CN103659467A - 触发式测头轴向预行程的标定方法 - Google Patents

Abstract

触发式测头轴向预行程的标定方法，采用标准球作为标定用具，触测标准球球面上分布均匀的若干个测点，采用最小二乘法对测点数据进行球面拟合，计算出标准球的测量半径，通过标准球的测量半径与标准球公称半径的差值得出触发式测头轴向预行程。本发明以标定结果为依据对在机测量结果进行修正，避免了测量过程中，由于测头探针与工件的位置与数控系统记录的测点位置不同所造成的测量误差；避免了现有的标定方法中以测头各个方向上预行程的平均值代替实际的轴向预行程所产生的误差，提高了标定精度，且使用市售标准量具—标准球作为标定用具，无需其他设备，使用成本低，操作简便。

Description

触发式测头轴向预行程的标定方法

技术领域

本发明属于在机测量方法技术领域，具体涉及一种在机测量用触发式测头轴向预行程的标定方法。

背景技术

在机测量技术依托数控机床的运动控制及位置检测功能，在工件的加工位置上对其几何特征、相对位置进行测量，可用于工件坐标系的自动建立或调整、工件加工精度的实时检测及在线质量控制等工艺过程，是实现产品制造过程自动化、智能化、高速化、高精度化的有效途径。由于避免了工件在机床与检测设备之间的搬运，该技术有效克服了工艺基准不重合造成的制造误差，减小了不必要时间和物质消耗，减轻了劳动强度，提高了生产力。

触发式测头是在机测量系统的关键组成，参见图1。测量时，测头在数控机床的带动下向工件运动，当探针1接触到工件后，生成触发信号，数控系统响应触发信号，记录下该测点在机床坐标系下的位置。如此按工艺要求测量多个测点，对坐标数据进行处理，生成检测报告。通常，三维触发式测头可被触发的方向包括XY平面内任意方向（径向）及+Z方向（轴向）。

触发式测头测量工作时序如图2所示。T₁时刻为测头探针测球与被测工件接触的时刻，T₂测头发出触发信号的时刻，T₃为数控系统响应触发信号时刻；T₁至T₃时段内测头与被测工件的相对位移量即为测头的预行程。相关研究表明，由于数控系统记录的测点位置与探针和被测工件的实际接触位置存在偏差（即预行程）而造成测量误差，占在机测量总体误差中的比重高达60%以上。补偿是减小测头预行程影响测量精度的有效手段，而准确进行预行程的标定，是保证补偿精度的必要前提。

受测头触发机构的结构特性的影响，在不同触发方向上，测头的预行程并不一致。因此准确的补偿应具体的沿不同方向进行。测头的轴向预行程与沿其他方向的预行程有很大差别。如图3所示，沿测头轴向（Z向）测量，多用于确定工件的加工余量及切削深度，测量结果直接决定了工件的切削工艺参数的选取和最终的加工精度。因此，在测量前必须准确标定测头的轴向预行程。

目前，对于测头的轴向预行程，能实现定值标定的方法很少：

一是借助独立标定设备（下称独立法）。将测头安装在具备运动控制、接触状态监测、触发信号识别及位移量测量的设备上，模拟触发式测头的触发测量过程，标定其预行程。

考虑到测头的预行程会受到测量工况的明显影响，标定不应独立于机床运行环境。而独立法的标定工况与测头的实际测量工况有较大差别，因此其标定结果并不能准确反映测头测量时的预行程；此外，独立法以测头发出触发信号的时刻代替实际测量时数控记录位置坐标的时刻作为预行程的核算基准，使得该法存在原理误差；第三，独立标定设备造价高昂，操作繁琐，工程适应性差。

二是作用半径法。考虑到探针测球半径对测量的影响，进行数据处理时通常需要进行半径补偿。由于测头存在预行程，实际测量时以探针测球公称半径进行补偿是不准确的。在标准球球面上触测若干个测点，计算出标准球的测量半径，其与标准球公称半径的差值即为包含测头预行程的探针测球作用半径，以此进行补偿，可以在一定程度上减小预行程对测量结果的影响。作用半径法以各个方向上预行程的等效平均值代替实际的预行程，均化了误差。然而，触发式测头在各个方向上的预行程并不相同，甚至有较大差别，这种以平均误差进行补偿的思想，并不适用于沿轴向测量的场合，难以有效提高测量精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种触发式测头轴向预行程的标定方法，解决现有技术存在的标定精度低的问题。

本发明的技术方案为，触发式测头轴向预行程的标定方法，采用标准球作为标定用具，在标准球某截圆上触测沿圆周均匀分布的若干个点，并用最小二乘法对各测点坐标值进行圆拟合运算，得到被测截圆的半径及圆心坐标；然后测量被测截圆与球顶之间的距离；最后，结合标准球公称半径和探针测球半径，算出触发式测头轴向预行程。

本发明的特点还在于，具体包括以下步骤：

第一步：将标准球吸附在数控机床工作台上，保证触发式测头在其行程范围内能够准确、安全的触测标准球；

第二步：调节数控机床在X轴、Y轴和Z轴方向的位置，将触发式测头探针定位在标准球某圆周处并进行试触测，记录触发时的Z轴坐标Z₁；

第三步：在数控机床的带动下，通过X轴、Y轴插补运动，在标准球的待测截圆上触测均匀分布的若干个点，记录下每个测点的位置坐标（X_i、Y_i）；

第四步：采用最小二乘法，对第三步得到的一系列坐标值进行圆拟合计算，得到标准球被测截圆的半径r及圆心坐标（X₀、Y₀）；

第五步：将触发式测头沿Z轴向上移动，使得触发式测头探针高于标准球；

第六步：在数控机床的带动下，通过X轴、Y轴插补运动，将触发式测头探针定位在标准球的被测截圆圆心处（X₀、Y₀）；

第七步：将触发式测头沿Z轴向下运动触测标准球顶点，记录触发时Z轴坐标Z₂；

第八步：根据第二步得到的Z轴坐标Z₁、第四步得到的半径r及第七步得到的Z轴坐标Z₂，得到触发式测头轴向预行程τ，

$\mathrm{\τ}=(R+b)-\sqrt{{(R+b)}^2-r^2}-(Z_2-Z_1)$

式中，R为标准球公称半径；b为探针测球半径。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明通过在标准球球面上触测分布均匀的若干个测点，采用最小二乘法对测点数据进行球面拟合，计算出标准球的测量半径，其与标准球公称半径的差值即为包含测头预行程的探针测球作用半径，以此进行补偿，在一定程度上减小了预行程对测量结果的影响，标定精度高。

2、本发明以标定结果为依据对在机测量结果进行修正，避免了测量过程中，由于测头探针与工件的位置与数控系统记录的测点位置不同所造成的测量误差；避免了现有的标定方法中以测头各个方向上预行程的平均值代替实际的轴向预行程所产生的误差，提高了标定精度。

3、本发明方法使用市售标准量具—标准球作为标定用具，无需其他设备，使用成本低，操作简便。

附图说明

图1是触发式测头基本结构示意图；

图2是触发式测头触测工作时序图；

图3是安装有触发式测头的数控机床结构示意图；

图4是本发明触发式测头轴向预行程标定方法的标定原理示意图；

图5是本发明触发式测头轴向预行程标定方法标定装置示意图；

图6是图5的侧视图；

图7是本发明实施例2的标定示意图，其中，点化线代表测头测量的截圆及路径，虚线表示测量完截圆后，触测球顶位置时测头的路径。

附图中，1.探针；2.触发式测头；3.标准球；4.数控机床工作台；5.加长杆；6.磁力表座；7.紧定螺钉。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

触发式测头轴向预行程标定方法，采用标准球作为标定用具，参见图1、图3、图5及图6。其原理为，标准球上任意截圆与球顶的距离L由该截圆半径r决定。在标准球某截圆上触测沿圆周均匀分布的若干个点，并用最小二乘法对各测点坐标值进行圆拟合运算，得到被测截圆的半径及圆心坐标；然后测量被测截圆与球顶之间的距离l＝Z₂-Z₁；最后，综合测头探针半径对测量结果的影响，触发式测头轴向预行程为：

$\mathrm{\τ}=(R+b)-\sqrt{{(R+b)}^2-r^2}-(Z_2-Z_1)$

式中，R为标准球公称半径；r为被测截圆的半径；b为测头探针测球半径；Z₂为球顶测点的Z轴位置坐标；Z₁为被测截圆的Z轴位置坐标。

图2是触发式测头触测工作时序图；

图4是本发明触发式测头轴向预行程标定方法的标定原理示意图；

上述标定方法的具体步骤是：

第一步：将标准球吸附在数控机床工作台上，保证触发式测头在其行程范围内能够准确、安全的触测标准球；

第二步：手动方式下调节触发式测头在X轴、Y轴和Z轴方向的位置，将触发式测头探针定位在标准球某圆周处并进行试触测，记录触发时的Z轴坐标Z₁；

第三步：在数控机床的带动下，通过X轴、Y轴插补运动，在标准球的待测截圆上触测均匀分布的若干个点，记录下每个测点的位置坐标（X_i、Y_i）；

第四步：采用最小二乘法，对第三步得到的一系列坐标值进行拟合计算，得到标准球被测截圆的半径r及圆心坐标（X₀、Y₀）；

第五步：手动方式下，将触发式测头沿Z轴向上移动，使得触发式测头探针高于标准球；

第六步：在数控机床的带动下，通过X轴、Y轴插补运动，将触发式测头探针定位在标准球的被测截圆圆心处（X₀、Y₀）；

第七步：将触发式测头沿Z轴向下运动触测标准球顶点，记录触发时Z轴坐标Z₂；

第八步：根据第二步得到的Z轴坐标Z₁、第四步得到的半径r及第七步得到的Z轴坐标Z₂，得到触发式测头轴向预行程τ，

$\mathrm{\τ}=(R+b)-\sqrt{{(R+b)}^2-r^2}-(Z_2-Z_1)$

式中，R为标准球公称半径；b为探针测球半径。

标定完毕，取下标定装置。

本发明所用的触发式测头轴向预行程标定装置参见图1、图3和图5，包括触发式测头2、标准球3、加长杆5、磁力表座6及紧定螺钉7；触发式测头2端部设有探针1；加长杆5顶端有凹槽，用于标准球3的固定，另一端开有腰形槽，用于与紧定螺钉7配合，调整加长杆的长度。

使用时，首先将标准球安装在加长杆5顶端的凹槽内，并保证连接可靠；松开紧定螺钉7，依据待标定的测头的安装姿态，调整加长杆5的角度与长度，就位后锁紧紧定螺钉7；最后将整个装置吸附在数控机床工作台4的合适位置即可开始标定。

实施例1

本实施例标定海克斯康40.01-TX/RX型触发式测头的轴向预行程。将其安装在图3所示的数控机床上，属立式安装，轴向为数控机床的Z向。

一、将标准球及测头探针表面擦拭干净，将标定装置吸附在数控机床工作台4的合适位置，保证其在触发式测头2的各方向的工作行程内；

二、依据步骤二、三完成对标准球某截圆的触测，并记录各测点位置坐标；

三、应用最小二乘法，计算被测截圆的半径及其圆心位置坐标；

四、依据步骤五、六、七，在NC程序的控制下，对测量截圆与标准球顶圆的距离；

五、实验结果对比

采用本发明标定方法的标定结果与采用作用半径法的标定结果见下表1，

表1不同标定方法的轴向预行程

从表1的结果对比可以看出，在相同的触发速度下，采用作用半径法得到的预行程大于本发明标定方法得到的预行程。受测头触发机构结构影响，当沿测头径向触发时，其预行程大于沿轴向触发时的预行程。作用半径法采用均化误差的思想，使得标定所得轴向预行程受到其他方向上预行程的影响，所得到的结果并不是真实值。实验表明，以此作为测量的补偿依据，并不能准确提高测量精度。根据相关文献中的结果，当采用独立设备法标定与本实例相同类型的测头时，轴向预行程在0.002mm左右，远小于本方法得到结果，这是由于独立设备法使得测头的标定独立于其测量工况，且它以测头发出触发信号的时刻代替实际测量时数控记录位置坐标的时刻作为预行程的核算基准，使得标定结果不能反映测头预行程在测量时的真实情况，并不适合于触发式测头预行程的现场补偿。

实施例2

参见图7，测头卧式安装，轴向为数控机床X向。

一、将标准球及测头探针表面擦拭干净，将标定装置吸附在数控机床工作台的合适位置，保证其在触发式测头2的各向工作行程内；

二、手动方式下调节各轴位置，将触发式测头探针测球定位在标准球某圆周处并进行试触测，记录触发时的X轴坐标X₁（图7中点化线所示位置）；

三、在数控机床的带动下，通过Z、Y轴插补运动，在待测截圆上触测均匀分布的若干个点，记录下每个测点的位置坐标（Z_i、Y_i）；

四：采用最小二乘法，对第二步得到的一系列坐标值进行拟合计算，得到被测截圆的半径r及圆心坐标（Z₀、Y₀）；

第五步：手动方式下，调节各轴，使得测头探针在X方向上远离标准球；

第六步：在数控机床的带动下，通过Z、Y轴插补运动，将测头定位在被测截圆圆心处（Z₀、Y₀）；

第七步：X轴进行触测标准球顶点，记录测头触发时X轴的坐标X₂。

第八步：数据处理：根据第二步得到的被测截圆X向坐标X₁、第三步得到的被测截圆半径r及第七步得到的球顶的X向坐标X₂，按照本发明方法所给出的触发式测头轴向预行程计算公式计算出测头的轴向预行程；

标定完毕，取下标定用具，将计算所得的测头轴向预行程填写至在机测量数据处理软件补偿表中。

Claims (2)

1.触发式测头轴向预行程的标定方法，其特征在于，采用标准球作为标定用具，在标准球某截圆上触测沿圆周均匀分布的若干个点，并用最小二乘法对各测点坐标值进行圆拟合运算，得到被测截圆的半径及圆心坐标；然后测量被测截圆与球顶之间的距离；最后，结合标准球公称半径和探针测球半径，算出触发式测头轴向预行程。

2.如权利要求1所述的触发式测头轴向预行程的标定方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

第一步：将标准球吸附在数控机床工作台上，保证触发式测头在其行程范围内能够准确、安全的触测标准球；

第二步：调节触发式测头在X轴、Y轴和Z轴方向的位置，将触发式测头探针定位在标准球某圆周处并进行试触测，记录触发时的Z轴坐标Z₁；

第三步：在数控机床的带动下，通过X轴、Y轴插补运动，在标准球的待测截圆上触测均匀分布的若干个点，记录下每个测点的位置坐标（X_i、Y_i）；

第四步：采用最小二乘法，对第三步得到的一系列坐标值进行拟合计算，得到标准球被测截圆的半径r及圆心坐标（X₀、Y₀）；

第五步：将触发式测头沿Z轴向上移动，使得触发式测头探针高于标准球；

第六步：在数控机床的带动下，通过X轴、Y轴插补运动，将触发式测头探针定位在标准球的被测截圆圆心处（X₀、Y₀）；

第七步：将触发式测头沿Z轴向下运动触测标准球顶点，记录触发时Z轴坐标Z₂；

第八步：根据第二步得到的Z轴坐标Z₁、第四步得到的半径r及第七步得到的Z轴坐标Z₂，得到触发式测头轴向预行程τ，

$\mathrm{\τ}=(R+b)-\sqrt{{(R+b)}^2-r^2}-(Z_2-Z_1)$

式中，R为标准球公称半径；b为探针测球半径。

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