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三坐标测量机的测头系统发展历史分享 作者: 来源: 时间:2018-07-07 点击次数:
  在三坐标测量机中,直接实现对工件测量的部件是测头,它直接影响测量机的测量精度、操作的自动化程度和检测效率,因此各国研制生产坐标机的厂家和科研人员都要花费较多的精力研究高性能的测头。三坐标机测头可视为一种传感器,只是其种类、结构原理、性能较一般测头复杂得多。
  随着光电技术的进步,出现了综合光学和接触式测头的优点的光学接触式测头,它对测量微型工件特别是微型孔径有显著的优点。其主要原理是通过光学成像系统和CCD摄像机来确定探测球体的位置。将传光光纤3拉伸、弯曲,作为“测杆”置于光学放大系统的光轴上,在其前端粘有或利用热熔化的方法形成的微型触测球体。微型触测球体被调整到光学系统的物平面上,并由光纤的另一端的冷光源照明,通过光纤传光照亮“测杆”前端的触测球体。被照明的触测球体通过光学放大系统成像在CCD上,形成亮斑,当系统触测微型工件5时(触测球体相对于CCD移动),亮斑的位置发生变化。光斑中心位置的变化可利用图像处理软件以亚元素的精度计算出来,则工件空间的坐标值可由三维CNC控制运动单元和亮光斑的位置的变化综合给出。系统测量时的触测到位信号由图像处理单元对亮光斑中心位置实时给出,当触测球体没有接触工件时,亮光斑的中心位置相对于CCD是不变的;当测球触测工件时,亮光斑的中心位置发生变化,当它的变化超过一定阈值时,发出触测到位采样信号,并可进行位移补偿。所给阈值的大小根据测量力的大小而定,一般情况下要求测量力小于10μN。
  确定亮光斑中心在CCD摄像机基准坐标系中的坐标值是该测头系统的关键。图像处理软件首先对采集图像进行预处理,然后利用边界条件对亮光斑的轮廓进行判别,确定亮光斑轮廓在CCD摄像机基准坐标系坐标值,最后利用最小二乘法根据亮光斑的轮廓计算出亮光斑的中心坐标和直径值。理论上讲,若采用10倍的物镜系统,CCD像素间距为10μm,则光学系统标尺应为1μm /像素。当亮光斑在CCD上所成的像多于100个像素时,可以利用亚像素插分优化算法确定边界,光斑的轮廓确定精度可达1/10个像素,即0.1μm。而通过最小二乘法的综合平均效应,光斑中心位置的横向分辨率可达0.02μm,光斑直径的不确定度可达0.01μm。
  该测头系统的显著优点是测量参照基准是CCD摄像机传感器,测头测杆与CCD摄像机传感器没有力的传递,因而测杆的弹性或塑性变形不会带来触测不确定误差。此外,因工件表面吸附水膜引起的测头与工作表面的粘附效应对测量结果也没有影响。所以,利用此方法,测杆可以相当细(最细可达20μm),测头直径可以相当小(最小可达40μm),这也是该系统特别适于测量微型工件的原因。
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