測頭是精密量儀的關鍵部件之一枫昏，作為傳感器提供被測工件的幾何信息偶屯，其發(fā)展水平直接影響著精密量儀的測量精度、工作性能旋蝎、使用效率和柔性程度冶习。坐標測量機是一種典型的精密量儀，其發(fā)展歷史也表明孕序，只有在精密測頭為坐標測量機提供新的觸測原理琐幔、新的測量精度后，坐標測量機才能發(fā)生一次根本的變化递市。換言之为稽，精密測頭是限制精密量儀精度和速度的主要因素，精密量儀能否滿足現(xiàn)代測量要求也依賴于精密測頭系統(tǒng)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展。

2 精密測頭的演變

精密測頭的發(fā)展有悠久的歷史疑苔，最早可追溯到上世紀20年代電感測微儀的出現(xiàn)甫匹；但真正快速發(fā)展卻得益于上世紀50年代末三坐標測量機的出現(xiàn)。迄今惦费，精密測頭通常分為接觸式測頭與非接觸式測頭兩種兵迅，其中接觸式測頭又分為機械式測頭、觸發(fā)式測頭和掃描式測頭薪贫；非接觸式測頭分為激光測頭和光學視頻測頭恍箭。

掃描式測頭也稱量化測頭禀酱，測頭輸出量與測頭偏移量成正比，作為一種精度高牧嫉、功能強、適應性廣的測頭减途，同時具備空間坐標點的位置探測和曲線曲面的掃描測量的功能酣藻。該類測頭的測量原理是測頭測端在接觸被測工件后，連續(xù)測得接觸位移鳍置，測頭的轉換裝置輸出與測桿的微小偏移成正比的信號辽剧，該信號和精密量儀的相應坐標值疊加便可得到被測工件上點的精確坐標。若不考慮測桿的變形税产，掃描式測頭是各向同性的怕轿，故其精度遠遠高于觸發(fā)式測頭。該類測頭的缺點是結構復雜辟拷，制造成本高撞羽，目前世界上只有少數(shù)公司可以生產(chǎn)。

不論是觸發(fā)式測頭還是掃描式測頭卒亩，都是采用接觸式探針與被測工件接觸采集輪廓點蚀攘，然后進行數(shù)據(jù)處理，進而得到被測工件的位置或形狀信息划万。由于接觸式探針有一定的大小嘴略，不能對一些孔、槽等內(nèi)尺寸較小的工件進行測量招蠕；另外卑蚓，測頭測端與被測工件接觸時產(chǎn)生的壓力會引起被測工件的變形和劃傷，也難以對一些薄片倾莽、刀口輪廓及柔軟的材料進行測量径泉。而非接觸式測頭由于采用光學方法可以避免接觸式測頭這方面的限制。

非接觸式測頭一般采用光學的方法進行測量巡软，由于測頭無需接觸被測工件檩讯，故不存在測量力，更不會劃傷被測工件菌劲，同時可以測量軟質介質的表面形貌干跛。但該類測頭受外界影響因素較多，如被測物體的形貌特征祟绊、輻射特性以及表面反射情況都會影響測量結果楼入。到目前為止，非接觸式測頭的測量精度還不是很高牧抽，還無法取代接觸式測頭在精密量儀中的位置嘉熊。

3 各類精密測頭的現(xiàn)狀

3.１ 觸發(fā)式測頭

當觸發(fā)式測頭的測端觸碰到被測工件時遥赚，測頭發(fā)出觸發(fā)信號。其核心是判斷接觸與否阐肤，類似電子開關的工作性質凫佛，故又稱開關測頭。實現(xiàn)此功能的方法有電子機械開關的通斷孕惜、壓電晶體的壓電效應和應變片的形變等愧薛。

早期的觸發(fā)式測頭采用彈簧力作用下的機械定位機構，當測端與被測工件接觸時衫画，產(chǎn)生的接觸力由測桿傳遞至測頭體內(nèi)部的觸發(fā)機構毫炉，當該力增大到足以克服內(nèi)部彈簧的預壓力時，觸發(fā)機構的機械觸點便脫離接觸树季，進而發(fā)出觸發(fā)信號垄套。采用此方式觸發(fā)的測頭存在以下弊端：當測頭從不同方向觸測工件時，克服內(nèi)部彈簧所需的接觸力并不相同令叉，這就導致了測頭從不同方向觸測工件時測頭的預行程也不同沦浆，降低了重復性精度。這是引起測量誤差的最大誤差源见撵，而該設計方式根本無法避免預行程的變化启孔。另外，測頭測端與被測工件接觸時薪尉，測桿由于受力會發(fā)生彎曲變形键羡，同樣會引入測量誤差，且該誤差隨著測桿的長度增加而增加凡加。Renishaw公司早期的觸發(fā)式測頭TP2慰奉，只能支持10ｍｍ長的測桿，預行程變化量為3.28μｍ氧胳，單向重復性精度為0.35μｍ证森。

固態(tài)傳感技術在觸發(fā)測頭中的使用，顯著提高了測頭的精度伴鳖，特別是減小了在使用較長的測桿時由于預行程變化引起的測量誤差节值。Renishaw公司新一代觸發(fā)式測頭TP200采用靈敏度更高的應變片技術進行觸發(fā)，大大減小了測頭的各項異性榜聂，減小了預行程變化搞疗。其結構設計采取感應接觸形變的應變片和機械復位機構相隔離，此設計可以消除很大部分由振動引起的測量誤差须肆；并且匿乃，該測頭的設計非常緊湊，直徑僅為13ｍｍ豌汇，可以容易地伸入被測工件中進行測量幢炸，增加了測頭的測量范圍泄隔。TP200測頭不僅在精度、測量范圍和工作壽命方面有很大進步宛徊，而且在使用較長測桿時的預行程變化也減小許多佛嬉。在測桿長達100ｍｍ的情況下，單向重復性精度為0.5μｍ闸天，預行程變化量小于1μｍ巷燥；另外，該測頭有著很低的測量力沛狱，ＸＹ向測力僅為0.02Ｎ，Ｚ向測力為0.07Ｎ博旬。

為適應不同測量需求尤乎，可將兩種或更多的觸發(fā)技術集成到一個觸發(fā)式測頭內(nèi)，即雙觸發(fā)或多觸發(fā)技術剪妥。德國Zeiss公司ST3測頭采用壓電傳感器和電子機械開關兩種技術相結合的觸發(fā)方式波寓，當采用壓電傳感器方式觸發(fā)時，測量力可以減小到0.01Ｎ蝇居，配合電子機械觸發(fā)方式报逛，可以避免靈敏的壓電傳感器引起誤觸發(fā)。另外刮锹，Renishaw公司TP800測頭集合電子機械開關任疤、壓電傳感器和應變片技術與一體，可以以三種觸發(fā)方式工作惯狠。當采用壓電傳感器觸發(fā)方式時丙图，測頭預行程變化量最小空猜；當采用電子機械開關觸發(fā)方式時绽慈，預行程變化量最大，精度也最低辈毯；采用應變片觸發(fā)方式時坝疼，預行程變化量適中。該測頭的測量精度也很高谆沃，當攜帶長度為50ｍｍ測桿時钝凶，各方向上的單向重復精度僅為0.25μｍ，預行程變化量小于0.5μｍ管毙。采用多種觸發(fā)方式的測頭一般能支持較傳統(tǒng)觸發(fā)式測頭更重更長的測桿腿椎，例如，Renishaw的TP800測頭可支持長達350ｍｍ的測桿夭咬；且可以根據(jù)實際測量需要選擇不同的觸發(fā)方式啃炸、測量速度和測桿铆隘，擴大了測頭的應用范圍。

3.2 掃描式測頭

掃描式測頭又稱線性測頭南用，與觸發(fā)式測頭不同的是膀钠，當測頭測端接觸到被測工件后，不僅發(fā)出瞄準信號末径，還要給出測端的微位移俺媳，即同時具有瞄準和測微的功能。該類測頭的技術關鍵是能否提供一種無摩擦肉棕、無回程誤差驮桐、靈敏度高、運動直線性好的三維微導軌系統(tǒng)披腻。

德國Zeiss公司早期的掃描式測頭采用三層片簧導軌寝丹，每層導軌中都配有電感傳感器來感測微位移，當測頭測端接觸到被測工件時唱撩，測頭便發(fā)出零位信號和偏差信號肩堡，經(jīng)電箱處理由計算機接收并存儲測量數(shù)據(jù)。該測頭采用靜態(tài)檢測技術殃倒，測頭在接觸工件之前便得到一個預置的測量方向都璃，以該方向接觸工件后，測頭發(fā)出降速信號梁泞，然后進行微動以舒，待測頭過零時發(fā)出過零信號，之后測頭便轉入下一個快速進給運動慢哈。此工作方式的特點是：如果被測工件的曲面事先已知稀轨，即可預置測頭的運動方向，此時只需很少的控制技術岸军，實現(xiàn)起來比較容易和簡單奋刽。但該測頭也有其弊端，當測頭以一個方向（如Ｘ向）運動時艰赞，另外兩個方向（Ｙ向和Ｚ向）的導向運動由鎖緊部件鎖住佣谐，此時測頭測端接觸被測工件的運動方向和被測點的法向方向并不一致，這將引入余弦誤差方妖；另外狭魂，在測量換向時（如Ｘ向換為Ｙ向），緊鎖部件在鎖緊和放開各軸時將產(chǎn)生機械零位誤差党觅，而各軸的電感傳感器在互相更換時也會產(chǎn)生電子零位誤差雌澄。

德國Leitz公司生產(chǎn)的TRAX掃描測頭系統(tǒng)，其彈性導軌結構原理和Zeiss公司的掃描測頭大體相同杯瞻，但測量原理完全不同略雪。TRAX測頭采用動態(tài)檢測技術癌蚂，測頭測端接觸被測工件時，測頭三個方向的導軌都無需固定摩赎，測端沿法線方向讀取接觸力的同時還可以測得測力的方向在策，使得測頭測端的運動方向始終和被測點的法向方向一致，不僅避免了余弦誤差的存在隘唁，還消除了Zeiss測頭中的機械零位誤差敌灰，使得其測量精度非常高。另外杏疑，由于一旦測端與工件接觸產(chǎn)生的測力達到用戶預置的測力后甥晦，測頭便按測量點的外法向方向返回，使得測端與被測工件表面幾乎沒有摩擦力参枯，可以實現(xiàn)高速掃描測量寨支。TRAX測頭的工作原理決定了其同時適合已知和未知曲面的掃描測量，大大擴大了其使用范圍趣匪。
瑞士Mecartex公司和METAS（瑞士聯(lián)邦計量及檢驗局）聯(lián)合研制了一種三維接觸式測頭。該測頭采用了一種新型的機械機構晒来，該機構限制了自身的旋轉運動钞诡，并將其平移運動分為ｘ，ｙ湃崩，ｚ三個方向荧降，使得測頭具有完全的三自由度；另外攒读，每個方向的移動都可由電感傳感器測得朵诫。由于該機構中所有的坐標軸和測頭有相同的夾角，故重力對各個軸的影響相同薄扁，使得測頭在三個方向上測力相同剪返。用一塊永久性磁鐵將探針與測頭體聯(lián)接在一塊，易于探針的更換和清潔邓梅；發(fā)生意外撞擊時脱盲，該磁鐵還可保護測頭體不受損害。

精密測頭的最新發(fā)展應該算Renishaw公司今年推出的Renishaw Revo測頭日缨∏矗可以說，在測量原理上該測頭是精密測頭的一次革命性進展匣距。該測頭系統(tǒng)采用了Renscan5技術冷泵，在坐標測量機上能實現(xiàn)高精度、超高速五軸掃描測量梗药，測量速度高達500ｍｍ/s傀脑。該技術的特點是讓大部分的檢測運動交由測座負責往蚕，測量機可以以恒定速度沿著一個矢量方向移動，將坐標測量機移動時因本身結構窜鳍、重量所導致的動態(tài)誤差降至最小森烦，基本上消除了現(xiàn)時三軸掃描系統(tǒng)通常具有的測量誤差。

Revo測頭的兩軸都采用了球面空氣軸承技術稻嘱，由高分辨率編碼器的無刷電機驅動维愈，可以提供快速、超高精度的定位罢令。為降低測頭機構在高速運動狀態(tài)下對動態(tài)慣性的影響林狈，Revo測頭使用光學的方法測量測頭探針端部的精確位置，其實現(xiàn)方法是：測頭體內(nèi)裝有激光光源和位置傳感器（PSD）媒埃，激光源發(fā)出的光束經(jīng)過一個中空的探針射到探針端部的反射鏡上菜碌，當探針接觸工件時發(fā)生彎曲變形，伴隨著反射鏡出現(xiàn)位移题山，反射鏡的偏移直接導致光路發(fā)生變化兰粉，再由PSD測得變化的光路情況，便可確定探針端部的準確位置顶瞳。

3.3 非接觸式測頭

非接觸式測頭也可分為一維畏腕、二維和三維測頭。激光測頭通常是一維測頭茉稠。一維測頭一般采用接觸式測頭的測量方式郊尝，對被測工件進行逐點測量，故測量速度較慢卡围，不利于精密量儀向高效率的方向發(fā)展艺扑；三維測頭由于現(xiàn)有的技術和理論限制，其結構復雜外秋，精度也不高米法；目前非接觸測頭的主要發(fā)展方向主要是二維測頭。光學視覺測頭通常是二維測頭。

近年來短户，非接觸式測頭的研制在世界范圍內(nèi)是精密量儀制造廠家的研究重點荐呵。非接觸式測量的實現(xiàn)方式有多種，目前應用于實踐并產(chǎn)品化的非接觸式測頭已經(jīng)為數(shù)不少唇锡。德國Wolf&Beck的OTM系列光學測頭蔬聚，日本三豐公司的圖像測頭Mitutoyo QVP，美國普賽（Perceptron）公司的SCANWORKS三維激光掃描測頭矗绅，比利時METRIS公司的LC系列光學掃描測頭墙违，以色列NEXTEC公司的WIZPROBE激光掃描測頭以及德國Zeiss公司的Viscan光學掃描測頭，都已廣泛應用于精密量儀的非接觸測量叼枝。

以色列NEXTEC公司的WIZPROBE激光掃描測頭采用獨特的三角法測量原理诽表，測量精度受材料類型、表面加工形式隅肥、激光光柱角度和環(huán)境條件影響較小竿奏。適用于掃描小型、精密腥放、軟輕薄等特殊零件泛啸，也可用于覆蓋件的掃描。該測頭采樣頻率50點／s秃症，激光光斑直徑為30μｍ候址，測量范圍為50ｍｍ±5ｍｍ，測量分辨率1μｍ伍纫，單點精度為6μｍ，單點重復性可達0.3μｍ昂芜。

美國Perceptron公司的SCANWORKS激光掃描測頭采用三角法進行三維測量莹规。當激光投影平面與物體表面相交時，一個CCD照像機得到包含該交線的投影圖像泌神，通過準確的標定程序良漱，該交線被轉換到三維空間，從而得到被測物體表面的三維值棠裹。該測頭系統(tǒng)的測量精度為50μｍ忆和，重復性精度為20μｍ。

3 精密測頭的發(fā)展趨勢

從整體上考察效迹，近年來無論哪類精密測頭主要向著精度更高龟聊、尺寸更小、互換性更好啰蕴、綜合功能更強暑吹、數(shù)字化的方向發(fā)展。

由于觸發(fā)式測頭成本低、結構簡單凄跑，并能滿足常用的測量要求优生，在一定時期內(nèi)仍是市場上應用最多的測頭，其發(fā)展方向是尺寸小炭刺、集成度高泪确、精度高、各向異性小煮落。目前敞峭，Renishaw公司占據(jù)了該類測頭全世界90％的市場，在近期內(nèi)這種狀況還不會改變州邢。

目前的掃描式測頭儡陨，因結構復雜、體積大量淌、價格昂貴骗村，影響了其普及應用。掃描式測頭的發(fā)展方向就是在不影響其精度和掃描速度的同時呀枢，研制結構簡單胚股、成本低的新型、高精度掃描式測頭裙秋。另外琅拌，具有較大量程、能伸入小孔摘刑、用于測量微型零件的測頭也在發(fā)展进宝。特別指出，具有納米分辯率的微測頭是一個重要研究方向枷恕。而采用光柵傳感器的數(shù)字化精密測頭是掃描式測頭的普遍發(fā)展趨勢佩嘀，其最終發(fā)展結果將出現(xiàn)智能化精密測頭。

掃描測量方式雖然比點位測量方式效率高遵艰，但仍然受到觸測的限制沫杜。非接觸式測頭無需接觸，在運動中采樣測量电摔，可避免精密量儀的頻繁加速垛岛、減速、碰撞等稀崔，從而大大提高了測量效率限剩；又因為非接觸式測頭的測量力為零，可以測量各種柔軟泉剔、易于劃傷的工件桦徘；另外故咽，可以形成很小光斑，對一些接觸測端不易伸入的部件進行測量橄文，或對一些細節(jié)進行測量化刻，并且有很大的測量范圍；因此上陕，精密測頭的應用趨勢就是非接觸式測頭將得到越來越廣泛的應用桩砰。