核心要素 — 坐標測量機專用測針選型指南

　　當需要確定在坐標測量機 (CMM) 上測量工件的最佳方法時，許多選擇是默認的，因為它們之前已經過多次深思熟慮。坐標測量機的精度指標、使用的最佳傳感器類型(觸發或掃描)以及最優測量方法經常被想當然地認為是正確的，不再受到質疑。然而，精確測量的這一基礎可能因為選擇了不合適的測針而受到破壞，結果影響了測量精度。

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　　在評估坐標測量機的測量結果需要如何精確時，通常的做法是采用至少 1:5(1:10 是理想的比率，但過于昂貴，在許多場合不可行)的坐標測量機不確定度和特征公差比。此比率提供了一個安全系數，確保測量結果不確定度與預期工件誤差范圍的比率相對較小。只要在極嚴格的公差水平上能夠保持 1:5 的比率，有關精度的爭論就會止息。

　　遺憾的是，諸如更換測頭上的測針這種不起眼的操作都會對可能實現的實際精度造成巨大影響，導致測量結果發生顯著的變化。依賴坐標測量機的年度校準檢查此精度是不夠的，因為這只能確認測試(通常時間極短)所用測針的測量結果。這可能只是最好的一次精度。為了更全面地了解各種測量的可能精度，我們需要評估測針是如何影響測量不確定度的。

　　測針規格和配置可能影響測量結果的精度。

　　本白皮書將闡述影響坐標測量機總體精度的測針選型的四個主要方面：

　　1.測球球度(圓度)

　　2.測針變形

　　3.熱穩定性

　　4.測尖材料選擇(掃描應用)

　　1. 測球球度(圓度)

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

　　球形紅寶石測尖

　　紅寶石測球有各種定義為“等級”的精度級別，指的是測球與理想球面的最大偏移量。兩種最常用的測球指標是 5 級和 10 級(等級數字越低測球越好)。測球等級由 5 級“降到”10 級，測針可能會節約些許成本，但極有可能影響到所謂 1:5 比率的理論。問題是，測球等級無法用肉眼識別，在測量結果中所起的作用并不明顯，因此難以估計它是否重要。一種辦法是，將 5 級測球指定為標準配置：這種測球成本也許略高了一點，但相比由于測球原因導致合格零件變成廢品，或者將不合格零件誤測為合格零件的高風險，這點成本是微不足道的。不合常理的是，坐標測量機精度越高，測球等級的影響越大。在最高規格的坐標測量機上，這種影響會使精度削弱達 10%。請看以下示例……

　　對于要求極為嚴格的應用，雷尼紹提供一系列配用球度只有 0.08 μm 的 3 級測球的測針。

　　2. 測針變形

　　使用觸發式測頭時(例如行業標準的 TP20)，常見的做法是交換測針模塊，利用經過優化的不同測針執行不同測量任務。之所以不在所有特征測量中都使用長測針，是因為測針越長，精度損失就越大。一個好方法是盡可能選擇短而且剛性強的測針 —但為什么呢?

　　盡管測針不是此特定誤差的直接原因，但誤差確實隨著測針長度的增大而增大。誤差源自于需要在各個方向觸發測頭的不同測力。大多數測頭不是在測針和工件發生接觸的瞬間觸發的;它們需要測力不斷加大，以超過傳感器機構內的彈簧負荷。此彈力迫使測針變形。此變形允許測頭在發生物理接觸后、觸發產生前相對于工件短距離移動。此移動即所謂的預觸發行程。

　　大多數測頭的三點機械定位機構可以根據要求提供不同的測力來產生觸發。在剛性較硬的方向測頭會阻撓觸發，直到出現更大的測針變形量。這也意味著坐標測量機會移動更遠，因此預觸發行程因挺進角而異(見下圖)。在使用復合挺進角(X、Y 和Z 軸)時，此預觸發行程變化更為復雜。

　　挺進角與 TP6 觸發式測頭的觸發預行程比較。

　　為降低這種影響，所有測針使用前均在已知尺寸的標準球上標定過。在理想情況下此過程將對測針和挺進角合并造成的誤差進行修正。在實踐當中，為節省時間通常只抽查一些角，取平均數，故少量誤差仍可能繼續存在。

　　若不進行經驗性測試，很難估計這些誤差對測量不確定度的影響。需要注意的關鍵因素是，任何存留的預觸發行程變化誤差都會隨不同的測針選擇而受到影響。此處強調的是材料選擇在測針設計中的重要性，諸如測桿抗撓剛性和重量及成本等其他特性。鋼適合于許多較短的測針，其 Young 的模數 E =210 kN/mm2，常用的剛性最強的材料是碳化鎢 (E = 620 kN/mm2)，但這種材料密度很大，因此極少用于長測針。在這些實例中，碳纖維集剛性強 (E ≥ 450kN/mm2) 和重量輕的特點于一體。與此同時，陶瓷測桿 (E = 300 –400 kN/mm2) 通常用于機床測量應用中，這種材料具有重量輕和熱穩定性高的優點。

　　長測針和加長桿通常由具有最佳剛性和重量的碳纖維制成

　　測針剛性也受到測針組件轉接頭的影響。作為指導原則，最好盡量避免使用轉接頭，因為它會引起遲滯，不過在使用固定傳感器測量復雜工件時轉接頭可能無法避免。在這些情況下，可能需要由一系列測針、加長桿、接頭和關節所組成的配置。再次強調，選擇測針材料時進行周全的考慮是非常重要的，因為這會對測針配置的剛性、重量及堅固性產生影響。

　　如果要保持精度，復雜測針配置要求精心挑選材料。

　　3. 熱穩定性

　　溫度變化可能導致嚴重的測量誤差。選擇正確的測針加長桿材料，保證在溫度變化的條件下也能提供更好的穩定性，實現更可靠的測量結果。具有低熱膨脹系數的材料更可取，特別是在使用長測針的場合，因為熱膨脹量與測針長度相關。

　　測桿材料的相關熱膨脹系數和密度

　　如上文所述，碳纖維是長測針和加長桿的最常用材料，因為此材料剛性強、重量輕，并且長度不隨溫度的變化而變化。在需要金屬材料的場合 — 如接頭、關節等 — 鈦在強度、穩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頭和測針加長桿。

　　4. 測尖材料選擇

　　對于大多數應用，紅寶石測球是測尖的默認選項。但在某些情況下其他的材料可提供更好的選擇。

　　在觸發測量中，測尖只與工件表面短時間接觸，而沒有相對移動。掃描則與之不同，因為測球沿著工件表面滑動，并引起摩擦磨損。在惡劣狀況下，這種持續接觸可能造成工件材料脫落或附著在測球上，進而影響測球球度。如果測球的某個部分與工件持續接觸，這些影響會增大。雷尼紹對這些影響進行廣泛的研究，重點確定了兩種磨損類型：

　　? 在掃描表面時(例如鑄鐵表面)，極小的殘留微粒可能造成球形測針和工件表面出現細小劃痕，導致測尖上出現小“淺坑”，這種磨損稱為摩擦磨損。堅硬的氧化鋯測尖是這些應用場合的最佳選擇。

　　摩擦磨損(左)導致材料脫離測尖，而粘附磨損(右)導致表面材料附著在測球表

　　? 當測球和工件彼此之間有化學親和力時會出現粘附磨損。當用紅寶石(氧化鋁)測球掃描鋁質工件時可能出現這種現象。材料從較軟的工件傳遞到測針上，導致測尖上形成一個鋁涂層，進而影響了其圓度。在這種情況下，最佳選擇是氮化硅，因為它具有良好的耐磨性能，而且不與鋁發生吸附。

　　5. 其他因素

　　選擇測針的其他考慮因素包括：

　　? 測針螺紋尺寸，與所選傳感器相適應

　　? 測針類型 — 直測針、星形測針、可旋轉測針或自定義配置

　　? 測尖類型 — 球形、柱形、盤形、半球形

　　? 測尖尺寸，使表面粗糙度對測量精度的影響降至最低

　　結論

　　測針在任何測量中都是關鍵因素，它在傳感器和組件之間提供了關鍵的連接點。它們能夠測量工件周圍的特征，而且必須把表面位置正確地傳遞給測頭。要執行精確的測量，測針必須由精密部件組裝而成，每種部件的材料都應符合測量任務的要求。如果精心選擇，合適的測針不會顯著增加不確定度，反而會提供一致可靠的結果。在工件公差嚴格并且需要較長測針的場合，必須認真考慮這些選擇對精度的影響。