精密测头技术的演变与发展

1 引言  

测头是精密量仪的关键部件之一，作为传感器提供被测工件的几何信息，其发展水平直接影响着精密量仪的测量精度、工作性能、使用效率和柔性程度。坐标测量机是一种典型的精密量仪，其发展历史也表明，只有在精密测头为坐标测量机提供新的触测原理、新的测量精度后，坐标测量机才能发生一次根本的变化。换言之，精密测头是限制精密量仪精度和速度的主要因素，精密量仪能否满足现代测量要求也依赖于精密测头系统的不断创新与发展。  

2 精密测头的演变  

精密测头的发展有悠久的历史，最早可追溯到上世纪20年代电感测微仪的出现；但真正快速发展却得益于上世纪50年代末三坐标测量机的出现。迄今，精密测头通常分为接触式测头与非接触式测头两种，其中接触式测头又分为机械式测头、触发式测头和扫描式测头；非接触式测头分为激光测头和光学视频测头。  

机械式测头又称接触式硬测头，是精密量仪使用较早的一种测头。通过测头测端与被测工件直接接触进行定位瞄准而完成测量，主要用于手动测量。该类测头结构简单、操作方便，但精度不高，很难满足当前数控精密量仪的要求，除了个别场合，目前这种测头已很少使用。  
目前市面上广泛存在的精密测头是触发式测头。第一个触发式测头于1972年由英国Renishaw公司研制。触发式测头的测量原理是当测头测端与被测工件接触时精密量仪发出采样脉冲信号，并通过仪器的定位系统锁存此时测端球心的坐标值，以此来确定测端与被测工件接触点的坐标。该类测头具有结构简单、使用方便、制作成本低及较高触发精度等优点，是三维测头中应用最广泛的测头。但该类测头也存在各向异性（三角效应）、预行程等误差，限制了其测量精度的进一步提高，最高精度只能达零点几微米。在精密量仪上采用触发式测头进行测量时，通常是两点定线、三点定面、三点或四点定圆等方法，其实质是用几个点的坐标来确定理想几何要素的尺寸大小，而在形位误差测量方面就显示出明显缺陷；扫描测头的出现弥补了触发式测头这方面的不足。  

扫描式测头也称量化测头，测头输出量与测头偏移量成正比，作为一种精度高、功能强、适应性广的测头，同时具备空间坐标点的位置探测和曲线曲面的扫描测量的功能。该类测头的测量原理是测头测端在接触被测工件后，连续测得接触位移，测头的转换装置输出与测杆的微小偏移成正比的信号，该信号和精密量仪的相应坐标值叠加便可得到被测工件上点的精确坐标。若不考虑测杆的变形，扫描式测头是各向同性的，故其精度远远高于触发式测头。该类测头的缺点是结构复杂，制造成本高，目前世界上只有少数公司可以生产。  

不论是触发式测头还是扫描式测头，都是采用接触式探针与被测工件接触采集轮廓点，然后进行数据处理，进而得到被测工件的位置或形状信息。由于接触式探针有一定的大小，不能对一些孔、槽等内尺寸较小的工件进行测量；另外，测头测端与被测工件接触时产生的压力会引起被测工件的变形和划伤，也难以对一些薄片、刀口轮廓及柔软的材料进行测量。而非接触式测头由于采用光学方法可以避免接触式测头这方面的限制。  

非接触式测头一般采用光学的方法进行测量，由于测头无需接触被测工件，故不存在测量力，更不会划伤被测工件，同时可以测量软质介质的表面形貌。但该类测头受外界影响因素较多，如被测物体的形貌特征、辐射特性以及表面反射情况都会影响测量结果。到目前为止，非接触式测头的测量精度还不是很高，还无法取代接触式测头在精密量仪中的位置。