面對市場上種類繁多的測頭，究竟哪種測頭更好？有沒有一種功能全面的測頭刮盗，能夠滿足各種不同要求的測量？這類問題在選擇坐標(biāo)測量機時深深地困擾著用戶逝遣。本文闡述了各種不同類型測頭的特點與區(qū)別书县，也針對不同的應(yīng)用分析了其測量需求，從使用者的角度出發(fā)給出了測頭選擇的建議耽盛，希望給用戶起到一些參考作用叉屠。

“觸發(fā)式測頭和掃描測頭哪個更好？”

“掃描測頭是不是測得更準(zhǔn)佑钾？”

這些問題不僅讓初次接觸三坐標(biāo)測量機的用戶西疤，哪怕是已經(jīng)擁有多臺三坐標(biāo)的老用戶、甚至是從事三坐標(biāo)測量機銷售的人員也時感困惑休溶。在選擇三坐標(biāo)測頭的過程中代赁，常常出現(xiàn)最終是由預(yù)算決定配置，從而導(dǎo)致配置過适揸或者配置不足的尷尬情況芭碍。

我們在配置三坐標(biāo)測量機的測頭時，實際會面臨來自多個方面的選擇困難孽尽，比如“固定式還是旋轉(zhuǎn)式”窖壕、“掃描測頭還是觸發(fā)測頭”、“三軸聯(lián)動還是五軸聯(lián)動”杉女、“接觸式測頭還是光學(xué)測頭”等等瞻讽，而且最終還逃不開預(yù)算的限制。雖然最后一項因素有時能夠起到一票否決的作用熏挎，但我們有必要從技術(shù)角度了解各類測頭的特點及適用場合和限制速勇，以便在綜合條件下能夠選到最為適宜的測頭晌砾，滿足測量要求。

【觸發(fā)測頭與掃描測頭】

其實要考察觸發(fā)測頭與掃描測頭兩者之間的區(qū)別欠慢，需要從測量任務(wù)的特點來著手進行衫荒。眾所周知，三坐標(biāo)測量機能夠進行從尺寸到形位公差的全方位測量笋夸，屬于通用型檢測設(shè)備液啃。但是其中，單一的尺寸測量椿啦，如長度墨仰、直徑、角度等猖等，基本都可以通過簡單的量具來測量歪缅，三坐標(biāo)并無不可代替的顯著優(yōu)勢计鹦；而行為公差的測量則牽涉到諸多方面谎秃，如測量基準(zhǔn)、擬合方式灶鹦、測量原則等弱瞄，必須依靠三坐標(biāo)測量機作為一個系統(tǒng)性的整體來進行，這也是三坐標(biāo)測量機具有不可替代性的主要原因把曼。

顧名思義杨帽，形位公差實際上包含了兩類不同的元素特征評價內(nèi)容，一類是形狀公差嗤军、另一類是位置公差注盈。形狀公差共包含直線度、平面度叙赚、圓度老客、圓柱度、線輪廓度和面輪廓度震叮；而位置公差共包含平行度胧砰、垂直度、傾斜度苇瓣、位置度尉间、同心度、同軸度和對稱度击罪。另外哲嘲，還有一類特殊的形位公差稱作跳動，包括徑向/端面圓跳動和徑向/端面全跳動崭夺。跳動從實質(zhì)上來說,也是評價被測元素的形狀誤差宁斋，因此我們不妨將其也歸入形狀誤差一類深七。

我們以測量一個圓為例，分別評價其直徑浮块、位置度粉霹、圓度。眾所周知勉瘩，確定一個圓所需的最少測點數(shù)目是3個喉侨，這樣就能擬合出一個理論圓，且該圓的圓度是0杀坟。在實際測量中青礁，極少發(fā)生僅用3個點就確定被測圓的情況。即使是對于公差較大的非關(guān)鍵尺寸源玉，都會至少采集4個點用以確定被測圓谋监，以免受到干擾因素影響導(dǎo)致產(chǎn)生較大誤差。誠然炼吴，對于單點誤差分布比較均勻的圓（沒有突變的奇異點）來說本鸣，測量4個點、8個點或是12個點對最終的直徑和位置度影響很微泄璞摹（在公差帶不太小的情況下）荣德，尤其是對采用最小二乘法擬合得到的圓；但是童芹，采點數(shù)目對于圓度的影響確是不可忽略的涮瞻。根據(jù)系統(tǒng)的分析和計算，要準(zhǔn)確評價被測圓的圓度所需要的測點數(shù)目N不小于64^[1]假褪。

這個測點數(shù)目給了我們很清楚的指示署咽，如果被測零件的測量要求中有關(guān)于圓度的測量需求，那需要使用掃描測頭生音。試想一下宁否，如果1個圓的64個測點采用單點觸發(fā)式測頭來測量的話，其測量效率顯然是難以讓人接受的久锥。從測量效率和合理性出發(fā)家淤，事實上不僅是圓度，其它類型的形狀公差測量都應(yīng)采用連續(xù)掃描測頭瑟由，否則難以準(zhǔn)確地評價被測元素的形狀公差总恐。

根據(jù)以上分析，那是否可以理解為掃描測頭是觸發(fā)測頭的升級版馍晴，在預(yù)算允許的前提下都盡量選擇掃描測頭呢坐默？回答也是否定的。掃描測頭在進行單點觸發(fā)采點時，其工作方式與觸發(fā)式測頭有很大的區(qū)別蚜玲。觸發(fā)式測頭的采點是在測頭觸發(fā)開始時發(fā)生的浓先；而掃描測頭則是采用模擬信號轉(zhuǎn)換的方式，其單個采點是在測頭觸發(fā)結(jié)束结憾、測針離開物體表面時發(fā)生的矢老。這兩種不同的采點方式造成的最顯而易見的區(qū)別就是觸發(fā)測頭采點速度顯著高于掃描測頭。觸發(fā)測頭的采點給人的感覺是“一碰即退”遗赘，而掃描測頭采點則是測針碰到工件后斋葱，會短暫粘滯在工件表面，然后緩慢回退至離開工件表面疾词。因此溃蛙，當(dāng)沒有掃描測量需求時，用觸發(fā)式測頭在測量效率上反而要高于掃描測頭绑咱。

另外值得一提的是绰筛，一些特定功能必須依靠掃描測頭才能實現(xiàn)，例如“自定心”描融÷霖“自定心”的應(yīng)用場合一般是用于尋找小孔的中心點、槽的底部等等稼稿，這就要求測頭具備搜索功能薄榛，直至測頭的模擬信號達到一個符合條件的穩(wěn)定狀態(tài)后才進行采點讳窟，這個功能是“一碰即退”的觸發(fā)測頭無法實現(xiàn)的让歼。

【固定式測頭與旋轉(zhuǎn)測頭】

同樣，這也不是一個孰優(yōu)孰劣的命題丽啡，而僅僅是設(shè)計初衷的不同導(dǎo)致應(yīng)用場合的差異谋右。和旋轉(zhuǎn)式測頭相比，固定式測頭最顯著的優(yōu)勢是其測針攜帶能力补箍。固定式測頭由于其結(jié)構(gòu)設(shè)計上的先天優(yōu)勢改执，一般允許攜帶的最大測針重量和長度要明顯大于旋轉(zhuǎn)式測頭。所以在有深孔測量橙缔、大零件測量需求的場合拟国，選擇固定式測頭更為普遍。但是我們在進行較為復(fù)雜的測量任務(wù)時元渺，由于測頭無法變換角度排卷，就需要根據(jù)不同的測針方向來配置吸盤。因此勉溉，對于配置固定式測頭的三坐標(biāo)測量機径肖，雙層甚至三層換針架都非常普遍，而測量過程中的換針動作也相當(dāng)頻繁。旋轉(zhuǎn)式測頭的應(yīng)運而生就是為了克服固定式測頭的這個弱點伍愕，測頭座的俯仰和偏轉(zhuǎn)功能能夠在不換針的情況下大大提高測量的靈活性更践，但是，旋轉(zhuǎn)式測頭靈活性提高的同時卻犧牲了部分測針攜帶能力蓉庆。

有觀點認(rèn)為藏络，固定式測頭的精度要高于旋轉(zhuǎn)式測頭，這樣的說法有些以偏概全撤宽。確實壹店，對于計量級幾何測量（亞微米級）來說，高精度固定式測頭確實占據(jù)了絕對優(yōu)勢芝加；但對于常規(guī)應(yīng)用硅卢，并且沒有諸如深孔之類的測量要求，那固定式測頭相比旋轉(zhuǎn)式測頭并無任何精度上的優(yōu)勢藏杖。

【三軸聯(lián)動與五軸聯(lián)動】

在這里我們并非要比較兩種不同系統(tǒng)的性能将塑，而更多的是對五軸系統(tǒng)做一下知識普及。首先蝌麸，所謂的“五軸測頭系統(tǒng)”并不是指測頭系統(tǒng)本身擁有5個軸点寥，而是測頭系統(tǒng)的2個旋轉(zhuǎn)軸和坐標(biāo)測量機的3個直線軸共同組成五軸系統(tǒng)。實際上来吩，五軸測頭也屬于旋轉(zhuǎn)測頭的范疇敢辩，它和普通旋轉(zhuǎn)測頭的區(qū)別在于旋轉(zhuǎn)軸能否“聯(lián)動”。普通旋轉(zhuǎn)測頭的A/B軸能夠提供偏轉(zhuǎn) (Yaw) 和俯仰 (Pitch) 兩種角度弟疆，但其角度的變換僅能在非測量狀態(tài)下進行戚长，而且其它的3個直線軸也必須保持靜止，因此這類系統(tǒng)也被稱為“3+2系統(tǒng)”怠苔。

五軸系統(tǒng)能夠?qū)?個旋轉(zhuǎn)軸的運動帶入到實時測量中同廉，和3個直線軸協(xié)同工作，實現(xiàn)測頭部分“邊測邊動”的效果义黑。因此相比三軸系統(tǒng)能夠帶來更大的靈活性防蚓。隨著當(dāng)今工業(yè)技術(shù)的進步，五軸加工設(shè)備開始被普遍應(yīng)用到復(fù)雜零件的加工上慷递，但這一趨勢尚沒有在測量領(lǐng)域得以普及儒剧，絕大多數(shù)的坐標(biāo)測量機仍停留在傳統(tǒng)的三軸或四軸技術(shù)水平上』鲕剑“五軸加工”與“三軸測量”之間的不對等勢必會給測量帶來一定的困難停唐，造成測量盲區(qū)。

五軸系統(tǒng)相比三軸系統(tǒng)的另一個不同在于其旋轉(zhuǎn)軸的分度龟付，三軸系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸僅用于變換測頭角度而不參與測量计胶，因此都有一定的角度分度值泞氯；但五軸系統(tǒng)的聯(lián)動旋轉(zhuǎn)軸參與測量過程，其測頭角度是連續(xù)變化的陕射，換句話說薄塘，五軸系統(tǒng)的測頭角度是無級分度的。我們試想一下這種情形：在編制測量程序時棺克，針對被測零件的姿態(tài)方位悠垛，我們配置并校準(zhǔn)好了所需的測頭角度。當(dāng)下個零件擺放到工作臺上娜谊，但其姿態(tài)方位與前一個零件不一致時确买，之前的測頭角度可能會不再適用。因此纱皆，在做批量測量時湾趾，我們對于零件的位置、姿態(tài)方位都有一定程度的要求派草。而對于五軸系統(tǒng)搀缠，這方面的要求會寬松得多，測頭的無級分度特性使得測頭能夠根據(jù)零件坐標(biāo)系的找正作出相應(yīng)調(diào)整近迁，避免了出現(xiàn)測頭角度不適用的情形艺普。

【接觸式測頭與光學(xué)測頭】

近年來流行著一些帶有誤導(dǎo)性的宣傳，導(dǎo)致部分用戶對光學(xué)測頭有過高的期待鉴竭，例如“用光學(xué)測頭一掃证摩，零件的所有尺寸都出來了”等等往蚕，這對光學(xué)測頭實際上存在很大的誤解梦铭。從目前的狀態(tài)來說砸琅，接觸式與光學(xué)測頭之間主要是相互補充的關(guān)系跷缀，而非競爭惜纸。

那接觸式和光學(xué)測頭究竟在哪些方面可以實現(xiàn)互補呢括者？這一點還需從光學(xué)測頭的種類說起淀然。三維光學(xué)測頭有不同的分類，比如點光源馅酪、線光源、面光源叼榄，不同的測頭其應(yīng)用場合有顯著區(qū)別乳侮。我們將光學(xué)測頭的應(yīng)用大致分成兩類：表面數(shù)字化和三維測量。有人不禁會有疑問：表面數(shù)字化和三維測量不是一回事嗎硼货？其實诉德，區(qū)分兩種應(yīng)用的關(guān)鍵在于是否生成數(shù)字表面模型 (Digital Surface Model)，也就是我們常說的點云或是三角網(wǎng)格钢怪。當(dāng)然在很多實際應(yīng)用當(dāng)中柱洽，生成的數(shù)字表面模型后續(xù)也會用于表面或特征元素測量，但這種測量模式是基于數(shù)字化后的零件模型，與傳統(tǒng)的直接測量特征元素還是有根本區(qū)別本谜。

對于表面數(shù)字化初家，其目的是要獲取零件表面輪廓，這就需要大量獲取輪廓的空間點坐標(biāo)乌助。而對于接觸式測頭來說溜在，一個一個點逐次獲取的方式是無法勝任百萬數(shù)量級點數(shù)的要求的，哪怕是連續(xù)掃描測頭他托，也只是通過測頭不離開零件表面的方式來提高取點速度掖肋，本質(zhì)上還是單點采集。這類應(yīng)用當(dāng)中赏参，線光源和面光源測頭就很好彌補了接觸式測頭的不足志笼，線掃描測頭通過一條由若干點的激光在工件表面移動，即可掃描出一片區(qū)域把篓；而面拍照測頭則是通過一組編碼的光線柵格籽腕，一次性獲取一個特定大小區(qū)域內(nèi)的點云。

在得到了數(shù)字化表面模型后纸俭，用戶可以把數(shù)據(jù)用于各種目的皇耗，比如和CAD模型做對比，獲取零件整體/局部輪廓的偏差终睦，三維尺寸測量或者逆向工程等等碘云。但是這種測量方式用于尺寸與行為公差測量時，通常無法符合測量工藝流程的要求（如建立測量基準(zhǔn)否抛、選擇元素擬合方法拦腌、選取評價參考等等）。但是言酪，有的零件或出于零件特殊性岭限，如軟性材質(zhì)、不允許接觸的表面败饵、微小特征等酣器，或出于測量效率的要求，確實需要非接觸式測量熊过。對于此類應(yīng)用吝重，點光源測頭也很好彌補了接觸式測頭的不足。

其實胖真，光學(xué)測頭相比接觸式測頭還有另一方面的優(yōu)勢沦匿。接觸式測頭采點時，測頭記錄的是測球中心的空間坐標(biāo)振峻，然后根據(jù)測球半徑來進行補償臼疫，得出實際點的坐標(biāo)择份。但當(dāng)測量特定位置的三維曲線時，如果不按照測點的法線方向去采點烫堤，會存在半徑補償余弦誤差荣赶；而如果按照測點的法線方向去采點，又會產(chǎn)生實際測點位置出現(xiàn)偏差的情況塔逃。這種情形在測量透平葉片時尤為常見讯壶。

非接觸式光學(xué)測頭直接利用光點的反射信號來獲取被測點的坐標(biāo)，不存在半徑補償?shù)沫h(huán)節(jié)湾盗，因此能夠完全杜絕余弦誤差產(chǎn)生的源頭伏蚊。再者，在測量易變性零件時格粪，雖然測力不大躏吊，但零件還是會在力的作用下造成一定變形（例如下圖中的薄葉片，測量頂部截面時帐萎，葉盆時葉片受到測力影響朝葉背方向彎曲比伏，反之亦然）。雖然彎曲變形量不大辐逝，但是考慮到葉片本身極薄吸畸，其相對變形量還是非常可觀的黄惭，會對得出的輪廓度與位置度都造成非常大的影響翁脓。

除點測頭以外，面光源拍照式測頭也能具備三維測量能力祟俯，但是拍照式測頭在用作三維測量時漫北，并不是基于獲得的點云來進行的，而是直接依靠捕捉的三維圖像提取被測元素五妹。而且市贡，當(dāng)拍照式測頭用于三維測量時并不單獨使用，而是配合接觸式測頭一起辞皇，由接觸式測頭負(fù)責(zé)建立測量基準(zhǔn)切果，而拍照式測頭則是針對一些特殊元素特征（例如孔、槽等）進行測量犀村。

光學(xué)測頭雖然有一些接觸式測頭無法提供的優(yōu)勢宰僧，但并無法完全替代接觸式測頭，其原因在于光線的可觸及性不如接觸式測頭观挎。測球的各個部位都可以去接觸被測物體來采點，但光的傳播是沿直線的段化，我們無法讓光“轉(zhuǎn)彎”嘁捷，必然有一些特征讓光線力所不能及造成，比如徑深比很小的孔、或是需要L型測針的場合雄嚣，接觸式測頭比光學(xué)測頭更方便晒屎。

【結(jié)語】

沒有最好的測頭，更沒有萬能的測頭缓升，究竟怎么選擇最終還是取決于測量需求鼓鲁。在紛繁復(fù)雜的測頭種類面前，不以預(yù)算為導(dǎo)向港谊，不求全能型測頭骇吭，才能找到真正合適的產(chǎn)品，既快又好地做好質(zhì)量控制歧寺。

參考文獻

1 趙前程 鄧善熙 丁興號咱取，圓度測量中測量點數(shù)的確定，農(nóng)業(yè)機械學(xué)報阅秀，2004年1月姆歹，第35卷 第1期

（溫澤測量儀器(上海)有限公司 王淼安）

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