至不同的方向D2、…、Dn(n≥4)，分别测量标准球Sr表面，利用测得的点坐标数据分别计算得到四个及四个以上球S1、S2、…、Sn(n≥4)的球心O1、O2、…、On(n≥4)坐标值。
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