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坐标测量机测针选型指南
发布人:网站管理员 发布时间:2019-6-21 点击:196次
测针选择对精密测量的重要性

  测针在任何测量中都是关键因素,它在传感器和组件之间提供了关键的连接点。它们能够测量工件周围的特征,而且必须把表面位置正确地传递给测头。要执行精确的测量,测针必须由精密部件组装而成,每种部件的材料都应符合测量任务的要求。如果精心选择,合适的测针会显著降低不确定度,提供一致可靠的结果。在工件公差严格并且需要较长测针的场合,必须认真考虑这些选择对精度的影响。


  通过合适的测针选择及配置可以最大限度的发挥测量机的测量性能,大大降低测量的不确定度。同一台测量机测量同一个工件,测量结果会因测针配置的不同而差异较大。


影响坐标测量机总体精度的测针选型的主要方面

测针球头球度(圆度)

  大多数测针的测尖是一个球头,最常见的材料是人造红宝石。此类测尖球度(圆度)的任何误差都可能成为坐标测量机测量不确定度的一个影响因素,这很可能造成坐标测量机精度降低10%之多


  红宝石测球有各种定义为“等级"的精度级别,指的是测球与理想球面的最大扁移量。两种最常用的测球指标是5级和10级(等级越低测球越好)。坐标测量机精度越高,测球等级的重要性就越大。

  符合ISO 10360-2(MPEp)的典型测量误差,用配5级测球的测针测得:MPEp=1.70um


  此数字通过测量25个离散点得出,每个离散点都被估算为25个单独的半径。半径的变化范围是MPEp值。测球圆度对此产生直接影响,因此在本例中把5级测球换成10级后,该值增加了0.12um,并使测量误差增加了7%


  MPEp=1.82um


  请注意:测球圆度同样会对THP产生影响,THP使用球面上的四个扫描路径评估扫描测头的性能


测针变形


  使用触发式测头时,常见的做法是通过使用不同的测头模块(测力不同),利用经过优化的不同测针执行测量任务。之所以不在所有特征测量中都使用长测针,是因为测针越长,精度损失就越大。一个好方法就是尽可能选择短而且刚性强的测针。


  尽管测针不是此特定误差的直接原因,但误差确实随着测针长度的增大而增大。该误差主要源自于测头在各个方向触发所需要的触发力不同。大多数测头不是在测针和工件发生接触的瞬间触发的,他们需要测力不断加大,已超过传感器机构内的弹簧负荷。此弹力迫使测针变形,该变形允许测头在发生物理接触后、触发产生前相对于工件短距离移动,即预行程。


测头的三点机械定位机构可以根据要求提供不同的测力来产生触发。在刚性较硬的方向测头触发时,会出现更大的测针变形量。这也意味着坐标测量机会移动更远,右下图可以看出预行程因挺进角而异,即我们常说的机械式触发测头预行程的三角形效应。

  由于上述原因的影响,因此从选择测针的角度看,我们必须根据实际的应用选择合适材料的测针以降低测针在测量过程中的变形。


  目前常见的测杆材料有

  钢、碳化钨、陶瓷、碳纤维


  钢测针适合于大多数场合的应用,同时对测针重量没有太大要求;常用的刚性最强的材料是碳化钨,非常适合于测杆很细的场合,但这种材料密度很大,因此极少用于长测针,主要用于短而细测针;碳纤维集刚性强、重量轻以及热稳定性等特点于一身,常用于长测针或加长杆。陶瓷测针具有重量轻及热稳定性特点,主要用于长测针及机床测量应用中。

  测针刚性同时也受到测针组件转接头的影响。作为指导原则,最好尽量避免使用转接头。


  测头传感器触测力对测针选择的影响


  测针的选择首先在长度及重量方面不能超出测头传感器的使用限制。如果超出使用现场可能会影响测量性能,导致误触发问题及影响测头寿命


  常用的触发测头通常根据触测力的大小分为多个模块,应用于不同的场合。如果测量需要的测针较长较重则需要选择触测力较大、携带测针能力较大的吸盘;如果使用的测针非常细,则需要使用触测力较小的低测力吸盘以降低测针在测量过程中的变形。

热稳定性


  温度变化可能导致严重的测量误差。选择正确的测针加长杆材料,保证在温度变化的条件下也能提供更强的稳定性,实现更可靠的测量结果。具有低热膨胀系数的材料更可取,特别是现场型测量机在使用长测针,环境温度控制不好的场合。


  碳纤维是长测针和加长杆的最常用材料,因为此材料刚性强、重量轻,并且长度不随温度的变化而变化。在需要金属材料的场合:如接头、关节等,钛在强度、稳定性和密度方面提供了完美的组合。

在需要使用到非常长的加长杆或测针时,建议使用碳纤维加长杆或测针,因为环境温度极小的变化都会引起较大的测量误差。

测尖材料选择(扫描应用)


  测尖材料的选择取决于测量的策略(触发或扫描)及零件的材料。目前常见的测尖材料有:


  人造红宝石/氧化铝( Ruby)、氮化硅( Silicon nitride)、氧化锆( Zirconia)


  对于大多数应用,红宝石测球是测尖的默认选项。但在某些情况下其他的材料可以提供更好的选择。


  在触发测量中,测尖只与工件表面短时间接触,而没有相对移动。扫描测量则与之不同,因为测球沿着工件表面滑动,并引起摩擦磨损。在恶劣的状况下这种持续接触可能造成工件材料脱落或附着在测针球头上,进而影响测球球度和测量的精度。如果测球的某个部分与工件持续接触,这些影响会增大。


  磨料磨损:当扫描测量铸铁材料的零件时,测尖和零件表面都会由于摩擦而磨损。残留的微小颗粒会在测尖和零件表面产生划痕,从而影响测针精度及寿命。针对这种应用场合,坚硬的氧化锆测尖是最佳选择。


  粘着磨损:当测尖与工件彼此之间有化学亲和力时会出现粘着磨损。当用红宝石测尖扫描铝工件时可能出现这种现象。材料从较软的工件传递到测尖上,导致测尖上形成一个铝涂层,再次影向了其圆度。在这种情况下,最佳选择是氮化硅,因为它具有良好的耐磨性能,而且不与铝发生吸附。

其他因素


  选择测针时,其他需要考虑的因素包括:


  测针螺纹尺寸:测针螺纹尺寸需与测头传感器相适应,如果不匹配则需要使用转接。


  测针类型:需要根据不同的测量应用选择合适的测针类型,如直测针、星形测针、可旋转测针及自定义测针。


  测尖类型:根据应用旋转使用的测尖类型,如球形、柱形、盘形、半球形。


  测尖尺寸:选择合适的测尖尺寸以使表面粗糙度对测量精度的影响降至最低。


测针使用基本原则


  ①尽可能使用短而稳定的测针;使用长测针时务必确保其有足够的稳定性/刚性,当测头校验结果较差时,需要考虑使用的测针刚性是否合适。


  ②确保使用的测针长度和重量没有超出测头传感器的使用限制要求;当使用的测针较细时需要考虑使用低测力吸盘或触测力更低的测头,以降低测针测量时的变形对测量精度的影响。


  ③检查使用的测针有没有缺陷,特别是螺纹连接处,确保测针的安装是可靠的如果测量数据重复性差,存在波动。


  ④检查测头、测针部件是否连接牢靠检查测针是否磨损,如果测量精度要求高,需要更换磨损的测针当测量机使用在环境温度不好的情况下,确认使用的测针部件热稳定性是否好尽可能避免过多的螺纹连接。


  ⑤能使用一根测针避免使用测针组合的方式扫描。


  ⑥测量铝件时尽量使用氮化硅球头的测针,扫描测量铸铁件是尽量使用氧化锆球头的测针。


  ⑦满足测量要求的前提下尽量选择球头半径较大的测针,使表面粗糙度对测量精度的影响降至最低。


  ⑧测针角度的调整应尽可能的与被测特征匹配,特别是固定式模拟测头使用立方体和关节时。确保使用的测力及运动速度加速度等参数适合所选测针组合。


  ⑨当使用较细的测针时立根据需要降低这些参数,降低测针测量时的变形对测量精度的影响。

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