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掌握尖端 - 三次元量床測針選擇指南

決定最合適的測針時,必須考量多個重要因素。

選擇測針時須考量的因素

評估三次元量床量測所需的精度時,一般做法是採用至少 1:5 的三次元量床不確定度與部位公差比(1:10 是理想比例,但在許多情況下,實作成本可能會過於昂貴)。這樣的比例可提供安全餘裕,確保結果的不確定度小於預期的組件變化範圍。只要針對最嚴密的公差維持 1:5 的比例,就應可解決精度的問題。

然而,即便像是更換測頭測針如此無害的動作,都有可能對可達成的實際精度造成極大影響,導致量測結果產生明顯變化。光仰賴三次元量床的年度校準檢查精度仍不足夠,因為此類校準只會確認測試所用測針(通常極短)的結果。這有可能是最佳情況下的精度。為了更充分理解各種量測的可能精度,就必須研究測針造成量測不確定度的原因。

本節將探討測針選擇影響三次元量床整體精度的四個主要層面:

1.測針球球度(圓度)

2.測針彎曲

3.熱穩定性

4.測針端頭材料選擇(掃描應用)

測針球球度(圓度)

大多數測針的測量端頭均為球形端頭,材質通常採用人造紅寶石。此類端頭的球度(圓度)如有任何誤差,都會構成三次元量床量測不確定度的因素,而此時很有可能會喪失高達 10% 的三次元量床精度。

紅寶石球的精度可分成多種「等級」,其界定標準是紅寶石球體相對於完美球體的最大偏差。5 級和 10 級精度是最常採用的測針球規格(等級越低,球體品質越高)。從 5 級「降級」成 10 級測針球可稍微節省測針的成本,但這種做法可能會危及 1:5 的比例。

然而,測針球等級無法目視察覺,從量測結果也難以看出端倪,因而難以計算此因素的顯著性。以 5 級測針球做為標準規格是一種解決辦法:雖然成本稍高,但與報廢良好零件,或甚至讓不合規零件通過測試的情況相比,5 級測針球的成本仍屬相當划算。偏偏三次元量床的精度越高,測針球等級的影響就越明顯。最高規格的三次元量床可能會因此喪失高達 10% 的精度。

讓我們來看一個例子:

根據 ISO 10360-2 (MPEP) 使用搭配 5 級測針球的測針建立的典型量測誤差:

  • MPEP = 1.70 µm

此數值的測定方式是測量 25 個離散點,將各點視作 25 個獨立半徑。半徑差異範圍為 MPEP 值。測針球圓度會直接影響此值,所以在這種情況下,從 5 級換成 10 級測針球會使得此值增加 0.12 μm,量測誤差則降低 7%:

  • MPEP = 1.82 µm

請注意,測針球圓度也會影響 MPETHP(利用球體上的四個掃描路徑評估掃描測頭性能)。

注意:

  • 5 級測針球球度 = 0.13 µm
  • 10 級測針球球度 = 0.25 µm

為解決最嚴苛的應用挑戰,Renishaw 提供多種採用 3 級測針球的測針,其測針球球度僅有 0.08 μm。

測針彎曲

使用接觸觸發式測頭(例如業界標準 TP20)時,一般做法是切換多種測針模組,針對不同的量測工作使用最合適的測針。長測針之所以無法用於所有工件特徵,是因為精度會隨測針長度增加而下降。理想做法是盡可能使用剛性高的短測針 – 但為什麼?

雖然測針本身不會直接造成誤差,但測針長度卻會將誤差擴大。誤差的起因是以不同方向觸發測頭所需的作用力不等。大多數測頭無法在測針和零組件之間建立直接接觸後觸發,而是需要作用力才能克服量測頭機構內部的彈簧負載。此作用力會彈性地使測針變形。這種彎曲作用讓測頭得以在建立實體接觸後產生觸發之前短距離(相對於零件)移動。這種移動稱為預行程。

多數測頭的三角形運動編排,將導致產生觸發所需的作用力不等。如果方向較為僵直,測頭會抗拒觸發,直到測針彎曲度提高。三次元量床也因此會移動得更遠,所以,預行程會隨接近角度而異(請見右圖)。若使用混合接近角度(X、Y、Z 軸),預行程變化將變得更為複雜。

為了盡可能減少這種影響,使用測針之前,必須使用已知尺寸的參考球來校準測針。理想情況下,此程序可反映每一種測針與接近角度組合的誤差。但實際上為了節省時間,通常會取角度樣本而產生些微平均化,留下一小部分的誤差。

如果不執行實驗性測試,就難以計算此誤差對量測不確定度的影響。請注意,任何殘留的預行程變化誤差都會因所選測針的彈性而放大。這突顯出測針設計之材質選擇的重要性,而測針桿抗彎剛度的考量應優先於其他特性(如重量、成本)。鋼(楊氏模數 E = 210 kN/mm2)通常適合用於較短的測針,剛性最高的常用材質則是碳化鎢 (E = 620 kN/mm2),但碳化鎢的密度也較高,所以鮮少用於長測針。這種情況下,碳纖維可同時提供優異的剛性 (E ≥ 450 kN/mm2) 與輕量特性。陶瓷測針桿 (E = 300 – 400 kN/mm2) 重量輕且熱穩定性佳,往往用於工具機量測應用。

測針剛性也會受到測針組件接頭數量的影響。依照經驗法則,最好盡可能減少接頭的數量以免造成遲滯,但使用固定式量測頭測量複雜零件則為例外。這種情況下,可能需要由各種測針、延長桿、接頭及轉向節構成的配置。再次強調,慎選每個元件的材質相當重要,因為材質會影響測針配置的剛性、重量和耐用度。

熱穩定性

溫度波動可能會導致嚴重的量測誤差。選擇合適的測針延長桿材料可為多變環境下的量測帶來更高的穩定性,產生更一致結果。由於熱增長取決於長度,因此,應優先選擇熱膨脹係數較低的材料(尤其是採用長測針的情況)。

如前文所述,碳纖維是最常用於長測針和延長桿的材料,原因在於其剛性高、重量輕,且長度不會隨溫度而改變。如果需要使用金屬(如接頭、轉向節),鈦可提供最理想的強度、穩定性和密度。Renishaw 提供以這兩種材質製成的測頭及測針延長桿。

測針端頭材料選擇

就大多數應用而言,紅寶石球是測針端頭的既定選擇。但在特定情況下,其他材料可提供更佳的替代方案。

進行接觸觸發式量測時,由於無相對運動,所以測針端頭只會短暫與表面接觸。掃描的不同之處,是測針球會滑過組件表面而造成磨損。在極端情況下,這種長時間接觸可能會導致材料脫落或堆積到測針球上,進而影響其球度。如果測針球特定部位與零組件持續接觸,這種影響就會擴大。Renishaw 對此類影響進行了廣泛的研究,主要針對兩種磨損機制:

研磨磨耗

Abrasive wear 掃描如鑄鐵等工件的表面時會產生研磨磨耗;殘留物的微粒會對測針和工件造成細微刮痕,在測針端頭上形成小型「平坦部位」。堅韌的氧化鋯測針端頭是此類應用的最佳選擇。

黏附磨耗

Adhesive wear test 2 測針球和零組件材料彼此如具有化學親合性,便會產生黏附磨耗。以紅寶石(氧化鋁)球掃描鋁件時會發生此現象。材料會從較軟的零組件移到測針,在測針端頭上形成一層鋁膜,影響其圓度。這種情況下,氮化矽是最佳選擇;因為其具有良好的耐磨性,對鋁也無吸附作用。

其他因素

選擇測針時須考量的其他因素包括:

  • 與所選的量測頭相配的測針螺紋尺寸
  • 測針類型 – 筆直、星形、旋轉或客製化設計
  • 測針端頭類型 – 球、圓柱、圓盤、半球
  • 能夠將表面粗糙度對量測精度的影響降至最低的測針端頭尺寸

欲深入探討上述議題,請參閱 Renishaw 高精度測針產品手冊

結論

測針為量測頭和待測零組件之間的重要介面,是任何量測的關鍵因素。測針提供了零件各部位的接觸管道,並且必須確實地將表面位置傳遞至測頭。為助於精確檢測,測針必須以高精度組件構成,並採用符合量測工作需求的材料。若慎選合適的測針,就能避免不確定度提高,產生一致且可靠的結果。零件公差較嚴格的情況下,必須使用較長的測針,並審慎考量此類選擇對於精度的影響。