CN111397555A - 一种触发式测头的参数误差测量方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种触发式测头的参数误差测量方法及其系统，包括激光位移传感器、旋转保持架、触发探头、主控制器、步进电动机和力传感器，所述力传感器的输出端与所述主控制器的输入端连接,所述激光位移传感器的测量光路位于触发式测头的被测球心与所述推杆的轴线的连线延长线上用以采集被测球体表面的光学反射获得位移变化量。本发明通过反向求解触发时刻的测力值，得到触发测头各性能参数的校准误差，实现测量过程中对测头的测量值误差的实时补偿，提高测量精度。

Description

一种触发式测头的参数误差测量方法及其系统

技术领域

本发明涉及精度校准领域，具体地说，是涉及一种触发式测头的参数误差测量方法及其系统。

背景技术

触发式测头广泛应用于工业测量及质量控制过程中，是构成坐标测量机、数控机床的重要组成部分，其性能好坏及精度高低常常决定了所测产品的质量。为更好地评价测头性能参数及对测头误差实现精确补偿，在比较国内外研究现状的基础上，触发式测头的性能参数有：触发位置重复性，预行程最大值，预行程最小值及预行程变化量，触发滞后量(零位变动量)，各向异性偏差等。通过对测头的性能参数校准，可以对测头测量误差进行补偿以提高测量精度，降低使用过程中的探测误差，

为了测量和补偿测头误差带来的影响，现有技术建立了探头预行程数学模型，定量描述了探头预行程及其各向异性特征，建立了一种预行程标定方法和装置，对探头沿径向360o的预行程特性进行了测量和分析。因为该方法是基于金属导电的特征建立的，要求测头测球必须是导电的金属；而实际上精密制造中大量使用的测头测球是红宝石材料，不导电，该方法不具有通用性。

现有技术中测量和补偿测头误差通过基于测头测座上的电子电压变化或力的变化来进行预行程的测量，而非通过直接监测测头测球的位移变化来进行测头参数的校准，并考虑到测量过程中测力是时刻在变化的等因素，导致监测的触发信号位置与实际测量点位置不完全一致，或者基于金属导电的特征建立的导电的金属测头测球校准系统，具有局限性不适用所有的测头测球。因此，需要一种针对触发式测头的参数误差测量方法和系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种触发式测头的参数误差测量系统及其方法。

本发明包括激光位移传感器、旋转保持架、触发探头、主控制器、步进电动机和力传感器，所述旋转保持架上设置有所述触发探头，所述触发探头的信号输出端与所述主控制器的输入端连接，所述主控制器的输出端与所述步进电动机的输入端连接，所述步进电动机的输出端与所述推杆连接，所述推杆的末端上设置有力传感器用于测量时接触所述触发探头，所述力传感器的输出端与所述主控制器的输入端连接,所述激光位移传感器的测量光路位于触发式测头的被测球球心与所述推杆的轴线的连线延长线上用以采集被测球体表面的光学反射获得位移变化量。

进一步地，所述所述测头的三个支撑点A,B,C在圆周平面内成均匀分布，相互之间夹角为120°；测头具有5个方向的自由度用以受力后产生形变。

进一步地，在根据所述光束脉冲时间宽度和所述主控制器响应时间对测距结果进行校准之前，包括：建立所述光束脉冲时间宽度与所述主控制器响应时间的对应关系；根据所述对应关系得到不同光束脉冲时间宽度下待测激光单点测量的离散度。

一种触发式测头的参数误差测量方法，包括以下步骤：

A校准时，采集激光值开始变化后触发探头的测头位移变化过程中的至少三次对应的光栅尺位移量以及对应时间。

B根据光栅尺指示的位移变化量，拟合测头预行程数学模型，补偿测头对位移变化的影响。

C根据反向求解的触发时刻的测力值，通过所述测头预行程数学模型实现测量过程中对测头的测量值误差的实时补偿。

具体地，所述触发式测头的三个支撑点A,B,C在圆周平面内成均匀分布，相互之间夹角为120°，测头具有多个方向的自由度用于受力后产生位移。

进一步地，所述触发式测头利用动力学微分方程进行求解，得到预行程误差。

具体地，所述预行程数学模型包括触发探头的刚性位移量L_c、测头触发时测头与被测件接触的弹性压缩量L_k和测头测杆的挠曲位移量L_p，所述测量值误差的计算方法包括：L_pre＝L_c+L_p-L_l

进一步地，所述激光位移传感器可以是激光位移传感器、激光干涉仪、光谱共焦位移传感器等各种光学原理的非接触式位移传感器，也可以是其他非光学原理的非接触式位移传感器。

具体地，所述刚性位移量L_c的计算方法包括

其中：n_δ为接触系数，μ₁，μ₂为支撑球和定位销的泊松比，E₁，

E₂为支撑球和定位销的弹性模量，R₁，R₂为支撑球和定位销的半径,L为测杆长度，l(a)为定位销距测杆的距离，F_T为测球受到的测力值。

进一步地，测头触发时测头与被测件接触的弹性压缩量L_k的计算方法包括

其中：μ₃，μ₄为测头和被测件的泊松比，E₃，E₄为测头和被测件的弹性模量，，r为测球的半径。

具体地，所述挠曲位移量L_p的计算方法包括

式中，L为测杆长度，E为测杆的弹性模量，x为测杆上某一点坐标，L_p为x处测杆的挠度，I为测杆横截面对中性轴的惯性矩。

本发明的有益效果在于：

本发明通过测头参数误差测量系统

本文提出了分析了基于该方法的测量过程，建立了相应测量模型，直观地得到触发测头各性能参数的校准误差，并通过反向求解触发时刻的测力值，实现测量过程中对测头的测量值误差的实时补偿，有效提高测量精度。

附图说明

图1为触发探头的结构图；

图2为触发探头的参数误差测量的系统结构示意图；

图3为某一角度θ时的测头参数校准系统测量时序图；

图4为触发探头触发过程中的受力分析图；

图5为触发探头触发过程中的力与刚性位移等效变化图；

图6为触发探头触发过程中各阶段位移变化图；

图7为触发探头的单项重复性误差分布；

图8为触发探头的预行程参数分布；

图9为触发探头的测力分布；

图10触发探头参数校准系统长度测量误差在1mm范围内的误差分布图；

图11触发探头参数校准系统长度在5mm范围内的误差分布图。

具体实施方式

下面根据实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

如图1所示，为测头的各部分结构示意图，测头在自由状态时，测头的三个支撑点A,B,C在圆周平面内成均匀分布，相互之间夹角为 120°；在受力后变形，测头具有5个方向的自由度，+X，-X，+Y，-Y，+Z；要实现触发探头的测头预行程误差和触发误差的校准，需要直接测量测头测球位置处的位移变化，才可有效避免测头测杆引入的弹性变形误差。

为有效测量测头测球的位移变化，如图2所示，测头固定在工作台上，主控器驱动推杆向测头移动，推杆的移动速度由步进电机控制，移动的位移量由精密光栅尺测量得到，采用基于激光干涉位移测量原理的激光聚焦式位移测量方法，将激光器发出的干涉光路聚焦到被测测球上，通过测头测球表面的光学反射，将测量光原路返回激光头，经激光器内部进行信号处理，得到测头测球处的位移变化。

开始校准时，当推杆未接触测头时，激光干涉仪的位移值不变，设定此时的位移为0.继续移动推杆到刚开始接触测头，此时激光值开始变化，记录下此时的时间为t0，光栅尺位移r0。继续移动推杆到测头触发信号发出，记录下此时的时间为t1，光栅尺位移r1.控制系统接收到测头发出的触发信号后，控制步进电机按控制程序立刻停止，记录测杆停止运行时位移r2，时间t2.然后计算机驱动电机带动测杆开始回退至初始0位置的过程中，当激光位移值为零时，记录此时的光栅尺位移r3，时间t3。测头参数校准系统测量时的时序变化见图3所示.

则角度θ(θ∈[0°,360°])方向的参数计算如下：

测头的预行程为：L_Preθ＝r_1θ-r_0θ

触发滞后量(零位变动量)：ΔS_Hystθ＝r_3θ-r_0θ

触发位置重复性(单向重复性)：ΔR_TrigPosθ＝max(r_11θ,r_12θ....r_1iθ)-min(r_11θ,r_12θ....r_1iθ)

从图3可以看出，光栅位移值r0,r1,r2,r3中，r2值不参与计算，则只有r1是测头触发时与被测件接触且有压缩情况下的位移值，比较复杂，r1及预行程值的解算过程。

如图4所示，根据测头的形变位移量建立坐标系，对测头从接触被测件到发出触发信号这一过程中的受力及位移变化情况进行分析。

测头触发过程中的受力分析图，其中，F_LA为A点处右边支撑球对测头定位销的支撑力，F_RA为A点处左边支撑球对测头定位销的支撑力； F_LB为B点处右边支撑球对测头定位销的支撑力，F_RB为B点处左边支撑球对测头定位销的支撑力；F_LC为C点处右边支撑球对测头定位销的支撑力，F_RC为C点处左边支撑球对测头定位销的支撑力；α为F_LA与该点处两支撑球心的连线的夹角；β为F_RA与该点处两支撑球心的连线的夹角；其他两点处各支撑力与点处两支撑球心的连线的夹角与A点处情况相同。K为测头所受弹簧预压力与测头重力之和。t为力K距测头中心的距离，即偏心距，δ₁为力K与X轴正向的夹角。A点距测头中心距离为m；B点距测头中心距离为n；C点距测头中心距离为s；测头中心距测球球心的距离为L；F_T为测头与被测件接触时所受的测量力；δ为力F_T与Z轴正向的夹角；θ为力F_T在XY平面上的投影与 X轴正向的夹角。

如图5所示，测头触发过程中的力与刚性位移等效变化图，L_c为测头接触被测件到测头发出触发信号时的刚性位移量；L_p为测头接触被测件到测头发出触发信号时的测头发生的挠曲位移量；L_k为测力为F_T时测头与被测件接触的弹性压缩量。

如图6所示，测头触发过程中各阶段位移变化图可知，测头的预行程量L_pre为：

L_pre＝L_c+L_p-L_k (1)

测头触发时的刚性位移量L_c

把测头考虑为刚体，当测头在触发时刻达到力平衡状态，根据静力平衡方程，所受的合外力为零，所受的合外力矩为零。测头受力分析见如图4所示，

假设测头触发时，某一测头定位销对支撑球在受力K情况下由力F_Li或 F_Ri(i＝A,B,C)变为受力为零，根据弹性力学，则移动距离τ为：

其中：n_δ为接触系数，μ₁，μ₂为支撑球和定位销的泊松比，E₁，E₂为支撑球和定位销的弹性模量，R₁，R₂为支撑球和定位销的半径。

将测头结构视为刚性体，位移变化如图5所示，则测头在力F_T作用下测头发出触发信号时刻，某一定位销的移动位移为该定位销与相应支撑球的弹性变形量τ时，测头位置处的位移变化量为：

测头触发时产生的挠曲位移量L_p

根据材料力学中的悬臂梁挠曲线方程：

式中，L为测杆长度，E为测杆的弹性模量，x为测杆上某一点坐标， L_p为x处测杆的挠度，I为测杆横截面对中性轴的惯性矩.对于圆形测杆，有：

式中，d为测杆的直径。

对本测头，L＝18mm，d＝2mm，则：测头末端测球处的挠度值为：

测头触发时测头与被测件接触的弹性压缩量L_k

由于测头与被测件接触属于球与平面接触，在测力F_T时的接触变形量 L_k为：

其中：μ₃，μ₄为测球和被测件的泊松比，E₃，E₄为测球和被测件的弹性模量，

3.4测头的预行程量L_pre

则，在力F_T作用下，测头位置处的位移变化量为：

建立触发探头的特性校准系统，

以行业典型应用的TP200型触发探头为测试对象。对该测头的预行程及单项重复性进行校准以验证本系统所述测量功能。

对该测头：n_δ＝0.9744,μ₁＝μ₂＝0，

E₁＝E₂＝E＝200kN/mm²,R₁＝R₂＝1.000mm，

d＝2mm， E₃＝620kN/mm²，E₄＝200kN/mm²，r为测球的半径，r＝4mm。

则根据公式3，在力F_T作用下，测头位置处的位移变化量为：

令：L_pre＝f(F_T)＝0.0000458×F_T ^2/3+0.012376F_T，则：F_T＝f′(L_pre)

则，测头触发时测头与被测件接触的弹性压缩量L_k为：

L_k＝0.0000183×F_T ^2/3＝0.0000183×f′(L_pre)^2/3 (5)

此即测头测量被测件时需要实时根据测力补偿的测量误差值。

在XY平面内360°范围内，按不同的角度间隔进行实验验证。测头触发单项重复性误差及预行程参数的测量结果如图7所示。

如图7、图8和图9所示为测头参数校准误差分布图。如图7为测头的单项重复性误差分布，如图8为测头的预行程参数分布，如图 9为测头的测力分布。

从测头特性校准系统的原理可知，测头校准的精度在光栅尺上。为验证三维测头动态位移校准装置的测量准确性，将激光干涉仪安装在三维测头动态位移校准装置的测量线上，尽可能减小测量误差源，并分别在0～1mm范围内、0～5mm范围内对三维测头校准装置的位移示值误差进行测试。

从图10和11中可知，与激光干涉仪仪器示值(认为是标准值) 相比，三维测头位移校准装置的位移示值误差最大不超过20nm。

为验证基于该方法的测量精度，用校准过的该测头安装在坐标测量机上，对名义值为29.98604mm的标准球进行沿某一方向的直径测量，实时测量该触发力并进行直径值的误差补偿，测量结果如表1。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种触发式测头的参数误差测量系统，包括触发探头，其特征在于，包括激光位移传感器、旋转保持架、主控制器、步进电动机和力传感器，所述旋转保持架上设置有所述触发探头，所述触发探头的信号输出端与所述主控制器的输入端连接，所述主控制器的输出端与所述步进电动机的输入端连接，所述步进电动机的输出端与推杆连接，所述推杆的末端上设置有力传感器用于测量时接触所述触发探头，所述力传感器的输出端与所述主控制器的输入端连接,所述激光位移传感器的测量光路位于触发式测头的被测球球心与所述推杆的轴线的连线延长线上用以采集被测球体表面的光学反射获得位移变化量。

2.根据权利要求1所述一种触发式测头的参数误差测量方法，其特征在于；所述触发式测头的三个支撑点A,B,C在圆周平面内成均匀分布，相互之间夹角为120°，测头具有多个方向的自由度用于受力后产生位移。

3.根据权利要求1所述一种触发式测头的参数误差测量系统，其特征在于，所述激光位移传感器可以是激光位移传感器、激光干涉仪、光谱共焦位移传感器等各种光学原理的非接触式位移传感器，也可以是其他非光学原理的非接触式位移传感器。

4.一种触发式测头的参数误差测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

A校准时，采集激光值开始变化后触发探头的测头位移变化过程中的至少三次对应的光栅尺位移量以及对应时间。

B根据光栅尺指示的位移变化量，拟合测头预行程数学模型，补偿测头对位移变化的影响。

C根据反向求解的触发时刻的测力值，通过所述测头预行程数学模型实现测量过程中对测头的测量值误差的实时补偿。

5.根据权利要求4所述一种触发式测头的参数误差测量方法，其特征在于，所述预行程数学模型包括触发探头的刚性位移量L_c、测头触发时测头与被测件接触的弹性压缩量L_k和测头测杆的挠曲位移量L_p，所述测量值误差的计算方法包括：L_pre＝L_c+L_p-L_k

6.根据权利要求5所述一种触发式测头的参数误差测量方法，其特征在于，所述激光位移传感器经激光器发射激光光束至被测球体，所述激光光束经所述被测球体反射后得到反射激光光束，所述激光位移传感器经接收透镜接收所述反射激光光束，经信号处理得到被测球体的位移变化量，所述主控制器对所述激光位移传感器的位移变化量进行数据采集。

7.根据权利要求1所述一种触发式测头的参数误差测量方法，其特征在于；通过对所述触发式测头位移检测量利用动力学微分方程进行求解，得到预行程误差。

8.根据权利要求5所述一种触发式测头的参数误差测量方法，其特征在于，

所述刚性位移量L_c的计算方法包括

其中：n_δ为接触系数，μ₁，μ₂为支撑球和定位销的泊松比，E₁，E₂为支撑球和定位销的弹性模量，R₁，R₂为支撑球和定位销的半径,L为测杆长度，l(a)为定位销距测杆的距离，F_T为测球受到的测力值。

9.根据权利要求5所述一种触发式测头的参数误差测量方法，其特征在于，测头触发时测头与被测件接触的弹性压缩量L_k的计算方法包括

其中：μ₃，μ₄为测头和被测件的泊松比，E₃，E₄为测头和被测件的弹性模量，，r为测球的半径。

10.根据权利要求5所述一种触发式测头的参数误差测量方法，其特征在于，所述挠曲位移量L_p的计算方法包括

式中，L为测杆长度，E为测杆的弹性模量，x为测杆上某一点坐标，L_p为x处测杆的挠度，I为测杆横截面对中性轴的惯性矩。

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