三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量實(shí)踐指導(dǎo)

1、良好的測(cè)量實(shí)踐指導(dǎo)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)探測(cè)摘要：這本指南是一本關(guān)于測(cè)頭與探測(cè)的通用指導(dǎo)。它包含探測(cè)實(shí)踐，接觸式測(cè)頭的類型、它們的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，以及他們?nèi)绾喂ぷ?。它也涵蓋了各種探針配置的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)；選擇合適的測(cè)頭球尺寸以及在坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上使用非接觸傳感器。目錄1.引言31.1共坐標(biāo)測(cè)量機(jī)31.2 坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)頭42.機(jī)械型觸發(fā)式測(cè)頭的設(shè)計(jì)和原則43.模擬（測(cè)量）測(cè)頭64.探測(cè)系統(tǒng)概述74.1 工件的相關(guān)注意事項(xiàng)74.2 探測(cè)系統(tǒng)的選擇84.3 探測(cè)系統(tǒng)的條件85. 探測(cè)頭的選擇95.1 非鉸接探針頭95.2 鉸接式探測(cè)系統(tǒng)95.3 改進(jìn)測(cè)頭/探針116. 探針加長桿127. 探針加長桿，接頭和適配器的選擇1

2、28. 探針類型的選擇148.1 保持簡(jiǎn)單148.2 短而硬158.3 大球尖端158.4 檢查觸頭尖端158.5 保持清潔168.6 探針尖端的類型169. 接觸式探針的操作199.1 接觸力199.2 逼近速度209.3 工件變形209.4 清潔209.5 探針軸接觸219.6 總結(jié)2110. 探測(cè)系統(tǒng)的校準(zhǔn)2111. 工件測(cè)量2412. 測(cè)量不確定度的來源2412.1 探針軸的彈性變形2412.2 測(cè)量流程2512.3 總結(jié)2712.4 熱膨脹2813.連續(xù)掃描2813.1 開環(huán)掃描2913.2 閉環(huán)掃描2913.3 連續(xù)掃面測(cè)頭2913.4 掃描探針的選擇3114.非接觸式探測(cè)系統(tǒng)31

3、15. 發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)3316. 總結(jié)3417. 術(shù)語表3418.健康和安全36良好的測(cè)量實(shí)踐英國國家物理試驗(yàn)所（NPL）定義了良好測(cè)量習(xí)慣的六條指導(dǎo)性原則。它們是：正確的測(cè)量：測(cè)量應(yīng)該滿足規(guī)定，并與要求相一致。使用正確的測(cè)量工具：測(cè)量應(yīng)該使用已經(jīng)被證明是適合測(cè)量目的的設(shè)備和方法。合適的人員：測(cè)量人員應(yīng)該有能力勝任，具有適當(dāng)?shù)馁Y質(zhì)，見多識(shí)廣。定期的檢查：應(yīng)該有內(nèi)部獨(dú)立的對(duì)所有測(cè)量設(shè)備和測(cè)量流程的技術(shù)流程的評(píng)估。論證的一致性：在一個(gè)地方所得到的測(cè)量結(jié)果與在其它地方所得到的應(yīng)該是一致的。正確的測(cè)量流程：優(yōu)秀的測(cè)量流程應(yīng)該在所有的測(cè)量中與國家或國際標(biāo)準(zhǔn)相一致。1.引言1.1共坐標(biāo)測(cè)量機(jī)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是一種通

4、過移動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)來達(dá)到確定工件表面空間坐標(biāo)的測(cè)量系統(tǒng)。坐標(biāo)測(cè)量機(jī)具通過手動(dòng)操作初步布局檢測(cè)設(shè)備的初始位置。隨著數(shù)控機(jī)床在50年代為了滿足美國航天計(jì)劃對(duì)復(fù)雜零部件生產(chǎn)需求的發(fā)展，以及隨后在70年代計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的引進(jìn)，此時(shí)的生產(chǎn)技術(shù)比通用的檢測(cè)設(shè)備更加準(zhǔn)確。CMM演化過程中一個(gè)重要的因素是David McMurtry 于1972年發(fā)明的觸發(fā)式測(cè)頭Rolls-Royce1。這個(gè)觸發(fā)式測(cè)頭是一個(gè)可以快速準(zhǔn)確檢測(cè)低觸發(fā)力的三維傳感器。當(dāng)聯(lián)系到為計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)械開發(fā)的精密線性測(cè)量系統(tǒng)加上便宜但功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)硬件和軟件，這就為高精度自動(dòng)化檢測(cè)中心開辟了道路。坐標(biāo)測(cè)量機(jī)被廣泛應(yīng)用于精密制造業(yè)，它可以對(duì)零部

5、件進(jìn)行快速可靠的尺寸測(cè)量。坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的價(jià)格比較昂貴，但它們的測(cè)量結(jié)果對(duì)保持可靠的制造過程卻是至關(guān)重要的。坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可以分為兩種類型：手工控制和計(jì)算機(jī)直接控制。手動(dòng)控制坐標(biāo)測(cè)量機(jī)一般用作首件的檢驗(yàn)工作。如果在以生產(chǎn)為導(dǎo)向的重要制造環(huán)境中，計(jì)算機(jī)直接控制坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是通用的選擇。計(jì)算機(jī)直接控制通常是制造商需要收集和分析大量數(shù)據(jù)維持生產(chǎn)過程的控制時(shí)的最佳選擇工具。坐標(biāo)測(cè)量機(jī)通常是完全處于計(jì)算機(jī)直接控制下，因此可以消除任何操作者對(duì)所記錄數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響。1.2 坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)頭坐標(biāo)測(cè)量機(jī)通過使用各種設(shè)備檢測(cè)物體的表面。這些設(shè)備包括觸發(fā)式測(cè)頭，模擬（測(cè)量）測(cè)頭，連續(xù)掃面和非接觸系統(tǒng)。這本散裝的指南重要集中介

6、紹觸發(fā)式測(cè)頭，同時(shí)也會(huì)適當(dāng)介紹其他探測(cè)系統(tǒng)的內(nèi)容。2.機(jī)械型觸發(fā)式測(cè)頭的設(shè)計(jì)和原則大部分的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)使用接觸式觸發(fā)測(cè)頭，因此掌握一些觸發(fā)式測(cè)頭的基本工作原理對(duì)我們是非常有幫助的。接觸式觸發(fā)測(cè)頭的設(shè)計(jì)者所面臨的一個(gè)問題是他們所設(shè)計(jì)的測(cè)頭的精確度必須高于被測(cè)工件生產(chǎn)所需要的精度。所設(shè)計(jì)的測(cè)頭只有運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)的原理才可以在實(shí)際操作中達(dá)到這樣的精度，而且在實(shí)際操作中測(cè)頭所需的精度并不完全取決于工件的制造的精度。接觸式觸發(fā)測(cè)頭采用一種動(dòng)態(tài)定位的方式來保持觸筆可以在一個(gè)高度可重復(fù)的方式。一個(gè)典型的裝置（如圖1所示）有三個(gè)圓柱棒組成，每一個(gè)圓柱棒與一對(duì)小球相接觸。這一構(gòu)造限制了接觸筆的六個(gè)自由度，因此接觸筆在

7、偏置后總可以返回到相同的位置。當(dāng)觸筆在任何一個(gè)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)使接觸式電路產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)。這個(gè)觸發(fā)信號(hào)通知計(jì)算機(jī)記錄在此接觸時(shí)刻的機(jī)器位置。這些記錄的點(diǎn)坐標(biāo)存儲(chǔ)以供后續(xù)使用。測(cè)頭的設(shè)計(jì)允許觸筆在接觸后發(fā)生進(jìn)一步的偏轉(zhuǎn)，從而給坐標(biāo)測(cè)量機(jī)留下了減速的時(shí)間。隨著觸筆脫離物體表面，彈簧力會(huì)使觸筆復(fù)位。該結(jié)構(gòu)可以使探針對(duì)表面的探測(cè)精度達(dá)到亞微米級(jí)的檢測(cè)。圖1接觸式觸發(fā)測(cè)頭的立體剖視圖動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)觸發(fā)式測(cè)頭相關(guān)的主要問題是觸發(fā)探針?biāo)璧慕佑|力取決于探針和表面的接觸方向從而導(dǎo)致幾何接觸結(jié)果會(huì)有微小的不同。這種不同會(huì)導(dǎo)致探針在接觸工件表面的瞬間產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)時(shí)所產(chǎn)生的彎曲力矩不同。這種在觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生前由于觸發(fā)力

8、不同所產(chǎn)生的偏差稱為預(yù)行程偏差。這種取決于偏轉(zhuǎn)范圍的方向稱為預(yù)行程變化。探針的預(yù)行程可以通過與探針規(guī)格相反的校準(zhǔn)參考范圍進(jìn)行消減。由于預(yù)行程根據(jù)探測(cè)的方向不同而變化，對(duì)探針在相同的測(cè)量方向進(jìn)行有目的的測(cè)量中確定探針的合格性是非常必要的。探針設(shè)計(jì)的進(jìn)步可以幫助減少這種影響。使用三個(gè)位于探測(cè)頭頂部的高敏感的應(yīng)變片可以檢測(cè)到探針和工件之間接觸力。在這樣的設(shè)計(jì)中，觸發(fā)信號(hào)在非常小的接觸力情況下產(chǎn)生，而且在不同方向接觸中觸發(fā)力相一致，因此減少了誤差。圖2微應(yīng)變傳感器這種應(yīng)變儀探針技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)探針的有點(diǎn)如下：增加探針的支撐長度（由于接觸力低，探針彎曲可以最小化）。長針可以在使用時(shí)不降低測(cè)量精度。

9、可以消除波束特性。由于低的一致性的觸發(fā)力可以增加重復(fù)性。在不降低精度情況下可以使用三維操作對(duì)波狀外形表面進(jìn)行測(cè)量。相比于傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)探針，這種探針壽命可以十倍。圖3微應(yīng)變儀變換器圖三顯示了測(cè)量模塊是如何通過一個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)安裝在測(cè)頭上的。這樣的結(jié)構(gòu)可以使測(cè)量模塊具有快速更換的能力，同時(shí)還使探針具有超程保護(hù)的能力。在觸發(fā)式測(cè)頭的進(jìn)一步發(fā)展中，測(cè)頭引入了復(fù)合沖擊傳感器，應(yīng)變和運(yùn)動(dòng)傳感器的結(jié)合，這種類型的探針可以檢測(cè)探針與工件表面的微小沖擊影響，以及探針位移和絕對(duì)位移期間所受到的力。3.模擬（測(cè)量）測(cè)頭許多高精度的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)利用模擬測(cè)頭。測(cè)頭系統(tǒng)（如圖四）由三個(gè)彈簧平行四邊形組成，彈簧平行四邊形在測(cè)量軸方

10、向有±3mm的偏轉(zhuǎn)范圍。在每個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)量通過一個(gè)感應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)獲取。每個(gè)平行四邊形被夾在中間的位置；感應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)的初始點(diǎn)會(huì)被調(diào)整到這個(gè)位置。當(dāng)與工件發(fā)生接觸時(shí)，一個(gè)感應(yīng)線圈系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生測(cè)量力。當(dāng)探測(cè)系統(tǒng)調(diào)整到接近零坐標(biāo)的位置時(shí)，機(jī)床坐標(biāo)和探針頭的殘余撓度（掃面數(shù)字化單元）傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。在高速移動(dòng)式的測(cè)頭的預(yù)偏轉(zhuǎn)量在探測(cè)方向。這樣可以確保測(cè)頭停在其規(guī)定的偏轉(zhuǎn)范圍內(nèi)以防止過接觸或碰撞。與觸發(fā)式探針最主要的區(qū)別是模擬探針的測(cè)量是靜態(tài)的進(jìn)而可以大幅度的增加測(cè)量精度。模擬探針的運(yùn)行有兩種狀態(tài)：自由浮動(dòng)模式（同時(shí)在三個(gè)軸工作），非測(cè)量軸被固定的固定模式。圖4模擬探針頭4.探測(cè)系統(tǒng)概述模擬式測(cè)頭和觸

11、發(fā)式測(cè)頭都有一個(gè)用作與被測(cè)工件接觸的探針。為獲得精確測(cè)量所需要的測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量在很大程度上取決于操作者技能和經(jīng)驗(yàn)。使用者在這方面所需的指導(dǎo)在英國國家物理實(shí)驗(yàn)所（NPL）規(guī)范實(shí)踐指導(dǎo)41頁中坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量策略中講解。使用者在測(cè)量前所需要考慮的關(guān)鍵因素將在下文進(jìn)行總結(jié)。4.1 工件的相關(guān)注意事項(xiàng)對(duì)于選定工件的測(cè)量程序需要進(jìn)行確定。很明顯需要注意的一點(diǎn)是坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的工作包絡(luò)空間應(yīng)該足夠大以容納被測(cè)工件，而且還應(yīng)該有足夠的自由空間允許探針在工件表面進(jìn)行沒有碰撞危險(xiǎn)的運(yùn)動(dòng)。探針必須能夠到達(dá)所有被測(cè)特征表面的能力。同時(shí)還應(yīng)該考慮到測(cè)量目標(biāo)所需要的測(cè)量不確定度（通常為最小制圖公差的20%）。如果制圖公差沒有

12、要求，那就沒有必要達(dá)到最精確的測(cè)量結(jié)果。4.2 探測(cè)系統(tǒng)的選擇典型的探測(cè)系統(tǒng)包含四部分：測(cè)頭，測(cè)頭擴(kuò)展部，探針調(diào)整或擴(kuò)展部，探針。4.2.1 可用的測(cè)頭類型包括鉸接，非鉸接以及手動(dòng)或機(jī)動(dòng)。手動(dòng)鉸接測(cè)頭需要使用者的干預(yù)，這樣需要在結(jié)合點(diǎn)處暫停部件程序，進(jìn)而會(huì)增加計(jì)算機(jī)直接控制的測(cè)量時(shí)間，并影響測(cè)量的精確度。測(cè)頭的選擇應(yīng)該考慮目標(biāo)精確度。第五部分將詳細(xì)介紹測(cè)頭。4.2.2 測(cè)頭擴(kuò)展部測(cè)頭擴(kuò)展部的選擇取決于所需要的測(cè)量類型，測(cè)量精度，所使用的探針的質(zhì)量和長度和探針連接部位的剛度。測(cè)頭擴(kuò)展部位于測(cè)頭和接觸觸發(fā)器之間。測(cè)頭擴(kuò)展部在第六部分詳細(xì)介紹。4.2.3 探針擴(kuò)展選擇探針擴(kuò)展和適配器可以使測(cè)量幫助測(cè)

13、頭探測(cè)難以到達(dá)的地方。所用的部件包括轉(zhuǎn)向節(jié)，五路探針中心，簡(jiǎn)單擴(kuò)展以及可以允許探針連接不同螺紋尺寸的M3/M2和M5/M4適配器。必須注意的是如果所使用的探針比螺紋尺寸小會(huì)導(dǎo)致探針的剛度不足降低測(cè)量精度。使用比測(cè)頭螺紋尺寸大的探針容易引起觸頭的錯(cuò)誤觸發(fā)。探針擴(kuò)展部將在第七節(jié)中詳細(xì)介紹。4.2.4 探針的選擇對(duì)于探針的選擇主要需要考慮兩點(diǎn)，即滿足探針接觸的要求，對(duì)于工件上所有點(diǎn)的測(cè)量沒有干涉，在接觸點(diǎn)保持可重復(fù)性。探針的選擇在第八部分將做詳細(xì)介紹。4.3 探測(cè)系統(tǒng)的條件為了保持精度，需要對(duì)探針組合進(jìn)行“校準(zhǔn)”。這涉及到確定探針半徑，以及每個(gè)探針之間的距離。這通常是通過將限制每個(gè)探針到校準(zhǔn)參考范圍

14、實(shí)現(xiàn)的。軟件然后確定探球尖端的直徑以及它們之間的距離。探針/探球的條件將在第十部分詳細(xì)介紹。5. 探測(cè)頭的選擇測(cè)頭的選擇需要考慮很多因素主要有以下：l 探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度必須與坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的控制器兼容。l 在一個(gè)完整的測(cè)量過程中盡可能使用同一個(gè)探針。l 探測(cè)器本身應(yīng)該能夠兼容所有被應(yīng)用的探針。在手動(dòng)操作中，觸摸式測(cè)頭可能會(huì)受到意外的碰撞，因此當(dāng)探針將要接觸到工件時(shí)，使用者將要改變探針的速度和力度，但這也可能會(huì)導(dǎo)致過行程。為了避免損壞，手動(dòng)操作測(cè)頭的觸發(fā)機(jī)制設(shè)計(jì)必須比計(jì)算機(jī)直接控制的探測(cè)裝置更加堅(jiān)固。測(cè)頭的選擇也會(huì)顯著影響系統(tǒng)的整體性能。為了滿足所有的測(cè)量要求，在測(cè)頭選擇的時(shí)候可能會(huì)作出妥協(xié)。例如

15、一個(gè)測(cè)頭，當(dāng)配合一個(gè)擁有比較大的測(cè)量力但比較沉重的探針時(shí)，探針的響應(yīng)速速會(huì)減慢。同樣，在選擇測(cè)頭的時(shí)候，操作者應(yīng)該意識(shí)到更加敏感的探針需要一個(gè)更好的操作環(huán)境。最好的結(jié)果是使用者應(yīng)該檢測(cè)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境溫度，同時(shí)和在使用的指定的特定的測(cè)頭相比較。除了在靈敏度和熱操作環(huán)境之間權(quán)衡考慮測(cè)頭的重量外，使用者還應(yīng)該考慮是否使用鉸接或非鉸接頭，是否應(yīng)該是自動(dòng)還是手動(dòng)的。讀者還應(yīng)該對(duì)ISO 10360-5：2000 幾何產(chǎn)品規(guī)范坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）的驗(yàn)收批準(zhǔn)執(zhí)行測(cè)試條例第五部分有所了解。5.1 非鉸接探針頭非鉸接探針頭只允許一個(gè)固定測(cè)頭方向例如：垂直向下。這種測(cè)頭被廣泛應(yīng)用于測(cè)量特性加工或被沖壓成扁平的金屬板，或

16、任何只需要一個(gè)垂直向下測(cè)頭可以測(cè)量的零件。它們可以被應(yīng)用與手動(dòng)控制或直接計(jì)算機(jī)控制的機(jī)器。5.2 鉸接式探測(cè)系統(tǒng)鉸接式探測(cè)系統(tǒng)（如圖5）可以使操作者能夠探測(cè)許多不同的方向。鉸接式測(cè)頭可以控制探測(cè)點(diǎn)的方向。A軸控制在垂直平面內(nèi)的仰角度數(shù)，B軸控制在水平平面內(nèi)探測(cè)點(diǎn)的方向。這些角度的增量通常是15度或7.5度。這種類型的測(cè)頭允許工件的背面或側(cè)面以及具有傾斜角度特征的點(diǎn)。鉸接式探測(cè)系統(tǒng)通常可以分為兩類：手動(dòng)和電動(dòng)的。每一個(gè)鉸鏈?zhǔn)教綔y(cè)頭都有一個(gè)最大允許伸長量。如果需要測(cè)量一個(gè)深孔內(nèi)部，使用者需要確保所使用的測(cè)頭可以伸長到所需的長度。手動(dòng)鉸鏈探測(cè)系統(tǒng)需要用戶干預(yù)移動(dòng)探針到達(dá)所需要的方向。這種類型的探針可

17、以被用在手動(dòng)機(jī)械或計(jì)算機(jī)直接控制機(jī)械上；但是在計(jì)算機(jī)直接控制的設(shè)備上，程序會(huì)在每個(gè)程序探測(cè)定向點(diǎn)處停止，等待使用者確定測(cè)頭方向。圖5英國PH1類型和PH5類型探測(cè)頭使用手動(dòng)鉸鏈探測(cè)系統(tǒng)，一旦所需的位置被確定，新的探針位置需要與參考球進(jìn)行校準(zhǔn)才能確定。需要指出的是，當(dāng)操作者對(duì)測(cè)頭進(jìn)行定位時(shí)，由操作者產(chǎn)生的熱可能通過觸碰探針引起探針的膨脹導(dǎo)致測(cè)量的結(jié)果出現(xiàn)偏差。使用一些類型的手動(dòng)鉸鏈探測(cè)系統(tǒng)時(shí)，在探針位置發(fā)生多次改變后重新通過參考球獲得資質(zhì)。在測(cè)量的過程中，在測(cè)頭使用以前獲得的資質(zhì)點(diǎn)時(shí)，在沒有進(jìn)一步與參考球?qū)Ρ染瓦M(jìn)行測(cè)量時(shí)，測(cè)頭可能會(huì)被操作者重新定位。其它一些手動(dòng)鉸鏈探測(cè)系統(tǒng)，在測(cè)頭每一次重新定位

18、時(shí)，需要通過直接使用參考球獲得重新獲得資質(zhì)。在使用這種類型的測(cè)頭時(shí)，需要特別注意的是由于擔(dān)心出現(xiàn)資質(zhì)誤差進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量誤差，參考球在進(jìn)行獲取資質(zhì)時(shí)不能移動(dòng)。自動(dòng)或機(jī)動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)（圖六）可以通過零件測(cè)量程序自動(dòng)地改變測(cè)頭角度。因此復(fù)雜的零件測(cè)量程序可以在完全無人干預(yù)的情況下改變測(cè)頭的角度。這些測(cè)頭只能使用在自動(dòng)化的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上。在手動(dòng)鉸鏈探測(cè)程序所需的資質(zhì)審查流程也同樣適用于自動(dòng)或機(jī)動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)中。如果操作者使用的是計(jì)算機(jī)直接控制測(cè)量機(jī)，那么只需要偶爾的按照手動(dòng)鉸鏈測(cè)頭調(diào)節(jié)知道調(diào)整測(cè)頭鏈接。然而，如果測(cè)量流程需要定期的調(diào)整探測(cè)角度，那么使用自動(dòng)鉸接測(cè)頭就是必須的。這樣可以使使操作者借助零件測(cè)量程序避免

19、在設(shè)備測(cè)量周期中不斷地暫停調(diào)整手動(dòng)測(cè)頭的方向。如果操作者站在零件程序測(cè)量周期中站在機(jī)器旁邊頻繁地改變測(cè)頭方向，那么零件測(cè)量程序的優(yōu)點(diǎn)將無法展現(xiàn)。圖6英國PH10M可轉(zhuǎn)位電動(dòng)頭5.3 改進(jìn)測(cè)頭/探針測(cè)頭的精度取決于觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。應(yīng)變式觸發(fā)測(cè)頭比簡(jiǎn)單的觸發(fā)式測(cè)頭設(shè)計(jì)具有更高的精確度，特別是當(dāng)使用長探針時(shí)，這種對(duì)比更加明顯。需要考慮到系統(tǒng)在局部程序內(nèi)應(yīng)該具有自動(dòng)改變探針尖端的能力。由于這些測(cè)頭的探針平時(shí)總是被擰松脫離探測(cè)器，所以在每次使用前都需要對(duì)探針進(jìn)行重新校準(zhǔn)。一些探針模塊是通過磁力連接到探針上的。這些模塊可以通過手工操作或模塊改變機(jī)架被移動(dòng)或取代。為了保持精度，建議在探針模塊被改變后，在下一

20、步測(cè)量進(jìn)行之前，需要對(duì)探針進(jìn)行重新校準(zhǔn)。如果在最近一次校準(zhǔn)后，房間內(nèi)的溫度發(fā)生改變，更需要對(duì)探針進(jìn)行重新校準(zhǔn)。使用自動(dòng)更換裝置（如圖7）允許探針尖端在沒有操作人員的干預(yù)下在內(nèi)部程序控制下自動(dòng)更換。圖7自動(dòng)更換架6. 探針加長桿使用者應(yīng)該確保探針擴(kuò)展的長度被保持在最低限度。但同時(shí)也應(yīng)該確保在整個(gè)測(cè)量過程探針的長度能夠滿足探針接觸到所需測(cè)量的工具表面。測(cè)頭和配件的制造商一般會(huì)給出探針的最大推薦擴(kuò)展長度。使用超出這些長度的擴(kuò)展會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)頭的測(cè)量準(zhǔn)確性和重復(fù)性。例如英國產(chǎn)的電動(dòng)探測(cè)頭PH9的最大加長桿長度為200毫米。7. 探針加長桿，接頭和適配器的選擇使用接頭，適配器以及探針加長桿可以方便地測(cè)量一

21、些難以測(cè)量的表面特征。探針適配器（如圖8）可以在探針能夠接觸表面的前提下幫助探針測(cè)量一些角度特征。它可以定位在垂直面或水平面上。當(dāng)測(cè)頭不能正確定位探針時(shí)，可以參考本書附件。圖8探針關(guān)節(jié)探針適配器（圖9）可以允許在觸發(fā)式測(cè)頭上使用所有類型的探針。但使用者應(yīng)該意識(shí)到一點(diǎn)如：M2螺紋的探針連接到M3螺紋的測(cè)頭上時(shí)由于會(huì)減少探針的剛度進(jìn)而導(dǎo)致探針的精確度降低。同樣，使用一個(gè)大尺寸的探針連接到一個(gè)小尺寸的探針上時(shí)，可能會(huì)引起探針錯(cuò)誤的觸發(fā)。圖9探針適配器探針加長桿（圖10）可以增加探測(cè)范圍通過延長由測(cè)頭到探針的距離。使用探針加長桿時(shí)，由于會(huì)降低探針的剛度同時(shí)增加探針對(duì)溫度變化的敏感性，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致探測(cè)精度

22、的降低。鋼制探針每增加100毫米時(shí)，環(huán)境溫度每變化1攝氏度時(shí)，探針的長度變化量會(huì)因此增加0.001毫米。圖10探針加長桿對(duì)于任何類型的適配器，確保在測(cè)量過程中所有的連接都緊固是最重要的。8. 探針類型的選擇探針尖端直接與工件接觸，它們一般是由合成單結(jié)晶高度球形的工業(yè)紅寶石（Al2O3）安裝在軸端。紅寶石是一種很硬的陶瓷材料以確保觸球的磨損最小。有許多不同類型以及不同尺寸的紅寶石以滿足不同的應(yīng)用；安裝在探針上的軸通常使用的是無磁不銹鋼材，陶瓷碳纖維或碳化鎢。紅寶石球探針適用于大多數(shù)的探測(cè)應(yīng)用。為了盡可能的增加測(cè)量精度，使用者應(yīng)該遵循以下原則：l 保持簡(jiǎn)單l 使用短且剛度大的探針l 盡可能使用所提

23、供的最大球作為尖端l 檢查確保探針尖端沒有松動(dòng)l 保持整潔l 使用最適合類型的探針8.1 保持簡(jiǎn)單為了保證測(cè)量精度，使用者應(yīng)該保持探針系統(tǒng)盡可能的簡(jiǎn)單，單一的直探針通常會(huì)比接有彎頭和接頭的探針具有更好的性能。因此，只要可能，使用者應(yīng)該選擇只有一個(gè)而不是復(fù)合探針的索引測(cè)頭。8.2 短而硬 確保探針是短而硬的，大的探針彎曲量會(huì)降低測(cè)量精度。但如果為了測(cè)量一個(gè)特殊的任務(wù)，在不得已的情況下必須使用一個(gè)長的探針或加長桿，但還是有必要使用一個(gè)高精度的測(cè)頭。在這種情況下，使用者應(yīng)該首先應(yīng)該在一個(gè)已知尺寸的樣品上做一個(gè)測(cè)驗(yàn)以驗(yàn)證是否達(dá)到規(guī)定的性能要求。在ISO 10360-5：2000幾何產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范（GPS

24、）附件驗(yàn)收-坐標(biāo)測(cè)量機(jī)復(fù)檢實(shí)驗(yàn)第5部分：使用復(fù)合探測(cè)系統(tǒng)的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中會(huì)給出詳細(xì)的信息。8.3 大球尖端探針尖端的直徑應(yīng)該盡可能的大。使用大球的表面完成測(cè)量可以減少由于測(cè)量所帶來的影響，而且由于會(huì)有更大的球/桿間隙，可以增大探針的靈活性。所能使用的最大探球直徑是由所測(cè)量的小孔的最小直徑?jīng)Q定的，每一個(gè)探針都有一個(gè)有效的工作長度（EWL）。圖11有效工作長度8.4 檢查觸頭尖端探針尖端可能會(huì)出現(xiàn)工作松動(dòng)。特別是在探針與工件發(fā)生碰撞的時(shí)候。在任何測(cè)量之前檢查探針尖端與對(duì)應(yīng)軸的連接是否緊固。一個(gè)松動(dòng)的尖端會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的不準(zhǔn)確，以及變動(dòng)的結(jié)果，糟糕的數(shù)據(jù)條件。同時(shí)如果尖端脫落也會(huì)導(dǎo)致工件損壞。8.5

25、保持清潔探針尖端應(yīng)該定期清洗。將尖端整夜懸掛在機(jī)器上會(huì)不可避免的沾染灰塵。即使在一個(gè)清潔的環(huán)境中，探針尖端任然可能從一些衣服類的纖維上沾染灰塵。探針還可能從以前測(cè)量過的沒有被合理清理的元件上沾染灰塵。在校準(zhǔn)之前用一個(gè)細(xì)刷清理尖端，并用指紋檢查是否清理干凈。在校準(zhǔn)探針之前，所有的痕跡和灰塵都應(yīng)該清理干凈。如果是類似車間之類的工作環(huán)境，則還需要進(jìn)行額外的清洗。8.6 探針尖端的類型8.6.1 星狀探針對(duì)于測(cè)量孔的直徑，咬邊，凹槽以及同心度等，應(yīng)該使用星狀探針（如圖12）。星狀探針也可用于檢查一些內(nèi)部特征點(diǎn)如孔內(nèi)的棱以及槽等。這種類型的探針由于其多探針的探測(cè)能力可以最大限度的減少探針的移動(dòng)量。圖12

26、 星狀探針8.6.2 圓盤形探針當(dāng)所要測(cè)量的特征由于太小導(dǎo)致星狀探針無法測(cè)量時(shí)，可以考慮使用盤狀探針（圖13）。一個(gè)最基本的盤狀探針只需要一個(gè)水平方向的環(huán)狀直徑計(jì)，但這只限制了對(duì)X軸和Y軸方向的探測(cè)。這種圓盤的邊緣是一種球形的形狀，由于只有球面的一小區(qū)域可以接觸，這種薄盤需要謹(jǐn)慎的校準(zhǔn)角度以確保盤表面與被測(cè)特征表面可以正確的接觸。圖13盤形探針8.6.3 其他特殊類型的探針特殊類型的探針可用于一些不適合用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量的應(yīng)用。不同直徑的圓筒形探針（圖14）可用于測(cè)量螺紋，定位中心孔和金屬板上的平洞。圖14 柱形探針探測(cè)螺紋和薄片一個(gè)大的空心陶瓷球（圖15）可用于探測(cè)深部特征的X,Y,Z方向。利用大直

27、徑球測(cè)量可以平均一些粗糙度的影響。圖15陶瓷空心球探針尖端類型的探針（圖16）是用來檢測(cè)點(diǎn)，劃線，和螺線深度。使用這種圓尖端類型的探針可以獲得更高的精度以及更多的表面特征，而且這種探針還可以檢測(cè)小孔的位置。圖16指針探針一個(gè)探針中心（圖17）可以允許探測(cè)靈活性達(dá)到最大，使用一個(gè)最多可以裝有五個(gè)探針的測(cè)頭，可以根據(jù)用戶的要求進(jìn)行配置。不同的尺寸的中心塊都是可用的，每一個(gè)探針根據(jù)要求可以有不同的長度，頂圓直徑。使用者應(yīng)該特別小心確保每個(gè)探針的質(zhì)量不能過重以免因重量太大破壞測(cè)頭機(jī)構(gòu)處的平衡。這種類型的探針可以通過避免在測(cè)量循環(huán)中改變探針，進(jìn)而縮短測(cè)量循環(huán)周期。圖17五孔針中心9. 接觸式探針的操作9

28、.1 接觸力機(jī)械運(yùn)動(dòng)觸發(fā)式測(cè)頭的探測(cè)力可以通過旋轉(zhuǎn)測(cè)頭主體處的壓縮彈簧端的螺桿螺絲釘進(jìn)行調(diào)整。這樣的調(diào)整是非常重要的，由于測(cè)量誤差是隨探測(cè)力的減少成線性關(guān)系的。然而，探測(cè)力也不能太小以避免誤觸發(fā)的發(fā)生。如果進(jìn)行了這種性質(zhì)的調(diào)整，那么還需要對(duì)測(cè)頭和觸筆進(jìn)行重新校準(zhǔn)。對(duì)于某些類型的測(cè)頭，改變探針的長度或使用加長桿都將改變引發(fā)測(cè)頭觸發(fā)所需的觸發(fā)力。這是由于杠桿效應(yīng)。探針越短，所需的觸發(fā)力就越大。探測(cè)系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家提供了一種克力計(jì)（圖18）用于調(diào)整、設(shè)置、以及檢驗(yàn)測(cè)頭的觸發(fā)力。正確使用力計(jì)設(shè)置最佳的觸發(fā)力可以使測(cè)頭的性能達(dá)到最佳。這種類型的力計(jì)可以用來設(shè)置從4克到35克之間的觸發(fā)力，設(shè)置間隔在1克間，

29、這足夠用于所有類型探針觸發(fā)力的設(shè)置。探針的制造者通常會(huì)針對(duì)不同類型的探針與探針長度組合指定最佳的觸發(fā)力。圖18克計(jì)儀9.2 逼近速度在測(cè)量中，使用緩慢逼近的速度可以確保較高的精度；對(duì)于所有測(cè)量使用同樣的方法速度可以確保高精度讀數(shù)。這種緩慢逼近的速度通常是在機(jī)器軟件系統(tǒng)的控制下進(jìn)行的，使用者是不能隨意進(jìn)行調(diào)整的。我們強(qiáng)烈推薦在測(cè)量過程中使用的逼近速度應(yīng)該與探針校準(zhǔn)過程中使用的逼近速度一致，這樣測(cè)量過程中的逼近力和方向與探針校準(zhǔn)過程保持一致。9.3 工件變形探針與工件之間接觸點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生力。如果被測(cè)原件不是很堅(jiān)固，那么在測(cè)量過程中很容易引起工件的變形，這時(shí)應(yīng)該考慮使用非接觸式探針。典型的非接觸探測(cè)技

30、術(shù)如：視頻或激光技術(shù)（詳見第14部分）一些坐標(biāo)測(cè)量軟件具有特殊的測(cè)力外推功能。在測(cè)量的過程中，同時(shí)會(huì)測(cè)量測(cè)量力的大小，最終的結(jié)果是將測(cè)量力外推到零時(shí)的值。這種測(cè)量軟件適用于測(cè)量彈性工件。9.4 清潔保持工作區(qū)域的清潔是非常重要的。接觸點(diǎn)處的切屑、灰塵和污物都會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的不準(zhǔn)確，并且還可能導(dǎo)致探針尖部的磨損。因此，在測(cè)量之前確保工件和探針尖部的清潔是非常重要的。探針尖部應(yīng)該用干凈的軟毛刷或無絨布清洗。.保持參考球的整潔也是非常重要的。同樣可以使用軟毛刷或無塵布對(duì)參考球進(jìn)行清洗。被測(cè)原件也應(yīng)該用合適的溶劑進(jìn)行清洗以除去油、油脂、污垢和指紋等痕跡。9.5 探針軸接觸在坐標(biāo)測(cè)量軟件的編程中，需要補(bǔ)

31、償探針的直徑，如果探針軸而不是探針尖端接觸到工件表面，那么一個(gè)不準(zhǔn)確的讀數(shù)將會(huì)被記錄。因此在編程測(cè)量程序時(shí)，進(jìn)行預(yù)測(cè)量以確保探針軸不會(huì)與工具發(fā)生碰撞是非常重要的（圖19）。圖19探針接觸而不是探針軸接觸9.6 總結(jié)l 用克力計(jì)檢測(cè)使用一個(gè)合適的觸發(fā)力l 使用最合適的逼近速度l 保持探針尖端和校準(zhǔn)球的干凈l 檢查探針軸以其確保不會(huì)與工件接觸10. 探測(cè)系統(tǒng)的校準(zhǔn)最常見的觸發(fā)式測(cè)頭是基于機(jī)械動(dòng)態(tài)觸發(fā)機(jī)制。接觸式觸發(fā)測(cè)頭所受到的系統(tǒng)誤差取決于測(cè)頭逼近的方向。這些誤差可以被坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的制造者在軟件中進(jìn)行修正。利用NIST實(shí)施軟件修正的方法的詳細(xì)信息具體參閱： NIST模式助推坐標(biāo)測(cè)量機(jī)精度。一旦探測(cè)系

32、統(tǒng)確定后，由于所有探針必須糾正探針尖部的直徑，因此需要對(duì)它利用參考球或其他已知的標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行校準(zhǔn)。也可以使用量規(guī)和平面設(shè)置環(huán)對(duì)測(cè)頭進(jìn)行校準(zhǔn)。然而，當(dāng)考慮到需要對(duì)所有的探測(cè)方向進(jìn)行校準(zhǔn)，參考球就是最佳的選擇。校準(zhǔn)涉及到確定探針頂部的直徑以及他們之間的距離。這將相當(dāng)于創(chuàng)造了一個(gè)假想的零間距的探測(cè)球可以有效地探測(cè)任何點(diǎn)。需要注意的是探針球的有效直徑總是比它實(shí)際的尺寸小，當(dāng)考慮到它需要插入到一個(gè)彎曲的軸端時(shí)。正確使用參考球以及及時(shí)將最新的標(biāo)準(zhǔn)尺寸輸入到程序是非常重要的。保證探針頂端以及標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件的絕對(duì)清潔也是至關(guān)重要的。即使最小的粉塵量也會(huì)導(dǎo)致不正確的校準(zhǔn)。無論是探針還是參考球都應(yīng)該使用軟毛刷清潔。利用

33、放大鏡檢查參考球上的指紋或灰塵跡象。任何雜塵都必須清除。為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確和一致的測(cè)量，使用者應(yīng)該應(yīng)該盡可能保持測(cè)量時(shí)的環(huán)境條件與探測(cè)系統(tǒng)在認(rèn)證期間的條件一致。例如，探針逼近被測(cè)工件的方向應(yīng)該與校準(zhǔn)時(shí)逼近的方向盡可能的一致。對(duì)于每個(gè)探針的校準(zhǔn)，建議采集2550個(gè)點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)。圖20探針校準(zhǔn)盡管對(duì)探針進(jìn)行非常認(rèn)真的校準(zhǔn)不會(huì)直接減少探針設(shè)計(jì)固有的誤差，但這樣仍可以有助于提高測(cè)量的精確度。例如，當(dāng)需要測(cè)量?jī)蓚€(gè)球之間的距離時(shí)，兩個(gè)球體中心之間距離的計(jì)算不受探針尖部直徑誤差的任何影響。但是當(dāng)測(cè)量一些特征尺寸如兩個(gè)面之間的長度或一個(gè)孔直徑時(shí)，探針尖部的半徑誤差會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，這是因?yàn)樗怯迷诔叽缣卣鞯挠?jì)算。

34、通過增加探針尖部校準(zhǔn)時(shí)點(diǎn)的數(shù)量，會(huì)導(dǎo)致探針尖部的測(cè)量更加準(zhǔn)確。為了保持提高校準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，被測(cè)工件的特征點(diǎn)的數(shù)量也應(yīng)該增加。如前所述，每一個(gè)探針的校準(zhǔn)需要使用25-50個(gè)點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)。我們建議對(duì)于直徑較小的探針直徑應(yīng)該使用較小的參考球，例如對(duì)于校準(zhǔn)直徑為1毫米的尖部應(yīng)該使用直徑為8毫米的參考球。使用者應(yīng)該明白如果有多個(gè)參考球可用，那么軟件中所涉及的直徑值應(yīng)該是正在使用的參考球。通常使用者常犯的一個(gè)錯(cuò)誤是將正在使用的參考球的直徑的值輸錯(cuò)。如果出現(xiàn)這種情況，那么校準(zhǔn)的結(jié)果將會(huì)不準(zhǔn)確。還應(yīng)當(dāng)指出，如果一臺(tái)機(jī)器已經(jīng)按照ISO 10360：2驗(yàn)證完畢，那么在測(cè)量過程中所進(jìn)行的驗(yàn)證所使用的參考球應(yīng)該與驗(yàn)證測(cè)試中

35、所使用的參考球?yàn)橥粋€(gè)球。最好是無論什么時(shí)候都盡可能使用買設(shè)備時(shí)所提供的參考球。書面所記錄的關(guān)于探針的校驗(yàn)常數(shù)應(yīng)該保存以備以后參考。如果經(jīng)常使用同一個(gè)探針，那么應(yīng)該定期檢測(cè)這個(gè)探針的規(guī)格參數(shù)是否發(fā)生變化。至少應(yīng)該記錄探針的有效直徑。一些坐標(biāo)測(cè)量軟件提供了探測(cè)點(diǎn)與真實(shí)球的偏差指標(biāo)。使用者應(yīng)該檢查這些偏差是否在正常的預(yù)期范圍內(nèi)。需要注意的是如果探針校準(zhǔn)出行偏差，那么以后所有的測(cè)量結(jié)果都將不正確直到下一次正確的校準(zhǔn)為止。同時(shí)需要考慮以下問題：探針是否輸出正常的結(jié)果，如果沒有，這個(gè)值為什么發(fā)生了改變？如果校驗(yàn)結(jié)果發(fā)生了明顯的改變，那么使用者應(yīng)該采取行動(dòng)調(diào)查原因。確保探針和參考球是干凈的，輸入電腦的參考

36、球的直徑值應(yīng)該與正在使用的參考球相一致，測(cè)量步驟也應(yīng)該與以前所使用的一致。測(cè)量已知制品的尺寸如量塊或平面設(shè)置環(huán)是對(duì)探測(cè)系統(tǒng)的又一種校驗(yàn)。如果量塊的實(shí)際尺寸與你所測(cè)量的結(jié)果出現(xiàn)的偏差超過了不確定度，那么需要對(duì)探針進(jìn)行重新校準(zhǔn)以及從新檢查?？偨Y(jié)探針校驗(yàn)過程中的關(guān)鍵步驟：l 保持探針以及參考球的干凈l 檢查輸入軟件的參考球的直徑值是否正確l 測(cè)量工件所使用的探測(cè)步驟應(yīng)該與校準(zhǔn)探針時(shí)的步驟一致，如果可以，使用自動(dòng)校準(zhǔn)例程。l 檢查所有的測(cè)量值將他們打印出來l 與歷史數(shù)據(jù)對(duì)比檢查l 在測(cè)量工件之前先測(cè)量一個(gè)量具進(jìn)行校驗(yàn)11. 工件測(cè)量一個(gè)加工后的工件是一些列標(biāo)準(zhǔn)形狀的結(jié)合體如平面、圓、直線、圓柱體、圓錐

37、體和球體等。這些幾何特征可以被一定數(shù)量的點(diǎn)定義。這些點(diǎn)的數(shù)量以及位置的選取是非常重要的。在本手冊(cè)后邊將會(huì)介紹測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量以及位置選取的指導(dǎo)。12. 測(cè)量不確定度的來源12.1 探針軸的彈性變形探針軸實(shí)際上是一個(gè)一段內(nèi)置于探針上另一端受到探針頂部力作用的懸臂梁。這個(gè)測(cè)量觸發(fā)力會(huì)導(dǎo)致探針軸的應(yīng)變，進(jìn)而導(dǎo)致軸的彎曲。因此軸的選取需要特別注意。12.1.1 粗探針探針軸的彎曲量與軸的直徑的四次方成反比。因此將探針軸的直徑增大為原來的兩倍，可以將相關(guān)測(cè)量誤差減少為原來的十六分之一。因此建議盡量使用最大的探球直徑這樣可以允許使用更大的探針軸以進(jìn)入探球的內(nèi)部。12.1.2 短探針動(dòng)態(tài)觸發(fā)式接觸測(cè)頭的誤差與探

38、針長度的平方成正比。（探針彎曲量是隨長度的增加而增加，但所學(xué)的觸發(fā)力是探針的長度成線性增加，因此產(chǎn)生二次效應(yīng)）這種假設(shè)是在探針軸具有相同的橫截面積情況下。使用者應(yīng)該選擇的探針長度只要僅夠測(cè)量工件即可。在能夠探測(cè)所有你所需要測(cè)量的形狀特征的前提下盡量選擇最短的探針。如果有可能把探針長度減少一半，那么探測(cè)誤差也會(huì)減少四分之一。12.1.3 探針材料的剛度一個(gè)有剛性材料制成的探針將可以有效抵抗彎曲；剛度值增加一部，探針的彎曲也會(huì)減少一半。但是由于剛性材料具有更高的密度，會(huì)導(dǎo)致探針的質(zhì)量增加。但這會(huì)在坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)頭運(yùn)動(dòng)的加速階段會(huì)由于探針的慣性運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致探針的誤觸發(fā)。因此探針制造商采取折中的方法選用一些

39、特殊剛度的材料（表1），這是材料的彈性模量與密度的比值表。表1 典型材料的剛度性能典型材料的剛度性能不銹鋼石墨硬質(zhì)合金陶瓷剛度200100600380單位剛度25544095由上表可知，硬質(zhì)合金的剛度雖然很高但它的單位剛度很低，因?yàn)樗拿芏群芨?。陶瓷卻又很高的單位剛度因?yàn)樗粌H輕而且剛度大。最好的材料（沒有在表中出現(xiàn)）是碳化纖維，因?yàn)樗忍沾筛p且剛度更高。但碳化纖維的缺點(diǎn)是它所制成的軸徑必須大于3毫米。鋼是最差的材料，它不僅密度大而且對(duì)與長探針來說剛度不夠。12.1.4 實(shí)驗(yàn)上述對(duì)測(cè)量的影響因素很難被關(guān)系式量化。但它們可以通過如下的實(shí)驗(yàn)測(cè)定：安裝一個(gè)已知的尺寸的標(biāo)準(zhǔn)件如量塊或平面設(shè)置環(huán)。使用

40、平時(shí)常用的探針和測(cè)頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量。檢查測(cè)量尺寸大小的變化量，對(duì)于環(huán)規(guī)，檢查中心位置的變化量。用每一個(gè)探針測(cè)量的尺寸與已知尺寸對(duì)比可以給使用者每個(gè)探針相關(guān)的測(cè)量誤差指標(biāo)。12.2 測(cè)量流程任何類型的探測(cè)系統(tǒng)的性能特點(diǎn)都會(huì)受到使用者所采取的測(cè)量流程的影響。例如，儀器的動(dòng)態(tài)誤差取決于探測(cè)方向、探測(cè)速度、距離以及加速度值等特性。以下所列的參數(shù)是根據(jù)它們能對(duì)使用觸發(fā)式測(cè)頭的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的影響的參數(shù)。l 探針軸的長度l 探針軸的橫截面積l 逼近表面的距離l 逼近表面的速度l 逼近表面的方向l 探針軸的安裝l 工件的方向l 工件的位置l 測(cè)量時(shí)的探測(cè)力l 測(cè)頭中返程彈簧的壓力l 探針軸的機(jī)械性能l 探針尖部的

41、形狀（球面）l 接觸條件（特別是污垢）F M M Chan (1997)的文章“多軸觸發(fā)式測(cè)頭的性能特點(diǎn)”中對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的研究和報(bào)告。這些影響參數(shù)也適用于模擬測(cè)頭。下文是一些研究總結(jié)。12.2.1 探針長度和軸頸的影響對(duì)不同長度和直徑的探針的測(cè)試結(jié)果表明無論什么時(shí)候測(cè)量都應(yīng)盡量避免使用長探針。使用長探針會(huì)發(fā)現(xiàn)其在與工件表面接觸時(shí)的彎曲量比短探針更大。當(dāng)使用長探針在水平位置中使用時(shí)會(huì)有一個(gè)額外的彎曲位移（重力垂度）會(huì)引起探針和探測(cè)機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步彎曲。當(dāng)使用者必須利用長探針測(cè)量深孔時(shí)，用戶也必須意識(shí)到這樣會(huì)產(chǎn)生潛在的誤差。小截面的探針軸面（取決于探求的大?。┩鶗?huì)受到工件表面缺陷的影響。如果

42、所使用的探針尖部的直徑小于工件加工時(shí)所使用的刀具的提要，那么會(huì)產(chǎn)生比較大的測(cè)量讀數(shù)結(jié)果。同樣，如果當(dāng)使用的小直徑觸球的的直徑只是比探針徑稍大一點(diǎn)，那么將存在探針軸比尖部小球率先接觸到工件表面的風(fēng)險(xiǎn)。12.2.2 逼近方向的影響測(cè)量圓形特征有三種可選的逼近方法：徑向、圓形和鋸齒形。圖21測(cè)頭運(yùn)動(dòng)模式的選擇所有的逼近類型在測(cè)試的時(shí)候都進(jìn)行了順時(shí)針和逆時(shí)針方向的測(cè)試。使用鋸齒形圖案所獲得的結(jié)果表明無論是在順時(shí)針和逆時(shí)針方向，都會(huì)有相當(dāng)大的變異性，而且這種模式所產(chǎn)生的變異性均比徑向和圓形的大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明當(dāng)測(cè)量圓形圖案時(shí)，徑向和圓形逼近方式在性能上沒有區(qū)別。但是，當(dāng)進(jìn)行大量的測(cè)試時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)徑向逼近

43、和圓形逼近還是有很明顯的差別。同時(shí)該結(jié)果還證實(shí)了徑向逼近是最佳的測(cè)量路徑。12.2.3 逼近距離的影響為了確定逼近距離的影響，進(jìn)行一系列不同距離的測(cè)試。逼近距離是指在接觸到工件表面之前瞬時(shí)速度由快到慢的變化之間的跨度。坐標(biāo)測(cè)量機(jī)受到震動(dòng)量的激發(fā)（加速度與波動(dòng)力）因此在速度變化之后會(huì)需求一個(gè)設(shè)置周期。這個(gè)安置周期通常是由坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的制造者指定的。較大的逼近距離可以得到較小的位置變化，這是因?yàn)檫@樣可以允許測(cè)頭達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。這樣可以在測(cè)頭觸發(fā)之前使機(jī)械振動(dòng)衰減。例如使用24毫米的逼近距離比使用6毫米的逼近距離的誤差會(huì)減少一半。在實(shí)踐中必須在測(cè)量精度和測(cè)量速度之間做出妥協(xié)。因此再次建議使用者進(jìn)行試

44、驗(yàn)以確定適合最適合的逼近距離以及測(cè)量設(shè)置。12.2.4 測(cè)量速度的影響通過對(duì)一個(gè)原件使用進(jìn)行不同的測(cè)量速度以確定最佳的測(cè)量速度（也稱為逼近速度）。在此，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)必須在慢的速測(cè)量速度（這會(huì)導(dǎo)致不合理的長的時(shí)間來完成使用者所需要的測(cè)量）和快速測(cè)量（會(huì)導(dǎo)致接觸表面有較大的沖擊力）之間做出妥協(xié)。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，速度緩慢的測(cè)量雖然誤差大但誤差穩(wěn)定，這是由低速時(shí)觸發(fā)測(cè)頭所需的大量時(shí)間導(dǎo)致的。使用快速測(cè)量時(shí)，測(cè)頭在更短的時(shí)間內(nèi)觸發(fā)以及探針的偏轉(zhuǎn)顯著顯著降低。然而，隨著快速測(cè)量，探針接觸時(shí)的力也會(huì)更大，這些都會(huì)對(duì)被測(cè)原件產(chǎn)生較大的影響同時(shí)還會(huì)引起震動(dòng)以及慣性影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以111毫米每秒的快速測(cè)量以

45、及以83毫米每秒的中等進(jìn)給速度對(duì)于某些儀器在測(cè)試中會(huì)有最小的測(cè)量誤差。因此建議使用者在自己的測(cè)量設(shè)置中進(jìn)測(cè)試以確定最佳的測(cè)量速度。12.2.5 探針安裝以及工件位置的影響為了確定不同工件位置對(duì)測(cè)量結(jié)果的影，安裝了探針的頸環(huán)規(guī)在五個(gè)不同的位置進(jìn)行測(cè)量。在每種情況下，環(huán)規(guī)和探針組件都平行于機(jī)床的坐標(biāo)軸之一。所獲得的測(cè)量結(jié)果表明當(dāng)工件位于XY平面的機(jī)床臺(tái)面中心時(shí)的測(cè)量結(jié)果的變化量最小，因此應(yīng)該在適當(dāng)?shù)奈恢眠M(jìn)行測(cè)量。無論在什么時(shí)候探針軸應(yīng)該盡可能沿著垂直軸方向。12.3 總結(jié)上文所述清楚地表明使用者可以通過采取不同的測(cè)量策略引入或減小測(cè)量系統(tǒng)的誤差。作為經(jīng)驗(yàn)法則，當(dāng)選擇一個(gè)探針時(shí)應(yīng)該遵循以下幾點(diǎn)原則：

46、l 為保持探針的高剛度應(yīng)該盡可能減少探針組件的數(shù)量l 盡可能使用短探針l 盡可能使用大直徑的探針球l 避免對(duì)探針不必要的處理當(dāng)連接長探針時(shí)應(yīng)該使用手套上面所列的幾點(diǎn)同樣適用于模擬和觸發(fā)式探測(cè)器。12.4 熱膨脹探針潛在的熱膨脹也是誤差的來源。這種結(jié)果可能來源于連接測(cè)頭和探針時(shí)的操作或改變手動(dòng)鉸鏈測(cè)頭方向時(shí)的操作。下面給出一個(gè)溫度影響指標(biāo)，一個(gè)8毫米的測(cè)頭（熱膨脹系數(shù)C-1）在經(jīng)歷3C的溫度變化后，直徑的變化為：市場(chǎng)上所售的一些高精度的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的這種變化是非常明顯的。另一個(gè)重要的變化是探針軸長度的變化。對(duì)于一個(gè)100毫米的鋼制軸（熱膨脹系數(shù)為C-1 ）當(dāng)溫度變化3C時(shí)，長度的變化量為：此外，如

47、果一個(gè)T形測(cè)頭的兩個(gè)探針頂部的距離是100毫米，那么使用每個(gè)探針測(cè)量相同的特征位置時(shí)將會(huì)有明顯的位移變化。因此在探針校準(zhǔn)之前保持測(cè)量環(huán)境的熱平衡是非常有必要的。這個(gè)過程可能持續(xù)幾分鐘到一個(gè)小時(shí)之間，具體取決于探針的尺寸以及所欲要的精度范圍。如果環(huán)境溫度是波動(dòng)的，那就有必要再一定的時(shí)間間隔頻繁的進(jìn)行校準(zhǔn)。13.連續(xù)掃描傳統(tǒng)坐標(biāo)測(cè)量配備觸發(fā)式測(cè)頭使用離散點(diǎn)式的測(cè)量方法記錄工件表面的流線點(diǎn)數(shù)據(jù)。在離散點(diǎn)式測(cè)量中，坐標(biāo)測(cè)量機(jī)將測(cè)頭從工件表面升起，向前移動(dòng)然后降低測(cè)頭直到與工件表面在此接觸為止，每一個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集過程都要經(jīng)歷這樣的流程。這種單個(gè)點(diǎn)式流程的測(cè)量速度相對(duì)較慢，而且不適合復(fù)雜工件以及大量數(shù)據(jù)采

48、集的應(yīng)用的高效測(cè)量。當(dāng)切換模式時(shí)，使用多用途測(cè)頭可以利用測(cè)頭的連續(xù)掃描與觸發(fā)式操作快速設(shè)置流程。連續(xù)掃描模擬測(cè)頭設(shè)計(jì)可以源源不斷的向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)返回?cái)?shù)據(jù)，這樣可以消除點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)量測(cè)頭測(cè)量時(shí)所需的運(yùn)動(dòng)輔助時(shí)間。坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可以使用兩種類型的連續(xù)掃描方法，開環(huán)和閉環(huán)，具體取決于工件的幾何形狀是定義過的還是未定義的形狀。13.1 開環(huán)掃描這種方法適用于已知或已經(jīng)定義的幾何形狀的快速測(cè)量，這類幾何形狀有一些曲線和曲面，允許測(cè)頭與表面保持連續(xù)接觸。機(jī)器的運(yùn)動(dòng)是受儲(chǔ)存在坐標(biāo)測(cè)量機(jī)程序中的標(biāo)稱幾何數(shù)據(jù)控制的。實(shí)際表面與理論表面之間的誤差幅度會(huì)被詳細(xì)記錄下來。通過獲取大量的數(shù)據(jù)以確保直徑、位置的重復(fù)性以及對(duì)表面有一

49、個(gè)更好的定義。13.2 閉環(huán)掃描這一技術(shù)適用于未數(shù)字化定義錯(cuò)綜復(fù)雜的形狀。模擬掃描測(cè)頭檢測(cè)零件表面方向的變化，并調(diào)整它的位置以與工件保持接觸。部分適用于該方法的例子如：渦輪葉片、齒輪、凸輪、和轉(zhuǎn)子等。13.3 連續(xù)掃面測(cè)頭當(dāng)使用掃描模式時(shí)，模擬測(cè)頭在掃描周期中與工件表面保持穩(wěn)定接觸。機(jī)械的控制系統(tǒng)通過檢測(cè)偏差并調(diào)整他們以保持固定的接觸力。真正的三維系統(tǒng)是各向同性的-三個(gè)測(cè)量軸所施加的測(cè)量力是同時(shí)相同的。這種類型的測(cè)頭適合檢查曲面零件如齒輪、凸輪、轉(zhuǎn)子和滾刀等。在進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)測(cè)量時(shí)，需要精確探測(cè)表面的點(diǎn)以定義工件的真是幾何形狀。測(cè)頭通常是低質(zhì)量、高結(jié)構(gòu)剛度以及沒有摩擦阻尼這樣以改善動(dòng)態(tài)性能特點(diǎn)。

50、圖22 連續(xù)掃描探針用于齒輪和葉片的測(cè)量 圖23 轉(zhuǎn)子的掃描 圖24 測(cè)頭掃描轉(zhuǎn)子二維探測(cè)系統(tǒng)由于不能同時(shí)使用所有的探測(cè)軸導(dǎo)致測(cè)量并不精確。測(cè)頭尺寸的補(bǔ)償只能發(fā)生在平面上而不能在空間上，因而它們它們不能獲取零件表面的尺寸和進(jìn)行真三維測(cè)量。這種測(cè)頭有兩種操作模式，軸向掃描（圖25）和徑向掃描（圖26）。在軸向掃描中，只有軸向測(cè)頭的自由移動(dòng)，另外兩個(gè)周固定。這種模式適合于分析。圖25 二維掃描測(cè)頭軸向運(yùn)動(dòng)的操作在徑向掃描模式中（圖26），軸向測(cè)頭被鎖定，其它兩個(gè)軸自由移動(dòng)。徑向掃描適用于輪廓的應(yīng)用。二維測(cè)頭只有在掃描平面時(shí)能夠補(bǔ)償探針尖部尺寸；每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)都會(huì)受到余弦誤差的影響。這種方法不適合于復(fù)

51、雜零件的檢驗(yàn)。圖 26 二維掃描測(cè)頭徑向運(yùn)動(dòng)的操作13.4 掃描探針的選擇探針的選擇取決于掃描程序以及所使用掃描測(cè)頭的類型。建議所使用的探針直徑與零件最后的切削加工中所使用的刀具具有相同的直徑。探針應(yīng)該盡可能的短以阻止過度的彎曲，但同時(shí)也應(yīng)該有一定的長度以阻止柄部被污染。無論什么時(shí)候應(yīng)該盡可能選擇探針尖部為球形結(jié)構(gòu)，然而，如果工件表面有缺陷使球部陷入，那么應(yīng)該選擇兩個(gè)平行探針。14.非接觸式探測(cè)系統(tǒng)傳感器的發(fā)展趨勢(shì)是非接觸式光學(xué)傳感器。這些傳感器結(jié)合了光學(xué)元件，視頻和激光技術(shù)。它們可以以極高的精度每秒收集超過20000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。結(jié)合強(qiáng)大的數(shù)學(xué)引擎，大量的矢量數(shù)據(jù)可以被快速分析。本節(jié)簡(jiǎn)要介紹這些

52、傳感器，但目的不是指導(dǎo)怎么使用它們。激光測(cè)頭也是一種非接觸式測(cè)頭這種類型的測(cè)頭可以精確聚焦激光或紅外光束射向工件上的一點(diǎn)，當(dāng)光束射向工件表面時(shí)，它會(huì)形成光斑圖像。反射光然后聚焦在光電矩陣上。從傳感器到工件表面的任何變化會(huì)導(dǎo)致光電矩陣上光斑位置的變化。激光測(cè)頭的掃描速度比接觸式觸發(fā)測(cè)頭的速度更高，但是觸發(fā)式測(cè)頭可以提供更高的分辨率。激光測(cè)頭出來的信號(hào)可以仿真模擬一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的接觸式觸發(fā)測(cè)頭。這保證了激光測(cè)頭可以使用現(xiàn)有的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的軟件而不需要單獨(dú)的編程技術(shù)。由于激光測(cè)頭可以避免工件表面的變形，因此它非常適合于柔軟細(xì)膩材料的檢驗(yàn)。這種系統(tǒng)典型的應(yīng)用包括座椅、儀表盤、汽車塑料、粘土模型、以及快速原型模

53、型。激光測(cè)頭可以產(chǎn)生精確的測(cè)量系統(tǒng)，但同時(shí)應(yīng)該注意到由于工件表面材料的反射特性可能產(chǎn)生某些類型的系統(tǒng)誤差。圖27光學(xué)觸發(fā)探測(cè)系統(tǒng)一些非接觸式傳感器包含一個(gè)發(fā)射平面光的光源結(jié)構(gòu)。當(dāng)這束平面光照射到零件上時(shí)，沿光線會(huì)形成工件的輪廓。這個(gè)輪廓會(huì)被圖像傳感器檢測(cè)到，并轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的數(shù)字圖像，這組數(shù)字圖像可以通過三角計(jì)算沿XYZ坐標(biāo)軸沿線的數(shù)百點(diǎn)的坐標(biāo)。非接觸式傳感器比模擬傳感器具有更高的掃描速度，但它們的局限性是沒法測(cè)量工件的所有特征。由于這種測(cè)頭在掃描過程中需要頻繁的重新取向，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的效率?；诠鈱W(xué)系統(tǒng)的尺寸和攝像頭的像素分辨率有限，一般的光學(xué)系統(tǒng)不能用于高精度的應(yīng)用。非接觸式掃描方法可以

54、結(jié)合模擬掃描擴(kuò)展坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的應(yīng)用，比如小型復(fù)雜零件的檢測(cè)應(yīng)用。目前大多數(shù)的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的制造商都提供多傳感器系統(tǒng)包括接觸式、非接觸式測(cè)量設(shè)備。在坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的程序中可以識(shí)別正在使用的是接觸式觸發(fā)測(cè)頭還是光學(xué)系統(tǒng)。自動(dòng)切換測(cè)頭設(shè)備或多個(gè)功能探測(cè)頭便于系統(tǒng)間的切換。多傳感器系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是它給用戶提供的靈活性。對(duì)于一些同時(shí)需要觸覺和光學(xué)測(cè)量的零件可以同時(shí)在一臺(tái)儀器上進(jìn)行測(cè)量，而不需要從坐標(biāo)測(cè)量機(jī)轉(zhuǎn)移到單獨(dú)的光學(xué)系統(tǒng)，因此有助于檢測(cè)的經(jīng)濟(jì)性。圖28 復(fù)合探測(cè)頭圖29 光學(xué)探測(cè)頭15. 發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)主要包含于國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 10360 。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)主要有五部分：l ISO10360-1:2000 產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）-接受和復(fù)檢試驗(yàn)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）-第1部分：詞匯l ISO10360-2:1994 坐標(biāo)計(jì)量學(xué)第2部分：坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的性能評(píng)定l ISO10360-3:2000產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）-接受和復(fù)檢試驗(yàn)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）-第3部分：使用旋轉(zhuǎn)平臺(tái)作為第四軸的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)l ISO10360-4:2000 產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）-接受和復(fù)檢試驗(yàn)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CM