测量中不同种类的测头特点与选择

准确的测量结果是指导企业改进生产方向的重要指标，也是当今高度重视的环节。所以今天我们就来说说测量的知识和最重要的部分——探头的选择。

三坐标机和测头的工作

坐标测头是三坐标测量机数据采集的重要组成部分。与工件的接触主要由安装在探头上的探头来完成。测量时，探头只起数据采集的作用，不具有数据分析和计算的功能。需要将采集到的数据传输到测量软件进行分析计算。

对于不同的工件，通常使用不同直径和长度的探头。并且对于复杂的工件，可以使用多个探测角度来完成测量。在测量过程中，经常需要将不同探头角度、长度和直径的探头组合起来测量元素。不同位置的测点必须进行转换才能在同一坐标下进行计算，这就需要探头验证不同探头角度之间的位置关系，以便进行准确的转换。

如果没有预先定义和校准探头，软件系统本身无法知道所使用的探头类型和测量的角度。测得的数据结果自然不正确。因此，需要检查使用的探头，这样软件就可以知道配置的探头情况，包括探头编号、方位、探头半径以及探头中心之间的相互位置关系。并了解所用探头的精度，以便及时更换，确保达到测量精度要求。

同时需要注意的是，在测量零件时，CMM使用测头的宝石球接触被测零件表面，系统传输的接触点与宝石球中心点的坐标相差一个宝石球的半径，因此需要通过验证测头的测量半径值来补偿和修正测量结果。

不同类型探头的特点及选择

"触发探头和扫描探头哪个好？"

“扫描探头更准确吗？”

在选择三坐标探头的过程中，往往会出现配置最终由预算决定的尴尬，导致配置过高或过低。在配置CMM的测头时，会从“固定式还是旋转式”、“扫描测头还是触发式测头”、“三轴联动还是五轴联动”、“接触式测头还是光学测头”等等多方面进行选择，最终还是逃不过预算的限制。虽然最后一个因素有时可以一票否决，但我们有必要从技术角度了解各种探头的特点、适用场合和局限性，以便在综合条件下选择最合适的探头，满足测量要求。

[触发探针和扫描探针]

其实要考察触发探头和扫描探头的区别，需要从测量任务的特点出发。众所周知，三坐标测量机可以全方位测量从尺寸到形位公差，属于通用检测设备。然而，单一尺寸的测量，如长度、直径、角度等。，基本可以用简单的量具测量，三坐标没有不可替代的明显优势；然而，行为容忍度的测量涉及测量基准、拟合方法、测量原理等诸多方面。，这必须依赖于CMM作为一个系统的整体，这也是CMM不可替代的主要原因。

顾名思义，形位公差实际上包含了元素特性的两种不同的评价内容，一个是形位公差，一个是位置公差。形状公差包括直线度、平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度和表面轮廓度。位置公差包括平行度、垂直度、倾斜度、位置、同心度、同轴度和对称度。此外，还有一种特殊的形位公差称为跳动，包括径向/端面圆跳动和径向/端面全跳动。本质上，跳动也是对被测元素形状误差的一种评价，我们不妨将其归为形状误差。

以测量一个圆为例，我们分别对其直径、位置和圆度进行评价。众所周知，确定一个圆所需的最小测量点数为3，这样才能拟合出一个理论上的圆，圆的圆度为0。在实际测量中，很少会出现只用三个点来确定待测圆的情况。即使是公差较大的非关键尺寸，也会至少采集四个点来确定待测圆，避免干扰因素造成较大误差。诚然，对于单点误差分布均匀(无突变奇异点)的圆，测量4个点、8个点或12个点对最终直径和位置影响不大(公差带不太小时)，尤其是对最小二乘法拟合的圆；但是，采样点数对圆度的影响不容忽视。根据系统的分析计算，准确评定被测圆圆度所需的测点数n不小于64。

这个测量点的数量给了我们一个清晰的指示。如果被测零件的测量要求中有圆度测量要求，就需要使用扫描探头。试想一下，如果一个圆内有64个测量点，用单点触发探头测量，测量效率显然是不可接受的。从测量效率和合理性出发，其实不仅是圆度，其他类型的形位公差测量都应该采用连续扫描测头，否则很难准确评定被测元件的形位公差。

根据以上分析，是否可以理解为扫描探头是触发探头的升级版，在预算允许的情况下尽量选择扫描探头？答案也是否定的，用于单点触发采样时，扫描探头的工作模式与触发探头的工作模式有很大不同。触发探针的采样点出现在探针触发的开始；扫描探头采用模拟信号转换，其单采样点发生在探头触发和探头离开物体表面时。两种不同采样方式最明显的区别是触发探头的采样速度明显高于扫描探头。触发式探头的采样点给人“一触即退”的感觉，而扫描式探头的采样点是探头接触工件后，会短时间贴在工件表面，然后慢慢后退离开工件表面。因此，当不需要扫描测量时，触发探头的测量效率高于扫描探头。

另外值得一提的是，有些特定的功能只有扫描探头才能实现，比如自定心。“自定心”的应用一般用于寻找小孔的中心点、槽底等。，要求探头具有搜索功能，在探头的模拟信号达到满足条件的稳定状态后才会进行采样点。这个功能是“一触一退”的触发探头无法实现的。

[固定探针和旋转探针]

同样，这也不是一个孰优孰劣的命题，只是设计意图的不同导致了应用场合的不同。与旋转探头相比，固定探头最明显的优势是其承载能力。由于其在结构设计上的固有优势，固定探头通常允许探头的最大重量和长度明显大于旋转探头。因此，在需要进行深孔测量和大型零件测量时，选择固定探头是比较常见的。但是当我们进行复杂的测量任务时，由于探头不能改变角度，需要根据探头的不同方向来配置吸盘。因此，对于装有固定测头的三坐标测量机来说，双层甚至三层换针架是很常见的，测量过程中的换针动作相当频繁。为了克服固定探头的这一弱点，旋转探头应运而生。探针底座的俯仰和偏转功能可以在不更换探针的情况下极大地提高测量灵活性。然而，旋转探头的灵活性同时得到改善，但是牺牲了探头的一些承载能力。

有人认为固定探头的精度高于旋转探头，这有些以偏概全。的确，对于计量几何测量(亚微米)，高精度固定探头确实占据绝对优势；然而，对于常规应用，并且没有诸如深孔的测量要求，固定探头在精度上并不优于旋转探头。

[三轴联动和五轴联动]

在这里，我们不是要比较两个不同系统的性能，更多的是普及五轴系统的知识。首先，所谓的“五轴测头系统”并不是指测头系统本身有五个轴，而是测头系统的两个旋转轴和三坐标测量机的三个直线轴共同组成一个五轴系统。其实五轴测头也属于旋转测头的范畴，它和普通旋转测头的区别在于旋转轴能否“联动”。普通旋转测头的A/B轴可以提供偏航和俯仰两个角度，但只能在非测量状态下改变角度，另外三个直线轴必须保持静止，所以这种系统也叫“3+2系统”。

五轴系统可以将两个旋转轴的运动纳入实时测量，与三个直线轴共同工作，实现测头“边移动边测量”的效果。所以能比三轴系统带来更大的灵活性。随着工业技术的发展，五轴加工设备已经广泛应用于复杂零件的加工，但是这种趋势在测量领域并没有得到普及，大多数坐标测量机仍然停留在传统的三轴或四轴技术水平。“五轴加工”与“三轴测量”的不对等势必给测量带来一定的困难，造成测量盲区。

五轴系统与三轴系统的另一个区别在于其旋转轴的分度。三轴系统的转轴只是用来改变探头的角度，不参与测量，所以有一定的角度刻度值。而五轴系统的联动旋转轴参与测量过程，其测头角度不断变化。换句话说，五轴系统的探测角度是无级的。我们来想象一下这种情况:在编制测量程序时，我们根据被测零件的姿态和朝向，配置并标定了所需的探头角度。当下一个零件放置在工作台上，但其姿态和方向与前一个零件不一致时，前一个探测角度可能不再适用。所以在做批量测量时，我们对零件的位置、姿态、朝向都有一定的要求。对于五轴系统，这方面的要求会宽松很多。测头的无级分度特性使测头能够根据零件坐标系的对齐情况做出相应的调整，从而避免测头角度不适用的情况。

[接触探针和光学探针]

近年来，一些误导性宣传大行其道，导致一些用户对光学探头的期望值很高，比如“用光学探头扫一扫，各种尺寸的零件都出来了”等等。关于光学探头其实有一个很大的误区。目前接触式探头和光学探头主要是互补的，不是竞争的。

接触式探头和光学探头在哪些方面可以互补？这还需要从光学探头的种类说起。三维光学探针有不同的分类，如点光源、线光源和面光源。不同的探头在应用场合上有显著的差异。我们将光学探针的应用分为两类:表面数字化和三维测量。有人不禁疑惑:表面数字化和三维测量不是一回事吗？实际上，区分两种应用的关键在于是否生成数字表面模型，也就是通常所说的点云或三角网格。当然，在很多实际应用中，生成的数字曲面模型也会用于曲面或特征元素测量，但这种测量模式是基于数字化的零件模型，与传统的直接测量特征元素有着本质的区别。

对于曲面数字化，其目的是获取零件的曲面轮廓，这就需要轮廓的大量空间点坐标。对于接触式测头来说，一个点一个点采集的方法无法满足百万点的要求。即使探头连续扫描，也只是通过让探头远离零件表面来提高取点速度，本质上是单点采集。在这类应用中，线光源和面光源的探头可以弥补接触式探头的不足，线扫描探头通过移动一束激光在工件表面的几个点上扫描一个区域。而表面摄像探头可以通过一组编码的光栅，一次性获得特定区域的点云。

在获得数字表面模型后，用户可以将数据用于各种目的，例如与CAD模型进行比较，获得零件整体/局部轮廓的偏差，测量三维尺寸或逆向工程等。但这种测量方法用于尺寸和行为公差测量时，通常不能满足测量过程的要求(如建立测量基准、选择元素拟合方法、选择评价基准等。).但是，有些零件由于其特殊性，需要非接触测量，如软材料、非接触表面、微小特征等。，还是因为测量效率的要求。对于这类应用，点光源探头也弥补了接触式探头的不足。

事实上，与接触式探头相比，光学探头还有另一个优点。接触式测头采集点时，测头记录测量球中心的空间坐标，然后根据测量球的半径进行补偿，得到实际点的坐标。但在测量特定位置的三维曲线时，如果不按测点的法线方向取点，会有半径补偿余弦误差；但如果按照测点的法线方向取采样点，就会出现实际测点的偏差。这种情况在测量涡轮叶片时尤其常见。

非接触式光学测头直接利用光斑的反射信号获得被测点的坐标，没有半径补偿的环节，因此可以完全消除余弦误差的来源。再者，在测量挥发性零件时，虽然测力不大，但零件在力的作用下还是会变形(比如下图中的薄叶片，测量顶截面时，叶片在叶片盆中测力的影响下向叶片背面弯曲，反之亦然)。虽然弯曲变形不大，但考虑到叶片本身极薄，其相对变形还是非常可观的，会对型面和位置产生很大影响。

除了点探头之外，面光源摄像探头还可以具有三维测量能力。而使用相机探头进行三维测量时，并不是基于获得的点云，而是直接依靠拍摄的三维图像来提取被测元素。而且相机测头用于三维测量时，并不是单独使用，而是和接触测头一起，接触测头负责建立测量基准，而相机测头测量一些特殊的元素特征(如孔、槽等。).

虽然光学探针有一些接触式探针无法提供的优点，但它并不能完全取代接触式探针，因为光的可达性不如接触式探针。球的各个部分都可以接触到被测物体来采集点，但是光是沿着直线传播的，我们无法让光“转弯”。一定有一些特征使得光力鞭长莫及，比如小径深比的孔，或者需要L型探针的情况。接触式探头比光学探头更方便。

没有最好的探针，也没有万能的探针。如何选择最终取决于测量要求。面对各种类型的探头，既要以预算为导向，也不一定要追求全方位的探头，找到真正适合的产品，才能又快又好的做好品控。