选择和校验轴承端盖中测头的方法

任务导入

本任务主要介绍测头的配置、测头的校验与使用注意事项，包括测头文件名的定义、测座的定义、转接、测针的定义、测头角度的添加、测头校验的相关内容，使学生掌握测头的配置与校验方法。

知识链接

1.测头组件和典型配置

首先我们来认识测头组件：一套完整的测头系统（探测系统）包括测座、转接（Convert）、测头（Probe）、测针（又称探针，Tip 或Stylus 或Styli）、加长杆（Exten 或Extension）如图3-1-11所示。

图3-1-11　测头系统

通常触发式测头通过M8 螺纹连接，扫描式测头或激光测头通过卡口连接。一套完整的测头系统包括：TESASTAR-M 自动旋转测座，可配置TESASTAR-R 自动更换架，测座下面可以接多种加长杆或转接，或者直接连接测头。测头有多种选择：触发式测头、扫描式测头、影像测头、激光测头，测头下面可以连接各种加长杆和测针。在实际使用中，用户大都是购买了一种或两种测头，一种测座，多种加长杆和测针。

2.测座的选择

测座可分为旋转式测座和固定式测座两种，它们特点不同，使用要求也不同。

1）旋转式测座

旋转式测座具有使用灵活的特点，分为自动和手动两种，手动测座一般分度为15°，自动测座分度有7.5°、5°、2.5°和无极的，使用前注意仔细阅读用户手册，了解加长杆承载能力。如图3-1-12所示为常用的测座类型。图中测座俯仰抬高方向为A 角，围绕主轴自转方向为B 角。

图3-1-12　常用的测座类型

2）固定式测座

当需要高精度、长测针时，则选择固定式测座（测头），在使用时，需要配置复杂的测针组合来实现复杂角度的测量。固定式测座的灵活性不如旋转式测座，但测量精度较高，而且通常与扫描式测头为一体结构，可用于连续扫描。

3.测头的选择

测头是负责采集测量信息的组件。测量方式可分为接触式触发测量、接触式连续扫描测量和非接触式光学测量。在实际应用中，使用者需要根据加工精度、工件材料、待检特征等因素，来选取合适的测头，完成检测任务。测头可分为触发式测头、扫描式测头和非接触式测头。

1）触发式测头

触发式测头关注传感器的测力，较为经济，适用范围较广。触发式测头的测力由硬件决定，根据不同的需要应选择不同测力的测头或吸盘。一般有磁力吸盘的测头，测力由吸盘决定，少数触发式测头通过调节螺钉调整测力。

2）扫描式测头

扫描式测头具有测力可调、精度更好、接加长杆能力更强的特点。

3）非接触式测头

影像测头扩展了影像测量功能，激光测头能够进行非接触测量，且激光扫描逆向。

4.加长杆的选择

加长杆分为测座和测头之间的加长杆以及测头和测针之间的加长杆两种。

（1）测座和测头之间的加长杆。测座和测头之间的加长杆配合盘型测针、星型测针、五方向测针使用。

（2）测头和测针间的加长杆。使用测头和测针间的加长杆应注意螺纹，一般选择M5/M4/M3/M2 转接，不能超长、超重。

5.测针的选择

在坐标检测过程中，测针与被测工件发生直接接触，需要快速反馈接触情况。通过合适的测针选择及配置，可以最大限度地发挥三坐标测量机的测量性能，大大降低测量的不确定度。同一台三坐标测量机测量同一个工件，测量结果会因测针配置的不同而产生较大差异。

选择测针需要注意以下几点。

（1）不能超长、超重，尽量减少连接个数，每增加一个连接就会降低测针的刚性。

（2）注意选择合适的形状，不同形状的测针常用于不同的用途。球形测针最为常用，星型、五方向、盘型测针一般用于大孔或槽等球形测针不容易直接测量的情况，柱形测针一般用于薄壁件测量，同时尽可能避免过多的螺纹连接，能使用一根测针的情况应避免使用测针组合。

（3）为保证测针的刚性，应尽量减少连接。除了星型、五方向测针，其他测针尽量一个连接，同时尽可能选择粗、短、轻、大的测针。

（4）测针材料的选择一般为碳化钨或碳纤维、陶瓷，碳化钨刚性最强，但质量较重，碳纤维、陶瓷刚性强、质量轻，常用于长测针或加长杆；测尖的材料以人造红宝石最为常见，常用于触发测量或低强度连续扫描测量。在实际应用中，扫描测量铝件时尽量使用氮化硅球头的测针，扫描测量铸铁件时尽量使用氧化锆球头的测针。在满足测量要求的前提下，应尽量选择球头半径较大的测针，使表面粗糙度对测量精度的影响降至最低。测针角度应尽可能地与被测特征匹配，特别是固定式模拟测头使用立方体和关节时。

（5）尽可能使用短而稳定的测针，若使用长测针，则务必确保其有足够的稳定性和刚性。当测头校验结果较差时，需要考虑使用的测针刚性是否合适。

（6）确保使用的测针长度和重量没有超出测头的使用限制要求。

（7）当使用的测针较细时，需要考虑使用低测力吸盘或触测力更低的测头，以降低测针测量时的形变对测量精度的影响。

（8）检查使用的测针有没有缺陷，特别是在螺纹连接处，确保测针的安装可靠。如果测量数据重复性差，存在波动，则需要检查测头、测针部件是否连接牢靠，另外需要检查测针是否磨损，如果测量精度要求高，则需要更换磨损的测针。

原则上，可以认为测针就是三坐标测量机的“刀具”，就像车刀与车床关系一样，属于易损件，应根据使用需求，每年制订补充计划。

（9）当三坐标测量机使用在环境温度不好的情况下时，要确认使用的测针部件的热稳定性。

（10）确保测针的测力、运动速度和加速度等参数适合所选测针组合。

当使用较细的测针时，应根据需要降低参数要求，降低测针测量时变形对测量精度的影响，测针越长，刚性越差，精度就越低。一般机器的精度是指在特定配置下的精度，对于更长、更复杂的测头配置，由于测量条件不固定，没有标准，所以更多是经验值；比如，机器精度探测误差是1.5 μm，那么使用标准测杆10 mm 或20 mm（测杆是指测针上的杆长），校验结果标准偏差通常小于探测误差，但是如果测针是40 mm、60 mm 或非常细，则校验结果会更大，不同的测头、不同粗细、不同材质的测杆校验结果都有差异。

6.校验测头的目的

测头校验的目的主要是获得测针的有效直径和各个角度与参考测针的关系。

1）获得测针的有效直径

由于测头触发有一定的延迟，以及测针会有一定的形变，测量时测头有效直径会小于该测针宝石球的理论直径，所以需要通过校验得到测量时的有效直径，对测量进行测头补偿。

测头补偿：测量零件时，接触点的坐标是通过红宝石球中心点坐标加上或减去一个红宝石球半径得到的，所以必须通过校验得到测量时测针的有效直径。

2）获得各个角度与参考测针的关联关系

校验测头时，第一个校验的角度是所有测头角度的参考基准，即角度A0B0。校验测头，实际上就是校验各个角度与第一个校验角度之间的关系，所以要先校验A0B0 参考测针。A0B0 参考测针如图3-1-13所示。

图3-1-13　A0B0 参考测针

测量工件往往需要多个角度才能完成，校验测头的工具是一个固定在机器上的标准球，标准球可以有不用的方向，为了避免校验测头时测针和支撑杆干涉，需要告知标准球的摆放方向，如图3-1-14所示。

图3-1-14　标准球的摆放方向

7.校验测头的原理

测量前，校验测头的工作是极其必要的。校验测头基本原理为通过在一个被认可的标准器上测点，来得到测头的真实直径和位置关系。一般采用的标准器是一个标准圆球（球度小于0.1 μm），标准圆球如图3-1-15所示。

图3-1-15　标准圆球

在经校准的标准球上校验测头时，测量软件首先根据测量系统传送的测点坐标（红宝石球中心点坐标）拟合计算一个球，计算出拟合球的直径和标准球球心点坐标。这个拟合球的直径减去标准球的直径，就是被校正的测头（测针）的等效直径。(www.xing528.com)

由于测点触发有一定的延迟，以及测针会有一定的弯曲形变，通常校验出的测头（测针）直径小于该测针红宝石球的名义直径，所以校验出的直径常称为等效直径或作用直径。该等效直径正好抵消在测量零件时的测点延迟和形变误差，校验过程与测量过程一致，保证了测量的精度。

不同测头位置所测量的拟合球心点的坐标，反映了这些测头位置之间的关系，保证了所有测头位置互相关联。

校验测头位置时，第一个校验的测头位置是所有测头位置的参照基准。校验测头的位置，实际上就是校验与第一个测针位置之间的关系。需要注意的是增加校验测头的测点数，测得的测针直径越准确；校验测头和检测工件的速度应保持一致；也可以用量环和块规校验测头，但是标准球是首选，因为它考虑了所有的方向。

8.校验测头的操作

校验测头步骤示意图如图3-1-16所示。

图3-1-16　校验测头步骤示意图

1）测头配置

测头配置（1）如图3-1-17所示，其操作包括定义测头文件名、定义测座、定义传感器、定义吸盘和定义测针5 个步骤。

图3-1-17　配置测头（1）

（1）定义测头文件名。打开测量软件后，软件会自动弹出“测头工具框”对话框，也可以选择“插入”→“硬件定义”→“测头”命令，进入“测头工具框”对话框，如图3-1-18所示。在“测头工具框”对话框的“测头文件”中输入文件名，名字可任意命名，如“5657”。

图3-1-18　配置测头（2）

（2）定义测座。单击图3-1-17 中“未定义测头”处，使之变蓝，在“测头说明”处的下拉列表框中选择使用的测座型号，如“TESASTAR SM-80”。在右侧窗口中会出现该型号的测座图形。

（3）定义传感器。单击图3-1-18 中的“空连接1”，使之变蓝，在“测头说明”处的下拉列表框中选择与当前设备型号相一致的传感器，如“LEITZ_ LSPX1S_ T”。在右侧窗中会出现与该型号相一致的传感器图形。

（4）定义吸盘。单击图3-1-18所示中“空连接1”，使之变蓝，在“测头说明”处的下拉列表框中按照测针型号选择正确的吸盘，如“LSPXIS_ 15_ SH”。在右侧窗口会出现与该型号相一致的吸盘图形。

（5）定义测针。单击图3-1-18所示中“空连接1”，使之变蓝，在“测头说明”处的下拉列表框中按照测针的红宝石球直径和测针长度选择相应的测针，如“TP_3BY50MM”。在右侧窗口中会出现与该型号相一致的测针图形。

2）添加测头角度

如需要添加测头角度，则在“测头工具框”对话框中单击“添加角度...”按钮，即出现“添加新角”对话框，PC-DMIS 提供有三种添加角度的方法，如图3-1-19，图3-1-20所示。

图3-1-19　添加测头角度（1）

（1）单个测头位置角度，可在图3-1-19 中“①”处单击“添加角度...”按钮添加测头角度，在图3-1-20 添加测头角度，即在“②”处“A 角”“ B 角”文本框中直接输入A、B 角度。

（2）多个分布均匀的测头角度，在图3-1-20 的“起始A”“终止A”“A 角增量”“起始B”“终止B”“B 角增量”文本框中分别输入A、B 方向的起始角、终止角和角度增量的数值，软件会生成均匀角度。

图3-1-20　添加测头角度（2）

（3）在图3-1-20 右侧的矩阵表中，纵坐标是A 角，横坐标是B 角，其间隔是当前定义测座可以旋转的最小角度，使用者可以按需要选择。

完成角度定义后，单击“确定”按钮即可完成软件定义设置，并开始校验测针。

3）校验测针

定义测头后，要在标准球上进行直径和位置的校验。单击“测头功能”→“测量”按钮后，弹出“校验测头”对话框，如图3-1-21（b）所示。

图3-1-21　校验测头

（a）“测头工具框”对话框；（b）“校验测头”对话框

（1）“测头点数”文本框中的数值为校验时测量标准球的采点数，缺省设置为5 点，触发式测头，推荐点数9 点，扫描测头如X3、X5，推荐点数16 点。

（2）“逼近/回退距离”文本框中的数值为测头触测或回退时速度转换点的位置，可以根据情况设置，一般为2～5 mm。

（3）“移动速度”文本框中的数值为测量时位置间的运动速度。

（4）“触测速度”文本框中的数值为测头接触标准球时的速度。

（5）控制方式一般采用DCC 方式，即图3-1-21（b）中的“自动”单选按钮。

（6）操作类型选择为校验测尖，即图3-1-21（b）中“操作类型”选项组中的“校验测尖”单选按钮。

（7）校验模式一般应采用用户定义，即图3-1-21（b）中“校验模式”选项组中的“用户定义”单选按钮，其中“层数”应选择3 层，“起始角”和“终止角”可以根据情况选择，一般球形和柱形测针采用0°～90°。对特殊测针（如盘形测针）校验时起始角、终止角要进行必要的调整。

（8）“柱测尖校验”复选按钮右侧的文本框是对柱测针校验时应设置相应的参数，其中“柱测针偏置”是指在测量时柱测针的位置。

（9）“参数组”一栏用户可以设置校验测头窗口的参数组，用文件的方式保存，需要时直接选择调用。

（10）“可用工具列表”一栏中包含了校验测头时使用的校验工具。单击“添加工具”按钮，弹出添加工具窗口。在工具标识窗口添加“标识”，在支撑矢量窗口输入标准球的支撑矢量，指向标准球方向，如（0，0，1），在“直径/长度”窗口输入标准球检定证书上标注的实际直径值，单击“确定”按钮。

4）实施校验

在“校验测头”对话框设置完成后，单击“测量”按钮。软件会弹出提示对话框（1），如图3-1-22所示。警告操作者测座将旋转到A0B0 角度，这时操作者应检查测头旋转后是否与工件或其他物体相干涉，及时采取措施，同时要确认标准球是否被移动。如果选择图3-1-23（a）中“是-手动采点定位工具（M）”单选按钮并单击“确定”按钮，PC-DMIS 会弹出提示对话框（2），如图3-1-23（b）所示。提示操作者如果校验的测针与前面校验的测针相关，应该用前面标准球位置校验过的一号测针T1A0B0，以使它们互相关联。在图3-1-23（b）中单击“确定”按钮后，操作者使用操纵杆控制三坐标测量机用测针在标准球与测针正对的最高点处触测一点，三坐标测量机自动按照设置进行全部测针的校验。

图3-1-22　提示对话框（1）

图3-1-23　提示对话框（2）

5）校验测头的结果

校验测针结束之后需要查看校验结果。校验测头后，在图3-1-24（a）中单击“测头功能”→“结果...”，会弹出“校验结果”对话框，如图3-1-24（b）所示。

图3-1-24　查看校验结果

在“校验结果”对话框中，理论值是在测头定义时输入的值，测定值是校验后得出的校验结果。其中，“X、Y、Z”是测针的实际位置，由于这些位置与测座的旋转中心有关，所以它们与理论值的差别不影响测量精度；“D”是测针校验后的等效直径，由于测点延迟等原因，测量结果要比理论值小，同时由于它与测量速度、测针的长度和测杆的弯曲形变等有关，故在不同情况下会有一定的区别，但在同等条件下，测量结果相对稳定。

任务实施

讨论分析下列问题：

（1）简述测头校验的目的。

（2）有哪些操作会造成测头校验的误差？

知识拓展

思考讨论在测量轴承端盖时的校验测头过程，验证其是否正确，并列出校验步骤。