測頭種類特點與選擇

1、測頭種類特點與選擇“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)？”這些問題不僅讓初次接觸三坐標(biāo)測量機的用戶，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)測量機銷售的人員也時感困惑。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)致配置過剩或者配置不足的尷尬情況。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，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)動還是五軸聯(lián)動”、“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。雖然最后一項因素有時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及適

2、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?！居|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，需要從測量任務(wù)的特點來著手進行。 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，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。顧名思義，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

3、、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，包括徑向/端面圓跳動和徑向/端面全跳動。跳動從實質(zhì)上 來說，也是評價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。%： . %： . jiI -Ci打1 ： KU我們以測量一個圓為例，分別評價其直徑、位置度、圓度。眾所周知，確定一個圓所需 的最少測點數(shù)目是3個，這樣就能擬合出一個理論圓，且該圓的圓度是0。在實際測量中， 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

4、，都會至少采 集4個點用以確定被測圓，以免受到干擾因素影響導(dǎo)致產(chǎn)生較大誤差。誠然，對于單點誤差 分布比較均勻的圓（沒有突變的奇異點）來說，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?。ㄔ诠顜Р惶〉那闆r下），尤其是對采用最小二乘法擬合得到的圓； 但是，采點數(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641。這個測點數(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。從測量效率和合

5、理性出發(fā)，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，否則難以準(zhǔn)確地評價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。觸發(fā)式測頭的采點是在測頭觸發(fā)開始時發(fā)生的；而掃描測頭則是 采用模擬信號轉(zhuǎn)換的方式，其單個采點是在測頭觸發(fā)結(jié)束、測針離開物體表面時發(fā)生的。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”，而掃描測頭采點則是測針碰到工件后，會短暫粘滯

6、 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，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現(xiàn)，例如“自定心”?！白远?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，這就要求測頭具備搜索功能， 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，這個功能是“一碰即退” 的觸發(fā)測頭無法實現(xiàn)的。【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，而僅僅是設(shè)計初衷的不同導(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) 計上的先天優(yōu)勢，一般允許攜帶的最

7、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。但是我們在進行較為復(fù)雜的測 量任務(wù)時，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，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，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 時卻犧牲了部分測針攜帶能力。有觀點認為，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， 對于計量級幾何測量（亞微米級）來說

8、，高精度固定式測頭確實占據(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?！救S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，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個軸，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，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。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)下進行，而且其它的3個 直線軸也必須保持靜止

9、，因此這類系統(tǒng)也被稱為“3+2系統(tǒng)”。RollPitchRollPitch五軸系統(tǒng)能夠?qū)?個旋轉(zhuǎn)軸的運動帶入到實時測量中，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。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

10、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，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，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)下個零件擺放到工作臺上，但其姿態(tài)方位與前一個零件不一致時，之前的測頭 角度可能會不再適用。因此，在做批量測量時，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?！窘佑|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“

11、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現(xiàn)互補呢？這一點還需從光學(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。有人不禁會有疑 問：表面數(shù)字化和三維測量不是一回事嗎？其實，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。當(dāng)然在很多實際應(yīng)用 當(dāng)中，生成的數(shù)

12、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。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坐標(biāo)。 而對于接觸式測頭來說，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，也只是通過測頭不離開零件表面的方式來提高取點速度，本質(zhì)上還是 單點采集。這類應(yīng)用當(dāng)中，線光源和面光源測頭就很好彌補了接觸式測頭的不足，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；而面拍照測頭則是通過 一組編碼的光線柵格，一次性獲取一個特定大小區(qū)域內(nèi)的點云。在得到了數(shù)字

13、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，通常無法符合測量工藝流程的要求（如建立測量基準(zhǔn)、選擇元素擬合 方法、選取評價參考等等）。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，確實需要非接觸式測量。對于此類應(yīng)用，點光 源測頭也很好彌補了接觸式測頭的不足。其實，光學(xué)測頭相比接觸式測頭還有另一方面的優(yōu)勢。接觸式測頭采點時，測頭記錄的 是測球中心的空間坐標(biāo)，然后根據(jù)測球半徑來進行補償，得出實際點的坐標(biāo)。但當(dāng)測量特定 位置的

14、三維曲線時，如果不按照測點的法線方向去采點，會存在半徑補償余弦誤差；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。這種情形在測量透平 葉片時尤為常見。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)，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，雖然測力不大， 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，葉盆時 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，會對得出的輪廓度與位置度都造成非常大的影響。除點測頭以外，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，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。而 且，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，由接觸式測頭 負責(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）進行測量。光學(xué)測頭雖然有一些接觸式測頭無法提供的