测杆和测球对三坐标测量机精度的影响

测杆和测球是三坐标测量机(CMM)的传感器与被测工件表面的关键连结环节。如果对于特定的测量任务选用了不合适的测杆和测球，就可能导致测量结果的不确定性和不一致性。为了实现CMM测量精度的最优化，在选择测杆和测球时必须考虑周全。英国测量产品制造商雷尼绍(Renishaw)公司从四个方面介绍了选择测杆和测球可能对CMM总体测量精度造成的影响。

(1)测球的圆度：大多数CMM测杆顶端的测球都采用人造红宝石球。测球的圆度误差可能会使CMM损失高达10%的潜在测量精度。红宝石测球的制造精度水平是用等级来定义的，而一个测球的等级取决于其相对于理想球体的最大偏差。最常用的两种测球等级为5级和10级(其球度误差分别为 0.13µm和0.25µm)。尽管从使用5级测球改为使用10级测球可以节约一些成本，但有可能会危及到普遍接受的CMM测量不确定度与形状公差5∶1 之比。虽然符合标准的5级测球可能成本稍贵一些，但与可能使一个合格零件报废或使一个不合格零件蒙混过关相比，这种成本代价显得微不足道。

(2)测球的材料：虽然红宝石是最常用的测球材料，但其他材料可能更适合进行接触扫描测量。在扫描测量时，测球沿着工件表面滑行，会产生摩擦磨损。在极端情况下，这种长期接触可能会导致测球材料从球上被磨除(磨粒磨损)，或工件材料被粘着到测球上(粘结磨损)。无论哪一种情况，都会影响测球的圆度。当测球的某一部位与工件经常保持接触时，这种圆度误差就会不断增大。

在扫描测量某些材料(如铸铁)表面时，可能会发生磨粒磨损。残留的微小颗粒可能会导致测球和工件表面被轻微划伤，从而在测球上形成一个微小“平面”。对于此类测量，硬度更高的氧化锆测球是一种不错的选择。粘结磨损通常发生在测球材料与工件材料具有化学亲和力的情况下，在用人造红宝石测球扫描测量铝件时较为常见，因为人造红宝石的主要成分是氧化铝。从相对较软的铝件上转移到测球上的材料可能生成一层“涂层”，从而降低测球的圆度精度。在这种情况下，氮化硅测球是更好的选择，因为这种材料具有良好的耐磨性，而且对铝没有亲合力。

(3)测杆的挠曲：测量精度随着测杆长度的增加而降低，因此长测杆并不适合测量所有的工件特征(事实上，采用具有最大刚度、尽可能短的测杆才是正确的做法)。虽然测杆并不会直接引起这种特定的误差，但测杆长度会将误差放大。当测头从不同的方向与工件接触时，因触发所需要的测量力不同，就会引起预行程的变化，从而产生这种误差。用标准圆对测头进行校准可以减小这种预行程误差，但并不能完全消除它。

测杆的挠性会放大预行程的变化。虽然钢也适合制造一些短测杆，但硬质合金是刚性最好的测杆材料。然而，由于硬质合金密度大，因此不适合用于长测杆。陶瓷测杆通常可用于既需要刚性好，又要求重量轻的测量任务。同样，碳纤维通常也可用于制造很长的测杆。

(3)热稳定性：温度波动可能会引起很大的CMM测量误差。选用适当的接长杆材料，就能在环境条件发生变化的情况下，获得更好的稳定性，提供一致性更好的测量结果。具有低热胀系数的材料是首选的测杆材料(尤其是在使用长测杆时)，因为热膨胀量取决于长度。碳纤维是最常用的长测杆和接长杆材料，因为这种材料既硬又轻。钛合金兼具良好的强度、稳定性和密度，非常适合用于制造测杆的金属零件(如接头和活动关节)。