光学通讯测头的使用趋势及结构分析

传统的接触式三坐标测量机自1956年问世以来，已经发展了50多年。现已广泛应用于生产车间和科研部门。随着工业技能的不断提高，各方面对测量设备的要求也在不断提高。在这个过程中，三坐标测量机经历了无数次技能创新，以适应更高的测量要求。尽管如此，今天的CMM在某些方面仍然会遇到一定的技能瓶颈。这些瓶颈不能简单归结为技能创新不足，主要原因在于触摸式三坐标测量机的硬件结构和测量原理约束。

传统的三坐标测量机大多配有触发式测头。用触发式测头测量物体时，测头以一定速度接触物体表面，然后测头方位发生偏离。产生的电信号触发探头记录物体表面上测量点的空间坐标。这样造成的第一个问题就是测量速度慢。原因是一次触发探头的采样方式有对有错，第一个采样点完成后探头需要退回一定距离，这样探头到位后才能进行第二个采样点。而且取点的时候接触物体表面的速度不要太快。如果探头接触物体的速度太快，探头的位置偏差太大，那么信号就会被认为是磕碰，取点失败。为此可以用扫描探头代替触发探头，扫描探头采用连续采样的方法，因此采样速度有了很大的提高。限制测量速度的第二个原因是，如果被测物体具有复杂的几何形状，测量针需要多次改变指向才能完成整个测量，测量针的每次指向都需要校准。如果要克服这个不足，进一步提高测量速度，就需要在三坐标测量机上配备高端的多轴旋转扫描测头。这种新技能可以以连续的方式高速扫描物体的采样点。

测头是三坐标测量机的重要组成部分。探头一般由一根杆和一个红宝石球组成，主要用于测量工作面。通过移动探头的机械位置，探头触发信号并收集测量数据。可以看出，探头的性能直接影响测量精度和效率。触发式测头结构简单，成本低，可用于高速测量，因此在现代三坐标测量机中得到广泛应用。但由于其精度略低，且不能以接触状态停留在工件表面，只能对工件表面进行离散的逐点测量，而不能进行连续的扫描测量。

常用触发式测头内部结构如图1所示。测杆安装在三角架上，而三角架的三条圆柱腿定位于三对触点上，当测杆没有受到测量力时，三角架的三条圆柱腿与三对触点均保持接触；当测杆的球状端部与工件接触时，不论受到X、Y、Z哪个方向的接触力，至少会引起一个圆柱腿与触点脱离接触，从而引起电路的断开，产生阶跃信号，通过采样电路，将沿三个轴方向的坐标数据存储处理。同时一个与测杆同轴的弹簧提供预载，以测头凸角存在的原因是触发式测头的三点设计原则，当作用给测端一个特定方向的力时，可能会产生绕一个或两个接触点的旋转，导致所需确保圆柱腿与触点的接触及复位。因此这种测头具有信号触发的开关机构、测头再定位机构和超行程保护机构。

三坐标测量机进行测量时，测头测端与被测零件接触至测头触发之间的过程为“预行程”。预行程的存在并非是误差源，因为在测头认证过程中，生产厂家已使用一个已知半径的标准球来确定一个合理的测针半径来消除平均预行程的影响。

触发力的不同，即产生预行程变化，如图2所示。图中可以明显看到三个凸角，反映了预行程的变化量接近17um。这种变化模式显示了测头结构的三次对称性。这种凸角大幅降低了三坐标测量机执行高精度测量的能力，例如圆度及圆柱度的测量。