影響坐標機總體精度的測針選型的四個主要方面
在評估坐標機測量需要如何**時，通常的做法是采用至少1:5（1:10是理想的比率，但過于昂貴，在許多場合不可行）的坐標機不確定度和特征公差比。此比率提供了一個**系數(shù)，確保測量結(jié)果不確定度與預期工件誤差范圍比率相對較小。只要在極嚴格的公差水平上能夠保持1:5的比率，有關(guān)精度的爭論就會止息。
遺憾的是，諸如更換測頭上的測針這種不起眼的操作都會對可能實現(xiàn)的實際精度造成巨大影響，導致測量結(jié)果發(fā)生顯著的變化。依賴坐標機的年度校準檢查此精度是不夠的，因為這只能確認測試（通常時間極短）所用測針的測量結(jié)果。這可能只是*好的一次精度。為了更**地了解各種測量的可能精度，我們需要評估測針是如何影響測量不確定度的。
本白皮書將闡述影響坐標機總體精度的測針選型的四個主要方面：
1. 測球球度（圓度）
2. 測針變形
3. 熱穩(wěn)定性
4. 測尖材料選擇（掃描應用）
大多數(shù)測針的測尖是一個球頭，*常見的材料是人造紅寶石。此類測尖球度（圓度）的任何誤差都可能成為坐標機測量不確定度的一個影響因素，這很可能造成坐標機精度降低10%之多。
紅寶石測球有各種定義為“等級”的精度級別，指的是測球與理想球面的*大偏移量。兩種*常用的測球指標是5級和10級（等級數(shù)字越低測球越好）。測球等級由5級“降”到10級，測針可能會節(jié)約些許成本，但極有可能影響到所謂1:5比率的理論。
問題是，測球等級無法用肉眼識別，在測量結(jié)果中所起的作用并不明顯，因此難以估計它是否重要。一種辦法是，將5級測球指定為標準配置：這種測球成本也許略高了一點，但如嚴重到讓合格零件變成廢品，與不合格品的高風險相比，這點成本是微不足道的。不合常理的是, 坐標測量機精度越高，測球等級的影響越大。在*高規(guī)格的坐標測量機上，這種影響會使精度削弱達10%。
請看以下示例……
符合ISO 10360-2 (MPEP) 的典型測量誤差，用配5級測球的測針測得：
· MPEP = 1.70 µm
此數(shù)字通過測量25個離散點得出，每個離散點都被估計為25個單獨的半徑。半徑的變化范圍是MPEP值。測球圓度對此產(chǎn)生直接影響，因此在本示例中把5級測球換成10級使該值增加了0.12 μm，并使測量誤差增加了7%：
· MPEP = 1.82 µm
請注意：測球圓度也會對MPETHP產(chǎn)生影響，MPETHP使用球面上的4個路徑評估掃描測頭的性能。
注：
· 5級測球球度 = 0.13 µm
· 10級測球球度 = 0.25 µm
對于要求極為嚴格的應用，雷尼紹提供一系列配用球度只有0.08 μm的3級測球的測針。
使用觸發(fā)式測頭例如行業(yè)標準的TP20時，常見的做法是交換測針模塊，利用經(jīng)過優(yōu)化的不同測針執(zhí)行測量任務。之所以不在所有特征測量中都使用長測針，是因為測針越長，精度損失就越大。一個好方法是盡可能選擇短而且剛性強的測針 — 但為什么呢？
盡管測針不是此特定誤差的直接原因，但誤差確實隨著測針長度的增大而增大。誤差源自于需要在各個方向觸發(fā)測頭的不同測力。大多數(shù)測頭不是在測針和工件發(fā)生接觸的瞬間觸發(fā)的；它們需要測力不斷加大，以超過傳感器機構(gòu)內(nèi)的彈簧負荷。此彈力迫使測針變形。此變形允許測頭在發(fā)生物理接觸后、觸發(fā)產(chǎn)生前相對于工件短距離移動。此移動即所謂的預觸發(fā)行程。
大多數(shù)測頭的三點機械定位機構(gòu)可以根據(jù)要求提供不同的測力來產(chǎn)生觸發(fā)。在剛性較硬的方向測頭會阻撓觸發(fā)，直到出現(xiàn)更大的測針變形量。這也意味著坐標測量機會移動更遠，因此預觸發(fā)行程因挺進角而異（見右圖）。在使用挺進角（X、Y和Z軸）時，此預觸發(fā)行程變化更為復雜。
為降低這種影響，所有測針使用前均在已知尺寸的標準球上標定過。在理想情況下此過程將對測針和挺進角合并造成的誤差進行修正。在實踐當中，為節(jié)省時間通常只抽查一些角，取平均數(shù)，故少量誤差仍可能繼續(xù)存在。
若不進行經(jīng)驗性測試，很難估計這些誤差對測量不確定度的影響。需要注意的關(guān)鍵因素是，任何存留的預觸發(fā)行程變化誤差都會隨不同的測針選擇而受到影響。此處強調(diào)的是材料選擇在測針設(shè)計中的重要性，諸如測桿抗撓剛性和重量及成本等其他特性。鋼適合于許多較短的測針，其Young的模數(shù)E = 210 kN/mm2，常用的剛性*強的材料是碳化鎢 (E = 620 kN/mm2)，但這種材料密度很大，因此極少用于長測針。在這些實例中，碳化鎢集剛性強 (E ≥ 450 kN/mm2) 和重量輕的特點于一體。與此同時，陶瓷測桿 (E = 300 – 400 kN/mm2) 通常用于機床測量應用中，這種材料具有重量輕和熱穩(wěn)定性的優(yōu)點。
測針剛性也受到測針組件轉(zhuǎn)接頭的影響。作為指導原則，*好盡量避免使用轉(zhuǎn)接頭，因為它會引起遲滯，不過在使用固定傳感器測量復雜工件時可能不會出現(xiàn)這個問題。在這些情況下，可能需要由一系列測針、加長桿、接頭和關(guān)節(jié)所組成的配置。再次強調(diào)，選擇測針材料時進行周全的考慮是非常重要的，因為這會對測針配置的剛性、重量及堅固性產(chǎn)生影響。
溫度變化可能導致嚴重的測量誤差。選擇正確的測針加長桿材料，保證在溫度變化的條件下也能提供更強的穩(wěn)定性，實現(xiàn)更可靠的測量結(jié)果。具有低熱膨脹系數(shù)的材料更可取，特別是在使用長測針而熱膨脹受長度制約的場合。
如上文所述，碳纖維是長測針和加長桿的*常用材料，因為此材料剛性強、重量輕，并且長度不隨溫度的變化而變化。在需要金屬材料的場合 — 如接頭、關(guān)節(jié)等 — 鈦在強度、穩(wěn)定性和密度方面提供了**的組合。雷尼紹提供采用這兩種材料制成的測頭和測針加長桿
對于大多數(shù)應用，紅寶石測球是測尖的默認選項。但在某些情況下其他的材料可提供更好的選擇。
在觸發(fā)測量中，測尖只與工件表面短時間接觸，而沒有相對移動。掃描則與之不同，因為測球沿著工件表面滑動，并引起摩擦磨損。在惡劣狀況下，這種持續(xù)接觸可能造成工件材料脫落或附著在測球上，進而影響測球球度。如果測球的某個部分與工件持續(xù)接觸，這些影響會增大。雷尼紹對這些影響進行廣泛的研究后開發(fā)了兩種特定的耐磨材料測球：
粘附磨損
粘附磨損產(chǎn)生的原因是，在掃描表面例如鑄鐵時，極小的殘留微?？赡茉斐汕蛐螠y針和工件表面出現(xiàn)細小劃痕，導致測尖上出現(xiàn)小“淺坑”。堅硬的氧化鋯測尖是這些應用場合的*佳選擇。粘附磨損
當測球和工件彼此之間有化學親和力時會出現(xiàn)粘附磨損。當用紅寶石（氧化鋁）測球掃描鋁工件時可能出現(xiàn)這種現(xiàn)象。材料從較軟的工件傳遞到測針上，導致測尖上形成一個鋁涂層，再次影響了其圓度。在這種情況下，*佳選擇是氮化硅，因為它具有良好的耐磨性能，而且不與鋁發(fā)生吸附。
選擇測針的其他考慮因素包括：
· 測針螺紋尺寸，與所選傳感器相適應
· 測針類型 — 直測針、星形測針、可旋轉(zhuǎn)測針或自定義配置
· 測尖類型 — 球形、柱形、盤形、半球形
· 測尖尺寸，使表面粗糙度對測量精度的影響降至*低
這些問題在雷尼紹的精密測針樣本中均有闡述：
測針在任何測量中都是關(guān)鍵因素，它在傳感器和組件之間提供了關(guān)鍵的連接點。它們能夠測量工件周圍的特征，而且必須把表面位置正確地傳遞給測頭。要執(zhí)行**的測量，測針必須由精密部件組裝而成，每種部件的材料都應符合測量任務的要求。如果精心選擇，合適的測針不會顯著增加不確定度，反而會提供一致可靠的結(jié)果。在工件公差嚴格并且需要較長測針的場合，必須認真考慮這些選擇對精度的影響。