4招教你选择合适的三坐标测量机的测针
发布日期：2020-01-24 15:16:22
评估三坐标测量机时测所需的精度时，一般做法是采用至少1:5的三坐标测量机不确定度与部位公差比（1:10是理想比例，但在许多情况下，实作成本可能会过于昂贵）。这样的比例可提供安全余裕，确保结果的不确定度小于预期的组件变化范围。只要针对最严密的公差维持1:5的比例，就应可解决精度的问题。
然而，即便像是更换测头测针如此无害的动作，都有可能对可达成的实际精度造成极大影响，导致量测结果产生明显变化。光仰赖三坐标测量机的年度校准检查精度仍不足够，因为此类校准只会确认测试所用测针（通常极短）的结果。这有可能是最佳情况下的精度。为了更充分理解各种量测的可能精度，就必须研究测针造成量测不确定度的原因。
本节将探讨测针选择影响三坐标测量机整体精度的四个主要层面：
1.测针球球度（圆度）
2.测针弯曲
3.热稳定性
4.测针端头材料选择（扫描应用）
测针球球度（圆度）
大多数测针的测量端头均为球形端头，材质通常采用人造红宝石。此类端头的球度（圆度）如有任何误差，都会构成三坐标测量机量测不确定度的因素，而此时很有可能会丧失高达10%的三坐标测量机精度。
红宝石球的精度可分成多种「等级」，其界定标准是红宝石球体相对于完美球体的最大偏差。5级和10级精度是最常采用的测针球规格（等级越低，球体品质越高）。从5级「降级」成10级测针球可稍微节省测针的成本，但这种做法可能会危及1:5的比例。
然而，测针球等级无法目视察觉，从量测结果也难以看出端倪，因而难以计算此因素的显著性。以5级测针球做为标准规格是一种解决办法：虽然成本稍高，但与报废良好零件，或什至让不合规零件通过测试的情况相比，5级测针球的成本仍属相当划算。偏偏三坐标测量机的精度越高，测针球等级的影响就越明显。最高规格的三坐标测量机可能会因此丧失高达10%的精度。
让我们来看一个例子：
根据ISO10360-2(MPEP)使用搭配5级测针球的测针建立的典型量测误差：
• MPEP=1.70μm
此数值的测定方式是测量25个离散点，将各点视作25个独立半径。半径差异范围为MPEP值。测针球圆度会直接影响此值，所以在这种情况下，从5级换成10级测针球会使得此值增加0.12μm，量测误差则降低7%：
• MPEP=1.82μm
请注意，测针球圆度也会影响MPETHP（利用球体上的四个扫描路径评估扫描测头性能）。
注意：
• 5级测针球球度=0.13μm
• 10级测针球球度=0.25μm
为解决最严苛的应用挑战，Renishaw提供多种采用3级测针球的测针，其测针球球度仅有0.08μm。
测针弯曲
使用接触触发式测头（例如业界标准TP20）时，一般做法是切换多种测针模组，针对不同的量测工作使用最合适的测针。长测针之所以无法用于所有工件特征，是因为精度会随测针长度增加而下降。理想做法是尽可能使用刚性高的短测针–但为什么？
虽然测针本身不会直接造成误差，但测针长度却会将误差扩大。误差的起因是以不同方向触发测头所需的作用力不等。大多数测头无法在测针和零组件之间建立直接接触后触发，而是需要作用力才能克服量测头机构内部的弹簧负载。此作用力会弹性地使测针变形。这种弯曲作用让测头得以在建立实体接触后产生触发之前短距离（相对于零件）移动。这种移动称为预行程。
多数测头的三角形运动编排，将导致产生触发所需的作用力不等。如果方向较为僵直，测头会抗拒触发，直到测针弯曲度提高。三坐标测量机也因此会移动得更远，所以，预行程会随接近角度而异（请见右图）。若使用混合接近角度（X、Y、Z轴），预行程变化将变得更为复杂。
• 为了尽可能减少这种影响，使用测针之前，必须使用已知尺寸的参考球来校准测针。理想情况下，此程序可反映每一种测针与接近角度组合的误差。但实际上为了节省时间，通常会取角度样本而产生些微平均化，留下一小部分的误差。
如果不执行实验性测试，就难以计算此误差对量测不确定度的影响。请注意，任何残留的预行程变化误差都会因所选测针的弹性而放大。这突显出测针设计之材质选择的重要性，而测针杆抗弯刚度的考量应优先于其他特性（如重量、成本）。钢（杨氏模数E=210kN/mm2）通常适合用于较短的测针，刚性最高的常用材质则是碳化钨(E=620kN/mm2)，但碳化钨的密度也较高，所以鲜少用于长测针。这种情况下，碳纤维可同时提供优异的刚性(E≥450kN/mm2)与轻量特性。陶瓷测针杆(E=300–400kN/mm2)重量轻且热稳定性佳，往往用于工具机量测应用。
测针刚性也会受到测针组件接头数量的影响。依照经验法则，最好尽可能减少接头的数量以免造成迟滞，但使用固定式量测头测量复杂零件则为例外。这种情况下，可能需要由各种测针、延长杆、接头及转向节构成的配置。再次强调，慎选每个元件的材质相当重要，因为材质会影响测针配置的刚性、重量和耐用度。
热稳定性
温度波动可能会导致严重的量测误差。选择合适的测针延长杆材料可为多变环境下的量测带来更高的稳定性，产生更一致结果。由于热增长取决于长度，因此，应优先选择热膨胀系数较低的材料（尤其是采用长测针的情况）。
如前文所述，碳纤维是最常用于长测针和延长杆的材料，原因在于其刚性高、重量轻，且长度不会随温度而改变。如果需要使用金属（如接头、转向节），钛可提供最理想的强度、稳定性和密度。Renishaw提供以这两种材质制成的测头及测针延长杆。
测针端头材料选择
就大多数应用而言，红宝石球是测针端头的既定选择。但在特定情况下，其他材料可提供更佳的替代方案。
进行接触触发式量测时，由于无相对运动，所以测针端头只会短暂与表面接触。扫描的不同之处，是测针球会滑过组件表面而造成磨损。在极端情况下，这种长时间接触可能会导致材料脱落或堆积到测针球上，进而影响其球度。如果测针球特定部位与零组件持续接触，这种影响就会扩大。Renishaw对此类影响进行了广泛的研究，主要针对两种磨损机制：
研磨磨耗
扫描如铸铁等工件的表面时会产生研磨磨耗；残留物的微粒会对测针和工件造成细微刮痕，在测针端头上形成小型「平坦部位」。坚韧的氧化锆测针端头是此类应用的最佳选择。
黏附磨耗
测针球和零组件材料彼此如具有化学亲合性，便会产生黏附磨耗。以红宝石（氧化铝）球扫描铝件时会发生此现象。材料会从较软的零组件移到测针，在测针端头上形成一层铝膜，影响其圆度。这种情况下，氮化矽是最佳选择；因为其具有良好的耐磨性，对铝也无吸附作用。
其他因素
选择测针时须考量的其他因素包括：
• 与所选的量测头相配的测针螺纹尺寸
• 测针类型–笔直、星形、旋转或客制化设计
• 测针端头类型–球、圆柱、圆盘、半球
• 能够将表面粗糙度对量测精度的影响降至最低的测针端头尺寸
结论
测针为量测头和待测零组件之间的重要介面，是任何量测的关键因素。测针提供了零件各部位的接触管道，并且必须确实地将表面位置传递至测头。为助于精确检测，测针必须以高精度组件构成，并采用符合量测工作需求的材料。若慎选合适的测针，就能避免不确定度提高，产生一致且可靠的结果。零件公差较严格的情况下，必须使用较长的测针，并审慎考量此类选择对于精度的影响。
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