CN108871170B

CN108871170B - 触发式测头预紧力的配置方法及三坐标测量机

Info

Publication number: CN108871170B
Application number: CN201810699957.8A
Authority: CN
Inventors: 陈艳华; 梁斌; 刘伟强
Original assignee: Shenzhen Lihe Precision Equipment Technology Co ltd; Shenzhen Research Institute Tsinghua University
Current assignee: Shenzhen Lihe Precision Equipment Technology Co ltd; Shenzhen Research Institute Tsinghua University
Priority date: 2018-06-29
Filing date: 2018-06-29
Publication date: 2021-03-02
Anticipated expiration: 2038-06-29
Also published as: CN108871170A

Abstract

本发明提供的一种触发式测头预紧力的配置方法，包括以下步骤：在支撑球和支撑柱的接触力作用点的平面内建立坐标系；设定支撑球和支撑柱的接触力的空间向量信息、触发力的空间向量信息以及所述弹簧的预紧力的空间向量参数；建立所述系统的动力学模型，依据动力学方程AF＝B，对比所述触发力的试验数据和理论数据；获取所述预紧力与所述触发力的对应关系以确定所述预紧力的配置参数。本发明从动力学模型出发，借助数值仿真技术，可以非常方便地研究预紧力变化情况下的触发力特性，而不需要反复试制样机进行试验；另一方面，基于测头的测试数据，可以反推出复位力的特性，进而对使用过一段时间的测头进行精度评定。

Description

触发式测头预紧力的配置方法及三坐标测量机

技术领域

本发明涉及测试技术领域，特别是指一种触发式测头预紧力的配置方法及三坐标测量机。

背景技术

本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

测头内部的传感器有多种形式，例如接触电阻，应变片、压电晶体等。目前最为常用的是接触电阻，此接触电阻由球和柱的接触而形成。球和柱在预紧力的作用下，在接触点处有微小的变形，形成接触面。此接触面越大，则接触电阻越小。在测头触碰被测件时，在外力(触发力)的作用，逐渐抵消预紧力，使得球和柱的接触面减小，导致接触电阻增大。当接触电阻增大到设定阈值时，则发出触发信号。

从测头的工作过程可以看出，在测头接触被测件的瞬间，其并未发出触发信号，而是需要外力(触发力)增大达到一定的程度，才能发出触发信号。外力的作用会引起测针的弯曲变形，此弯曲变形是系统误差，会增加测量结果的不确定度。

预紧力的性质(大小、方向和作用点)决定了触发力(外力)的性质。在触发式测头的设计中，对预紧力的确定，直接决定了测头的精度。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种接触式触发测头预紧力的配置方法，作为触发式测头的设计依据。

本发明的另一目的在于应用上述方法设计出高精度测头，直至制造出高精度测量的三坐标测量机。

本发明提供的技术方案为：一种触发式测头预紧力的配置方法，所述测头系统采用弹簧预紧支撑柱的曲面和所述支撑柱下方的支撑球以相切方式接触，包括以下步骤：

在支撑球和支撑柱的接触力作用点的平面内建立坐标系；

设定支撑球和支撑柱的接触力的空间向量信息、触发力的空间向量信息以及所述弹簧的预紧力的空间向量参数；

建立所述系统的动力学模型，依据动力学方程AF＝B，对比所述触发力的试验数据和理论数据；

当所述试验数据与所述理论数据不吻合时，调整所述支撑球和所述支撑柱的摩擦系数；

获取所述预紧力与所述触发力的对应关系以确定所述预紧力的配置参数，所述配置参数包括预紧力大小、预紧力方向及预紧力作用力，其中，通过控制弹簧的压缩量增大，增大预紧力。

进一步地，所述系统中部包括竖直的测针，所述测针与所述支撑柱的轴线相垂直，坐标系的Z轴沿所述测针轴线方向。

进一步地，所述系统包括3组环向均匀分布的球柱结构，每组设有1个所述支撑柱接触2个邻近的所述支撑球，设定3组接触力作用点的平面与所述测针的轴线的交点为坐标系的原点。

进一步地，所述接触力的空间向量信息包括力的大小和方向；三组支撑球和支撑柱的接触力由

表示，其方向分别为α，β。

进一步地，所述触发力的空间向量信息包括力的大小和方向；触发力由

表示，其方向由

确定。

进一步地，所述预紧力的空间向量信息包括作用点、力的大小和方向。弹簧预紧力为

其方向由

确定，作用点由(r，h)确定。

进一步地，设定3组球柱结构在同一平面，且所述支撑球和所述柱体的接触力方向角相等(α＝β)，测量水平面内的一个环规时所述触发力的试验值，并计算出相同条件下的理论值。

进一步地，所述系统的动力学方程为AF＝B，其中：

进一步地，当理论值与实验值相吻合，基于理论方程获取预紧力大小、预紧力方向角及预紧力作用点对触发力的对应关系。

进一步地，在预紧力的方向与Z轴重合的条件下，获取所述预紧力与所述触发力之间的对应关系。

进一步地，获取所述预紧力在竖直面内或水平面内的方向角与触发力大小的关系，确定预紧力在竖直面内和水平面内的方向角的阈值。

进一步地，获取所述预紧力在竖直面内或水平面内偏离原点的距离与触发力大小的关系，确定预紧力的作用点。

本发明还提供一种三坐标测量机，包括球柱结构的触发式测头，所述测头上述的触发式测头预紧力的配置方法设定所述弹簧的作用点及预紧力，其中：

所述的触发式测头预紧力的配置方法，其所述测头系统采用弹簧预紧支撑柱的曲面和所述支撑柱下方的支撑球以相切方式接触，包括以下步骤：

在支撑球和支撑柱的接触力作用点的平面内建立坐标系；

获取所述预紧力与所述触发力的对应关系以确定所述预紧力的配置参数。

进一步地，所述接触力的空间向量信息包括力的大小和方向，所述触发力的空间向量信息包括力的大小和方向，所述预紧力的空间向量信息包括作用点、力的大小和方向。

进一步地，设定3组球柱结构在同一平面，且所述支撑球和所述柱体的接触力方向角相等，测量水平面内的一个环规时所述触发力的试验值，并计算出相同条件下的理论值。

进一步地，当理论值与实验值相吻合，基于理论方程获取预紧力大小、预紧力方向角及预紧力作用点与触发力的对应关系。

与现有技术相比，本发明提供的触发式测头预紧力的配置方法，包括以下步骤：在支撑球和支撑柱的接触力作用点的平面内建立坐标系；设定支撑球和支撑柱的接触力的空间向量信息、触发力的空间向量信息以及所述弹簧的预紧力的空间向量参数；建立所述系统的动力学模型，依据动力学方程AF＝B，对比所述触发力的试验数据和理论数据；获取所述预紧力与所述触发力的对应关系以确定所述预紧力的配置参数。本发明从动力学模型出发，借助数值仿真技术，可以非常方便地研究预紧力变化情况下的触发力特性，而不需要反复试制样机进行试验；另一方面，基于测头的测试数据，可以反推出复位力的特性，进而对使用过一段时间的测头进行精度评定。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1A为本发明的触发式测头系统结构示意图。

图1B为图1A所示的部分结构示意图。

图1C为图1A所示球柱结构的电流电路图。

图2A为图1A中所示系统的动力学模型。其中

的处于与XOZ平行的平面上。

图2B为图1B和图1C所示的系统的动力学模型。

图3为图2A中动力学模型下一水平面内触发力的试验数据与理论数据分布图。

图4为图2A所示预紧力大小对触发力的影响规律。

图5为图2A所示预紧力方向对触发力的影响规律。

图6为图2A所示预紧力作用点对触发力的影响规律。

附图标记说明:

测头系统	10
		测端球	18
测针	17
		球座	16
支撑球	15
		支撑柱	13
测针支架	12
		弹簧	11
导线	14

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明实施例。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明实施例的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明实施例，所描述的实施方式仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明实施例保护的范围。

本文中“环规”为一种标准器件，直径被计量过的圆圈。本文中“测头”和“测头系统”指含有测球端、测针、支撑球、支撑柱及弹簧的结构。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明实施例的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明实施例。

请参阅图1A，三坐标测量机(Coordinate Measuring Machine，简称CMM)是20世纪60年代出现的一种新型高效精密测量仪器。它的出现，一方面是由于自动机床、数控高效加工以及原来越多复杂形状零件加工需要快速有效的检测设备与之配套；另一方面是由于电子技术、计算机技术、数字控制技术以及精密加工技术的发展为CMM的产生提供了技术基础。1960年，英国Ferranti公司研制成功世界上第一台CMM，到20世纪60年代末，已有近十个国家的三十多家公司在生产CMM，不过这一时期的CMM尚处于初级阶段。进入20世纪80年代后，以Zeiss，Leitz，DEA，LK，Mitutoy，Sip,Ferranti，Moore等为代表的众多公司不断推出新产品，使得CMM的发展速度加快。现代CMM不仅能在计算机控制下完成各种复杂测量，而且可以通过与数控机床交换信息，实现对加工的控制，而且还可以根据测量数据实现反求工程。目前，CMM已广泛应用于机械制造业，汽车工业，电子工业，航空航天工业和国防工业等各部门，成为现代工业检测和质量控制不可缺少的通用型几何量测量仪器。

CMM是用测头来拾取信号的，测头的性能直接影响测量精度和测量效率，没有先进的测头就无法发挥测量机的功能。坐标测量机测头有触发式和模拟式两种工作方式，触发式测头主要用于接触判断，当测端接触到被测体时，测头发出一个脉冲信号，此时坐标测量机的标尺系统记录当前坐标值。这种工作方式在测量规则几何特征(圆弧、直线等)时有很高的效率；模拟式测头可以连续输出测端的位移信息，适用于测量自由曲面等非规则几何特征。

坐标测量机测量使用触发式测头(图1A所示)的测量过程如下：坐标测量机三轴在控制器的指令下，快速接近被测件，然后减速，以较低的速度触碰被测件并继续前移。随着测头继续前移，测头末端的受力持续增大。当受力达到测头内部传感器的预定值时，测头发出触发信号，此时控制器开始采集三轴的光栅值，即触碰点的坐标。控制器接收到触发信号的时候，还会发出减速、回退指令。此后，坐标测量机三轴退离被测工件。可以看出，在测头接触被测件的瞬间，其并未发出触发信号，而是需要外力(触发力)增大达到一定的程度，才能发出触发信号。外力的作用会引起测针的弯曲变形，此弯曲变形是系统误差，会增加测量结果的不确定度。预紧力的性质(大小、方向和作用点)决定了触发力(外力)的性质。在触发式测头的设计中，对预紧力的确定，直接决定了测头的精度。

下面将结合图1A、图1B、图1C对本发明的触发式测头系统10的结构进行具体阐述。

图1A示出了一实施方式中触发式测头系统10的结构，可以看出，该系统10从下而上依次包括：

测端球18，球形结构，与被测物件相触碰而发生位移；

测针17，垂直设置，下端连接所述测端球18；

球座16，圆盘形，水平设置，用于支撑所述系统10；

支撑球15，半球形，球面设于所述球座16顶面上方，平面与所述球座16顶面接触；

支撑柱13，圆柱体，其曲面与所述支撑球15以相切方式接触；

测针支架12，用于支撑所述支撑柱13；

弹簧11，套设与所述测针支架12上，用于预紧所述支撑柱13和所述支撑球15。

图1B显示：所述系统10设有三组球柱结构，环向均匀分布在所述球座16上方，每组包括1个所述支撑柱13和2个支撑球15，2个所述支撑球15之间有一定间隙，所述支撑柱13与2个支撑球15均相切(自然状态下)。图1C还示出所述支撑球15的底面安装有导线14。

下面将结合图2A和图2B对图1A、图1B、图1C所示的结构中弹簧11预紧力的配置方法进行描述，包括以下步骤：

步骤1，如图2A所示，在支撑球15和圆柱体的接触力作用点的平面内建立坐标系；

其中：

坐标系的Z轴沿所述测针17轴线方向(设定向上为正)；

设定3组接触力作用点的平面与所述测针17的轴线的交点为坐标系的原点O，以原点O作起点，指向2接触力作用点的线段中点为X轴或Y轴，X、Y、Z相互垂直。

步骤2，设定支撑球15和支撑柱13的接触力的空间向量信息、触发力的空间向量信息以及所述弹簧11的预紧力的空间向量参数；

其中：

所述接触力的空间向量信息包括力的大小和方向；三组支撑球15和支撑柱13的接触力由

表示，其方向分别为α，β。

所述触发力的空间向量信息包括力的大小和方向；触发力由

表示，其方向由

确定。

所述预紧力的空间向量信息包括作用点、力的大小和方向。弹簧11预紧力为

其方向由

确定，作用点由(r，h)确定。

步骤3，建立所述系统10的动力学模型，依据动力学方程AF＝B，对比所述触发力的试验数据和理论数据；

其中：

设定3组球柱结构在同一平面，且所述支撑球15和所述柱体的接触力方向角相等(α＝β)，测量水平面内的一个环规时所述触发力的试验值，并计算出相同条件下的理论值。

步骤3，比较理论值与实验值；

当理论值与实验值相吻合，确定方程系数(μ₁、μ₂、μ₃)；此处μ₁、μ₂、μ₃分别是三组支撑球15和支撑柱13之间的摩擦系数，当球柱未磨损且润滑良好的条件下，可以不考虑此摩擦力，取(μ₁、μ₂、μ₃)＝(0,0,0)；当所述测头10使用过一段时间之后，球柱之间出现磨损的情况下，(μ₁、μ₂、μ₃)≠(0,0,0)。

当理论值与实验值不吻合，调整方程系数(μ₁、μ₂、μ₃)至理论值与实验值相吻合，从而获知球柱的磨损程度，进而对使用过一段时间的测头10进行精度评定；

基于理论方程获取预紧力大小、预紧力方向角及预紧力作用点对触发力的影响规律图；

步骤4：获取所述预紧力对所述触发力的影响规律，设计确定所述预紧力的参数。

其中：

在预紧力的方向与Z轴重合的条件下，获取所述预紧力与所述触发力之间的对应关系。

获取所述预紧力在竖直面内或水平面内的方向角与触发力大小的关系，确定预紧力在竖直面内和水平面内的方向角的阈值。

获取所述预紧力在竖直面内或水平面内偏离原点的距离与触发力大小的关系，确定预紧力的作用点。

下面将结合图2A、图2B至图6对一具体实施方式中弹簧11预紧力的设计分析进行阐述。

所述测头系统10的工作原理：

球/柱支撑的主体结构如图1A所示。三组球组成的V型支撑槽，在同一平面内成120°分布，三个支撑柱13放置在此V形槽内。三组球通过导线14连接如图1B所示，当球和柱接触良好时，形成一个通路，电流可以在球和柱之间流过，如图1C所示。这种支撑结构具有很好的自定心功能，可以保证重复定位精度，进而减少测量误差。

当测端球18未触碰被测件时，在复位弹簧11的预紧力作用下，三组支撑球15和支撑柱13接触良好，形成导电通路。当测端球18触碰被测件时，测针17受到触碰的作用，要发生偏摆。测针17的偏摆导致支撑柱13和支撑球15分离，进而导致电路断开，而发出一个触发信号(此时对应的触碰力叫做触发力)。

在复位弹簧11确定之后，即测头的预紧力确定之后，在不同方向上的触发力是不同的(触发力的波动)。这是因为，在不同方向上，触发力开始开启球/柱的力臂不同。触发力的波动使得触发式测头表现出明显的各向异性，是触发式测头最大的误差源，其使得在不同方向上测量时，测针17的变形量不同。触发式测头的各向异性可以在后期进行一定的误差修正，但效果有限。最好的途径是在测头设计的过程中，对触发力的波动进行预测和控制。

所述测头系统10的动力学模型，如图2A、图2B所示。

为第一组左侧的球柱接触力的向量，竖直面内的方向角为α₁；

为第一组右侧的球柱接触力的向量，竖直面内的方向角为β₁；

为第二组左侧的球柱接触力的向量，竖直面内的方向角为α₂；

为第二组右侧的球柱接触力的向量，竖直面内的方向角为β₂；

为第三组左侧的球柱接触力的向量，竖直面内的方向角为α₃；

为第三组右侧的球柱接触力的向量，竖直面内的方向角为β₃；

为触发力的向量，投影在XY平面为向量

竖直面内的方向角(即

与

之间的夹角)为

水平面内与X轴的方向角(即

与X轴之间的夹角)为θ；

为弹簧11预紧力的向量，竖直面内的方向角为ψ，水平面内与X轴的方向角为

竖直面内距原点O的高度为h(即作用点到XY平面的垂直距离)，水平面内偏离原点O的距离为r(即作用点到Z轴的垂直距离)。

L为测端球距原点的垂直距离。

m为每组接触力的起点(相交的点)距Z轴的垂直距离。

μ₁为第一组球柱之间的摩擦系数。

μ₂为第二组球柱之间的摩擦系数。

μ₃为第三组球柱之间的摩擦系数。

建立系统10的动力学方程：AF＝B (1)

给定初始系数值μ₁、μ₂、μ₃；

在获取预紧力的过程中，设定球和柱的支撑为理想条件，即三组球共面，支撑力方向角相等(α＝β)。虽然制造和装配过程会带来误差，使得球和柱偏离此理想条件，但是由于触发力是空间任意方向的，制造和装配过程的随机误差并不会对触发力的波动造成实质性的影响，这一点可以通过数值仿真进行验证；另外，在考虑球柱的制造和装配误差条件下，本发明专利提出的方法依然适用。

图3示出了在测量水平面内的一个环规时试验触发力与理论触发力的对比情况。可以看出，此时的触发力存在三个最小值(0.04N)和三个最大值(0.1N)，触发力的波动(即最大值和最小值的差)，达到0.06N，是最小触发力的1.5倍，可以说这种波动是比较明显的。从图3中还可以看出，基于理论方程获得的触发力与实验数据吻合很好，因此，基于设定系数的动力学方程可以用来分析触发力的波动情况。

在预紧力(复位力)的设计过程中，首先是确定其大小。此时考虑预紧力的方向与Z轴重合，

图4示出了预紧力的大小与触发力的波动。可见，随着预紧力的增大，触发力的最大值和最小值都是线性增大的，触发力的波动也是线性增大的，即随着预紧力增大，触发力的波动量变大，测量的误差也会增大。但是由于较大的预紧力，会增大复位的可靠性，因此在使用中，预紧力不能太小。另一方面，可以根据应用对象，例如测量不易变形的工件时，采用较大的预紧力和较粗的测针17；而测量较易变形的工件时，采用小预紧力的测头。为此可以设计几种不同预紧力测头。

图5示出了预紧力的作用方向对触发力波动的影响，其中色彩条从黑色到白色对应着触发力的波动从0.05N到0.075N。从图中可以看出，预紧力在竖直面内的方向角ψ对触发力的波动影响较大，意味着预紧力的方向越偏离测头轴线(Z)轴，则触发力的波动越大。当此偏离方向角不大于2°时，触发力的波动没有明显变化。为了保证精度，此方向角的偏离不应该大于5°。预紧力在水平面内的方向角

对触发力的波动影响较小，与测头的结构相对应地，触发力的波动随着ψ从0°增大到360°，也有三个最大值和最小值。

图6示出了预紧力的作用点对触发力的影响，其中色彩条从黑色到白色对应着触发力的波动从0.05N到0.16N。从图5中已经发现预紧力在竖直面内的方向角ψ对触发力的波动影响较大，而在水平面内的方向角

对触发力波动影响较小。因此，此时我们选取预紧力的方向角ψ＝1°，

需要注意的是，如图1A图可知预紧力是由弹簧11提供的，则预紧力在竖直面内的高度h增大时，弹簧11的压缩量增大，预紧力增大。

从图6中可以看出，预紧力在水平面内的偏离距离r对触发力波动的影响较为明显，当选取预紧力为1.2N时，要使得触发力波动不大于0.05N，则预紧力在水平面内偏离中心的距离r不应该大于0.5x10^-3mm。而且预紧力的作用点接近XOY平面，最好是在XOY平面内。

上述方法优化配置的预紧力参数可用于三坐标测量机中设定接触式测头的弹簧11的作用点、预紧力大小及方向，满足三坐标测量机的高精度测量。本发明从动力学模型出发，借助数值仿真技术，可以非常方便地研究预紧力变化情况下的触发力特性，而不需要反复试制样机进行试验；另一方面，基于测头的测试数据，可以反推出复位力的特性，进而对使用过一段时间的测头进行精度评定。

以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种触发式测头预紧力的配置方法，测头系统采用弹簧预紧支撑柱的曲面和所述支撑柱下方的支撑球以相切方式接触，其特征在于：包括以下步骤：

在支撑球和支撑柱的接触力作用点的平面内建立坐标系；

获取所述预紧力与所述触发力的对应关系以确定所述预紧力的配置参数，所述配置参数包括预紧力大小、预紧力方向及预紧力作用点，其中，通过控制弹簧的压缩量增大，增大预紧力。

2.根据权利要求1所述的触发式测头预紧力的配置方法，其特征在于：所述系统中部包括竖直的测针，所述测针与所述支撑柱的轴线相垂直，坐标系的Z轴沿所述测针轴线方向。

3.根据权利要求2所述的触发式测头预紧力的配置方法，其特征在于：所述系统包括3组环向均匀分布的球柱结构，每组设有1个所述支撑柱接触2个邻近的所述支撑球，设定3组接触力作用点的平面与所述测针的轴线的交点为坐标系的原点。

4.根据权利要求1所述的触发式测头预紧力的配置方法，其特征在于：所述接触力的空间向量信息包括力的大小和方向，所述触发力的空间向量信息包括力的大小和方向，所述预紧力的空间向量信息包括作用点、力的大小和方向。

5.根据权利要求3所述的触发式测头预紧力的配置方法，其特征在于：设定3组球柱结构在同一平面，且所述支撑球和柱体的接触力方向角相等，测量水平面内的一个环规时所述触发力的试验值，并计算出相同条件下的理论值。

6.根据权利要求5所述的触发式测头预紧力的配置方法，其特征在于：当理论值与实验值相吻合，基于动力学方程获取预紧力大小、预紧力方向角及预紧力作用点与触发力的对应关系。

7.根据权利要求6所述的触发式测头预紧力的配置方法，其特征在于：在预紧力的方向与Z轴重合的条件下，获取所述预紧力与所述触发力之间的对应关系。

8.根据权利要求6所述的触发式测头预紧力的配置方法，其特征在于：获取所述预紧力在竖直面内或水平面内的方向角与触发力大小的关系，确定预紧力在竖直面内和水平面内的方向角的阈值。

9.根据权利要求6所述的触发式测头预紧力的配置方法，其特征在于：获取所述预紧力在竖直面内或水平面内偏离原点的距离与触发力大小的关系，确定预紧力的作用点。

10.一种三坐标测量机，包括球柱结构的触发式测头，其特征在于：所述测头采用如权利要求1至9中任一项所述的触发式测头预紧力的配置方法设定所述弹簧的作用点及预紧力。