坐标测量机测头的特点与应用

　　过去，坐标测量机只限于在严格控制温度和湿度的计量室内使用。如今，坐标测量机已广泛用于车间生产现场的产品质量检测，并可通过实时反馈实现对加工过程的控制。通过配置多种传感测头以及用户界面友好的测量软件，坐标测量机可以快速适应各种不断变化的检测任务。

　　测头的分类及特点

　　目前，坐标测量机常用的传感测头主要可分为三种类型：触发式测头、扫描式测头和非接触式测头。在同一台坐标测量机上常常需要配置两种甚至多种不同类型的测头，这是因为每种类型的测头都各有其长处与不足。

　　（1）触发式测头

　　触发式测头在三十多年前首先被应用于坐标测量机。此类测头在常规测量中性能优异，因此现在仍被广泛使用。触发式测头每次可采集一个测量点的数据，安装在测头端部的触针与工件表面接触，并将接触点的信息传输至坐标测量机。触发式测头的测量精度较高，但测量速度较慢，多用于精度要求达到微米级的精密棱柱形工件的检测。随着传感技术的发展，触发式测头以前采用的内置机械式触发开关已逐渐被应变式、压电式传感器或光学传感装置所取代，从而大大提高了触发机构的精度和可靠性。

　　使用触发式测头最主要的局限性是被测材料的接触变形。例如，垫片类零件和薄型塑料件就不适合采用触发式测头检测。此外，在医用器械制造业，许多特殊形状的零件需要测量，但不允许对其进行物理接触，从而也限制了触发式测头的使用。

　　（2）扫描式测头

　　扫描式测头也是一种接触式测头，因此也具有与触发式测头相同的局限性，即不能用于在接触力作用下易变形材料的测量。与触发式测头不同的是，扫描式测头在坐标测量机运动时仍与被测工件表面保持接触并不断采集数据。它的主要优点是可在较短时间内采集大量数据（可高达1000点/秒），而快速采集大量数据对于工件的特殊形貌分析非常有用。

　　（3）激光测头

　　激光测头是一种非接触式测头，它应用于坐标测量机的历史还不长。常用的激光测头有两种类型：点激光测头和线激光测头。点激光测头是将单点激光束聚焦于工件表面，然后经表面反射后返回传感器。点激光测头每次可采集一个点的数据，这与触发式测头非常相似，但它的运动速度更快，因此数据采集的效率更高。线激光测头则是将线状激光束投射到工件表面，因此可以同时采集多点数据。

　　虽然激光测头在测量速度上具有优势，但一般来说其测量精度低于接触式测头。此外，激光容易受到测量环境中各种物理因素的影响。例如，某些类型的照明设施发出的光线频率与激光频率非常接近，从而可能增大测量信号噪声甚至使测量信号完全中断。激光测头还会受到被测表面反射率的影响；被测表面对测量光束的吸收（如暗黑表面）以及散射（如亮黑表面）等都可能影响测量结果。与激光测头有关的另一因素是反射角度问题。如果测头未能正确定位，激光束与被测表面处于某一垂直范围内，测量光束将向空中反射，而不能返回接收装置。

　　由于激光测头不与被测工件表面发生物理接触，因此是测量软性材料的理想选择。此外，激光测头特别适合薄壁金属工件的孔、槽及类似几何形貌的测量。激光测头的另一主要优点是可快速采集海量数据。例如，一个线激光测头每发出一次光束可采集约760点数据，测头的发光周期可达30Hz/秒，即它的数据采集速度可超过每秒2万点，比扫描式测头快20倍以上。这种特点使激光测头非常适合应用于逆向工程，通过快速采集由几十万甚至几百万个点组成的数据点云，并将这些数据输入CAD系统，即可以CAD模型的方式重构被测表面。

　　测量速度与测量精度

　　大多数工程技术的应用往往都需要进行综合权衡。在选用坐标测量机测头时，权衡考虑的主要因素是测量速度与测量精度。触发测头和扫描测头的测量精度类似，均为几微米；激光测头的测量精度在一定程度上取决于被测对象，由测头引起的误差通常为20～40微米。

　　研究表明，在相同检测条件下用激光测头和触发测头测量同一工件时，激光测头所用检测时间可比触发测头缩短3倍，但测量精度则低于触发测头。在批量检测时，激光测头的速度优势更为明显，但同时必须以降低精度为代价。

　　测头的组合应用可有效提高检测效率。利用坐标测量机配备的测头自动更换系统，可根据检测需要快速更换最合适的测头。例如，在检测尺寸公差要求严格、被检项目较多的精密棱柱形工件时，为了缩短检测时间，可首先使用触发测头对临界尺寸进行点到点测量，然后自动更换扫描测头，测量孔的尺寸、表面形貌及其它被检项目。

　　由于激光测头的测量精度相对较低，因此不适合用于公差范围在几百微米内的薄壁金属件或其它工件的检测。

　　用户界面友好的测头软件

　　并非任何测头都可以在任何坐标测量机上使用，测头的设计必须与坐标测量机相匹配。测头操作界面的设计质量也将对整个测量过程产生影响。

　　为了提高测头的兼容性，避免操作者不得不掌握多种编程语言，设计精良的测头控制软件应采用标准化的DMIS命令。用户界面友好的测头软件应利用后台操作方式简化操作步骤。例如，使用LK公司的CAMIO软件，操作者只需选择要使用的测头和要检测的部位，其它步骤（如移动至特定测量位置、触测或扫描顺序等）均由软件自动控制。

　　设计精良的测头控制软件的另一个特点是对坐标测量机、测头座乃至触针末端的热膨胀变形具有补偿能力。操作者只需将测头、触针以及接长杆的信息输入程序，控制软件即可参照内置数据库，自动计算出整个测量系统的热变形补偿量。当更换测头后，软件将自动重新计算补偿量。

　　发展趋势

　　在未来一段时期，触发式测头仍将拥有最高的性价比，在合理的成本范围内，其综合性能将不断得到改善。但是，随着扫描测量技术的不断发展，扫描测头与触发测头的价格差将逐步缩小，扫描测头将逐渐占据主导地位并最终取代触发测头。激光测头的测量精度将不断提高，并保持其在特定测量领域的应用。

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