溫（wēn）澤測量儀器(上海)有限公司　王（wáng）淼安

　　麵對市場上種類繁多的測頭，究竟哪種測頭更好？有沒有（yǒu）一種功能（néng）全麵的測頭，能夠滿足各種不同要求的測量？這類問題在選擇坐標測量機時深深地（dì）困擾著用戶。本文闡述了各種不同類型測（cè）頭的特點與區別（bié），也針對不同的應用分析了其測量需求，從使用（yòng）者的角度出發給出了測頭選擇的建議，希望給用戶（hù）起（qǐ）到一些參考作用。

“觸（chù）發式測頭和掃描測頭哪（nǎ）個更好？”

“掃描測頭是不是測得更準？”

　　這（zhè）些問題不僅讓初次接觸三坐（zuò）標（biāo）測量機的用戶（hù），哪怕是（shì）已經擁有多（duō）台（tái）三坐標（biāo）的老用戶、甚至是從事三坐標測（cè）量機銷售的人（rén）員也時（shí）感困惑。在選擇三坐（zuò）標測頭的過程中，常常出現最終是由預（yù）算決定（dìng）配置，從而導致配置過剩或者配置不足的尷尬情（qíng）況（kuàng）。

 　　我們在配置三坐標測量機的測頭時，實際會（huì）麵臨來自多（duō）個（gè）方麵的選擇困難，比（bǐ）如“固定式還是旋轉式”、“掃描測頭還是觸發測頭”、“三軸（zhóu）聯動還是五軸聯（lián）動”、“接觸式（shì）測頭還（hái）是光學測頭”等等，而且最（zuì）終還逃不開預算的限製。雖（suī）然最後一項因素（sù）有時能夠起到一票否決的作（zuò）用，但我們有必要從技術角度了（le）解各類測頭的特點及適用場（chǎng）合和（hé）限（xiàn）製（zhì），以便在綜合條件下能夠選到最（zuì）為適宜的測頭，滿足測量要求。

 【觸發測頭與掃描測頭】

　　其實要（yào）考察觸（chù）發測頭與（yǔ）掃描測頭兩（liǎng）者之間（jiān）的區別，需要從測量任務的特點來著手進行。眾（zhòng）所周知（zhī），三坐（zuò）標（biāo）測量機能夠進行從尺寸到形位公差的全方（fāng）位測（cè）量，屬於通用型檢測設備。但是其（qí）中，單一的尺寸測量（liàng），如長度、直徑、角（jiǎo）度等，基（jī）本都可以通過簡單的量具來測量，三坐標並無不可代替的（de）顯著優勢（shì）；而行為公（gōng）差的測量則牽涉到諸（zhū）多方麵，如測量（liàng）基準、擬合方式、測量原則等，必須依（yī）靠三坐標（biāo）測量機（jī）作為一個（gè）係統性的整體來進行（háng），這也是三坐標測量機具有不（bú）可替代性的主要原因。

 　　顧名思義，形位（wèi）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、另一類是位置公差。形狀公差（chà）共包（bāo）含直線度、平麵度（dù）、圓度、圓柱度、線輪廓度和麵輪廓度；而位置公差（chà）共包含平行度、垂（chuí）直度、傾斜（xié）度、位置度、同心度、同軸度和對稱度。另外（wài），還有一類特殊的形位（wèi）公差稱作跳動（dòng），包括徑向/端麵圓跳動和徑向/端麵全跳動（dòng）。跳動從實（shí）質上來說,也是評價被測元素的（de）形狀誤（wù）差，因此我們不妨將其也歸入形狀誤差一類。

 　　我們以測量一個圓（yuán）為例，分別評價其直徑、位（wèi）置度、圓度。眾所周知，確定一個圓所需（xū）的最少測點數目是3個，這樣（yàng）就能擬合出一（yī）個理論圓，且（qiě）該圓（yuán）的（de）圓度是0。在（zài）實際測量（liàng）中，極少發（fā）生僅用（yòng）3個點就確定被測圓的（de）情（qíng）況。即使是對於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，以免受到幹擾因素影響導致產生較大誤差。誠然（rán），對於單點誤差分布比（bǐ）較均勻的圓（沒有突變的奇異點）來說（shuō），測量4個點、8個點或是12個點（diǎn）對最終的直（zhí）徑和位置度影響很微小（在公差（chà）帶不太（tài）小的情況（kuàng）下），尤其是對采用最小二乘法擬合得到的圓；但是，采點數目對（duì）於圓度（dù）的影響確是不可忽略的。根據係統的分析和計算，要準確評價被測圓的圓度所需要的測點數目N不小於64^[1]。

 　　這個測點數目給了我們（men）很清楚的指示，如果被測零件的測量要求中有關於圓度的測量需求，那需要（yào）使用掃描測頭。試想一下（xià），如果1個圓的64個測點采（cǎi）用單點觸發式測頭來測量的話，其測（cè）量效率顯然是難（nán）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（dù），其它類型的形（xíng）狀公差測量（liàng）都應采用連續掃描測頭，否則難以準確地評價被測元素的形狀公差。

 　　根據以上分析（xī），那是否可（kě）以理解為掃描測頭是觸發測頭的升級版，在預算允許的前提下都盡量選擇掃描測頭（tóu）呢？回答也是否定的（de）。掃描測頭在進行單點觸（chù）發采點時，其工作方式與觸發式測頭有很（hěn）大的（de）區別。觸發式測頭的（de）采點是在測頭觸發開始時發生的（de）；而掃描測頭則是采用模擬信號轉換的（de）方（fāng）式，其單個采點是在測（cè）頭（tóu）觸發結束、測針離開（kāi）物體（tǐ）表麵時發生的。這兩種不同的采點方式造成的最顯（xiǎn）而易（yì）見的區別就是觸發測頭采點速度顯著高於掃描測頭。觸發（fā）測頭的采點給人的感覺是（shì）“一碰即退”，而掃描（miáo）測頭采點則是測針碰到工件後，會短暫粘滯在工（gōng）件表麵，然後緩慢回退至（zhì）離開工件表（biǎo）麵。因此，當沒有掃描（miáo）測量需求時，用觸發式測頭在測量效率（lǜ）上反而要高於（yú）掃描測頭。

 　　另外值（zhí）得一提的是，一些特定（dìng）功能必須依靠掃描測頭才能實現，例如“自定心”。“自定心”的應用場合一般是用於尋找小孔的中心點、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（nǐ）信號達到一個符合條件（jiàn）的穩定狀（zhuàng）態後才進行采點，這個功能是“一碰（pèng）即退”的觸（chù）發測頭無（wú）法實現的。

【固定式測頭與旋轉測頭（tóu）】

　　同樣，這也不是一個（gè）孰優孰劣的命（mìng）題，而僅僅是設計初衷的不同導（dǎo）致應用場合的差異。和旋轉式（shì）測頭相比，固定式測頭最顯著的優勢是其測針攜帶能力。固定式測頭由於其結構設（shè）計上的先天優勢，一般允許攜（xié）帶（dài）的最大測針重量和長度要明顯大於旋轉（zhuǎn）式測頭。所以在有深孔測（cè）量、大零（líng）件測量需求的場合，選擇（zé）固定（dìng）式（shì）測（cè）頭更為普遍。但是我們在進行較為複雜的測量任務時，由（yóu）於測頭無法變換（huàn）角度，就需要（yào）根據不同的測針方向來配置吸盤（pán）。因此，對於配置固定式測頭的三坐標測量機，雙層甚（shèn）至（zhì）三層換針架都非（fēi）常普遍（biàn），而測量過程中的換針動作也相當頻繁。旋轉（zhuǎn）式（shì）測頭的（de）應運而生就是為了克服固（gù）定式測頭的這個弱點，測頭座的俯仰和偏轉功能能（néng）夠（gòu）在不換針的情況下（xià）大大（dà）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（cè）針攜帶能力。

 　　有觀點認為，固定式（shì）測頭的精度要高（gāo）於旋轉式測頭，這樣的說法有些以偏概全（quán）。確（què）實，對於計量級幾何測量（亞微米級）來說，高精度固定式測頭確實占據了絕對（duì）優勢；但對於常規應用，並且（qiě）沒有諸如深孔之類的測量要求（qiú），那固定（dìng）式測頭相比旋（xuán）轉式測頭並無任何精度上的優勢。

 【三軸（zhóu）聯動與五軸聯動】

　　在這裏我們並非（fēi）要比較兩種（zhǒng）不同係統的性能，而更多的是對五軸係統（tǒng）做一下知識普及。首先，所謂的“五軸測頭係統”並不是指測頭係（xì）統本身擁有5個軸（zhóu），而是測頭係統的2個（gè）旋轉軸和坐標測量機的3個直線軸共同組成五（wǔ）軸係統。實際上，五軸測頭也屬於旋轉測頭的範疇，它（tā）和普通（tōng）旋轉（zhuǎn）測頭的區別在（zài）於旋轉軸能否“聯動”。普（pǔ）通旋轉測頭（tóu）的A/B軸能夠提（tí）供（gòng）偏轉 (Yaw) 和俯仰 (Pitch) 兩種角度（dù），但其角度的變換（huàn）僅能在非測量狀態下進（jìn）行，而且其它的3個直線軸也必須保（bǎo）持靜止，因此這類係統也被稱為“3+2係統”。

 　　五軸係統能夠將2個旋轉（zhuǎn）軸的運動帶（dài）入到實時測量（liàng）中，和（hé）3個直線軸協同工（gōng）作，實（shí）現（xiàn）測頭（tóu）部分“邊測邊動”的效果。因此（cǐ）相比三軸係統（tǒng）能夠（gòu）帶來更大的靈活性。隨著當今工業（yè）技術的進（jìn）步，五軸加工（gōng）設備開（kāi）始被（bèi）普（pǔ）遍應用到複雜零件的加工上（shàng），但這（zhè）一趨勢尚沒有在測量領（lǐng）域得以（yǐ）普及，絕（jué）大（dà）多數的坐標測量機仍停留在傳統的三（sān）軸或四軸技術水平上。“五（wǔ）軸加工”與“三軸測量”之間的不對等勢（shì）必會（huì）給測量帶來一定的（de）困（kùn）難，造成測量盲區。

 　　五軸係統相比三軸（zhóu）係統的另一個不同在（zài）於其旋轉軸的分（fèn）度（dù），三軸係統的旋轉軸（zhóu）僅用於變換測頭角度（dù）而不參與（yǔ）測（cè）量，因此都有一定的（de）角度分（fèn）度值；但五軸係統的聯動旋轉（zhuǎn）軸參與測量過程，其測頭角度是連續變化的，換句話說，五軸係統的測頭（tóu）角度（dù）是無級分度的。我們試想一下這（zhè）種情形：在編製測量程序時，針對被測零件的姿態（tài）方（fāng）位（wèi），我們配置並校準好了所需的（de）測頭角度。當下個零件擺放到工作（zuò）台上，但其姿態方位與前一個零件不一致時，之前的（de）測頭角度可能會不再適用（yòng）。因此，在（zài）做批量測量時，我們對於零件的位置、姿（zī）態方位（wèi）都有一定程度（dù）的要求。而對於五（wǔ）軸係（xì）統，這方麵的（de）要求（qiú）會（huì）寬鬆得多，測頭（tóu）的無級分度特性使得測頭能（néng）夠根據零件坐標係的找正作出相應調整，避免了出現測頭角度不適用的情形。

 【接觸式測頭與光學測頭】

　　近年來（lái）流行著（zhe）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（dài），例如“用光學測頭一掃，零件的所有尺寸都出來了”等等，這對光學測頭（tóu）實際上存在很大的誤解。從目前的狀態來說，接觸式與光學測頭之間主要是相（xiàng）互補充的（de）關係，而非競爭。

 　　那接（jiē）觸式和光學測頭究竟在哪（nǎ）些方麵可以（yǐ）實現互補呢？這一點還需從光學測頭的種類說起（qǐ）。三維（wéi）光學（xué）測頭有不同的分類，比如點光源、線光源、麵光源，不同的測頭其應用場合（hé）有顯著區別。我們（men）將光學測（cè）頭的應用大致分成兩類：表麵數字化和三維測量。有人（rén）不禁會有疑（yí）問：表麵數字化和三維測量不是一回事嗎？其實，區分兩種應用的關鍵在於是否生成數字表麵模型 (Digital Surface Model)，也（yě）就是我們常說的點雲或是三（sān）角網格。當然在很多實際應用當中，生成的（de）數字表麵模型後續也會用於表麵或特征元素測（cè）量，但這種測量模式（shì）是基於數字（zì）化後的零件模型，與（yǔ）傳統的直接測（cè）量特征元素還是有根本區別。

　　對於表麵數字化，其（qí）目（mù）的是要獲取零（líng）件表麵輪廓，這就需要大量獲取輪廓的空間點坐標。而對於接（jiē）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量（liàng）級點數的要求的，哪怕是連（lián）續掃描測頭，也隻（zhī）是通過測頭不（bú）離開零件表麵的（de）方式來提高取點速度，本質上還（hái）是單點采集。這類應用（yòng）當中，線光源和麵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幹點的激光（guāng）在工件表（biǎo）麵移動，即（jí）可掃（sǎo）描出一片區域；而麵拍照（zhào）測頭則是通過一組編碼的光線柵（shān）格，一次性獲取一個特定大小區域內的點雲。

 　　在得到了數字化表麵模型（xíng）後，用戶可以把數據用（yòng）於各種目（mù）的，比如（rú）和CAD模型做對比（bǐ），獲（huò）取零件（jiàn）整體/局部輪廓的偏差，三維尺寸測量（liàng）或者逆向工程等等。但（dàn）是這種測量方式用於尺寸與行為公差測量時，通常（cháng）無法符合測量工藝流程的要求（如建立（lì）測量基準、選擇元素擬合方法、選取評價參考等等）。但是，有的（de）零件或出（chū）於（yú）零件特殊性，如軟性材質、不允許（xǔ）接觸的表麵、微小（xiǎo）特征等，或出於測（cè）量效率的要求，確實需要非接觸式測量。對於此類應用，點光源（yuán）測頭也（yě）很好彌補了接觸式測（cè）頭的不足。

 　　其實，光學測頭相比接觸式測頭（tóu）還有另一方（fāng）麵的優勢。接觸（chù）式測頭采點時，測頭記錄（lù）的是測球（qiú）中心的空間坐（zuò）標，然後根據測球（qiú）半徑來進行補償，得出實際點的坐標。但當測量特定位置（zhì）的三（sān）維曲線時，如果不按照測點的法線（xiàn）方向去采點，會存在半徑補償餘弦誤差（chà）；而如果按照測點的（de）法線方向去采點，又（yòu）會產生實際測點位置出現偏差的情況。這種情形在測量透平葉片時尤為常見。

 　　非接觸式光學測頭直接利用光點的反射信號來（lái）獲取被測點的坐標，不存在（zài）半徑補償的環節（jiē），因此能夠（gòu）完全杜絕餘弦誤差產生的（de）源頭。再者，在（zài）測量易變性（xìng）零件時，雖然測力（lì）不大，但零件還（hái）是會在力的作（zuò）用下造成一定變形（例如下圖中的薄葉片，測量頂（dǐng）部（bù）截（jié）麵時，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（biàn）形量不大，但是考（kǎo）慮到葉片本身極薄，其相對變形（xíng）量還是非常可觀的，會對得出（chū）的輪廓度與位置度都造成非常大的（de）影響。

 　　除點測頭以外（wài），麵光源拍照式測頭（tóu）也能具備三維（wéi）測量能力，但（dàn）是拍照式測頭在用作三維測量時（shí），並不是基於（yú）獲得的點雲來進行的，而是直接依靠捕捉的三維圖像提取被測元素。而且，當拍照式測頭用於三（sān）維測量時並不單獨使用，而是配合接觸式測頭一起，由接觸式測頭負責建（jiàn）立測量基準，而拍照（zhào）式測頭則是（shì）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勢，但並無法完全替代接觸式測頭，其原因在於光線的可觸及性不如接觸式測頭。測（cè）球的各個部位（wèi）都可以（yǐ）去接觸被測物體來采（cǎi）點，但光的傳播（bō）是（shì）沿（yán）直線的，我們無法讓光“轉彎（wān）”，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（cè）針的場合，接觸式測頭比光學測頭更方便。

 【結語】

　　沒有最好的測頭，更沒有萬能的測頭，究竟怎麽選擇最終還是取決於測（cè）量需（xū）求。在紛繁複雜的測頭種類麵前，不以預算為（wéi）導向（xiàng），不（bú）求全能型測頭，才能找到真（zhēn）正（zhèng）合適的產品，既快又好地做好質量控製（zhì）。

參考文獻

1       趙前程 鄧善熙 丁興號，圓度測量中測量點數的確（què）定，農業機械學報，2004年1月，第35卷 第1期