本發(fā)明涉及幾何量測量中的坐標測量技術及設備領域，具體為一種坐標測量機觸發(fā)式測頭標定方法。

背景技術：

坐標測量機(Coordinate Measuring Machine，簡稱CMM)是最有代表性的一種通用數字化幾何量測量儀器。在使用坐標測量機時，通過移動坐標測量機的活動部件將測頭移動至所需位置，采集被測工件表面被測點的坐標值。通過軟件處理、分析采集的被測點坐標值，實現被測工件的誤差分析或模型重建。坐標測量機通常指正交坐標測量機。

觸發(fā)式測頭是坐標測量機最常用的測頭，觸發(fā)式測頭主要由測座、測頭傳感器和測桿三部分構成，目前在工程應用中常采用的測座為可旋轉測座。對于可旋轉測座，測頭坐標系的原點一般為測座旋轉中心。測桿端部一般為紅寶石小球，在測量時小球與工件接觸，觸發(fā)測頭傳感器中的力敏感元件，產生觸發(fā)信號。在測量工件前須對測頭進行標定，獲得測桿端部小球有效半徑及小球球心相對于測頭坐標系原點的偏置向量。測頭一般采用標準球進行標定，標準球的精度很高，經過標定，給出標準球半徑標稱值。

在現有技術中，一般采用兩步法對坐標測量機觸發(fā)式測頭進行標定：首先手動操作坐標測量機在標準球上采集四個及四個以上點的坐標，計算標準球空間位置；然后采用自動測量模式，在標準球上采集四個及四個以上點的坐標，計算標準球空間位置，從而計算測桿端部小球球心相當于測頭坐標系原點的偏置向量?，F有技術存在的不足之處在于：

在上述計算中，實際利用了測頭坐標系原點至測桿端部小球球心之間的標稱距離，但是測桿與測頭傳感器之間是采用螺紋連接的，測頭坐標系原點至測桿端部小球球心之間的實際距離與標稱距離不可能一致；同時，不同操作人員安裝時，由于用力不同，會導致測頭坐標系原點至測桿端部小球球心之間距離與標稱距離的差別不同。因此，采用現有方法理論上無法準確得到標準球球心位置，對保證測量結果的精度是不利的，特別是在采用可旋轉測座并且在測量過程中需要將測頭旋轉至不同方向對工件進行測量時，這種影響不可忽略。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的是提供一種坐標測量機觸發(fā)式測頭標定方法，用于正交式坐標測量機，提高采用坐標測量機測量工件時的測量精度。

為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案為：

一種坐標測量機觸發(fā)式測頭標定方法，包括坐標測量機所用的測頭和標準球S_r，所述的測頭主要由可旋轉測座、測頭傳感器和測桿組成；其特點在于是按如下步驟進行：

1.1、安置標準球S_r固定不動,將測頭旋轉至四個及四個以上不同的方向D₁、D₂、…、D_n(n≥4)，在不進行測頭補償的條件下，即不進行測桿端部小球半徑補償和小球球心相對于測頭坐標系原點偏置的補償，分別測量標準球S_r表面；在該條件下，測得的標準球S_r表面點坐標則為觸測時測頭坐標系原點所在位置坐標，利用測得的點坐標數據分別計算得到四個及四個以上球S₁、S₂、…、S_n(n≥4)的球心O₁、O₂、…、O_n(n≥4)坐標值；

1.2、利用測得的四個及四個以上球S₁、S₂、…、S_n(n≥4)的球心O₁、O₂、…、O_n(n≥4)坐標值，采用最小二乘法構造一個球S，將球S的球心作為標準球S_r球心；

1.3、將測頭旋轉至所需方向，自動測量標準球S_r，經計算獲得測桿端部小球有效半徑及小球球心相對于測頭坐標系原點的偏置向量，完成測頭標定。

本發(fā)明的其特點還在于：

所述的步驟1.1可以分為兩步實現：

首先手動操作坐標測量機，將測頭旋轉至四個及四個以上不同的方向D₁、D₂、…、D_n(n≥4)，在不進行測頭補償的條件下，分別測量標準球S_r表面，利用測得的點坐標數據分別計算得到四個及四個以上球S₁、S₂、…、S_n(n≥4)的球心O₁、O₂、…、O_n(n≥4)坐標值；

再采用自動測量模式，將測頭旋轉至四個及四個以上不同的方向D₁、D₂、…、D_n(n≥4)，在不進行測頭補償的條件下，分別測量標準球S_r表面，利用測得的點坐標數據分別計算得到四個及四個以上球S₁、S₂、…、S_n(n≥4)的球心O₁、O₂、…、O_n(n≥4)坐標值。

所述的步驟1.1還可以按以下方式實現：

首先手動操作坐標測量機，將測頭旋轉至一個方向D₁，在不進行測頭補償的條件下，完成標準球S_r的測量，然后采用自動測量模式，在測頭方向不變及不進行測頭補償的條件下，再進行標準球S_r的測量；如此依次將測頭旋轉至不同的方向D₂、…、D_n(n≥4)，分別測量標準球S_r表面，利用測得的點坐標數據分別計算得到四個及四個以上球S₁、S₂、…、S_n(n≥4)的球心O₁、O₂、…、O_n(n≥4)坐標值。

本發(fā)明的技術原理：可旋轉測座具有很高的精度，因此將測頭旋轉至不同位置時，可以認為測頭坐標系原點至測桿端部小球球心之間距離的變化可以忽略，即在不進行測頭補償的條件下，將測頭旋轉至不同位置，分別測量標準球得到的球心理論上位于同一個大球的球面上。該大球的球心理論上與標準球球心重合，大球半徑的理論值為測頭坐標系原點至測桿端部小球球心之間距離。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明從理論上保證了標準球球心坐標的計算精度，提高了測頭標定精度，從而保證了采用坐標測量機測量工件時的測量精度。

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

附圖說明

圖1是觸發(fā)式測頭的示意圖；

圖中標號：1、可旋轉測座，2、測頭傳感器，3、測桿。

圖2是本發(fā)明的觸發(fā)式測頭標定時建議采用的最少測頭方向示意圖；

圖3是本發(fā)明的觸發(fā)式測頭D₁方向測量標準球的示意圖；S_r為標準球。

圖4是本發(fā)明的觸發(fā)式測頭D₁方向測量標準球的測量結果示意圖；

圖5是本發(fā)明的觸發(fā)式測頭D₂方向測量標準球的示意圖；

圖6是本發(fā)明的觸發(fā)式測頭D₂方向測量標準球的測量結果示意圖；

圖7是本發(fā)明的觸發(fā)式測為D₄方向測量標準球的示意圖；

圖8是本發(fā)明的觸發(fā)式測頭D₄方向測量標準球的測量結果示意圖；

圖9是本發(fā)明的觸發(fā)式測頭D₁、D₂、D₃、D₄、D₅方向測量標準球所得五個球S₁、S₂、S₃、S₄、S₅，及利用五個球的球心構造一個球面S的示意圖。

具體實施方式

現結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明。所有附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發(fā)明的基本方法，因此其僅顯示與本發(fā)明有關的觸發(fā)式測頭、標準球及測得的球面示意圖。一種坐標測量機觸發(fā)式測頭標定方法，包括坐標測量機所用的測頭和標準球S_r，所述的測頭主要由可旋轉測座1、測頭傳感器2和測桿3組成；其特點在于是按如下步驟進行：

1.1、安置標準球S_r固定不動,將測頭旋轉至四個及四個以上不同的方向D₁、D₂、…、D_n(n≥4)，在不進行測頭補償的條件下，即不進行測桿端部小球半徑補償和小球球心相對于測頭坐標系原點偏置的補償，分別測量標準球S_r表面；在該條件下，測得的標準球S_r表面點坐標則為觸測時測頭坐標系原點所在位置坐標，利用測得的點坐標數據分別計算得到四個及四個以上球S₁、S₂、…、S_n(n≥4)的球心O₁、O₂、…、O_n(n≥4)坐標值；

1.2、利用測得的四個及四個以上球S₁、S₂、…、S_n(n≥4)的球心O₁、O₂、…、O_n(n≥4)坐標值，采用最小二乘法構造一個球S，將球S的球心作為標準球S_r球心；

1.3、將測頭旋轉至所需方向，自動測量標準球S_r，經計算獲得測桿端部小球有效半徑及小球球心相對于測頭坐標系原點的偏置向量，完成測頭標定。

本發(fā)明的其特點還在于：

所述的步驟1.1可以分為兩步實現：

首先手動操作坐標測量機，將測頭旋轉至四個及四個以上不同的方向D₁、D₂、…、D_n(n≥4)，在不進行測頭補償的條件下，分別測量標準球S_r表面，利用測得的點坐標數據分別計算得到四個及四個以上球S₁、S₂、…、S_n(n≥4)的球心O₁、O₂、…、O_n(n≥4)坐標值；

再采用自動測量模式，將測頭旋轉至四個及四個以上不同的方向D₁、D₂、…、D_n(n≥4)，在不進行測頭補償的條件下，分別測量標準球S_r表面，利用測得的點坐標數據分別計算得到四個及四個以上球S₁、S₂、…、S_n(n≥4)的球心O₁、O₂、…、O_n(n≥4)坐標值。

所述的步驟1.1還可以按以下方式實現：

首先手動操作坐標測量機，將測頭旋轉至一個方向D₁，在不進行測頭補償的條件下，完成標準球S_r的測量，然后采用自動測量模式，在測頭方向不變及不進行測頭補償的條件下，再進行標準球S_r的測量；如此依次將測頭旋轉至不同的方向D₂、…、D_n(n≥4)，分別測量標準球S_r表面，利用測得的點坐標數據分別計算得到四個及四個以上球S₁、S₂、…、S_n(n≥4)的球心O₁、O₂、…、O_n(n≥4)坐標值。

參見圖1，圖1是觸發(fā)式測頭的示意圖，可旋轉測座1可以繞兩個相互垂直的方向旋轉，測頭傳感器2用來產生觸發(fā)信號，測桿3端部有一小球，測量時小球與被測件接觸?？尚D測座1、測頭傳感器2、測桿3為測頭的基本構件，依次安裝在一起構成測頭，測頭傳感器2與測桿3之間一般采用螺紋連接。當測量工件時，可以根據被測元素的空間位置，采用一定方式驅動可旋轉測座1，將測頭轉至所需方向。

本發(fā)明的觸發(fā)式測頭標定方法需要在不進行測頭補償的條件下，包括不補償測桿端部小球半徑補償和測桿端部小球球心相對于測頭坐標系原點的偏置，將測頭旋轉至四個或四個以上不同方向測量標準球，在此條件下測得的點坐標為可旋轉測座1旋轉中心的坐標。

參見圖2，圖2是本發(fā)明的觸發(fā)式測頭標定時建議采用的最少測頭方向示意圖；D₁、D₂、D₃、D₄、D₅為本發(fā)明建議的五個基本的方向。本發(fā)明建議的測頭方向以高斯球方式表達，D₁映射于高斯球沿-Z方向的極點，D₂、D₃、D₄、D₅在高斯球上的映射點均勻分布于與D₁映射點對偶的大圓上。采用更多的測量方向測量標準球有利于提高標定精度，測量方向在高斯球上的映射點應在高斯球上盡量均勻分布。

參見圖3，圖3是本發(fā)明的觸發(fā)式測頭D₁方向測量標準球的示意圖；參見圖4，圖4是本發(fā)明的觸發(fā)式測頭D₁方向測量標準球的測量結果示意圖；如圖4所示：測得球面S₁，S₁的球心與標準球S_r球心不重合，S₁的半徑大于S_r的半徑。

參見圖5，圖5是本發(fā)明的觸發(fā)式測頭D₂方向測量標準球的示意圖；參見圖6，圖6是本發(fā)明的觸發(fā)式測頭D₂方向測量標準球的測量結果示意圖；如圖6所示，測得球面S₂，S₂的球心與標準球S_r球心不重合，S₂的半徑大于S_r的半徑。

參見圖7，圖7是本發(fā)明的觸發(fā)式測頭D₄方向測量標準球的示意圖；參見圖8，圖8是本發(fā)明的觸發(fā)式測頭D₄方向測量標準球的測量結果示意圖；如圖8所示，測得球面S₄，S₄的球心與標準球S_r球心不重合，S₄的半徑大于S_r的半徑。

參見圖9，圖9是本發(fā)明的觸發(fā)式測頭D₁、D₂、D₃、D₄、D₅方向測量標準球所得五個球S₁、S₂、S₃、S₄、S₅，及利用五個球的球心構造一個球面S的示意圖；如圖9所示，利用觸發(fā)式測頭D₁、D₂、D₃、D₄、D₅方向分別測量標準球得到的五個球S₁、S₂、S₃、S₄、S₅的球心，采用最小二乘法構造一個新的大球S，將球S的球心坐標作為標準球S_r的球心坐標，用于測頭標定計算。

在測量工件過程中，針對每個不同的測頭方向D_x，都應測量標準球來標定測頭。測頭偏置向量為測頭坐標系原點指向測桿端部小球球心的向量，測桿端部小球有效半徑為不進行測桿端部小球半徑補償條件下測量標準球得到的球半徑與標準球半徑標稱值之差。

以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而非對本發(fā)明的限制，有關技術領域的普通技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案也屬于本發(fā)明的保護范疇。