影響三坐標(biāo)測量機(jī)測量精度的兩大關(guān)鍵性因素

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

(1)測桿的撓曲：測量精度隨著測桿長度的增加而降低，因此長測桿并不適合測量所有的工件特征(事實上，采用具有最大剛度、盡可能短的測桿才是正確的做法)。雖然測桿并不會直接引起這種特定的誤差，但測桿長度會將誤差放大。當(dāng)測頭從不同的方向與工件接觸時，因觸發(fā)所需要的測量力不同，就會引起預(yù)行程的變化，從而產(chǎn)生這種誤差。用標(biāo)準(zhǔn)圓對測頭進(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。測桿的撓性會放大預(yù)行程的變化。雖然鋼也適合制造一些短測桿，但硬質(zhì)合金是剛性最好的測桿材料。然而，由于硬質(zhì)合金密度大，因此不適合用于長測桿。陶瓷測桿通常可用于既需要剛性好，又要求重量輕的測量任務(wù)。同樣，碳纖維通常也可用于制造很長的測桿。

(2)熱穩(wěn)定性：溫度波動可能會引起很大的CMM測量誤差。選用適當(dāng)?shù)慕娱L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量結(jié)果。具有低熱脹系數(shù)的材料是首選的測桿材料(尤其是在使用長測桿時)，因為熱膨脹量取決于長度。碳纖維是最常用的長測桿和接長桿材料，因為這種材料既硬又輕。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桿的金屬零件(如接頭和活動關(guān)節(jié))。

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

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