触觉 CMM 在增材制造零件测量中的机械过滤效果研究
前言：增材制造零件表面粗糙度高，给尺寸测量带来了挑战，包括触觉、光学和X射线计算机断层扫描等不同的测量技术。传统上认为触觉测量具有最佳的精度和可追溯性，但其测量可能受到机械滤波效应的显著影响。研究调查了机械滤波效应对增材制造零件触觉测量的影响。利用实验和模拟方法揭示了这种影响。
特别是基于形态学方法的数值模拟可以研究单一影响因素，如针尖直径。通过测量轮廓的凸包点确定了针尖机械滤波效应导致的最大测量误差，相当于使用了一个无限大的针尖。对增材制造测试零件的圆柱直径进行了坐标测量机和X射线计算机断层扫描的测量结果比较，同时应用形态学方法“补偿”了坐标测量机的机械滤波效应。
将XCT作为尺寸测量技术时的系统误差还不完全清楚。虽然国际间XCT系统的比较显示，大多数XCT尺寸测量都达到了子体素精度，但XCT尺寸测量的可追溯性仍然是一个重大挑战。无论是触觉测量还是XCT测量，都存在表面过滤效应，尽管二者具有不同的特性。触觉探针的机械过滤效应是众所周知的。
XCT测量得到的外径比相应的CMM参考值小约Rz/2，而内径的结果则相反。 Carmignato等人[11]进一步进行了模拟研究，以调查XCT在具有粗糙表面的部件尺寸测量中的过滤效应。最小二乘直径与模拟圆柱的参考直径之间的平均偏差（mean deviations）为2Rp，与表面粗糙度无关；作者还研究了体素大小、XCT表面确定算法、焦点点和拟合操作对尺寸测量的影响。
尽管机械过滤的触觉探针效应是众所周知的，但对其对尺寸测量的影响的评估主要基于硬件实验，例如使用各种尺寸的触觉探针样式的CMM测量几何尺寸。系统评估了机械过滤效应对AM加工组件尺寸测量的影响，而对XCT过滤效应的探究将在另一篇文章中进行。实验被设计用于验证机械过滤效应。一个AM测试对象将通过具有不同针尖直径的CMM进行测量。数值模拟将被用于数学模拟触觉扫描过程。
模拟的原因是许多参数可以影响触觉测量系统的计量性能，例如探针长度，探针力，探针重量，扫描速度，探针方向。数值模拟允许分离单个影响因素，例如中的针尖直径。为了区分实验中使用的物理探针和数字模拟中使用的模拟探针，前者称为“针探头”，后者称为“盘探头”。
在常见的工作实践中，用于扫描的探针尺寸很小。探针的有限尺寸仍然会影响工件表面的精密测量。展示了将探针移动到工件表面上的效果。通过将测量结果与真实的工件轮廓进行比较，可以看出探针尖端倾向于使轮廓上的峰变得更宽，但峰高保持不变。探针平滑了轮廓上的谷，使谷变窄，同时谷高也降低了。这种效应会在工件表面的测量中引入扭曲，并被称为探针机械过滤效应。
对于工件表面的测量，尤其是自由曲面形状的工件，探针机械过滤效应显著影响测量精度。需要对跟踪曲面进行校正，以恢复真实的工件表面。跟踪曲面不能完美地重构为真实曲面，只能近似重构为真实的机械曲面，这是由于形态学运算的非线性性所致。
为确保与基板的重复和稳定贴合，AM测试对象的底部已经磨平，并垂直于AM测试对象相邻两个侧面的交点。基板包括三个陶瓷加工球。这些球的位置允许生成一个独特的坐标系，并且球之间的距离允许验证比例尺。由于是精密球体，使用最小二乘法最佳拟合程序测量其表面和确定其中心应该会得到较低的标准偏差。这三个球也用于为比较触探式测量和XCT测量提供比例参考。
结论：通过综合应用计算机断层扫描和触觉式测量技术，可以实现对AM组件的全方位测量，并能够纠正影响测量精度的因素。测试对象的设计和制造可以帮助研究人员评估不同尺寸测量工具的性能，并为AM组件的尺寸测量提供参考。
