精密测头技术的演变与发展趋势

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1.引言
测头是精密量仪的关键部件之一，作为传感器提供被测工件的几何信息，其发展水平直接影响着精密量仪的测量精度、工作性能、使用效率和柔性程度。坐标测量机是一种典型的精密量仪，其发展历史也表明，只有在精密测头为坐标测量机提供新的触测原理、新的测量精度后，坐标测量机才能发生一次根本的变化。换言之，精密测头是限制精密量仪精度和速度的主要因素，精密量仪能否满足现代测量要求也依赖于精密测头系统的不断创新与发展。
2.精密测头的演变
精密测头的发展有悠久的历史，最早可追溯到上世纪20年代电感测微仪的出现；但真正快速发展却得益于上世纪50年代末三坐标测量机的出现。迄今，精密测头通常分为接触式测头与非接触式测头两种，其中接触式测头又分为机械式测头、触发式测头和扫描式测头；非接触式测头分为激光测头和光学视频测头。
机械式测头又称接触式硬测头，是精密量仪使用较早的种测头。通过测头测端与被测工件直接接触进行定位瞄准而完成测量，主要用于手动测量。该类测头结构简单、操作方便，但精度不高，很难满足当前数控精密量仪的要求，除了个别场合，目前这种测头已很少使用。
目前市面上广泛存在的精密测头是触发式测头。第一个触发式测头于1972年由英国Renishaw公司研制。触发式测头的测量原理是当测头测端与被测工件接触时精密量仪发出采样脉冲信号，并通过仪器的定位系统锁存此时测端球心的坐标值，以此来确定测端与被测工件接触点的坐标。该类测头具有结构简单、使用方便、制作成本低及较高触发精度等优点，是三维测头中应用最广泛的测头。但该类测头也存在各向异性（三角效应）、预行程等误差，限制了其测量精度的进一步提高，最高精度只能达零点几微米。在精密量仪上采用触发式测头进行测量时，通常是两点定线、三点定面、三点或四点定圆等方法，其实质是用几个点的坐标来确定理想几何要素的尺寸大小，而在形位误差测量方面就显示出明显缺陷；扫描测头的出现弥补了触发式测头这方面的不足。
扫描式测头也称量化测头，测头输出量与测头偏移量成正比，作为一种精度高、功能强、适应性广的测头，同时具备空间坐标点的位置探测和曲线曲面的扫描测量的功能。该类测头的测量原理是测头测端在接触被测工件后，连续测得接触位移，测头的转换装置输出与测杆的微小偏移成正比的信号，该信号和精密量仪的相应坐标值叠加便可得到被测工件上点的精确坐标。若不考虑测杆的变形，扫描式测头是各向同性的，故其精度远远高于触发式测头。该类测头的缺点是结构复杂，制造成本高，目前世界上只有少数公司可以生产。
不论是触发式测头还是扫描式测头，都是采用接触式探针与被测工件接触采集轮廓点，然后进行数据处理，进而得到被测工件的位置或形状信息。由于接触式探针有一定的大小，不能对一些孔、槽等内尺寸较小的工件进行测量；另外，测头测端与被测工件接触时产生的压力会引起被测工件的变形和划伤，也难以对一些薄片、刀口轮廓及柔软的材料进行测量。而非接触式测头由于采用光学方法可以避免接触式测头这方面的限制。
非接触式测头一般采用光学的方法进行测量，由于测头无需接触被测工件，故不存在测量力，更不会划伤被测工件，同时可以测量软质介质的表面形貌。但该类测头受外界影响因素较多，如被测物体的形貌特征、辐射特性以及表面反射情况都会影响测量结果。到目前为止，非接触式测头的测量精度还不是很高，还无法取代接触式测头在精密量仪中的位置。
3各类精密测头的现状
3.1触发式测头
当触发式测头的测端触碰到被测工件时，测头发出触发信号。其核心是判断接触与否，类似电子开关的工作性质，故又称开关测头。实现此功能的方法有电子机械开关的通断、压电晶体的压电效应和应变片的形变等。早期的触发式测头采用弹簧力作用下的机械定位机构，当测端与被测工件接触时，产生的接触力由测杆传递至测头体内部的触发机构，当该力增大到足以克服内部弹簧的预压力时，触发机构的机械触点便脱离接触，进而发出触发信号。采用此方式触发的测头存在以下弊端：当测头从不同方向触测工件时，克服内部弹簧所需的接触力并不相同，这就导致了测头从不同方向触测工件时测头的预行程也不同，降低了重复性精度。这是引起测量误差的最大误差源，而该设计方式根本无法避免预行程的变化。另外，测头测端与被测工件接触时，测杆由于受力会发生弯曲变形，同样会引入测量误差，且该误差随着测杆的长度增加而增加。Renishaw公司早期的触发式测头TP2，只能支持10mm长的测杆，预行程变化量为3.28μm，单向重复性精度为0.35μm。
固态传感技术在触发测头中的使用，显著提高了测头的精度，特别是减小了在使用较长的测杆时由于预行程变化引起的测量误差。Renishaw公司新一代触发式测头TP200采用灵敏度更高的应变片技术进行触发，大大减小了测头的各项异性，减小了预行程变化。其结构设计采取感应接触形变的应变片和机械复位机构相隔离，此设计可以消除很大部分由振动引起的测量误差；并且，该测头的设计非常紧凑，直径仅为13mm，可以容易地伸入被测工件中进行测量，增加了测头的测量范围。TP200测头不仅在精度、测量范围和工作寿命方面有很大进步，而且在使用较长测杆时的预行程变化也减小许多。在测杆长达100mm的情况下，单向重复性精度为0.5μm，预行程变化量小于1μm；另外，该测头有着很低的测量力，XY向测力仅为0.02N，Z向测力为0.07N。
为适应不同测量需求，可将两种或更多的触发技术集成到一个触发式测头内，即双触发或多触发技术。德国Zeiss公司ST3测头采用压电传感器和电子机械开关两种技术相结合的触发方式，当采用压电传感器方式触发时，测量力可以减小到0.01N，配合电子机械触发方式，可以避免灵敏的压电传感器引起误触发。另外，Renishaw公司TP800测头集合电子机械开关、压电传感器和应变片技术与一体，可以以三种触发方式工作。当采用压电传感器触发方式时，测头预行程变化量最小；当采用电子机械开关触发方式时，预行程变化量最大，精度也最低；采用应变片触发方式时，预行程变化量适中。该测头的测量精度也很高，当携带长度为50mm测杆时，各方向上的单向重复精度仅为0.25μm，预行程变化量小于0.5μm。采用多种触发方式的测头一般能支持较传统触发式测头更重更长的测杆，例如，Renishaw的TP800测头可支持长达350mm的测杆；且可以根据实际测量需要选择不同的触发方式、测量速度和测杆，扩大了测头的应用范围。
3.2扫描式测头
扫描式测头又称线性测头，与触发式测头不同的是，当测头测端接触到被测工件后，不仅发出瞄准信号，还要给出测端的微位移，即同时具有瞄准和测微的功能。该类测头的技术关键是能否提供一种无摩擦、无回程误差、灵敏度高、运动直线性好的三维微导轨系统。
德国Zeiss公司早期的扫描式测头采用三层片簧导轨，每层导轨中都配有电感传感器来感测微位移，当测头测端接触到被测工件时，测头便发出零位信号和偏差信号，经电箱处理由计算机接收并存储测量数据。该测头采用静态检测技术，测头在接触工件之前便得到一个预置的测量方向，以该方向接触工件后，测头发出降速信号，然后进行微动，待测头过零时发出过零信号，之后测头便转入下一个快速进给运动。此工作方式的特点是：如果被测工件的曲面事先已知，即可预置测头的运动方向，此时只需很少的控制技术，实现起来比较容易和简单。但该测头也有其弊端，当测头以一个方向（如X向）运动时，另外两个方向（Y向和Z向）的导向运动由锁紧部件锁住，此时测头测端接触被测工件的运动方向和被测点的法向方向并不一致，这将引入余弦误差；另外，在测量换向时（如X向换为Y向），紧锁部件在锁紧和放开各轴时将产生机械零位误差，而各轴的电感传感器在互相更换时也会产生电子零位误差。德国Leitz公司生产的TRAX扫描测头系统，其弹性导轨结构原理和Zeiss公司的扫描测头大体相同，但测量原理完全不同。TRAX测头采用动态检测技术，测头测端接触被测工件时，测头三个方向的导轨都无需固定，测端沿法线方向读取接触力的同时还可以测得测力的方向，使得测头测端的运动方向始终和被测点的法向方向一致，不仅避免了余弦误差的存在，还消除了Zeiss测头中的机械零位误差，使得其测量精度非常高。另外，由于一旦测端与工件接触产生的测力达到用户预置的测力后，测头便按测量点的外法向方向返回，使得测端与被测工件表面几乎没有摩擦力，可以实现高速扫描测量。TRAX测头的工作原理决定了其同时适合已知和未知曲面的扫描测量，大大扩大了其使用范围。
瑞士Mecartex公司和METAS（瑞士联邦计量及检验局）联合研制了一种三维接触式测头。该测头采用了一种新型的机械机构，该机构限制了自身的旋转运动，并将其平移运动分为X、Y、Z三个方向，使得测头具有完全的三自由度；另外，每个方向的移动都可由电感传感器测得。由于该机构中所有的坐标轴和测头有相同的夹角，故重力对各个轴的影响相同，使得测头在三个方向上测力相同。用一块永久性磁铁将探针与测头体联接在一块，易于探针的更换和清洁；发生意外撞击时，该磁铁还可保护测头体不受损害。
精密测头的最新发展应该算Renishaw公司今年推出的RenishawRevo测头。可以说，在测量原理上该测头是精密测头的一次革命性进展。该测头系统采用了Renscan5技术，在坐标测量机上能实现高精度、超高速五轴扫描测量，测量速度高达500mm/s。该技术的特点是让大部分的检测运动交由测座负责，测量机可以以恒定速度沿着一个矢量方向移动，将坐标测量机移动时因本身结构、重量所导致的动态误差降至最小，基本上消除了现时三轴扫描系统通常具有的测量误差。
Revo测头的两轴都采用了球面空气轴承技术，由高分辨率编码器的无刷电机驱动，可以提供快速、超高精度的定位。为降低测头机构在高速运动状态下对动态惯性的影响，Revo测头使用光学的方法测量测头探针端部的精确位置，其实现方法是：测头体内装有激光光源和位置传感器（PSD），激光源发出的光束经过一个中空的探针射到探针端部的反射镜上，当探针接触工件时发生弯曲变形，伴随着反射镜出现位移，反射镜的偏移直接导致光路发生变化，再由PSD测得变化的光路情况，便可确定探针端部的准确位置。
评定触发式测头性能的技术指标主要有测量力大小、预行程变化量、单向重复精度等，扫描式测头与触发式测头相比，结构更为复杂，应用场合更为广泛，故评价其性能的技术参数更多。表1中对三家测头制造厂的典型产品进行了性能比较，通过该表可以了解扫描式测头的技术现状。
表1几种扫描式测头比较
美国EMD－德国Zeiss－英国Renishaw
测头型号：EMDScanning－VAST－RenishawSP600
分辨率：0.05μm－0.2μm－0.1μm
重复性：0.1μm－1.5μm－＜5.0μm
测力：2～200g－24～480g－120g/mm
每秒扫描点数：300－100－60～100
每几何要素的扫描点数：32700－8000－/
有无零力测量：有－有－无
多测头组合应用（接触/非接触）：是－/－某些系统
未知曲面扫描：能－能－否
扫描能力：动态－主动－被动
配套软件：菜单或文本－菜单－菜单
粗糙度测量：能－否－否
动态测试：能－否－否
振动分析：能－否－否
硬度测试：能－否－否
线性精度：0.75μm+L/600mm－2.2μm+L/350mm－5.0μm
空间精度：1.75μm+L/600mm－2.5μm+L/300mm－7.5μm
CMM实时在线分析：是－否－否
3.3非接触式测头非接触式测头也可分为一维、二维和三维测头。激光测头通常是一维测头。一维测头一般采用接触式测头的测量方式，对被测工件进行逐点测量，故测量速度较慢，不利于精密量仪向高效率的方向发展；三维测头由于现有的技术和理论限制，其结构复杂，精度也不高；目前非接触测头的主要发展方向主要是二维测头。光学视觉测头通常是二维测头。
近年来，非接触式测头的研制在世界范围内是精密量仪制造厂家的研究重点。非接触式测量的实现方式有多种，目前应用于实践并产品化的非接触式测头已经为数不少。德国Wolf&Beck的OTM系列光学测头，日本三丰公司的图像测头MitutoyoQVP，美国普赛（Perceptron）公司的SCANWORKS三维激光扫描测头，比利时METRIS公司的LC系列光学扫描测头，以色列NEXTEC公司的WIZPROBE激光扫描测头以及德国Zeiss公司的Viscan光学扫描测头，都已广泛应用于精密量仪的非接触测量。
以色列NEXTEC公司的WIZPROBE激光扫描测头采用独特的三角法测量原理，测量精度受材料类型、表面加工形式、激光光柱角度和环境条件影响较小。适用于扫描小型、精密、软轻薄等特殊零件，也可用于覆盖件的扫描。该测头采样频率50点/s，激光光斑直径为30μm，测量范围为50mm±5mm，测量分辨率1μm，单点精度为6μm，单点重复性可达0.3μm。
美国Perceptron公司的SCANWORKS激光扫描测头采用三角法进行三维测量。当激光投影平面与物体表面相交时，一个CCD照像机得到包含该交线的投影图像，通过准确的标定程序，该交线被转换到三维空间，从而得到被测物体表面的三维值。该测头系统的测量精度为50μm，重复性精度为20μm。
3精密测头的发展趋势
从整体上考察，近年来无论哪类精密测头主要向着精度更高、尺寸更小、互换性更好、综合功能更强、数字化的方向发展。
由于触发式测头成本低、结构简单，并能满足常用的测量要求，在一定时期内仍是市场上应用最多的测头，其发展方向是尺寸小、集成度高、精度高、各向异性小。目前，Renishaw公司占据了该类测头全世界90%的市场，在近期内这种状况还不会改变。
目前的扫描式测头，因结构复杂、体积大、价格昂贵，影响了其普及应用。扫描式测头的发展方向就是在不影响其精度和扫描速度的同时，研制结构简单、成本低的新型、高精度扫描式测头。另外，具有较大量程、能伸入小孔、用于测量微型零件的测头也在发展。特别指出，具有纳米分辩率的微测头是一个重要研究方向。而采用光栅传感器的数字化精密测头是扫描式测头的普遍发展趋势，其最终发展结果将出现智能化精密测头。
扫描测量方式虽然比点位测量方式效率高，但仍然受到触测的限制。非接触式测头无需接触，在运动中采样测量，可避免精密量仪的频繁加速、减速、碰撞等，从而大大提高了测量效率；又因为非接触式测头的测量力为零，可以测量各种柔软、易于划伤的工件；另外，可以形成很小光斑，对一些接触测端不易伸入的部件进行测量，或对一些细节进行测量，并且有很大的测量范围；因此，精密测头的应用趋势就是非接触式测头将得到越来越广泛的应用。