?核心要素 — 坐標(biāo)測量機(jī)專用測針選型指南

選擇最適合您需求的測針時(shí)，有一些需要考慮額重要因素。

測針選型需考慮的因素

在評(píng)估坐標(biāo)測量機(jī)的測量結(jié)果需要如何精確時(shí)，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(biāo)測量機(jī)不確定度和特征公差比。此比率提供了一個(gè)安全系數(shù)，確保測量結(jié)果不確定度與預(yù)期工件誤差范圍的比率相對(duì)較小。只要在極嚴(yán)格的公差水平上能夠保持1:5的比率，有關(guān)精度的爭論就會(huì)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(huì)對(duì)可能實(shí)現(xiàn)的實(shí)際精度造成巨大影響，導(dǎo)致測量結(jié)果發(fā)送顯著的變化。依賴坐標(biāo)測量機(jī)的年度校準(zhǔn)檢查此精度是不夠的，因?yàn)檫@只能確認(rèn)測試所用測針（通常很短）的測量結(jié)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(píng)估測針是如何影響測量不確定度的。

本部分內(nèi)容將闡述影響坐標(biāo)測量機(jī)總體精度的測針選型的四個(gè)主要方面：

1.測球球度（圓度）

2.測針變形

3.熱穩(wěn)定性

4.測尖材料選擇（掃描應(yīng)用）

測球球度（圓度）

大多數(shù)測針的測尖是一個(gè)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(biāo)測量機(jī)精度降低10％之多。

紅寶石測球有各種定義為“等級(jí)”的精度級(jí)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(biāo)是5級(jí)和10級(jí)（等級(jí)數(shù)字越低測球越好）。測球等級(jí)由5級(jí)“降到”10級(jí)，測針可能會(huì)節(jié)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(jí)無法用肉眼識(shí)別，在測量結(jié)果中所起的作用并不明顯，因此難以估計(jì)它是否重要。一種辦法是，將5級(jí)測球指定為標(biāo)準(zhǔn)配置：這種測球成本也許略高了一點(diǎn)，但相比由于測球原因?qū)е潞细窳慵兂蓮U品，或者將不合格零件誤測為合格零件的高風(fēng)險(xiǎn)，這點(diǎn)成本微不足道的。不合常理的是，坐標(biāo)測量機(jī)精度越高，測球等級(jí)的影響越大。在最高規(guī)格的坐標(biāo)測量機(jī)上，這種影響會(huì)使精度削弱了10％。

請(qǐng)看以下示例...

符合ISO 10360-2(MPEp)的典型測量誤差，用配5級(jí)測針測得：

·      MPEp = 1.70 μm

此數(shù)字通過測量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。測球圓度對(duì)此產(chǎn)生直接影響，而在本示例中把5級(jí)測球換成10級(jí)使該值增加了0.12μm，并使測量誤差增加了7％：

·      MPEp = 1.82μm

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

注：

·     5級(jí)測球球度 = 0.13μm

·    10級(jí)測球球度 = 0.25μm

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0.08μm的3級(jí)測球的測針。

測針變形

使用觸發(fā)式測頭時(shí)（例如行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的TP20），常見的做法是交換測針模塊，利用經(jīng)過優(yōu)化的不同測針執(zhí)行不同測量任務(wù)。之所以不在所有特征測量中都使用長測針，是因?yàn)闇y針越長，精度損失就越大。一個(gè)好方法是盡可能選擇短而且剛性強(qiáng)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(shí)隨著測針長度的增大而增大。誤差源自于需要在各個(gè)方向出發(fā)測頭的不同測力。大多數(shù)測頭不是在測針和工件發(fā)生接觸的瞬間觸發(fā)的；他們需要測力不斷加大，以超過傳感器機(jī)構(gòu)內(nèi)的彈簧負(fù)荷。此彈力迫使測針變形。此變形允許測頭在發(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)要求提供不同的測力來產(chǎn)生觸發(fā)。在剛性較硬的方向測頭會(huì)阻撓觸發(fā)，直到出現(xiàn)更大的測針變形量。這也意味著坐標(biāo)測量機(jī)會(huì)移動(dòng)更遠(yuǎn)，因此預(yù)觸發(fā)行程因挺進(jìn)角而異（見右圖）。在使用復(fù)合挺近角（X、Y和Z軸）時(shí)，此預(yù)觸發(fā)行程變化更為復(fù)雜。

·      觸發(fā)式測頭的預(yù)觸發(fā)行程變化量

為降低這種影響，所有測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)測針和挺進(jìn)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)性測試，很難估計(jì)這些誤差對(duì)測量不確定度的影響。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)隨不同的測針選擇而受到影響。此處強(qiáng)調(diào)的是材料選擇在測針設(shè)計(jì)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(shù)E = 210kN/mm2，常用的剛性最強(qiáng)的材料是碳化鎢（E=620kN/mm2），但這種材料密度很大，因此極少用于長測針。在這些實(shí)例中，碳纖維剛性強(qiáng)（E=450kN/mm2）和重量輕的特點(diǎn)于一體。與此同時(shí)，陶瓷測桿（E=300-400kN/mm2）通常用于機(jī)床測量應(yīng)用中，這種材料具有重量輕和熱穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。

測針剛性也受到測針組件轉(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針、加長桿、接頭和關(guān)節(jié)所組成的配置。再次強(qiáng)調(diào)，選擇測針材料時(shí)進(jìn)行周全的考慮是非常重要的，因?yàn)檫@會(huì)對(duì)測針配置的剛性、重量及堅(jiān)固性產(chǎn)生影響。

熱穩(wěn)定性

溫度變化可能導(dǎo)致嚴(yán)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(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)更可靠的測量結(jié)果。具有低熱膨脹系數(shù)的材料更可取，特別是在使用長測針的場合，因?yàn)闊崤蛎浟颗c測針長度相關(guān)。

如上文所述，碳纖維是長測針和加長桿的最常用材料，因?yàn)榇瞬牧蟿傂詮?qiáng)、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 — 如對(duì)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頭和測針加長桿。

·      熱膨脹系數(shù)

測尖材料選擇（掃描應(yīng)用）

對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，紅寶石測球是測尖的默認(rèn)選項(xiàng)。但在某些情況下其他的材料可提供更好的選擇。

在觸發(fā)測量中，測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球沿著工件表面滑動(dòng)，并引起摩擦磨損。在惡劣狀況下，這種持續(xù)接觸可能造成工件材料脫落或附著在測球上，進(jìn)而影響測球球度。如果測球的某個(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)行了廣泛的研究，重點(diǎn)確定了兩種磨損類型:

摩擦磨損

摩擦磨損產(chǎn)生的原因是，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針和工件表面出現(xiàn)細(xì)小劃痕，導(dǎo)致測尖上出現(xiàn)小“淺坑”。堅(jiān)硬的氧化鋯測尖是這些應(yīng)用場合的最佳選擇。

粘附磨損

當(dāng)測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（氧化鋯）測球掃描鋁制工件時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。材料從較軟的工件傳遞到測針上，導(dǎo)致測尖上形成一個(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。

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(yīng)

·     測針類型 — 直測針、星形測針、可旋轉(zhuǎn)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(duì)測量精度的影響降至最低