溫澤測量?jì)x器(上海)有限公司　王淼安

　　面對市場(chǎng)上種類(lèi)繁多的測頭，究竟哪種測頭更好？有沒(méi)有一種功能全面的測頭，能夠滿(mǎn)足各種不同要求的測量？這類(lèi)問(wèn)題在選擇坐標測量機時(shí)深深地困擾著(zhù)用戶(hù)。本文闡述了各種不同類(lèi)型測頭的特點(diǎn)與區別，也針對不同的應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(hù)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？”

　　這些問(wèn)題不僅讓初次接觸三坐標測量機的用戶(hù)，哪怕是已經(jīng)擁有多臺三坐標的老用戶(hù)、甚至是從事三坐標測量機銷(xiāo)售的人員也時(shí)感困惑。在選擇三坐標測頭的過(guò)程中，常常出現最終是由預算決定配置，從而導致配置過(guò)?；蛘吲渲貌蛔愕膶擂吻闆r。

 　　我們在配置三坐標測量機的測頭時(shí)，實(shí)際會(huì )面臨來(lái)自多個(gè)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(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(kāi)預算的限制。雖然最后一項因素有時(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(lèi)測頭的特點(diǎn)及適用場(chǎng)合和限制，以便在綜合條件下能夠選到最為適宜的測頭，滿(mǎn)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別，需要從測量任務(wù)的特點(diǎn)來(lái)著(zhù)手進(jìn)行。眾所周知，三坐標測量機能夠進(jìn)行從尺寸到形位公差的全方位測量，屬于通用型檢測設備。但是其中，單一的尺寸測量，如長(cháng)度、直徑、角度等，基本都可以通過(guò)簡(jiǎn)單的量具來(lái)測量，三坐標并無(wú)不可代替的顯著(zhù)優(yōu)勢；而行為公差的測量則牽涉到諸多方面，如測量基準、擬合方式、測量原則等，必須依靠三坐標測量機作為一個(gè)系統性的整體來(lái)進(jìn)行，這也是三坐標測量機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(lèi)不同的元素特征評價(jià)內容，一類(lèi)是形狀公差、另一類(lèi)是位置公差。形狀公差共包含直線(xiàn)度、平面度、圓度、圓柱度、線(xiàn)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(chēng)度。另外，還有一類(lèi)特殊的形位公差稱(chēng)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(lái)說(shuō),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(lèi)。

 　　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(méi)有突變的奇異點(diǎn)）來(lái)說(shuō)，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?。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(diǎn)數目對于圓度的影響確是不可忽略的。根據系統的分析和計算，要準確評價(jià)被測圓的圓度所需要的測點(diǎn)數目N不小于64^[1]。

 　　這個(gè)測點(diǎn)數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(lái)測量的話(huà)，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(lèi)型的形狀公差測量都應采用連續掃描測頭，否則難以準確地評價(jià)被測元素的形狀公差。

 　　根據以上分析，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)式測頭有很大的區別。觸發(fā)式測頭的采點(diǎn)是在測頭觸發(fā)開(kāi)始時(shí)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(gè)采點(diǎn)是在測頭觸發(fā)結束、測針離開(kāi)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(jiàn)的區別就是觸發(fā)測頭采點(diǎn)速度顯著(zhù)高于掃描測頭。觸發(fā)測頭的采點(diǎn)給人的感覺(jué)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(kāi)工件表面。因此，當沒(méi)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，例如“自定心”。“自定心”的應用場(chǎng)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到一個(gè)符合條件的穩定狀態(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(wú)法實(shí)現的。

【固定式測頭與旋轉測頭】

　　同樣，這也不是一個(gè)孰優(yōu)孰劣的命題，而僅僅是設計初衷的不同導致應用場(chǎng)合的差異。和旋轉式測頭相比，固定式測頭最顯著(zhù)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重量和長(cháng)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(chǎng)合，選擇固定式測頭更為普遍。但是我們在進(jìn)行較為復雜的測量任務(wù)時(shí)，由于測頭無(wú)法變換角度，就需要根據不同的測針?lè )较騺?lái)配置吸盤(pán)。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(guò)程中的換針動(dòng)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(gè)弱點(diǎn)，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(shí)卻犧牲了部分測針攜帶能力。

 　　有觀(guān)點(diǎn)認為，固定式測頭的精度要高于旋轉式測頭，這樣的說(shuō)法有些以偏概全。確實(shí)，對于計量級幾何測量（亞微米級）來(lái)說(shuō)，高精度固定式測頭確實(shí)占據了絕對優(yōu)勢；但對于常規應用，并且沒(méi)有諸如深孔之類(lèi)的測量要求，那固定式測頭相比旋轉式測頭并無(wú)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的性能，而更多的是對五軸系統做一下知識普及。首先，所謂的“五軸測頭系統”并不是指測頭系統本身?yè)碛?/span>5個(gè)軸，而是測頭系統的2個(gè)旋轉軸和坐標測量機的3個(gè)直線(xiàn)軸共同組成五軸系統。實(shí)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別在于旋轉軸能否“聯(lián)動(dòng)”。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，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(xiàn)軸也必須保持靜止，因此這類(lèi)系統也被稱(chēng)為“3+2系統”。

 　　五軸系統能夠將2個(gè)旋轉軸的運動(dòng)帶入到實(shí)時(shí)測量中，和3個(gè)直線(xiàn)軸協(xié)同工作，實(shí)現測頭部分“邊測邊動(dòng)”的效果。因此相比三軸系統能夠帶來(lái)更大的靈活性。隨著(zhù)當今工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，五軸加工設備開(kāi)始被普遍應用到復雜零件的加工上，但這一趨勢尚沒(méi)有在測量領(lǐng)域得以普及，絕大多數的坐標測量機仍停留在傳統的三軸或四軸技術(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(lái)一定的困難，造成測量盲區。

 　　五軸系統相比三軸系統的另一個(gè)不同在于其旋轉軸的分度，三軸系統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；但五軸系統的聯(lián)動(dòng)旋轉軸參與測量過(guò)程，其測頭角度是連續變化的，換句話(huà)說(shuō)，五軸系統的測頭角度是無(wú)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，我們配置并校準好了所需的測頭角度。當下個(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，這方面的要求會(huì )寬松得多，測頭的無(wú)級分度特性使得測頭能夠根據零件坐標系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(xué)測頭】

　　近年來(lái)流行著(zhù)一些帶有誤導性的宣傳，導致部分用戶(hù)對光學(xué)測頭有過(guò)高的期待，例如“用光學(xué)測頭一掃，零件的所有尺寸都出來(lái)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(lái)說(shuō)，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(shí)現互補呢？這一點(diǎn)還需從光學(xué)測頭的種類(lèi)說(shuō)起。三維光學(xué)測頭有不同的分類(lèi)，比如點(diǎn)光源、線(xiàn)光源、面光源，不同的測頭其應用場(chǎng)合有顯著(zhù)區別。我們將光學(xué)測頭的應用大致分成兩類(lèi)：表面數字化和三維測量。有人不禁會(huì )有疑問(wèn)：表面數字化和三維測量不是一回事嗎？其實(shí)，區分兩種應用的關(guān)鍵在于是否生成數字表面模型 (Digital Surface Model)，也就是我們常說(shuō)的點(diǎn)云或是三角網(wǎng)格。當然在很多實(shí)際應用當中，生成的數字表面模型后續也會(huì )用于表面或特征元素測量，但這種測量模式是基于數字化后的零件模型，與傳統的直接測量特征元素還是有根本區別。

　　對于表面數字化，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。而對于接觸式測頭來(lái)說(shuō)，一個(gè)一個(gè)點(diǎn)逐次獲取的方式是無(wú)法勝任百萬(wàn)數量級點(diǎn)數的要求的，哪怕是連續掃描測頭，也只是通過(guò)測頭不離開(kāi)零件表面的方式來(lái)提高取點(diǎn)速度，本質(zhì)上還是單點(diǎn)采集。這類(lèi)應用當中，線(xiàn)光源和面光源測頭就很好彌補了接觸式測頭的不足，線(xiàn)掃描測頭通過(guò)一條由若干點(diǎn)的激光在工件表面移動(dòng)，即可掃描出一片區域；而面拍照測頭則是通過(guò)一組編碼的光線(xiàn)柵格，一次性獲取一個(gè)特定大小區域內的點(diǎn)云。

 　　在得到了數字化表面模型后，用戶(hù)可以把數據用于各種目的，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(wú)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、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(lèi)應用，點(diǎn)光源測頭也很好彌補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，然后根據測球半徑來(lái)進(jìn)行補償，得出實(shí)際點(diǎn)的坐標。但當測量特定位置的三維曲線(xiàn)時(shí)，如果不按照測點(diǎn)的法線(xiàn)方向去采點(diǎn)，會(huì )存在半徑補償余弦誤差；而如果按照測點(diǎn)的法線(xiàn)方向去采點(diǎn)，又會(huì )產(chǎn)生實(shí)際測點(diǎn)位置出現偏差的情況。這種情形在測量透平葉片時(shí)尤為常見(jiàn)。

 　　非接觸式光學(xué)測頭直接利用光點(diǎn)的反射信號來(lái)獲取被測點(diǎn)的坐標，不存在半徑補償的環(huán)節，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^(guān)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(lái)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，當拍照式測頭用于三維測量時(shí)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(jìn)行測量。

 　　光學(xué)測頭雖然有一些接觸式測頭無(wú)法提供的優(yōu)勢，但并無(wú)法完全替代接觸式測頭，其原因在于光線(xiàn)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(lái)采點(diǎn)，但光的傳播是沿直線(xiàn)的，我們無(wú)法讓光“轉彎”，必然有一些特征讓光線(xiàn)力所不能及，比如徑深比很小的孔、或是需要L型測針的場(chǎng)合，接觸式測頭比光學(xué)測頭更方便。

 【結語(yǔ)】

　　沒(méi)有最好的測頭，更沒(méi)有萬(wàn)能的測頭，究竟怎么選擇最終還是取決于測量需求。在紛繁復雜的測頭種類(lèi)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(zhì)量控制。

參考文獻

1       趙前程 鄧善熙 丁興號，圓度測量中測量點(diǎn)數的確定，農業(yè)機械學(xué)報，2004年1月，第35卷 第1期