測頭種類的特點與選擇

■ 溫澤測量儀器（上海）有限公司 （201703） 王淼安

我們在配置三坐標測量機的測頭時，實際會面臨來自多方面的選擇困難，比如“固定式還是旋轉式”、“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測頭”等，而且最終還逃不開預算的限制。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角度了解各類測頭的特點及適用場合和限制，以便在綜合條件下能夠選到最為適宜的測頭，從而滿足測量要求。

1. 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，需要從測量任務的特點來著手進行。眾所周知，三坐標測量機能夠進行從尺寸到形位公差的全方位測量，屬于通用型檢測設備。但是其中單一的尺寸測量，如長度、直徑和角度等，基本都可以通過簡單的量具來測量，三坐標并無不可代替的顯著優(yōu)勢；而形位公差的測量則牽涉到諸多方面，如測量基準、擬合方式和測量原則等，必須依靠三坐標測量機作為一個系統(tǒng)性的整體來進行，這也是三坐標測量機具有不可替代性的主要原因。

以測量一個圓為例，分別評價其直徑、位置度和圓度。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鍵尺寸，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)目對于圓度的影響卻是不可忽略的。根據(jù)系統(tǒng)的分析和計算，要準確評價被測圓的圓度，所需要的測點數(shù)目N不小于64。

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于圓度的測量需求，那就需要使用掃描測頭。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。從測量效率和合理性出發(fā)，事實上不僅是圓度，其他類型的形狀公差測量都應采用連續(xù)掃描測頭，否則難以準確地評價被測元素的形狀公差。

根據(jù)以上分析，是否可以理解為掃描測頭是觸發(fā)測頭的升級版，在預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換的方式，其單個采點是在測頭觸發(fā)結束、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)測頭采點速度明顯高于掃描測頭。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，會短暫粘滯在工件表面，然后緩慢回退至離開工件表面。因此，當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”。“自定心”的應用場合一般是用于尋找小孔的中心點、槽的底部等，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。

2. 固定式測頭與旋轉測頭

固定式測頭與旋轉測頭也不是一個孰優(yōu)孰劣的命題，而僅僅是設計初衷的不同導致應用場合的差異。和旋轉式測頭相比，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構設計上的先天優(yōu)勢，一般允許攜帶的最大測針質量和長度要明顯大于旋轉式測頭。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。但是在進行較為復雜的測量任務時，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頻繁。旋轉式測頭的應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，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)應用，并且沒有諸如深孔之類的測量要求，固定式測頭相比旋轉式測頭并無任何精度上的優(yōu)勢。

3. 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，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個旋轉軸和坐標測量機的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測頭的范疇，它和普通旋轉測頭的區(qū)別在于旋轉軸能否“聯(lián)動”。普通旋轉測頭的A/B軸能夠提供偏轉（Yaw）和俯仰（Pitch）兩種角度（見圖1），但其角度的變換僅能在非測量狀態(tài)下進行，而且其他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)”。

五軸系統(tǒng)能夠將2個旋轉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。隨著當今工業(yè)技術的進步，五軸加工設備開始被普遍應用到復雜零件的加工上，但這一趨勢尚沒有在測量領域得以普及，絕大多數(shù)坐標測量機仍停留在傳統(tǒng)的三軸或四軸技術水平上?！拔遢S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軸的分度，三軸系統(tǒng)的旋轉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)動旋轉軸參與測量過程，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。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，配置并校準好了所需的測頭角度。當下一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，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)零件坐標系的找正作出相應調整，避免了出現(xiàn)測頭角度不適用的情形。

4. 接觸式測頭與光學測頭

近年來流行著一些帶有誤導性的宣傳，導致部分用戶對光學測頭有過高的期待，例如“用光學測頭一掃，零件的所有尺寸都出來了”等，這對光學測頭實際上存在很大的誤解。從目前的狀態(tài)來說，接觸式與光學測頭之間主要是相互補充的關系，而非競爭。

圖 1

接觸式和光學測頭究竟在哪些方面可以實現(xiàn)互補呢？這一點還需從光學測頭的種類說起。三維光學測頭有不同的分類，比如點光源、線光源和面光源，不同的測頭其應用場合有顯著區(qū)別。我們將光學測頭的應用大致分成兩類：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)分兩種應用的關鍵在于是否生成數(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。當然在很多實際應用當中，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)別的。

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（見圖2）。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，本質上還是單點采集。這類應用當中，線光源和面光源測頭就很好地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。但是這種測量方式用于尺寸與形位公差測量時，通常無法符合測量工藝流程的要求（如建立測量基準、選擇元素擬合方法及選取評價參考等）。但是，有的零件或出于零件特殊性，如軟性材質、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。對于此類應用，點光源測頭也很好地彌補了接觸式測頭的不足。

其實，光學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，然后根據(jù)測球半徑來進行補償，得出實際點的坐標。但當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，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（見圖3）。這種情形在測量透平葉片時尤為常見。

圖 2

圖 3

非接觸式光學測頭直接利用光點的反射信號來獲取被測點的坐標，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，在測量易變形零件時，雖然測力不大，但零件還是會在力的作用下造成一定變形。例如圖4所示的薄葉片，測量頂部截面時，在測量葉盆時，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，由接觸式測頭負責建立測量基準，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。測球的各個部位都可以去接觸被測物體來采點，但光是沿直線傳播的，我們無法讓光“轉彎”，必然有一些特征使光線力所不能及，比如徑深比很小的孔、或是需要L型測針的場合，接觸式測頭比光學測頭更方便。

圖 4

5. 結語

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

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[1] 趙前程，鄧善熙，丁興號. 圓度測量中測量點數(shù)的確定[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2004，35（1）：136-140.