導(dǎo)語：你是否發(fā)現(xiàn)，當(dāng)坐標(biāo)測(cè)量機(jī) (CMM ) 的精度指標(biāo)、傳感器類型(觸發(fā)或掃描)以及測(cè)量方法等各方面都已達(dá)到優(yōu)秀狀態(tài)，但測(cè)量的精度還是受到了影響?

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你是否發(fā)現(xiàn)，當(dāng)坐標(biāo)測(cè)量機(jī) (CMM ) 的精度指標(biāo)、傳感器類型(觸發(fā)或掃描)以及測(cè)量方法等各方面都已達(dá)到優(yōu)秀狀態(tài)，但測(cè)量的精度還是受到了影響?

如果你也遇到類似的疑惑，，這可能是因?yàn)檫x擇了不合適的測(cè)針，從而影響了測(cè)量精度。

如何為坐標(biāo)測(cè)量機(jī)選擇適合的測(cè)針?首先，需要了解是什么影響了坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的整體精度產(chǎn)生影響。一般來說，測(cè)球球度、測(cè)針彎曲度、熱穩(wěn)定性和測(cè)尖材料選擇影響坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的整體精度的四大主要因素。了解測(cè)針?biāo)拇蠛诵囊兀瑴y(cè)針選型不再是困擾。

PART 01

測(cè)球球度(圓度)

大多數(shù)測(cè)針的測(cè)尖是一個(gè)球頭，最常見的材料是人造紅寶石。此類測(cè)尖球度(圓度)的任何誤差都可能成為坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量不確定度的一個(gè)影響因素，這很可能造成坐標(biāo)測(cè)量機(jī)精度降低 10% 之多。

紅寶石測(cè)球有各種定義為 “ 等級(jí) ” 的精度級(jí)別，指的是測(cè)球與理想球面的最大偏移量。兩種最常用的測(cè)球指標(biāo)是 5 級(jí)和 10 級(jí)(等級(jí)數(shù)字越低測(cè)球越好)。不合常理的是，坐標(biāo)測(cè)量機(jī)精度越高，測(cè)球等級(jí)的影響越大。對(duì)于要求極為嚴(yán)格的應(yīng)用，雷尼紹提供一系列配用球度只有 0.08 μm 的 3 級(jí)測(cè)球的測(cè)針。

在最高規(guī)格的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上，這種影響會(huì)使精度削弱達(dá) 10%。

請(qǐng)看以下示例：

符合 ISO 10360-2 (MPEP) 的典型測(cè)量誤差，用配5級(jí)測(cè)球的測(cè)針測(cè)得：

? MPEP = 1.70 μm

此數(shù)字通過測(cè)量25個(gè)離散點(diǎn)得出，每個(gè)離散點(diǎn)都被估計(jì)為 25個(gè)單獨(dú)的半徑。半徑的變化范圍是 MPEP值。測(cè)球圓度對(duì)此產(chǎn)生直接影響，而在本示例中把 5 級(jí)測(cè)球換成 10 級(jí)使該值增加了 0.12 μm，并使測(cè)量誤差增加了 7%

? MPEP = 1.82 μm

請(qǐng)注意：測(cè)球圓度也會(huì)對(duì) MPETHP 產(chǎn)生影響，MPETHP 使用球面上的 4 個(gè)掃描路徑評(píng)估掃描測(cè)頭的性能。

注：

? 5 級(jí)測(cè)球球度 = 0.13 μm

? 10 級(jí)測(cè)球球度 = 0.25 μm

PART 02

測(cè)針彎曲度

使用觸發(fā)式測(cè)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)頭時(shí)(例如行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 TP20)，常見的做法是交換測(cè)針模塊;每個(gè)測(cè)針模塊都針對(duì)不同的測(cè)量任務(wù)進(jìn)行了優(yōu)化。一個(gè)好方法是盡可能選擇短而且剛性強(qiáng)的測(cè)針 — 但為什么呢?

盡管測(cè)針不是此特定誤差的直接原因，但誤差確實(shí)隨著測(cè)針長(zhǎng)度的增大而增大。誤差源自于需要在各個(gè)方向觸發(fā)測(cè)頭的不同測(cè)力。大多數(shù)測(cè)頭不是在測(cè)針和工件發(fā)生接觸的瞬間觸發(fā)的;它們需要測(cè)力不斷加大，以超過傳感器彈力迫使測(cè)針變形內(nèi)的彈簧負(fù)荷。此彈力迫使測(cè)針變形。此變形允許測(cè)頭在發(fā)生物理接觸后、觸發(fā)產(chǎn)生前相對(duì)于工件短距離移動(dòng)。此移動(dòng)即所謂的預(yù)觸發(fā)行程。

大多數(shù)測(cè)頭的三點(diǎn)機(jī)械定位機(jī)構(gòu)可以根據(jù)要求提供不同的測(cè)力來產(chǎn)生觸發(fā)。在剛性較硬的方向測(cè)頭會(huì)阻撓觸發(fā)，直到出現(xiàn)更大的測(cè)針變形量。這也意味著坐標(biāo)測(cè)量機(jī)會(huì)移動(dòng)更遠(yuǎn)，因此預(yù)觸發(fā)行程因接近角而異。在使用復(fù)合接近角(X、Y 和 Z 軸)時(shí)，此預(yù)觸發(fā)行程變化更為復(fù)雜。

為降低這種影響，所有測(cè)針使用前均在已知尺寸的標(biāo)準(zhǔn)球上標(biāo)定過。在理想情況下此過程將對(duì)測(cè)針和接近角合并造成的誤差進(jìn)行修正。在實(shí)踐當(dāng)中，為節(jié)省時(shí)間通常只抽查一些角，取平均數(shù)，故少量誤差仍可能繼續(xù)存在。若不進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)性測(cè)試，很難估計(jì)這些誤差對(duì)測(cè)量不確定度的影響。需要注意的關(guān)鍵因素是，任何存留的預(yù)觸發(fā)行程變化誤差都會(huì)隨不同的測(cè)針選擇而受到影響。此處強(qiáng)調(diào)的是材料選擇在測(cè)針設(shè)計(jì)中的重要性，諸如測(cè)桿抗撓剛性和重量及成本等其他特性。測(cè)針剛性也受到測(cè)針組件轉(zhuǎn)接頭的影響。作為指導(dǎo)原則，最好盡量避免使用轉(zhuǎn)接頭，因?yàn)樗鼤?huì)引起遲滯，不過在使用固定傳感器測(cè)量復(fù)雜工件時(shí)轉(zhuǎn)接頭可能無法避免。在這些情況下，可能需要由一系列測(cè)針、加長(zhǎng)桿、接頭和關(guān)節(jié)所組成的配置。再次強(qiáng)調(diào)，選擇測(cè)針材料時(shí)進(jìn)行周全的考慮是非常重要的，因?yàn)檫@會(huì)對(duì)測(cè)針配置的剛性、重量及堅(jiān)固性產(chǎn)生影響。

長(zhǎng)桿、接頭和關(guān)節(jié)所組成的配置。再次強(qiáng)調(diào)，選擇測(cè)針材料時(shí)進(jìn)行周全的考慮是非常重要的，因?yàn)檫@會(huì)對(duì)測(cè)針配置的剛性、重量及堅(jiān)固性產(chǎn)生影響。

? 鋼適合于許多較短的測(cè)針，其Young 的模數(shù) E =210 kN/mm2

? 常用的剛性最強(qiáng)的材料是碳化鎢 (E = 620 kN/mm2)，但這種材料密度很大，因此極少用于長(zhǎng)測(cè)針

? 碳纖維集剛性強(qiáng) (E ≥ 450 kN/mm2) 和重量輕的特點(diǎn)于一體

? 陶瓷測(cè)桿 (E = 300–400 kN/mm2) 通常用于機(jī)床測(cè)量應(yīng)用中，這種材料具有重量輕和熱穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)

PART 03

熱穩(wěn)定性

溫度變化可能導(dǎo)致嚴(yán)重的測(cè)量誤差。選擇正確的測(cè)針加長(zhǎng)桿材料，保證在溫度變化的條件下也能提供更好的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)更可靠的測(cè)量結(jié)果。具有低熱膨脹系數(shù)的材料更可取，特別是在使用長(zhǎng)測(cè)針的場(chǎng)合，因?yàn)闊崤蛎浟颗c測(cè)針長(zhǎng)度相關(guān)。碳纖維是長(zhǎng)測(cè)針和加長(zhǎng)桿的最常用材料，因?yàn)榇瞬牧蟿傂詮?qiáng)、重量輕，并且長(zhǎng)度不隨溫度的變化而變化。在需要金屬材料的場(chǎng)合(如接頭、關(guān)節(jié)等)，鈦在強(qiáng)度、穩(wěn)定性和密度方面提供了完美的組合。雷尼紹提供采用這兩種材料制成的測(cè)頭和測(cè)針加長(zhǎng)桿。

PART 04

測(cè)尖材料選擇

對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，紅寶石測(cè)球是測(cè)尖的默認(rèn)選項(xiàng)。但在某些情況下其他材料可提供更好的選擇。在觸發(fā)測(cè)量中，測(cè)尖只與工件表面短時(shí)間接觸，而沒有相對(duì)移動(dòng)。掃描則與之不同，因?yàn)闇y(cè)球沿著工件表面滑動(dòng)，并引起摩擦磨損。這種持續(xù)接觸可能造成工件材料脫落或附著在測(cè)球上，進(jìn)而影響測(cè)球球度。如果測(cè)球的某個(gè)部分與工件持續(xù)接觸，這些影響會(huì)增大。雷尼紹對(duì)這些影響進(jìn)行廣泛的研究，重點(diǎn)確定了兩種磨損類型：

? 在掃描表面時(shí)(例如鑄鐵表面)，極小的殘留微粒可能造成球形測(cè)針和工件表面出現(xiàn)細(xì)小劃痕，導(dǎo)致測(cè)尖上出現(xiàn)小“淺坑”，這種磨損稱為摩擦磨損。堅(jiān)硬的氧化鋯測(cè)尖是這些應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選擇。

? 當(dāng)測(cè)球和工件彼此之間有化學(xué)親和力時(shí)會(huì)出現(xiàn)粘附磨損。當(dāng)用紅寶石(氧化鋁)測(cè)球掃描鋁質(zhì)工件時(shí)可能出現(xiàn)這種現(xiàn)象。材料從較軟的工件傳遞到測(cè)針上，導(dǎo)致測(cè)尖上形成一個(gè)鋁涂層，進(jìn)而影響了其圓度。在這種情況下，最佳選擇是氮化硅，因?yàn)樗哂辛己玫哪湍バ阅?，而且不與鋁發(fā)生吸附。

PART 05

其他

選擇測(cè)針的其他考慮因素包括：

? 測(cè)針螺紋尺寸，與所選傳感器相適應(yīng)

? 測(cè)針類型 — 直測(cè)針、星形測(cè)針、可旋轉(zhuǎn)測(cè)針或自定義配置

? 測(cè)尖類型 — 球形、柱形、盤形、半球形

? 測(cè)尖尺寸，使表面粗糙度對(duì)測(cè)量精度的影響降至最低

測(cè)針在任何測(cè)量中都是關(guān)鍵因素，它在傳感器和組件之間提供了關(guān)鍵的連接點(diǎn)。要執(zhí)行精確的測(cè)量，測(cè)針必須由精密部件組裝而成，部件的材料都應(yīng)符合測(cè)量任務(wù)的要求。如果精心選擇，合適的測(cè)針會(huì)提供一致可靠的結(jié)果。