坐标测量机高精度测头技术

　　1　引言

　　零部件加工、装配的在线与离线测量是产品制造业的关键环节之一,三坐标测量机是主要的检测仪器。随着科学技术的发展,各种零部件的设计、加工、装配的精度将越来越高,对测量与检测技术提出了更高的要求。

　　三坐标测量机主要包括能产生三维测量运动的测量机主体、数据处理及控制系统、测头和软件四大部分。其中测头精度一直是制约三坐标机总体精度指标提高的重要环节,目前我国高精度三坐标机测头还只在微米级,不适应目前出现的亚微米、纳米制造领域中零件的高精度检测。

　　2　高精度坐标测量机测头的技术现状

　　在三坐标测量机发展的二三十年历史进程中,测头本身也经历了自己的发展历程。到目前为止,测量机测头主要分以下几类:接触式硬测头、接触式软测头和非接触式(光学)测头等,其中接触式软测头又分为开关式发信测头和扫描测微测头。目前大量应用的是开关式发信测头[2],大部分由英国RENISHAW(雷尼绍)公司提供,其中精度较高的是TP系列。常规接触式测头是由红宝石材料做成,优点是接触变形和侧向摩擦小,缺点是接触力造成的局部弹性变形及安装测球的测杆产生的弯曲变形很大,以及存在“各向异性”、“开关行程”、“开关行程分散性”、“复位死区”等误差。目前市售的这类测头的重复性精度只能达到微米及零点几微米,使测量机整体测量的精度不能再得到提高。

　　非接触测量的最大特点就是测量力为零,但光学式非接触式测头由于光线的干涉和衍射现象,其测头精度只在微米量级。目前出现的几种非接触式光学测头如瞄准显微镜测头、光学点位测头和电视扫描测头都是现有技术在三坐标测量机上的应用[1],其结构复杂,应用范围非常狭小。

　　激光技术和光纤传感技术的出现使三维激光测头的发展有了可能[2,3]。国家自然科学基金委员会对激光干涉测长和激光干涉柔性坐标测量系统给予资助,国防科工委对三维激光测头的开发研究也极为重视,并为其九五重点预研项目“三维激光测量机测头的开发研究”提供经费进行研究。测头的三维测量重复性指标为0.1μm,分辨率为0.01μm,但目前还只在预研和探索阶段。

　　3　原子力微探针技术的发展

　　近些年扫描探针显微技术迅速发展起来,扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope,简称SPM)的计量标准国际化已经得到重视,先后提出并研制了计量型SPM[4~6]。

　　德国PTB研制的计量型原子力显微镜具有纳米计量仪器的特性,可以将几何长度测量追溯到光波波长,并在仪器上建立参考坐标系,使重复测量相对于参考坐标来进行。这种计量型原子力显微镜在其测量范围内,任意两点间距离的测量不确定度为U95=5nm+2×10-4l(l为任意两点间距);在Z轴上的测量不确定度为U95=1.1nm+2×10^-4_h。