測桿和測球對三坐標的影響

測桿和測球對三坐標的影響

測桿和測球是三坐標測量機（CMM）的傳感器與被測工件表面的關鍵連結環節。如果對于特定的測量任務選用了不合適的測桿和測球，就可能導致測量結果的不確定性和不一致性。為了實現CMM測量精度的*化，在選擇測桿和測球時必須考慮周全。 測量產品制造商雷尼紹（Renishaw）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）測球的圓度：大多數CMM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zui大偏差。zui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。雖然符合標準的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相比，這種成本代價顯得微不足道。

（2）測球的材料：雖然紅寶石是zui常用的測球材料，但其他材料可能更適合進行接觸掃描測量。在掃描測量時，測球沿著工件表面滑行，會產生摩擦磨損。在情況下，這種長期接觸可能會導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（粘結磨損）。無論哪一種情況，都會影響測球的圓度。當測球的某一部位與工件經常保持接觸時，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，可能會發生磨粒磨損。殘留的微小顆粒可能會導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。粘結磨損通常發生在測球材料與工件材料具有化學親和力的情況下，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。

（3）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zui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。當測頭從不同的方向與工件接觸時，因觸發所需要的測量力不同，就會引起預行程的變化，從而產生這種誤差。用標準圓對測頭進行校準可以減小這種預行程誤差，但并不能*消除它。

測桿的撓性會放大預行程的變化。雖然鋼也適合制造一些短測桿，但硬質合金是剛性的測桿材料。然而，由于硬質合金密度大，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。同樣，碳纖維通常也可用于制造很長的測桿。

（3）熱穩定性：溫度波動可能會引起很大的CMM測量誤差。選用適當的接長桿材料，就能在環境條件發生變化的情況下，獲得更好的穩定性，提供一致性更好的測量結果。具有低熱脹系數的材料是的測桿材料（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zui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度、穩定性和密度，非常適合用于制造測桿的金屬零件（如接頭和活動關節）。

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