測量中測頭的特點與選擇

      準確的測量結果是指導企業改進生產方向的重要指標，也是如今備受重視的一個環節，所以今天就來聊聊有關測量的知識以及重要的部分——測頭的選擇。

三坐標機與測頭的工作

三坐標測頭是三坐標測量機數據采集的重要部件。其與工件接觸主要通過裝配在測頭上的探針來完成。測量時，測頭只起到數據采集的作用，其本身不具有數據分析和計算的功能，需要將采集的數據傳輸到測量軟件中進行分析計算。

對于不同的工件，通常使用不同直徑和長度的探針。并且對于復雜的工件可能使用多個測頭角度來完成測量。在測量過程中，往往要通過不同測頭角度、長度和直徑不同的探針組合測量元素。不同位置的測量點必須要經過轉化才能在同一坐標下計算，這就需要測頭校驗得出不同測頭角度之間的位置關系才能進行準確換算。

如果不事先定義和校準測頭，軟件系統本身是無法獲知所使用的探針類型和測量的角度。測量得到的數據結果自然是不正確的。因此，必須要對所使用的測頭進行校驗，使得軟件知道所配置的探針情況，包括探針數量、方位、探針半徑及探針球心的相互位置關系。并且了解所使用探針的精度狀況，做到及時更換以確保實現測量的精度要求。

 同時，還需要注意的事，三坐標測量機在測量零件時，是用探針的寶石球與被測零件表面接觸，接觸點與系統傳輸的寶石球中心點的坐標相差一個寶石球的半徑，需要通過校驗得到的探針的實測半徑值，對測量結果補償修正。

不同種類的測頭特點與選擇

“觸發式測頭和掃描測頭哪個更好?”

“掃描測頭是不是測得更準?”

在選擇三坐標測頭的過程中，常常出現終是由預算決定配置，從而導致配置過剩或者配置不足的尷尬情況。配置三坐標測量機的測頭時，實際會面臨來自多個方面的選擇困難，比如“固定式還是旋轉式”、“掃描測頭還是觸發測頭”、“三軸聯動還是五軸聯動”、“接觸式測頭還是光學測頭”等等，而且終還逃不開預算的限制。雖然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*為適宜的測頭，滿足測量要求。

【觸發測頭與掃描測頭】

其實要考察觸發測頭與掃描測頭兩者之間的區別，需要從測量任務的特點來著手進行。*，三坐標測量機能夠進行從尺寸到形位公差的*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、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系統性的整體來進行，這也是三坐標測量機具有不可替代性的主要原因。

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，包括徑向/端面圓跳動和徑向/端面全跳動。跳動從實質上來說,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。

我們以測量一個圓為例，分別評價其直徑、位置度、圓度。*，確定一個圓所需的少測點數目是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)，尤其是對采用小二乘法擬合得到的圓;但是，采點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，要準確評價被測圓的圓度所需要的測點數目N不小于64。

這個測點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，事實上不僅是圓度，其它類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采點時，其工作方式與觸發式測頭有很大的區別。觸發式測頭的采點是在測頭觸發開始時發生的;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結束、測針離開物體表面時發生的。這兩種不同的采點方式造成的顯而易見的區別就是觸發測頭采點速度顯著高于掃描測頭。觸發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，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定狀態后才進行采點，這個功能是“一碰即退”的觸發測頭無法實現的。

【固定式測頭與旋轉測頭】

同樣，這也不是一個孰優孰劣的命題，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*顯著的優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勢，一般允許攜帶的大測針重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。但是我們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了優勢;但對于常規應用，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式測頭并無任何精度上的優勢。

【三軸聯動與五軸聯動】

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擁有5個軸，而是測頭系統的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。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別在于旋轉軸能否“聯動”。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，但其角度的變換僅能在非測量狀態下進行，而且其它的3個直線軸也必須保持靜止，因此這類系統也被稱為“3+2系統”。

五軸系統能夠將2個旋轉軸的運動帶入到實時測量中，和3個直線軸協同工作，實現測頭部分“邊測邊動”的效果。因此相比三軸系統能夠帶來更大的靈活性。隨著當今工業技術的進步，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，絕大多數的坐標測量機仍停留在傳統的三軸或四軸技術水平上。“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。

五軸系統相比三軸系統的另一個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;但五軸系統的聯動旋轉軸參與測量過程，其測頭角度是連續變化的，換句話說，五軸系統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方位，我們配置并校準好了所需的測頭角度。當下個零件擺放到工作臺上，但其姿態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，這方面的要求會寬松得多，測頭的無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”等等，這對光學測頭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互補充的關系，而非競爭。

那接觸式和光學測頭究竟在哪些方面可以實現互補呢?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、面光源，不同的測頭其應用場合有顯著區別。我們將光學測頭的應用大致分成兩類：表面數字化和三維測量。有人不禁會有疑問：表面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于是否生成數字表面模型 (Digital Surface Model)，也就是我們常說的點云或是三角網格。當然在很多實際應用當中，生成的數字表面模型后續也會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坐標。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量級點數的要求的，哪怕是連續掃描測頭，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域內的點云。

在得到了數字化表面模型后，用戶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，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、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、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獲取被測點的坐標，不存在半徑補償的環節，因此能夠*杜絕余弦誤差產生的源頭。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常可觀的，會對得出的輪廓度與位置度都造成非常大的影響。

▲ 彎曲變形

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勢，但并無法*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，但光的傳播是沿直線的，我們無法讓光“轉彎”，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，接觸式測頭比光學測頭更方便。

沒有*好的測頭，更沒有萬能的測頭，究竟怎么選擇終還是取決于測量需求。在繁多的測頭種類面前，應該不只是以預算為導向，也不一定要追求全能型的測頭，找到真正合適的產品，才能既快又好地做好質量控制。