影響三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量精度的兩大關(guān)鍵性因素

測(cè)桿和測(cè)球是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM)的傳感器與被測(cè)工件表面的關(guān)鍵連結(jié)環(huán)節(jié)，也是影響三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量精度的兩大關(guān)鍵性因素。如果對(duì)于特定的測(cè)量任務(wù)選用了不合適的測(cè)桿和測(cè)球，就可能導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的不確定性和不一致性。為了實(shí)現(xiàn)CMM測(cè)量精度的最優(yōu)化，在選擇測(cè)桿和測(cè)球時(shí)必須考慮周全。北京北瑞科信儀器設(shè)備有限公司從四個(gè)方面介紹了選擇測(cè)桿和測(cè)球可能對(duì)CMM總體測(cè)量精度造成的影響。

(1)測(cè)桿的撓曲：測(cè)量精度隨著測(cè)桿長(zhǎng)度的增加而降低，因此長(zhǎng)測(cè)桿并不適合測(cè)量所有的工件特征(事實(shí)上，采用具有最大剛度、盡可能短的測(cè)桿才是正確的做法)。雖然測(cè)桿并不會(huì)直接引起這種特定的誤差，但測(cè)桿長(zhǎng)度會(huì)將誤差放大。當(dāng)測(cè)頭從不同的方向與工件接觸時(shí)，因觸發(fā)所需要的測(cè)量力不同，就會(huì)引起預(yù)行程的變化，從而產(chǎn)生這種誤差。用標(biāo)準(zhǔn)圓對(duì)測(cè)頭進(jìn)行校準(zhǔn)可以減小這種預(yù)行程誤差，但并不能完全消除它。測(cè)桿的撓性會(huì)放大預(yù)行程的變化。雖然鋼也適合制造一些短測(cè)桿，但硬質(zhì)合金是剛性最好的測(cè)桿材料。然而，由于硬質(zhì)合金密度大，因此不適合用于長(zhǎng)測(cè)桿。陶瓷測(cè)桿通?？捎糜诩刃枰?jiǎng)傂院?，又要求重量輕的測(cè)量任務(wù)。同樣，碳纖維通常也可用于制造很長(zhǎng)的測(cè)桿。

(2)熱穩(wěn)定性：溫度波動(dòng)可能會(huì)引起很大的CMM測(cè)量誤差。選用適當(dāng)?shù)慕娱L(zhǎng)桿材料，就能在環(huán)境條件發(fā)生變化的情況下，獲得更好的穩(wěn)定性，提供一致性更好的測(cè)量結(jié)果。具有低熱脹系數(shù)的材料是首選的測(cè)桿材料(尤其是在使用長(zhǎng)測(cè)桿時(shí))，因?yàn)闊崤蛎浟咳Q于長(zhǎng)度。碳纖維是最常用的長(zhǎng)測(cè)桿和接長(zhǎng)桿材料，因?yàn)檫@種材料既硬又輕。鈦合金兼具良好的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和密度，非常適合用于制造測(cè)桿的金屬零件(如接頭和活動(dòng)關(guān)節(jié))。

(3)測(cè)球的圓度：大多數(shù)CMM(三坐標(biāo)測(cè)量機(jī))測(cè)桿頂端的測(cè)球都采用人造紅寶石球。測(cè)球的圓度誤差可能會(huì)使CMM損失高達(dá)10%的潛在測(cè)量精度。紅寶石測(cè)球的制造精度水平是用等級(jí)來(lái)定義的，而一個(gè)測(cè)球的等級(jí)取決于其相對(duì)于理想球體的最大偏差。最常用的兩種測(cè)球等級(jí)為5級(jí)和10級(jí)(其球度誤差分別為 0.13μm和0.25μm)。盡管從使用5級(jí)測(cè)球改為使用10級(jí)測(cè)球可以節(jié)約一些成本，但有可能會(huì)危及到普遍接受的CMM測(cè)量不確定度與形狀公差5∶1 之比。雖然符合標(biāo)準(zhǔn)的5級(jí)測(cè)球可能成本稍貴一些，但與可能使一個(gè)合格零件報(bào)廢或使一個(gè)不合格零件蒙混過(guò)關(guān)相比，這種成本代價(jià)顯得微不足道。

(4)測(cè)球的材料：雖然紅寶石是最常用的測(cè)球材料，但其他材料可能更適合進(jìn)行接觸掃描測(cè)量。在掃描測(cè)量時(shí)，測(cè)球沿著工件表面滑行，會(huì)產(chǎn)生摩擦磨損。在極端情況下，這種長(zhǎng)期接觸可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)球材料從球上被磨除(磨粒磨損)，或工件材料被粘著到測(cè)球上(粘結(jié)磨損)。無(wú)論哪一種情況，都會(huì)影響測(cè)球的圓度。當(dāng)測(cè)球的某一部位與工件經(jīng)常保持接觸時(shí)，這種圓度誤差就會(huì)不斷增大。在掃描測(cè)量某些材料(如鑄鐵)表面時(shí)，可能會(huì)發(fā)生磨粒磨損。殘留的微小顆?？赡軙?huì)導(dǎo)致測(cè)球和工件表面被輕微劃傷，從而在測(cè)球上形成一個(gè)微小“平面”。對(duì)于此類測(cè)量，硬度更高的氧化鋯測(cè)球是一種不錯(cuò)的選擇。粘結(jié)磨損通常發(fā)生在測(cè)球材料與工件材料具有化學(xué)親和力的情況下，在用人造紅寶石測(cè)球掃描測(cè)量鋁件時(shí)較為常見(jiàn)，因?yàn)槿嗽旒t寶石的主要成分是氧化鋁。從相對(duì)較軟的鋁件上轉(zhuǎn)移到測(cè)球上的材料可能生成一層“涂層”，從而降低測(cè)球的圓度精度。在這種情況下，氮化硅測(cè)球是更好的選擇，因?yàn)檫@種材料具有良好的耐磨性，而且對(duì)鋁沒(méi)有親合力。

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