測量也是加工的重要保障！看看測頭種類的特點(diǎn)與選擇

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在企業(yè)的加工現(xiàn)場我們一般會看到幾大環(huán)節(jié)：機(jī)加工車間、刀具庫、工藝-夾具部門，此外還有一個重要的地方：檢測室。的確很多人都關(guān)心如何從加工過程去提升效率，但是這個驗(yàn)證的過程就需要測量儀器來完成。準(zhǔn)確的測量結(jié)果是指導(dǎo)企業(yè)改進(jìn)生產(chǎn)方向的重要指標(biāo)，也是如今備受重視的一個環(huán)節(jié)，所以今天就來聊聊有關(guān)測量的知識以及最重要的部分——測頭的選擇。

三坐標(biāo)機(jī)與測頭的工作

三坐標(biāo)測頭是三坐標(biāo)測量機(jī)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集的作用，其本身不具有數(shù)據(jù)分析和計算的功能，需要將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綔y量軟件中進(jìn)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(fù)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(diǎn)必須要經(jīng)過轉(zhuǎn)化才能在同一坐標(biāo)下計算，這就需要測頭校驗(yàn)得出不同測頭角度之間的位置關(guān)系才能進(jìn)行準(zhǔn)確換算。

如果不事先定義和校準(zhǔn)測頭，軟件系統(tǒng)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(shù)據(jù)結(jié)果自然是不正確的。因此，必須要對所使用的測頭進(jìn)行校驗(yàn)，使得軟件知道所配置的探針情況，包括探針數(shù)量、方位、探針半徑及探針球心的相互位置關(guān)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(shí)現(xiàn)測量的精度要求。

同時，還需要注意的事，三坐標(biāo)測量機(jī)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(diǎn)與系統(tǒng)傳輸?shù)膶毷�球中心點(diǎn)的坐標(biāo)相差一個寶石球的半徑，需要通過校驗(yàn)得到的探針的實(shí)測半徑值，對測量結(jié)果補(bǔ)償修正。

不同種類的測頭特點(diǎn)與選擇

“觸發(fā)式測頭和掃描測頭哪個更好?”

“掃描測頭是不是測得更準(zhǔn)?”

在選擇三坐標(biāo)測頭的過程中，常常出現(xiàn)最終是由預(yù)算決定配置，從而導(dǎo)致配置過�；蛘吲渲貌蛔愕膶擂吻闆r。配置三坐標(biāo)測量機(jī)的測頭時，實(shí)際會面臨來自多個方面的選擇困難，比如“固定式還是旋轉(zhuǎn)式”、“掃描測頭還是觸發(fā)測頭”、“三軸聯(lián)動還是五軸聯(lián)動”、“接觸式測頭還是光學(xué)測頭”等等，而且最終還逃不開預(yù)算的限制。雖然最后一項(xiàng)因素有時能夠起到一票否決的作用，但我們有必要從技術(shù)角度了解各類測頭的特點(diǎn)及適用場合和限制，以便在綜合條件下能夠選到最為適宜的測頭，滿足測量要求。

【觸發(fā)測頭與掃描測頭】

其實(shí)要考察觸發(fā)測頭與掃描測頭兩者之間的區(qū)別，需要從測量任務(wù)的特點(diǎn)來著手進(jìn)行。眾所周知，三坐標(biāo)測量機(jī)能夠進(jìn)行從尺寸到形位公差的全方位測量，屬于通用型檢測設(shè)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(biāo)并無不可代替的顯著優(yōu)勢;而行為公差的測量則牽涉到諸多方面，如測量基準(zhǔn)、擬合方式、測量原則等，必須依靠三坐標(biāo)測量機(jī)作為一個系統(tǒng)性的整體來進(jìn)行，這也是三坐標(biāo)測量機(jī)具有不可替代性的主要原因。

顧名思義，形位公差實(shí)際上包含了兩類不同的元素特征評價內(nèi)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(shí)質(zhì)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。

▲ 觸發(fā)測頭

我們以測量一個圓為例，分別評價其直徑、位置度、圓度。眾所周知，確定一個圓所需的最少測點(diǎn)數(shù)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(shí)際測量中，極少發(fā)生僅用3個點(diǎn)就確定被測圓的情況。即使是對于公差較大的非關(guān)鍵尺寸，都會至少采集4個點(diǎn)用以確定被測圓，以免受到干擾因素影響導(dǎo)致產(chǎn)生較大誤差。誠然，對于單點(diǎn)誤差分布比較均勻的圓(沒有突變的奇異點(diǎn))來說，測量4個點(diǎn)、8個點(diǎn)或是12個點(diǎn)對最終的直徑和位置度影響很微小(在公差帶不太小的情況下)，尤其是對采用最小二乘法擬合得到的圓;但是，采點(diǎn)數(shù)目對于圓度的影響確是不可忽略的。根據(jù)系統(tǒng)的分析和計算，要準(zhǔn)確評價被測圓的圓度所需要的測點(diǎn)數(shù)目N不小于64。

這個測點(diǎn)數(shù)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(guān)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(diǎn)采用單點(diǎn)觸發(fā)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(fā)，事實(shí)上不僅是圓度，其它類型的形狀公差測量都應(yīng)采用連續(xù)掃描測頭，否則難以準(zhǔn)確地評價被測元素的形狀公差。

▲ 掃描測頭

根據(jù)以上分析，那是否可以理解為掃描測頭是觸發(fā)測頭的升級版，在預(yù)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(jìn)行單點(diǎn)觸發(fā)采點(diǎn)時，其工作方式與觸發(fā)式測頭有很大的區(qū)別。觸發(fā)式測頭的采點(diǎn)是在測頭觸發(fā)開始時發(fā)生的;而掃描測頭則是采用模擬信號轉(zhuǎn)換的方式，其單個采點(diǎn)是在測頭觸發(fā)結(jié)束、測針離開物體表面時發(fā)生的。這兩種不同的采點(diǎn)方式造成的最顯而易見的區(qū)別就是觸發(fā)測頭采點(diǎn)速度顯著高于掃描測頭。觸發(fā)測頭的采點(diǎn)給人的感覺是“一碰即退”，而掃描測頭采點(diǎn)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(dāng)沒有掃描測量需求時，用觸發(fā)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(shí)現(xiàn)，例如“自定心”�！白远ㄐ摹钡膽�(yīng)用場合一般是用于尋找小孔的中心點(diǎn)、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(dá)到一個符合條件的穩(wěn)定狀態(tài)后才進(jìn)行采點(diǎn)，這個功能是“一碰即退”的觸發(fā)測頭無法實(shí)現(xiàn)的。

【固定式測頭與旋轉(zhuǎn)測頭】

同樣，這也不是一個孰優(yōu)孰劣的命題，而僅僅是設(shè)計初衷的不同導(dǎo)致應(yīng)用場合的差異。和旋轉(zhuǎn)式測頭相比，固定式測頭最顯著的優(yōu)勢是其測針攜帶能力。固定式測頭由于其結(jié)構(gòu)設(shè)計上的先天優(yōu)勢，一般允許攜帶的最大測針重量和長度要明顯大于旋轉(zhuǎn)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(jìn)行較為復(fù)雜的測量任務(wù)時，由于測頭無法變換角度，就需要根據(jù)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(biāo)測量機(jī)，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(dāng)頻繁。旋轉(zhuǎn)式測頭的應(yīng)運(yùn)而生就是為了克服固定式測頭的這個弱點(diǎn)，測頭座的俯仰和偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diǎn)認(rèn)為，固定式測頭的精度要高于旋轉(zhuǎn)式測頭，這樣的說法有些以偏概全。確實(shí)，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(shí)占據(jù)了絕對優(yōu)勢;但對于常規(guī)應(yīng)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(zhuǎn)式測頭并無任何精度上的優(yōu)勢。

【三軸聯(lián)動與五軸聯(lián)動】

在這里我們并非要比較兩種不同系統(tǒng)的性能，而更多的是對五軸系統(tǒng)做一下知識普及。首先，所謂的“五軸測頭系統(tǒng)”并不是指測頭系統(tǒng)本身擁有5個軸，而是測頭系統(tǒng)的2個旋轉(zhuǎn)軸和坐標(biāo)測量機(jī)的3個直線軸共同組成五軸系統(tǒng)。實(shí)際上，五軸測頭也屬于旋轉(zhuǎn)測頭的范疇，它和普通旋轉(zhuǎn)測頭的區(qū)別在于旋轉(zhuǎn)軸能否“聯(lián)動”。普通旋轉(zhuǎn)測頭的A/B軸能夠提供偏轉(zhuǎn) (Yaw) 和俯仰 (Pitch) 兩種角度，但其角度的變換僅能在非測量狀態(tài)下進(jìn)行，而且其它的3個直線軸也必須保持靜止，因此這類系統(tǒng)也被稱為“3+2系統(tǒng)”。

五軸系統(tǒng)能夠?qū)?個旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動帶入到實(shí)時測量中，和3個直線軸協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)測頭部分“邊測邊動”的效果。因此相比三軸系統(tǒng)能夠帶來更大的靈活性。隨著當(dāng)今工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，五軸加工設(shè)備開始被普遍應(yīng)用到復(fù)雜零件的加工上，但這一趨勢尚沒有在測量領(lǐng)域得以普及，絕大多數(shù)的坐標(biāo)測量機(jī)仍停留在傳統(tǒng)的三軸或四軸技術(shù)水平上�！拔遢S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(qū)。

五軸系統(tǒng)相比三軸系統(tǒng)的另一個不同在于其旋轉(zhuǎn)軸的分度，三軸系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)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(tǒng)的聯(lián)動旋轉(zhuǎn)軸參與測量過程，其測頭角度是連續(xù)變化的，換句話說，五軸系統(tǒng)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(tài)方位，我們配置并校準(zhǔn)好了所需的測頭角度。當(dāng)下個零件擺放到工作臺上，但其姿態(tài)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(tài)方位都有一定程度的要求。而對于五軸系統(tǒng)，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(jù)零件坐標(biāo)系的找正作出相應(yīng)調(diào)整，避免了出現(xiàn)測頭角度不適用的情形。

【接觸式測頭與光學(xué)測頭】

近年來流行著一些帶有誤導(dǎo)性的宣傳，導(dǎo)致部分用戶對光學(xué)測頭有過高的期待，例如“用光學(xué)測頭一掃，零件的所有尺寸都出來了”等等，這對光學(xué)測頭實(shí)際上存在很大的誤解。從目前的狀態(tài)來說，接觸式與光學(xué)測頭之間主要是相互補(bǔ)充的關(guān)系，而非競爭。

那接觸式和光學(xué)測頭究竟在哪些方面可以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)呢?這一點(diǎn)還需從光學(xué)測頭的種類說起。三維光學(xué)測頭有不同的分類，比如點(diǎn)光源、線光源、面光源，不同的測頭其應(yīng)用場合有顯著區(qū)別。我們將光學(xué)測頭的應(yīng)用大致分成兩類：表面數(shù)字化和三維測量。有人不禁會有疑問：表面數(shù)字化和三維測量不是一回事嗎?其實(shí)，區(qū)分兩種應(yīng)用的關(guān)鍵在于是否生成數(shù)字表面模型 (Digital Surface Model)，也就是我們常說的點(diǎn)云或是三角網(wǎng)格。當(dāng)然在很多實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，生成的數(shù)字表面模型后續(xù)也會用于表面或特征元素測量，但這種測量模式是基于數(shù)字化后的零件模型，與傳統(tǒng)的直接測量特征元素還是有根本區(qū)別。

對于表面數(shù)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(diǎn)坐標(biāo)。而對于接觸式測頭來說，一個一個點(diǎn)逐次獲取的方式是無法勝任百萬數(shù)量級點(diǎn)數(shù)的要求的，哪怕是連續(xù)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(diǎn)速度，本質(zhì)上還是單點(diǎn)采集。這類應(yīng)用當(dāng)中，線光源和面光源測頭就很好彌補(bǔ)了接觸式測頭的不足，線掃描測頭通過一條由若干點(diǎn)的激光在工件表面移動，即可掃描出一片區(qū)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(qū)域內(nèi)的點(diǎn)云。

在得到了數(shù)字化表面模型后，用戶可以把數(shù)據(jù)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(zhǔn)、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(zhì)、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(shí)需要非接觸式測量。對于此類應(yīng)用，點(diǎn)光源測頭也很好彌補(bǔ)了接觸式測頭的不足。

其實(shí)，光學(xué)測頭相比接觸式測頭還有另一方面的優(yōu)勢。接觸式測頭采點(diǎn)時，測頭記錄的是測球中心的空間坐標(biāo)，然后根據(jù)測球半徑來進(jìn)行補(bǔ)償，得出實(shí)際點(diǎn)的坐標(biāo)。但當(dāng)測量特定位置的三維曲線時，如果不按照測點(diǎn)的法線方向去采點(diǎn)，會存在半徑補(bǔ)償余弦誤差;而如果按照測點(diǎn)的法線方向去采點(diǎn)，又會產(chǎn)生實(shí)際測點(diǎn)位置出現(xiàn)偏差的情況。這種情形在測量透平葉片時尤為常見。

▲ 接觸式測頭采點(diǎn)

非接觸式光學(xué)測頭直接利用光點(diǎn)的反射信號來獲取被測點(diǎn)的坐標(biāo)，不存在半徑補(bǔ)償?shù)沫h(huán)節(jié)，因此能夠完全杜絕余弦誤差產(chǎn)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�？捎^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(diǎn)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(diǎn)云來進(jìn)行的，而是直接依靠捕捉的三維圖像提取被測元素。而且，當(dāng)拍照式測頭用于三維測量時并不單獨(dú)使用，而是配合接觸式測頭一起，由接觸式測頭負(fù)責(zé)建立測量基準(zhǔn)，而拍照式測頭則是針對一些特殊元素特征(例如孔、槽等)進(jìn)行測量。

光學(xué)測頭雖然有一些接觸式測頭無法提供的優(yōu)勢，但并無法完全替代接觸式測頭，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(diǎn)，但光的傳播是沿直線的，我們無法讓光“轉(zhuǎn)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(xué)測頭更方便。

沒有最好的測頭，更沒有萬能的測頭，究竟怎么選擇最終還是取決于測量需求。在繁多的測頭種類面前，應(yīng)該不只是以預(yù)算為導(dǎo)向，也不一定要追求全能型的測頭，找到真正合適的產(chǎn)品，才能既快又好地做好質(zhì)量控制。

（來源機(jī)械社區(qū)）

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