溫澤測量儀器(上海)有限公司　王淼安

　　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，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(jī)時(shí)深深地困擾著用戶。本文闡述了各種不同類型測頭的特點(diǎn)與區(qū)別，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，希望給用戶起到一些參考作用。

“觸發(fā)式測頭和掃描測頭哪個(gè)更好？”

“掃描測頭是不是測得更準(zhǔn)？”

　　這些問題不僅讓初次接觸三坐標(biāo)測量機(jī)的用戶，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(jī)銷售的人員也時(shí)感困惑。在選擇三坐標(biāo)測頭的過程中，常常出現(xiàn)最終是由預(yù)算決定配置，從而導(dǎo)致配置過?；蛘吲渲貌蛔愕膶擂吻闆r。

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

 【觸發(fā)測頭與掃描測頭】

　　其實(shí)要考察觸發(fā)測頭與掃描測頭兩者之間的區(qū)別，需要從測量任務(wù)的特點(diǎn)來著手進(jìn)行。眾所周知，三坐標(biāo)測量機(jī)能夠進(jìn)行從尺寸到形位公差的全方位測量，屬于通用型檢測設(shè)備。但是其中，單一的尺寸測量，如長度、直徑、角度等，基本都可以通過簡單的量具來測量，三坐標(biāo)并無不可代替的顯著優(yōu)勢；而行為公差的測量則牽涉到諸多方面，如測量基準(zhǔn)、擬合方式、測量原則等，必須依靠三坐標(biāo)測量機(jī)作為一個(gè)系統(tǒng)性的整體來進(jìn)行，這也是三坐標(biāo)測量機(jī)具有不可替代性的主要原因。

 　　顧名思義，形位公差實(shí)際上包含了兩類不同的元素特征評價(jià)內(nèi)容，一類是形狀公差、另一類是位置公差。形狀公差共包含直線度、平面度、圓度、圓柱度、線輪廓度和面輪廓度；而位置公差共包含平行度、垂直度、傾斜度、位置度、同心度、同軸度和對稱度。另外，還有一類特殊的形位公差稱作跳動(dòng)，包括徑向/端面圓跳動(dòng)和徑向/端面全跳動(dòng)。跳動(dòng)從實(shí)質(zhì)上來說,也是評價(jià)被測元素的形狀誤差，因此我們不妨將其也歸入形狀誤差一類。

 　　我們以測量一個(gè)圓為例，分別評價(jià)其直徑、位置度、圓度。眾所周知，確定一個(gè)圓所需的最少測點(diǎn)數(shù)目是3個(gè)，這樣就能擬合出一個(gè)理論圓，且該圓的圓度是0。在實(shí)際測量中，極少發(fā)生僅用3個(gè)點(diǎn)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，都會(huì)至少采集4個(gè)點(diǎn)用以確定被測圓，以免受到干擾因素影響導(dǎo)致產(chǎn)生較大誤差。誠然，對于單點(diǎn)誤差分布比較均勻的圓（沒有突變的奇異點(diǎn)）來說，測量4個(gè)點(diǎn)、8個(gè)點(diǎn)或是12個(gè)點(diǎn)對最終的直徑和位置度影響很微小（在公差帶不太小的情況下），尤其是對采用最小二乘法擬合得到的圓；但是，采點(diǎn)數(shù)目對于圓度的影響確是不可忽略的。根據(jù)系統(tǒng)的分析和計(jì)算，要準(zhǔn)確評價(jià)被測圓的圓度所需要的測點(diǎn)數(shù)目N不小于64^[1]。

 　　這個(gè)測點(diǎn)數(shù)目給了我們很清楚的指示，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。試想一下，如果1個(gè)圓的64個(gè)測點(diǎn)采用單點(diǎn)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。從測量效率和合理性出發(fā)，事實(shí)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，否則難以準(zhǔn)確地評價(jià)被測元素的形狀公差。

 　　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，在預(yù)算允許的前提下都盡量選擇掃描測頭呢？回答也是否定的。掃描測頭在進(jìn)行單點(diǎn)觸發(fā)采點(diǎn)時(shí)，其工作方式與觸發(fā)式測頭有很大的區(qū)別。觸發(fā)式測頭的采點(diǎn)是在測頭觸發(fā)開始時(shí)發(fā)生的；而掃描測頭則是采用模擬信號轉(zhuǎn)換的方式，其單個(gè)采點(diǎn)是在測頭觸發(fā)結(jié)束、測針離開物體表面時(shí)發(fā)生的。這兩種不同的采點(diǎn)方式造成的最顯而易見的區(qū)別就是觸發(fā)測頭采點(diǎn)速度顯著高于掃描測頭。觸發(fā)測頭的采點(diǎn)給人的感覺是“一碰即退”，而掃描測頭采點(diǎn)則是測針碰到工件后，會(huì)短暫粘滯在工件表面，然后緩慢回退至離開工件表面。因此，當(dāng)沒有掃描測量需求時(shí)，用觸發(fā)式測頭在測量效率上反而要高于掃描測頭。

 　　另外值得一提的是，一些特定功能必須依靠掃描測頭才能實(shí)現(xiàn)，例如“自定心”。“自定心”的應(yīng)用場合一般是用于尋找小孔的中心點(diǎn)、槽的底部等等，這就要求測頭具備搜索功能，直至測頭的模擬信號達(dá)到一個(gè)符合條件的穩(wěn)定狀態(tài)后才進(jìn)行采點(diǎn)，這個(gè)功能是“一碰即退”的觸發(fā)測頭無法實(shí)現(xiàn)的。

【固定式測頭與旋轉(zhuǎn)測頭】

　　同樣，這也不是一個(gè)孰優(yōu)孰劣的命題，而僅僅是設(shè)計(jì)初衷的不同導(dǎo)致應(yīng)用場合的差異。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。固定式測頭由于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的先天優(yōu)勢，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、大零件測量需求的場合，選擇固定式測頭更為普遍。但是我們在進(jìn)行較為復(fù)雜的測量任務(wù)時(shí)，由于測頭無法變換角度，就需要根據(jù)不同的測針方向來配置吸盤。因此，對于配置固定式測頭的三坐標(biāo)測量機(jī)，雙層甚至三層換針架都非常普遍，而測量過程中的換針動(dòng)作也相當(dāng)頻繁。旋轉(zhuǎn)式測頭的應(yīng)運(yùn)而生就是為了克服固定式測頭的這個(gè)弱點(diǎn)，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，但是，旋轉(zhuǎn)式測頭靈活性提高的同時(shí)卻犧牲了部分測針攜帶能力。

 　　有觀點(diǎn)認(rèn)為，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。確實(shí)，對于計(jì)量級幾何測量（亞微米級）來說，高精度固定式測頭確實(shí)占據(jù)了絕對優(yōu)勢；但對于常規(guī)應(yīng)用，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。

 【三軸聯(lián)動(dòng)與五軸聯(lián)動(dòng)】

　　在這里我們并非要比較兩種不同系統(tǒng)的性能，而更多的是對五軸系統(tǒng)做一下知識普及。首先，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(gè)軸，而是測頭系統(tǒng)的2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸和坐標(biāo)測量機(jī)的3個(gè)直線軸共同組成五軸系統(tǒng)。實(shí)際上，五軸測頭也屬于旋轉(zhuǎn)測頭的范疇，它和普通旋轉(zhuǎn)測頭的區(qū)別在于旋轉(zhuǎn)軸能否“聯(lián)動(dòng)”。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，但其角度的變換僅能在非測量狀態(tài)下進(jìn)行，而且其它的3個(gè)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)”。

 　　五軸系統(tǒng)能夠?qū)?/span>2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)帶入到實(shí)時(shí)測量中，和3個(gè)直線軸協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)測頭部分“邊測邊動(dòng)”的效果。因此相比三軸系統(tǒng)能夠帶來更大的靈活性。隨著當(dāng)今工業(yè)技術(shù)的進(jìn)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，但這一趨勢尚沒有在測量領(lǐng)域得以普及，絕大多數(shù)的坐標(biāo)測量機(jī)仍停留在傳統(tǒng)的三軸或四軸技術(shù)水平上。“五軸加工”與“三軸測量”之間的不對等勢必會(huì)給測量帶來一定的困難，造成測量盲區(qū)。

 　　五軸系統(tǒng)相比三軸系統(tǒng)的另一個(gè)不同在于其旋轉(zhuǎn)軸的分度，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，因此都有一定的角度分度值；但五軸系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸參與測量過程，其測頭角度是連續(xù)變化的，換句話說，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(shí)，針對被測零件的姿態(tài)方位，我們配置并校準(zhǔn)好了所需的測頭角度。當(dāng)下個(gè)零件擺放到工作臺上，但其姿態(tài)方位與前一個(gè)零件不一致時(shí)，之前的測頭角度可能會(huì)不再適用。因此，在做批量測量時(shí)，我們對于零件的位置、姿態(tài)方位都有一定程度的要求。而對于五軸系統(tǒng)，這方面的要求會(huì)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，避免了出現(xiàn)測頭角度不適用的情形。

 【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，例如“用光學(xué)測頭一掃，零件的所有尺寸都出來了”等等，這對光學(xué)測頭實(shí)際上存在很大的誤解。從目前的狀態(tài)來說，接觸式與光學(xué)測頭之間主要是相互補(bǔ)充的關(guān)系，而非競爭。

 　　那接觸式和光學(xué)測頭究竟在哪些方面可以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)呢？這一點(diǎn)還需從光學(xué)測頭的種類說起。三維光學(xué)測頭有不同的分類，比如點(diǎn)光源、線光源、面光源，不同的測頭其應(yīng)用場合有顯著區(qū)別。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(huì)有疑問：表面數(shù)字化和三維測量不是一回事嗎？其實(shí)，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(diǎn)云或是三角網(wǎng)格。當(dāng)然在很多實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，生成的數(shù)字表面模型后續(xù)也會(huì)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。

　　對于表面數(shù)字化，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(diǎn)坐標(biāo)。而對于接觸式測頭來說，一個(gè)一個(gè)點(diǎn)逐次獲取的方式是無法勝任百萬數(shù)量級點(diǎn)數(shù)的要求的，哪怕是連續(xù)掃描測頭，也只是通過測頭不離開零件表面的方式來提高取點(diǎn)速度，本質(zhì)上還是單點(diǎn)采集。這類應(yīng)用當(dāng)中，線光源和面光源測頭就很好彌補(bǔ)了接觸式測頭的不足，線掃描測頭通過一條由若干點(diǎn)的激光在工件表面移動(dòng)，即可掃描出一片區(qū)域；而面拍照測頭則是通過一組編碼的光線柵格，一次性獲取一個(gè)特定大小區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)云。

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

 　　其實(shí)，光學(xué)測頭相比接觸式測頭還有另一方面的優(yōu)勢。接觸式測頭采點(diǎn)時(shí)，測頭記錄的是測球中心的空間坐標(biāo)，然后根據(jù)測球半徑來進(jìn)行補(bǔ)償，得出實(shí)際點(diǎn)的坐標(biāo)。但當(dāng)測量特定位置的三維曲線時(shí)，如果不按照測點(diǎn)的法線方向去采點(diǎn)，會(huì)存在半徑補(bǔ)償余弦誤差；而如果按照測點(diǎn)的法線方向去采點(diǎn)，又會(huì)產(chǎn)生實(shí)際測點(diǎn)位置出現(xiàn)偏差的情況。這種情形在測量透平葉片時(shí)尤為常見。

 　　非接觸式光學(xué)測頭直接利用光點(diǎn)的反射信號來獲取被測點(diǎn)的坐標(biāo)，不存在半徑補(bǔ)償?shù)沫h(huán)節(jié)，因此能夠完全杜絕余弦誤差產(chǎn)生的源頭。再者，在測量易變性零件時(shí)，雖然測力不大，但零件還是會(huì)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(shí)，葉盆時(shí)葉片受到測力影響朝葉背方向彎曲，反之亦然）。雖然彎曲變形量不大，但是考慮到葉片本身極薄，其相對變形量還是非?？捎^的，會(huì)對得出的輪廓度與位置度都造成非常大的影響。

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

 　　光學(xué)測頭雖然有一些接觸式測頭無法提供的優(yōu)勢，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。測球的各個(gè)部位都可以去接觸被測物體來采點(diǎn)，但光的傳播是沿直線的，我們無法讓光“轉(zhuǎn)彎”，必然有一些特征讓光線力所不能及，比如徑深比很小的孔、或是需要L型測針的場合，接觸式測頭比光學(xué)測頭更方便。

 【結(jié)語】

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

參考文獻(xiàn)

1       趙前程 鄧善熙 丁興號，圓度測量中測量點(diǎn)數(shù)的確定，農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2004年1月，第35卷 第1期