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2/24/2004
青岛前哨朗普测量技术有限公司 诸锡荆 王晋
探测系统是测头及其附件组成的系统, 测头是测量机触测被测零件的发讯机构,它可以输出开关信号,亦可以输出比例模拟或数字信号、它是坐标测量机的关键部件，测头精度的高低很大程度上决定了测量机的测量重复性及精度。三坐标测量机测头技术近几年发展很快，尤其是扫描测头和非接触测头，使不少客户在选择时感到困惑。本文试图就各种测头的原理、发展和应用领域进行全面介绍，供测量机用户和相关读者参考。
一. 测头的分类
1.触发测头
触发测头(Trigger Probe): 又称为开关测头，是测量机最基本的、最常用的一类测头。英国RENISHAW公司作为触发测头的发明者，已发展为巨大的产业，成为世界上唯一的专业测量机测头制造商。目前在全球的测量机市场上，有70-80%以上配置RENISHAW触发测头。触发测头的主要任务是探测零件时发出锁存信号，实时的锁存被测表面点的三维坐标值。测头一般发出的为跳变的电信号，利用电信号的前缘跳变作为锁存信号，由于前缘信号很陡，一般在微秒级，因此保证了锁存坐标值的实时性。
接触式触发测头按工作原理分为三种：机械式开关测头、应变片式开关测头和压电陶瓷开关测头。巳经形成产品的有多种，但最常用的是TP20、TP200和TP6等。
1.1 机械（电阻）式触发测头
机械（电阻）式开关测头的代表为TP20,它的结构简单、体积小、耐用(106次), 预行程在ＸＹ平面内有较明显的三角形效应,TP20可带可自动更换的探针。单向重复性0.35μm(10mm长探针), 预行程的变化0.6-0.8μm(10mm长探针)
TP6 也是一种机械式开关测头， 是针对汽车行业和重工业领域设计的具有大的预行程和触测力测头，耐震动和冲击，不易损坏。
1.2 应变片式触发测头
这种接触式触发测头，利用应变片感受探针受力达到阈值而触发，不需要触点的机械通断，因此灵敏度高、寿命长。目前最常用型号为TP200。
测头内部有四片应变片, 三片在Ｘ、Ｙ、Ｚ方向，一片作温度补偿;做成了固体开关、具有高精度、高重复性、寿命长(107次),、较小的预行程三角形效应等特点。在精度要求高,且用较长探针(“GF”型最长达100mm)时应用。但不耐冲击，易人为损坏是其弱点。单向重复性0.25μm（TP7, 50mm长探针）,0.4μm（TP200,50mm长探针）, 预行程的变化0.25μm（TP7,50mm长探针）, 0.8μm（TP200, 50mm长探针）。
1.3压电陶瓷式触发测头
这种接触式触发测头，利用压电陶瓷片感受探针接触零件的压力波而触发，不需要触点的机械通断,超高精度, 极小的预行程三角形效应, 且用较长探针(垂直方向最长达350ｍｍ, 水平方向最长达200ｍｍ)时应用,要求测量机有极高的平稳性(速度变化小于1mm/sec)，否则易于误发信号, 不适用于小直径测尖，被测对象的表面硬度及污物对测量有影响；单向重复性0.25μm(50mm长探针), 预行程的变化0. 5μm(50mm长探针)。
TP800由于过于敏感，同时测头体较大，影响了对工件的可接近性，使用并不普遍。
2．连续扫描测头
扫描测头(Scanning Probe): 又称为比例测头或模拟测头, 此类测头不仅能作触发测头使用，更重要的是能输出与测杆的偏转成比例的信号（模拟电压或数字信号），由计算机同时读入测头偏转及测量机的三维坐标信号(作触发测头时则锁存探测表面坐标点的三维坐标值)，以保证实时的得到被探测点的三维坐标。由于取点时没有机械的往复运动，因此采点率大大提高，扫描测头用于离散点的测量时,由于测杆的三维运动可以确定该点所在表面的法矢方向，因此更适于曲面的测量。
2.1 TRAX & VAST连续扫描测头
TRAX 测头是LEITZ 公司高精度测量机的标准配置, 它既可以触发测量,也可以连续扫描测量。作为标准配置，它的基本功能还是触发测量。但这种测头的一个最大特点就是能使用很长的加长杆而不损失精度。TRAX的最大测杆长度可达600mm, 最大测杆重量为1kg， 都是同类测头中的佼佼者。这个特点特别适合于箱体类零件，在具有深孔时的测量，例如发动机的主轴孔、凸轮轴孔等。触发测量时的典型采点频率为40P/min, 在同类测头中属于高速测头。
TRAX测头还有一个特点，在手动和CNC触发采点时，能自动得到测点的坐标和表面法矢量，从而实现精确的测头补偿。
TRAX在扫描测量时具有很高的精度，配上QUINDOS软件包，可实现对齿轮、叶片、蜗轮/蜗杆、螺纹等特殊形面类零件的快速测量。
这种测头还有一个自定中心功能，能够自动寻找V型和锥型特征的中心点。例如在齿轮的齿距和螺纹的螺距测量时就非常必要。
TRAX 和VAST测头都是测量机厂家的专有技术，它的测头控制器也是集成在测量机控制系统内的。所以无法用在第三方测量机上。
2.2 SP600连续扫描测头
SP600 是RENISHAW公司生产的一种模拟测头。和TRAX和VAST不同的是，RENISHAW是测量机部件供应商，它只提供测头、数据采集卡和电缆，需要由测量机生产商自己开发测头的控制器，并集成到测量机系统中。这就使得SP600测头在不同测量机上的表现差别很大，不能一概而论。最简单的用法就是只作反求扫描采点，不能触发和测量。
Brown & Sharpe、DEA集团是SP600测头的最大用户，在某些机型中已作为标准配置，高度集成在测量机系统中, 和触发测头共享电缆、控制系统和软件包。SP600既可以扫描也可以触发测量，使用独有的误差补偿技术，SP600的触发精度可达0.1μm,比所有的触发测头都高。PCDMIS软件包内还开发了自定中心功能，使用SP600实现齿轮、螺纹的扫描测量也十分容易。SP600M可以与RENISHAW的标准旋转测座PH10兼容，可以实现空间任意方位上的定向测量。
需要一提的是，模拟扫描测头对测量机和控制系统有更高的要求，这一点容易被客户所忽略。
高速扫描时由于加速度而引起的动态误差很大，必须加以补偿。扫描时测头总是沿着曲面表面运动，即使速度的大小不变亦在改变着运动的方向，因而总存在加速度及惯性力，因而引起测量机的变形，测头也在变负荷下工作，因而导致测量的误差，扫描速度越高影响越大，甚至成为扫描测量误差的主要来源。
减小高速扫描时的动态误差应从多个方面着手： 改进测量机的结构刚性，但不要过多增加结构质量以免增加运动惯性力；改进控制系统刚性及跟随性，保证高速扫描时测尖不会离开零件表面；扫描测头结构本身应能适用于高速扫描；最好的办法是量化动态误差并进行扫描动态误差补偿。
3．激光测头
激光测头的原理是简单的光学三角测距，半导体激光器和CCD探测器是其关键器件。
基于以上原理的基本产品就是点扫描激光测头，即当测量机连续运动时将得到一条扫描线。当然考虑到实际应用上的问题，例如零件上可能的台阶面的挡光，内部光路的设计有不同的解决方案。典型的产品为OTM3、OTP6和Wizprobe。在此简单原理上，如果将光源改为线列激光，CCD改为面阵列，就产生了线扫描激光测头，即当测量机连续运动时将得到一条扫描带。典型的产品为METRIS,NC100等。
OTM3和OTP6同为德国Wolf & Beck产品，外形和结构完全相同，只是OTP6的光学和电器参数作了特殊调整，是专用于非接触触发测量用途的。而OTM3则主要用于连续扫描用途。目前这两款激光测头已纳入RENISHAW测头系列目录，可从RENISHAW直接定购。
Wizprobe 是以色列NEXTEC公司的产品，NEXTEC的测头控制器能自动对激光的功率及CCD的曝光时间进行调节，对信号作实时滤波处理,改进了对物体边缘、陡峭钭面，不同反光及颜色表面的测量性能，数据精度较好，但牺牲了扫描速度。
4.光学视频测头
光学视频测头，或者视觉测头（Vision Probe）实际上就是一个CCD摄像头, 由摄像头对零件表面成像, 再藉以数据图像分析技术,提取测量元素。这种测头往往附带有照明光源，以保证足够的成像亮度的要求。其典型产品有RAM, OGP,及其RENISHAW的VP2。
光学视频测头的主要应用领域是两维零件或两维元素的测量，是工具显微镜和两坐标测量机的标准测头。用在三坐标测量机上，可以作为一个附加功能，利用三坐标测量机的XY轴实现两坐标测量任务。
二. 测量机的多测头支持技术
这里主要是谈对SP600测头和各种第三方开发的非接触测头的支持技术， 因为对于标准触发测头和测量机制造商专有的测头已成为标准配置。
三坐标测量机对多测头的支持主要技术包含两个方面，一个是系统的集成性，另一个是测头的快速互换性。
系统的集成性是指电缆、控制系统和软件包是否能与测量机的标准配置统一。如果不能实现系统集成的话，测头的控制系统、软件及其电缆将是完全独立的，和测量机标准系统形成并行配置。测头的快速互换性, 是指测头与测量机的电器、机械接口能否实现快速安装和拆除。在这两方面,不同测量机厂商之间确实存在很大差别,下面仍然按不同类型的测头进行介绍和分析。
1．SP600模拟测头
SP600M测头由RENISHAW提供,很好的解决了与PH10测座的机械、电器接口问题，能够实现快速更换。但SP600需要测量机制造商开发驱动和控制逻辑,才能实现触发测量和扫描。
驱动和控制逻辑有两种实现方式，一种是集成在控制系统内部，在控制系统的控制逻辑单元（firmware）中内含SP600驱动模块。在这种情况下，测量软件包中只要包含该测头选择项，通知控制系统启用其相应驱动模块即可。测量软件包仍然只负责处理采点数据，完全可以共用。
另一种则属于外挂式，专门开发一个PC机软件实现其驱动模块和数据处理，完全脱开标准软件包。这种方式工作简单，开发量小，但性能要降低很多。首先是驱动模块运行在多任务环境下，控制的实时性差，尤其是扫描跟随性能差；另一方面，其数据处理功能也相对简易的多，完全不能和标准测量软件包相当。
2．点扫描激光测头
OTM3 系列和Wizprobe 都兼容PH10测座，快速更换没有问题。 这类测头的扫描驱动和SP600相似，都需要闭环跟踪控制。但OTM3能够被集成到多种测量机系统中，而Wizprobe 必须使用NEXTEC公司自己提供的控制系统和软件包直接驱动测量机主机, 和测量机的标准控制系统和软件包形成并行配置。
3．线扫描激光测头
线扫描激光测头的探测景深较大，不需要闭环跟踪控制。扫描时测量机按事先定义的路径运动，数据采集系统负责测量数据的收集即可。目前市场上有多种类似产品，大多数都是第三方提供的测头、电缆和数据采集系统，和测量机的三轴光栅信号连接即可作采点扫描。但有的测量机生产商已经能够提供系统集成度更高的解决方案，使线扫描激光测头,和标准触发测头共享统一的软硬件资源,包括测头旋转和自动更换功能，不需要额外的电缆和数据采集系统。
4．光学视频测头
光学视频测头在三坐标测量机上的安装有两种方式，一种是标准的RENISHAW的快速自动更换式，和触发测头共享PH10测座；另一种则是与触发测头平行固定安装，形成所谓的“复合式”测量机。
这两种形式的测量机主要区别在于，快速自动更换方式下，触发和视频测量功能互不影响，在触发测头模式下，是一个标准的三坐标测量机；而在视频测头模式下，成为一个专业的光学测量机。“复合式”的最大问题是两种测头之间的干涉，因为两种测头都有一定的体积，当一个在工作时，另一个就变成障碍物，直接影响工件的可接近性。同时由于空间上的错位，使两种模式下的测量范围不一致，即只能在中间区域实现复合测量功能。 因此,在复合测头的三坐标机上,触发测头都使用小型手动测座, 例如MIP, 失去了自动旋转和使用加长杆的能力; 同时, 光学测头上的照明系统也进行了简化。结果是两种模式下的性能都有一定程度的降低。
复合测头测量机的另一种形式是在两维光学测量仪上附加简易触发测头，它基本上不影响光学测量仪功能，而能实现有限的触发测量。
三. 各种测头的应用领域
三坐标测量机对多种测头的支持能力正在快速发展，使得相当多的用户，尤其是初次接触三坐标测量机的新用户在选择时产生困惑，不知道应该选用什么样的测头配置，而不同测头配置又是与成本密切相关的。一个永远正确的原则是按应用领域来区分和选择，下面提供一些参考性的指导。
（1）常规形位公差测量
接触式触发测头仍然是绝大多数测量机用户的选择，工件的复杂性一般，只要求常规形位公差检验并达到要求精度。接触式触发测头具有精度高、价格低的优点，能实现所有的采点测量要求，是多数测量机的标准配置。
（2）常规形位公差测量与轮廓线测量
如果除常规尺寸和形位公差外，还有轮廓线测量，例如产品覆盖件、模具等，推荐使用接触式扫描测头，SP600、 TRAX和 VAST等，他们有很高的扫描效率和精度。
触发测头除了正向测量以外， 也可以作简单的反求应用，因为测量机的基本反求任务还是采点。
（3）小型零件的反求测量
点扫描激光测头，用于具有复杂形状的小型零件,例如，小家电外壳、工艺品的反求测量时，具有成本低、自动化程度高的特点。典型产品是NEXTEC 的Wizprobe。
（4）大型零件的反求测量
这主要是指像汽车、摩托车等大型产品的外覆盖件或模型的反求测量，效率是十分重要的，需要有专业的扫描采点工具。激光测头的精度远比触发测头要低，有数量级上的差别, 因此测量应用非常有限。
（5）两维小孔和平面图案类零件
这类产品是光学成像测头的典型应用领域,例如印刷电路。值得强调的是,复合测头测量机在光学模式下,也是两维测量机;因为其镜头方向是固定的。尽管可以移动Z轴到不同的高度上，但按照机床分类法，只能称为两轴半。
（6）软材料类零件的测量
有些材料是不能用接触式测头进行测量的，例如，蜡模、座椅垫等，即使很小的测量力，也会变形或损伤。在这种情况下，只有使用激光式触发测头。
四．多测头系统的发展
在三坐标测量机上的应用来看，接触式测头仍然是最主要和成熟的技术，对它的测量对象、使用方法和检验标准都已有明确规定。ISO10360-2 是针对接触式触发测量的测量机精度验收的国际标准；而ISO10360-4是针对接触式扫描测量的测量机精度验收国际标准, ISO10360-5是针对接触式多测头或多探针的测量机精度验收国际标准。
对于非接触测头，尤其是激光扫描测头，其技术尚在发展之中，目前还没有一个统一的国际标准来规定其精度定义，和验收方法。所以各家所公布的精度指标完全没有可比性，从检测量的定义、测量标准具的方法和统计数据的置信度准则都有很大的出入。
扫描测头还有一个重要的技术性能，就是扫描速度。 有相当一部分用户容易将扫描速度与采点速率混为一谈。扫描速度是单位时间内测头沿工件表面扫过的距离，一般以mm/s计算；而采点速率则是单位时间内可采集的测点数，以p/s衡量。扫描速度反映了扫描控制系统的性能，和扫描驱动模块的算法及实现方式密切相关。因为扫描是一闭环反馈系统，控制算法的先进性是保证跟踪的精确性和平稳性的基本保证；同时，也要有对特殊情况的处理能力，因为扫描曲面往往是未知的。另外，如果扫描驱动模块不是集成在CNC控制系统内，而运行在DCC 控制计算机上，也将显著影响控制系统带宽（系统采样率低），使扫描速度降低。
扫描测头的采点速率一般都不会对应用造成影响，因为并不是采的点越多越好，而用户需要的是工件上有实际意义的点。在测量机不动的情况下，只有一点就足够了，其他再多的采点都是重复而多余的。在扫描速度一定的前提下，采点速率总是远大于实际需求，所以在扫描软件内，都设有多种采点过滤方式供用户选择，例如，按时间、按距离、按表面曲率变化等。
对非接触测头的应用领域的开拓仍然是今后发展的热点，例如，如何将激光扫描测头从单一的取点功能发展到几何特征测量上；如何将视频测头从两维图形测量提升到三维零件测量上；如何用触发扫描测头实现高效、高精度的反求采点。在这方面，DEA公司走在前面，已经有了新的产品。
意大利DEA公司的NC100是一款具有独特技术的光学视频测头, 采用红外线波段工作，不受环境光源影响。使用独有的图像处理技术，快速捕捉工件表面特征，例如，孔、槽、缝、销、螺柱、边缘、台阶等。其接口设计也完全与RENISHAW的PH10M测座兼容,实现了真正的三维测量。NC100视频测头可以对三维的物体，特别是钣金件上的几何特征进行测量，在汽车工业中得到了成功的应用。这种测头成功地集成在在线测量机上，对一个典型的白车身整车的测量时间仅为90秒左右。
激光扫描测头大多只能反求扫描采点, 测量功能仅限于轮廓度分析。METRIS公司的LC50/LC100是一款典型的线扫描激光测头，扫描带宽50mm。目前Brown & Sharpe和DEA的测量机已成功地将该测头集成到系统中，和触发测头一样使用标准的控制系统和软件包，既可以作反求采点也可以作特征测量。在PC-DMIS软件包的支持下，Metris激光扫描测头具有高速扫描采点和几何特征测量两种功能。它对PH10M完全兼容，可以自由旋转，也将大大扩展了激光扫描测头的应用领域。
在反求采点测量方面，激光测头虽然有效率高的优势，但精度偏低使其主要限制在精度要求不高或需要二次造型修饰的工件上。对于希望作高精度拷贝的应用来说，使用接触式扫描测头仍然有不可取代的优势，关键是要有高性能的扫描控制系统。DEA公司利用SP600开发的Digiscan 系统，使用专门设计的扫描控制硬件，是一套非常强大的精密反求拷贝工具。作为一个附加选项，在三坐标测量机上实现对任意未知曲面的自动扫描，并生成加工指令程序。
DEA公司也在积极制定和倡导非接触测量的标准规范化工作。为了全面评价激光扫描测头的扫描和测量精度, DEA使用的相关验收标准包括以下各项:
探测误差(Probing error)
扫描误差(Scanning error)
长度示值误差(Error of indication on length)
多测头探测定位误差(Location error with multiple stylus probing)
平面度测量误差(Flatness error)
三坐标测量机的应用领域正在快速扩大，从计量室检测、生产过程检测、到逆向工程，将成为未来数字化制造系统中的重要设备，多测头技术的开发是这种发展的必然需要。我们相信随着测头技术和软件技术的提高，三坐标测量机将会成为真正的万能测量工具。
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发表于 2005-4-14 23:23:12
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