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　　在接触式测量中，由安装在测头（如动态测头、应变计测头、扫描测头等）上的探针充当与被测工件的接触点。在机床、三坐标测量机（CMM）、比较测量仪和便携式关节臂CMM上进行各种探测操作时，正确选择和使用探针对实现高效、可靠和精确的测量必不可少。以下是可能有助于选择最佳测量方案的一些要点。

　　对于在机床上使用的、传统的动态测量测头，应首选采用陶瓷测杆和红宝石测球的探针。对用于CMM的测头，如果测杆较短，可优先选用钢制或硬质合金测杆；如果测杆较长，则应选用陶瓷或碳纤维测杆。陶瓷测杆比硬质合金测杆更轻，其刚性比钢制测杆更好，而且具有优异的热稳定性，特别适合在加工现场环境中使用。

　　红宝石测球非常坚硬和光滑，具有优异的抗压强度和耐磨损能力。它们的制造精度水平各不相同，并据此确定其等级（用与理想球体的最大偏差来表示）。任何球度误差都会增加测量的不确定度。两种最常用的测球等级是5级和10级（级数越小，精度越高）。CMM的精度水平越高，测球等级对测量的影响也越大。雷尼绍（Renishaw）公司建议，将5级测球作为标准测球，而对那些精度要求极高的测量，则应采用3级测球（其球度误差仅为0.08μm）。

　　对于高精度的应变计测头（尤其是用于机床的测头），建议选用碳纤维测杆的探针。由于此类探针（无论是空心杆还是实心杆）重量很轻，因此非常适合用于高灵敏度的应变计测头。碳纤维是长测杆和加长杆最常用的材料，因为它强度高、重量轻，且具有良好的热稳定性。在需要用金属制造的探针部位（如接头、转向节等），集重量轻、强度高、稳定性好、密度高于一身的钛合金是最佳选择。

　　用于便携式关节臂CMM的探针必须结实耐用，因此通常选用抗破裂性极佳的5级氧化锆测球。用抗冲击性好的粘接剂将测球粘接到高强度的硬质合金测杆上，特殊的连接结构可确保其接头刚性十足、不易断裂。

　　扫描测头（如Renishaw用于CMM和Equator柔性检测仪的SP25M测头）存在一些会影响测球材料选择的变量。与接触测量相比，扫描测量时测球与工件表面的相互作用更为频繁，可能会导致三个问题：碎屑积聚、粘结磨损和磨料磨损。测球上积聚一些碎屑难以避免，但很容易用不起毛的干布擦掉。粘结磨损会将工件材料永久转移到测球上，并最终导致测球产生球度误差。磨料磨损则会从测球或工件上去除一些材料。

图1  在CMM上用探针对缸盖阀座进行高速五轴扫描测量

　　红宝石测球适用于大部分工件（包括不锈钢和钛合金工件）的扫描测量，但在极端条件下扫描测量铝合金工件时，可能会产生粘结磨损。因此，在极端条件下测量铝合金时，可用氮化硅测球替代红宝石测球。不过，氮化硅测球在测量不锈钢或铸铁工件时容易产生磨料磨损。扫描测量铸铁零件时应首选氧化锆测球，不过硬质合金测球也表现不俗。

不同的探针类型

　　直探针通常用于在测头可直接接触工件的情况下探测一些简单的零件特征。不过，对于一些特殊的检测任务，还有许多其他类型的探针可供选择。

（1）星型探针

　　具有多个测球的星型探针能以较少的测头运动高效测量零件内部特征（如孔中的沟槽）的极值点（图2）。

图2  星型探针

（2）尖头探针

　　尖头探针非常适合探测螺纹形状、特定的点和刻划线，但不适用于标准的X—Y坐标测量。端部呈圆弧形的尖头探针可用于探测小孔的位置。

（3）陶瓷空心球探针

　　这种大尺寸探针非常适合在X、Y和Z方向测量较深的零件特征和内孔（图3）。用这种半球形探针测量粗糙表面时，其球径平均效应可减小粗糙度峰谷的影响。

图3  有效球径大、重量轻的陶瓷半球探针

（4）盘型探针

　　盘型探针适合检测凹腔和沟槽（图4）。用厚度较薄的盘型探针进行探测时，需要仔细校准探针的角度，以确保其与被测特征正确接触。简易型盘型探针只需以其直径为基准（通常用环规校准），但其有效探测范围仅局限于X和Y方向。如果增加一个端部呈圆弧形的滚柱，就能实现Z轴的探测，提供超出测头直径的圆弧端滚柱加长杆的中心线。

图4  盘型探针

（5）圆柱形探针

　　圆柱形探针适合探测薄壁工件上的孔和螺纹特征，并可用于螺孔中心线的定位。探针的球形端部使其可实现在X、Y和Z方向的探测和质量评定。

（6）定制设计的探针

　　定制设计的探针可用于实现各种特定的探测操作。

探针使用的基本规则

　　遵循一些简单的探针使用规则，可以提高大多数探测任务的精度和效率。

（1）探针不宜过长，并应确保其具有足够的刚度。探针长度越短，越有可能获得最佳测量结果。较长的探针会放大测量误差，而且容易产生较大的挠曲变形。

（2）尽可能减少接头的数量。接头和加长杆有可能引起测杆弯曲和测球偏移。

（3）尽量使用较粗的测杆。测杆越粗，探针的刚性就越好。

（4）尽可能使用较大的测球。这种策略可减少因测杆触碰工件而引起错误触发的可能性。较大的测球可以增加有效探针长度，并允许使用较大的测杆直径，从而提高探针刚度。最后，较大的红宝石测球可以减小工件表面光洁度对测量结果的影响。

测头的校准

　　在开始测量之前，必须对测头进行校准（包括所有测量程序）。首先，按照机床和测头制造商的说明，用探针对一个校准用的标准球进行探测（图5）。校准需要使用CMM随机提供或包含在机床数控系统所用探测软件中的专用校准程序。标准球的制造精度非常高，其准确尺寸已被确定并已纳入校准程序中。通过校准，可以确定测头零部件的有效尺寸，并将其尺寸值存储在CMM或机床控制系统中。如果所用CMM不止一台，则应使用一个经过校准的标准球，将其尺寸值输入特定测量机的探测软件中。

图5  用标准球对测头进行校准

　　尽管探针看似简单，但除了很高的精度要求以外，在生产探针的材料、设计和制造技术中蕴涵着许多科学知识。无论是将测球连接到测杆上的方法，还是探针材料的选择，看似简单的探针其实一点也不简单。