核心要素 — 坐標(biāo)測(cè)量機(jī)專用測(cè)針選型指南

　　當(dāng)需要確定在坐標(biāo)測(cè)量機(jī) (CMM) 上測(cè)量工件的最佳方法時(shí)，許多選擇是默認(rèn)的，因?yàn)樗鼈冎耙呀?jīng)過多次深思熟慮。坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的精度指標(biāo)、使用的最佳傳感器類型(觸發(fā)或掃描)以及最優(yōu)測(cè)量方法經(jīng)常被想當(dāng)然地認(rèn)為是正確的，不再受到質(zhì)疑。然而，精確測(cè)量的這一基礎(chǔ)可能因?yàn)檫x擇了不合適的測(cè)針而受到破壞，結(jié)果影響了測(cè)量精度。

編碼器" style="margin: 0px auto; width: 96px; height: 337px;" alt="編碼器" width="96" height="337" border="0" vspace="0">

　　在評(píng)估坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)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(chǎng)合不可行)的坐標(biāo)測(cè)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(cè)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(zhēng)論就會(huì)止息。

　　遺憾的是，諸如更換測(cè)頭上的測(cè)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(cè)量結(jié)果發(fā)生顯著的變化。依賴坐標(biāo)測(cè)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(cè)試(通常時(shí)間極短)所用測(cè)針的測(cè)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(cè)量的可能精度，我們需要評(píng)估測(cè)針是如何影響測(cè)量不確定度的。

　　測(cè)針規(guī)格和配置可能影響測(cè)量結(jié)果的精度。

　　本白皮書將闡述影響坐標(biāo)測(cè)量機(jī)總體精度的測(cè)針選型的四個(gè)主要方面：

　　1.測(cè)球球度(圓度)

　　2.測(cè)針變形

　　3.熱穩(wěn)定性

　　4.測(cè)尖材料選擇(掃描應(yīng)用)

　　1. 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。

　　球形紅寶石測(cè)尖

　　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)。測(cè)球等級(jí)由 5 級(jí)“降到”10 級(jí)，測(cè)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(cè)球等級(jí)無法用肉眼識(shí)別，在測(cè)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(cè)球指定為標(biāo)準(zhǔn)配置：這種測(cè)球成本也許略高了一點(diǎn)，但相比由于測(cè)球原因?qū)е潞细窳慵兂蓮U品，或者將不合格零件誤測(cè)為合格零件的高風(fēng)險(xiǎn)，這點(diǎn)成本是微不足道的。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。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……

　　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。

　　2. 測(cè)針變形

　　使用觸發(fā)式測(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，利用經(jīng)過優(yōu)化的不同測(cè)針執(zhí)行不同測(cè)量任務(wù)。之所以不在所有特征測(cè)量中都使用長(zhǎng)測(cè)針，是因?yàn)闇y(cè)針越長(zhǎng)，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(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，以超過傳感器機(jī)構(gòu)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)行程因挺進(jìn)角而異(見下圖)。在使用復(fù)合挺進(jìn)角(X、Y 和Z 軸)時(shí)，此預(yù)觸發(fā)行程變化更為復(fù)雜。

　　挺進(jìn)角與 TP6 觸發(fā)式測(cè)頭的觸發(fā)預(yù)行程比較。

　　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(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。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。在這些實(shí)例中，碳纖維集剛性強(qiáng) (E ≥ 450kN/mm2) 和重量輕的特點(diǎn)于一體。與此同時(shí)，陶瓷測(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)。

　　長(zhǎng)測(cè)針和加長(zhǎng)桿通常由具有最佳剛性和重量的碳纖維制成

　　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。

　　如果要保持精度，復(fù)雜測(cè)針配置要求精心挑選材料。

　　3. 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)。

　　測(cè)桿材料的相關(guān)熱膨脹系數(shù)和密度

　　如上文所述，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。

　　4. 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的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。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(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?？赡茉斐汕蛐螠y(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。

　　摩擦磨損(左)導(dǎo)致材料脫離測(cè)尖，而粘附磨損(右)導(dǎo)致表面材料附著在測(cè)球表

　　? 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。

　　5. 其他因素

　　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

　　結(jié)論

　　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)。它們能夠測(cè)量工件周圍的特征，而且必須把表面位置正確地傳遞給測(cè)頭。要執(zhí)行精確的測(cè)量，測(cè)針必須由精密部件組裝而成，每種部件的材料都應(yīng)符合測(cè)量任務(wù)的要求。如果精心選擇，合適的測(cè)針不會(huì)顯著增加不確定度，反而會(huì)提供一致可靠的結(jié)果。在工件公差嚴(yán)格并且需要較長(zhǎng)測(cè)針的場(chǎng)合，必須認(rèn)真考慮這些選擇對(duì)精度的影響。