CN103659466B - 触发式传感器轴向触发行程的检定方法及检定辅具 - Google Patents

Abstract

触发式传感器轴向触发行程的检定方法及检定辅具，使用装有圆锥的检定辅具，触测圆锥的任意被测截圆上沿圆周均匀分布的若干个点，用最小二乘拟合圆法处理各测点坐标值，得截圆的直径；然后测量被测截圆与顶圆（或底圆）之间的轴向距离；结合触发式传感器测头探针半径对测量的影响，算出触发式传感器轴向触发行程。本发明以检定结果为依据修正测量结果，可有效提高沿传感器轴向触测时的测量精度，本发明检定辅具可采用市售标准量具作为检定体，结合本发明提供检定辅具，无需其他装备，使用成本低。

Description

触发式传感器轴向触发行程的检定方法及检定辅具

技术领域

本发明属于在机测量方法技术领域，涉及一种在机测量触发式传感器轴向触发行程的检定方法，还涉及这种检定方法用的一种检定辅具。

背景技术

在机测量技术依托数控机床，在加工位置上对工件进行触测，以实现工件坐标系的建立与调整、加工精度的检验、在线质量监控等功能。它将数控机床的数字控制功能和探测传感装置结合在一起，在测量程序的控制下对工件进行自动测量，输出检测结果，并可根据测量结果自动修改加工程序，提高了生产效率；同时，由于不再需要将工件从机床搬到检测设备上，避免了测量基准与加工基准不重合造成的误差，保证了工件的加工精度，大幅缩短了辅助时间，提高了加工过程的生产力，能以较低的成本，尽可能及时地检测加工误差，并更快地修正，使得数控机床既是加工设备，又兼备测量机的某些功能。

触发式传感器是在机测量技术的关键组件，通过与被测工件的接触，探测工件与机床坐标系的位置关系。其基本结构通常包括支撑连接架、复位弹簧、接触副、探针等，如图1所示。沿圆周相互间隔120°的3个接触副构成一个如图2所示的电回路。当探针与被测工件接触时，在接触力的作用下，支撑连接架发生偏转或抬升，当至少有一个接触副分离时，电回路断路，产生阶跃信号。数控***以此信号为中断信号，停止各轴运动，锁存此时的各轴坐标，完成一次测量。触发式传感器通常有5个自由度，能沿XY平面内任意方向（径向）及沿+Z方向（轴向）进行触测。

传感器探针接触到被测工件表面与数控***停止各轴运动并锁存其光栅尺坐标并非同时发生，两者之间存在一个时间差。在此时间差内，传感器与被测工件的相对位移即为传感器的触发行程。触发式传感器测量工作时序如图3所示。触发行程的存在，导致传感器和被测工件的实际接触位置与数控***所记录的测点位置不相同，产生测量误差。有研究表明，触发行程在在机测量总体偏差中的比重高达60%以上。因此，测量前对传感器的触发行程的进行检定，对提高测量精度是至关重要的。

由于测头触发机构的结构特性，沿不同方向传感器的触发预行程并不相同，甚至有较大差别。精确的触发行程补偿方案，要求具体的沿不同方向准确获取传感器的触发行程。传感器的轴向触发行程往往与沿其他方向的触发行程有较大的差别。如图4所示的数控机床上，沿传感器轴向（Z向）的测量多用于建立工件被加工表面与机床坐标系的位置关系，以确定工件的加工余量及切削深度、测量被加工表面的形状及位置公差等。该测量过程，在实际产品加工工艺流程中使用广泛，对加工精度影响巨大。能否获得精确的轴向触发行程，直接关系到测量、加工结果是否准确。因此在测量前，对传感器的触发行程进行检定，是必不可少的。

现有的触发行程检定方法多关注于传感器径向触发行程，对于专门轴向触发行程的检定方法不多，主要是两种：

一、借助独立于机床环境的检定设备（下称独立法）：检定设备由运动机构、位移检测装置、接触状态判断装置、触发信号检测及运动控制装置等组成。将触发式传感器安装在检定设备上，运动机构带动传感器运动，由位移检测装置检定传感器和检定体接触时刻与传感器发出触发信号时刻之间传感器相对检定体的位移，即得触发行程。

测量时的工况会严重影响传感器的触发行程。为了得到精确有效的触发行程，检定应面向不同的测量任务进行。而独立法存在明显的缺点：一是触发行程的检定独立于机床环境，其检定工况与传感器的测量工况存在较大差别，检定结果不准确；二是实际测量时传感器的触发行程是以数控记录位置坐标的时刻为核算基准，而该法以传感器发出触发信号的时刻为基准进行模拟检定，这导致独立法存在原理误差；三是独立检定设备结构复杂，造价高昂，操作繁琐，难以实现广泛的工程应用。

二、等效半径法：数控***记录的位置坐标是传感器探针测球球心在机床坐标系下的位置，它与被测工件上的测点位置坐标相差一个测球半径，考虑传感器存在触发行程，在半径补偿时，应以剔除触发行程等效半径为依据修正测量结果。等效半径法是将标准球置于传感器的工作空间内，在其表面上均匀地采集多个点，对测点数据进行处理，得到标准球的测量（计算）半径，标准球公称半径与它的差值即为考虑传感器存在触发行程的测球有效半径，以此为基准修正测量数据，可在一定程度上减小传感器触发行程造成的测量误差。

等效半径法的缺点：由于触发式传感器的结构特性，沿不同方向触发时，其触发行程并不相同。而等效半径法采用均化误差的思想，以各个方向上触发行程的等效平均值代替实际的触发行程，以此为依据进行补偿，并不准确。特别是在某些特定的测量场合，例如沿轴向触发进行测量时，其触发行程与其他方向上的通常有较大的差别，以等效半径法所得结果进行补偿，效果并不理想。

发明内容

本发明的目的是提供一种触发式传感器轴向触发行程的检定方法，解决现有技术存在的检定结果精度低的问题。

本发明的第二个目的是提供上述检定方法用的一种检定辅具。

本发明的技术方案是，触发式传感器轴向触发行程检定方法，使用装有圆锥的检定辅具，触测圆锥的任意截圆上沿圆周均匀分布的若干个点，用最小二乘拟合圆法处理各测点坐标值，得到截圆的直径；然后测量被测截圆与顶圆或底圆之间的距离；结合触发式传感器测头探针半径对测量的影响，算出触发式传感器轴向触发行程。

本发明的特点还在于，具体包括以下步骤：

第一步：将检定体放置在数控机床工作台上，保证触发式传感器在其行程范围内能够安全可靠、无干涉的触测检定体；

第二步：调节触发式传感器在X轴、Y轴及Z轴位置，将触发式传感器探针测球定位在待测圆锥某圆周处；

第三步，沿X轴或Y轴方向调节触发式传感器，对待测圆锥进行试触测，并记录Z轴坐标Z₁；

第四步：相对于第三步的X轴或Y轴方向，反向调节触发式传感器，保证触发式传感器探针测球与检定辅具之间有一安全距离；

第五步：调节数控***进入自动模式，通过X轴、Y轴插补运动，在第二步中的截圆周上均匀触测若干个测点，数控***自动记录每个测点的位置坐标（X_i、Y_i）；

第六步：调节触发式传感器在X轴、Y轴及Z轴位置，使得触发式传感器探针测球最低点高于圆锥顶圆，并保持一定的距离；

第七步：沿X轴或Y轴方向调节触发式传感器，使得触发式传感器探针测球处在锥台顶圆触测范围之内；

第八步：调节数控***进入自动模式，数控程序控制Z轴向下运动触测锥台顶圆，并记录传感器触发时Z轴的坐标Z₂。

第九步：应用最小二乘拟合圆法对第五步中所记录的每个测点的位置坐标（X_i、Y_i）进行处理，计算被测截圆的直径d_x；则触发式传感器轴向触发行程τ为：

$\mathrm{\τ}=\{[(d_x-r/{\cos }^{\mathrm{\α}}/2)-d]/C\}-[(Z_2-b)-Z_1]$

式中，d为圆锥顶圆直径；C为圆锥锥度；α为圆锥的锥顶角；r为传感器探针测球半径；b为探针测球公称半径；Z₂为测量所得锥顶处的Z向位置坐标；Z₁为测量所得的被测截圆的Z向位置坐标。

上述检定方法的检定辅具，包括包括磁力底座11和设置在磁力底座11上的固定块10，固定块10通过加长杆9与圆锥8连接。

固定块10成90°的顶面和侧面分别设有与加长杆连接的螺纹孔A和螺纹孔B，检定立式安装的触发式传感器时加长杆9与螺纹孔A连接。检定卧式安装的触发式传感器时加长杆9与螺纹孔B连接。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明以检定结果为依据修正测量结果，可有效提高沿传感器轴向触测时的测量精度；

2、本发明有效避免了将传感器脱离工作环境进行检定造成的检定结果不准确，及核算基准不同造成的标定结果存在原理性误差等缺陷；较等效半径法而言，有效避免了以各个方向上触发行程的等效平均值代替实际的轴向触发行程，检定精度高；

3、本发明检定辅具可以同时满足立式或卧式两种安装位姿下，传感器轴向触发行程的检定。无需对数控机床结构做任何改动，无需对数控***设置做任何调整；

4、本发明检定辅具结构简单、操作简便、可靠性好：可采用市售标准量具作为检定辅具，结合本发明提供检定辅具，无需其他装备，使用成本低。

附图说明

图1为触发式传感器基本结构示意图；

图2为触发式传感器沿圆周相互间隔120°的3个接触副构成的电回路；

图3为触发式传感器测量时的工作时序图；

图4为安装有触发式传感器的数控机床结构及工作示意图；

图5为本发明触发式传感器轴向触发行程检定方法原理图；

图6为本发明触发式传感器轴向触发行程检定方法用检定辅具用于触发式传感器测头立式安装时的结构示意图；

图7为本发明触发式传感器轴向触发行程检定方法用检定辅具用于触发式传感器测头卧式安装时的结构示意图；

图中，1.复位弹簧；2.支撑连接架；3.接触副；4.探针；5.触发式传感器；6.检定辅具；7.数控机床工作台；8.圆锥；9.加长杆；10.固定块；11.磁力底座。

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。

触发式传感器轴向触发行程检定方法，图1为触发式传感器基本结构示意图，包括与触发式传感器5连接的探针4，触发式传感器5设置在支撑连接架2上，支撑连接架2上还设有接触副3和弹簧1。图4为安装有触发式传感器的数控机床结构及工作示意图，包括设置在数控机床工作台7上的检定辅具6，触发式传感器5位于检定辅具6上方。本发明的检定辅具6参见图6、图7，包括磁力底座11、与磁力底座可靠粘连检定辅具固定块10，固定块10成90°相邻的两面上分别包含有尺寸规格统一的螺纹孔A和螺纹孔B、与检定辅具固定块相连接的加长杆9，固定块10通过加长杆9与圆锥8连接，加长杆9两端包含有尺寸规格统一的螺纹。检定立式安装的触发式传感器时加长杆9与螺纹孔A连接，检定卧式安装的触发式传感器时加长杆9与螺纹孔B连接。圆锥8包含内锥面和外锥面两种，此处以外圆锥为例。进行检定时，首先将圆锥8与加长杆9通过螺纹连接可靠；然后根据待检定传感器的安装位姿将安装有圆锥的加长杆旋入检定辅具固定块相应的螺纹孔中：检定立式安装的触发式传感器用A孔，卧式安装的触发式传感器用B孔；最后，将本装置吸附在数控机床工作台7的合适位置，即可开始进行检定。其原理参见图5，圆锥8的任意截圆与顶圆（或底圆）的轴向距离L由该截圆直径dx唯一确定。

使用触发式传感器在圆锥被测截圆（任意选定）上触测沿圆周均匀分布的若干个点，用最小二乘拟合圆法处理各测点坐标值，可得截圆的直径dx；然后测量被测截圆与顶圆（或底圆）之间的轴向距离；考虑探针测头半径对测量的影响，触发式传感器轴向触发行程为：

$\mathrm{\τ}=\{[(d_x-r/{\cos }^{\mathrm{\α}}/2)-d]/C\}-[(Z_2-r)-Z_1]$

式中，d为圆锥顶圆直径；C为圆锥锥度；α为圆锥的锥顶角；r为传感器探针测球半径；b为探针测球公称半径；Z2为测量所得锥顶处的位置坐标；Z₁为测量所得的被测截圆的Z向位置坐标。

图3为触发式传感器测量时的工作时序图；其中，T₁—传感器探针测球与被测工件接触的时刻；T₂—传感器发出触发信号的时刻；T₃—数控***接收到触发信号，控制机床停机并记录机床坐标的时刻；T₁～T₃这一时间段内传感器与被测工件的相对位移量就是传感器的触发行程。T₂～T₃为数控***扫描、响应触发信号的时段，这一时段是随机的，会引起传感器的动态随机误差。

上述检定方法的具体步骤：

第一步：将检定体放置在数控机床工作台上，保证触发式传感器在其行程范围内能够安全可靠、无干涉的触测检定体；

第二步：手动调节触发式传感器在X轴、Y轴及Z轴位置，将触发式传感器探针测球定位在待测圆锥某圆周处；

第三步，沿X轴或Y轴方向调节触发式传感器，对待测圆锥进行试触测，并记录Z轴坐标Z₁；

第四步：相对于第三步的X轴或Y轴方向，反向调节触发式传感器，保证触发式传感器探针测球与检定辅具之间有一安全距离；

第五步：调节数控***进入自动模式，通过X轴、Y轴插补运动，在第二步中的截圆周上均匀触测若干个测点，数控***自动记录每个测点的位置坐标（X_i、Y_i）；

第六步：调节触发式传感器在X轴、Y轴及Z轴位置，使得触发式传感器探针测球最低点高于圆锥顶圆，并保持一定的距离；

第七步：沿X轴或Y轴方向调节触发式传感器，使得触发式传感器探针测球处在锥台顶圆触测范围之内；

第八步：调节数控***进入自动模式，数控程序控制Z轴向下运动触测锥台顶圆，并记录传感器触发时Z轴的坐标Z₂。

第九步：应用最小二乘拟合圆法对第五步中所记录的每个测点的位置坐标（X_i、Y_i）进行处理，计算被测截圆的直径d_x；则触发式传感器轴向触发行程τ为：

$\mathrm{\τ}=\{[(d_x-r/{\cos }^{\mathrm{\α}}/2)-d]/C\}-[(Z_2-b)-Z_1]$

式中，d为圆锥顶圆直径；C为圆锥锥度；α为圆锥的锥顶角；r为传感器探针测球半径；b为探针测球公称半径；Z₂为测量所得锥顶处的位置坐标；Z₁为测量所得的被测截圆的Z向位置坐标。

检定完毕，取下检定辅具。

本实施例检定海克斯康40.01-TX/RX型触发式传感器的轴向触发行程。将其安装在图4所示的数控机床上，属立式安装，轴向为数控机床的Z向。

一、将图6所示的检定装置各部分连接牢靠，将圆锥8的顶面及表面擦拭干净，将检定装置放置在数控机床工作台7的合适位置，保证其在触发式传感器5的工作空间内；

二、依据步骤二、三、四完成对检定体的试触测；

三、依据步骤五，在NC程序的控制下，对检定体某截圆进行触测：在检定体截圆圆周上均匀触测若干个点，并记录各测点位置坐标；

四、依据步骤六、七、八，在NC程序的控制下，对测量截圆与检定体顶圆的距离；

五、实验结果对比

采用本发明检定方法的检定结果和采用等效半径法的检定结果见下表1。

表1不同检定方法的检定结果

从上表1的数据对比可知，在相同的触发速度下，等效半径法所得触发行程大于本发明检定方法得到的触发行程。这是由于传感器的径向触发行程大于其轴向触发行程，而等效半径法将传感器各个方向上触发行程的平均值当作轴向触发行程，其结果并不是准确值。实验表明，以此为准进行补偿，并不能准确提高传感器的测量精度。参考有关独立设备法文献中的结果，当检定与本实施例相同类型的传感器时，其检定出的轴向触发行程在0.002mm左右，远小于本发明方法得到结果，这是由于独立设备法的检定工况与传感器的实际测量工况有较大差别，且它以传感器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触发行程的核算基准，使得检定结果不能反映传感器轴向触发行程在测量时的真实情况，不适合作为触发式传感器轴向触发行程现场补偿的依据。

可以看出通过本发明的检定方法及检定辅具，可以实现触发式传感器触发行程的定值、精确检定，避免了以各个方向上触发行程的等效平均值代替实际的轴向触发行程所引起的误差。本发明提出的方法使得触发式传感器轴向触发行程的检定在其真实测量环境下进行，充分考虑了测量工况对触发式传感器触发行程的影响，检定精度高。以此作为依据进行补偿，在机测量精度明显提高。

Claims (3)

1.触发式传感器轴向触发行程的检定方法，其特征在于，使用装有圆锥的检定辅具，触测圆锥的任意被测截圆上沿圆周均匀分布的若干个点，用最小二乘拟合圆法处理各测点坐标值，得截圆的直径；然后测量被测截圆与顶圆或底圆之间的轴向距离；结合触发式传感器测头探针半径对测量的影响，算出触发式传感器轴向触发行程；

具体包括以下步骤：

第一步：将检定体放置在数控机床工作台上，保证触发式传感器在其行程范围内能够安全可靠、无干涉的触测检定体；

第二步：调节触发式传感器在X轴、Y轴及Z轴位置，将触发式传感器探针测球定位在待测圆锥某圆周处；

第三步，沿X轴或Y轴方向调节触发式传感器，对待测圆锥进行试触测，并记录Z轴坐标Z₁；

第四步：相对于第三步的X轴或Y轴方向，反向调节触发式传感器，保证触发式传感器探针测球与检定辅具之间有一安全距离；

第五步：调节数控***进入自动模式，通过X轴、Y轴插补运动，在第二步中的截圆周上均匀触测若干个测点，数控***自动记录每个测点的位置坐标(X_i、Y_i)；

第六步：调节触发式传感器在X轴、Y轴及Z轴位置，使得触发式传感器探针测球最低点高于圆锥顶圆，并保持一定的距离；

第七步：沿X轴或Y轴方向调节触发式传感器，使得触发式传感器探针测球处在锥台顶圆触测范围之内；

第八步：调节数控***进入自动模式，数控程序控制Z轴向下运动触测锥台顶圆，并记录传感器触发时Z轴的坐标Z₂；

第九步：应用最小二乘拟合圆法对第五步中所记录的每个测点的位置坐标(X_i、Y_i)进行处理，计算被测截圆的直径d_x；则触发式传感器轴向触发行程τ为：

$\mathrm{\τ}=\left\{\[\left(d_x-r/cos\mathrm{\α}/2\right)-d\]/C\right\}-\[(Z_2-b)-Z_1\]$

式中，d为圆锥顶圆直径；C为圆锥锥度；α为圆锥的锥顶角；r为传感器探针测球半径；b为探针测球公称半径；Z₂为测量所得锥顶处的位置坐标；Z₁为测量所得的被测截圆的Z向位置坐标。

2.如权利要求1所述的触发式传感器轴向触发行程的检定方法的检定辅具，其特征在于，包括磁力底座(11)和设置在磁力底座(11)上的固定块(10)，所述固定块(10)通过加长杆(9)与圆锥(8)连接。

3.如权利要求2所述的检定辅具，其特征在于，所述固定块(10)成90°的顶面和侧面分别设有与加长杆(9)连接的螺纹孔A和螺纹孔B。