机床测头的工作原理与应用分析

机床测头是在位测量技术中的核心部件，其主要功能是在加工过程中为数控系统提供工件表面的实时测量数据，从而实现加工参数的在线补偿和优化。机床测头的性能直接影响着在位测量的精度、效率和可靠性。本文汉测将重点介绍常见机床测头的工作原理，并分析其在实际应用中的优缺点。

一、接触式测头

接触式测头是最常用的一类机床测头，其基本工作原理是通过测针与工件表面直接接触，将接触信号转换为电信号输出。接触式测头主要由以下几个部分组成：

1.测针：测针是与工件直接接触的部件，通常采用硬质合金或陶瓷等耐磨材料制成。测针的形状和尺寸根据被测工件的特点而定，常见的有球形、圆柱形、圆锥形等。

2.传感器：传感器是将测针的机械位移转换为电信号的关键部件。常用的传感器类型有应变电阻式、压电式、光电式等。应变电阻式传感器利用了测力引起电阻值变化的原理；压电式传感器利用了压电晶体在受力时产生电荷的原理；光电式传感器则利用了测针位移引起光路变化的原理。

3.触发电路：触发电路用于检测传感器输出信号的变化，并在达到设定阈值时输出触发信号。触发信号的响应速度和重复性是评价触发电路性能的重要指标。

4.信号处理电路：信号处理电路对传感器输出的模拟信号进行放大、滤波、A/D转换等处理，得到数字化的位移信号，并通过接口电路传输给数控系统。

接触式测头的优点是结构简单、测量精度高、通用性强，适用于大多数材质的工件测量。但其缺点是测量速度相对较慢，测针易磨损，而且不能测量软质、粘性材料及易变形工件。

二、非接触式测头

非接触式测头是利用光、声、电等非接触方式获取工件表面信息的测头，其基本工作原理是通过发射和接收媒介信号，根据信号的变化情况间接测量工件的尺寸和位置。常见的非接触式测头有以下几种类型：

1.激光测头：激光测头利用激光三角法测量原理，通过投射激光束到工件表面，并用CCD等光电传感器接收反射光束，根据发射角和接收角的变化计算出工件表面的位置坐标。激光测头的优点是测量速度快、精度高、量程大，适用于复杂曲面的扫描测量。缺点是易受表面粗糙度、反射率等因素的影响，而且造价相对较高。

2.光学测头：光学测头利用光学成像原理，通过CCD相机拍摄工件表面图像，并用图像处理算法提取轮廓特征，计算出尺寸参数。光学测头的优点是测量速度快、非接触性好，适用于小型、微细工件的测量。缺点是受光照条件影响大，而且测量精度相对较低。

3.电容测头：电容测头利用了导体间电容与距离的关系，通过测量探头与工件间电容的变化，换算出两者间的相对位移。电容测头的优点是分辨率高、响应速度快，适用于导电材料工件的精密测量。缺点是易受温度、湿度等环境因素的影响，而且测量范围较小。

4.超声波测头：超声波测头利用超声波的飞行时间或多普勒频移效应，测量探头与工件间的距离或相对速度。超声波测头的优点是测量范围大、对材质适应性强，适用于粗糙表面和有油污工件的测量。缺点是测量精度相对较低，易受环境噪声的干扰。

非接触式测头克服了接触式测头的某些局限性，但其测量精度和稳定性通常不如接触式测头。在实际应用中，需要根据工件特点、加工要求、环境条件等因素，选择合适的测头类型。

三、机床测头的应用分析

机床测头在现代制造业中得到了广泛应用，下面从加工对象、加工阶段和加工目的三个方面进行分析。

1.按加工对象分类：

-轴类零件：如电机轴、传动轴等，通常采用接触式测头测量其径向跳动、圆柱度等参数。

-盘类零件：如法兰盘、凸轮等，通常采用接触式或激光测头测量其平面度、同轴度等参数。

-壳体类零件：如汽车发动机缸体、变速箱壳等，通常采用激光或光学测头测量其内外轮廓尺寸。

-叶轮类零件：如涡轮叶片、压气机叶轮等，通常采用激光或光学测头测量其叶型曲面。

2.按加工阶段分类：

-毛坯测量：在粗加工前，采用测头测量毛坯的尺寸和位置，以优化装夹方案和刀具路径。

-粗加工测量：在粗加工后，采用测头测量关键尺寸和形位公差，判断是否满足后续精加工条件。

-精加工测量：在精加工过程中，采用测头实时测量加工表面的尺寸和形状误差，并实现在线补偿。

-成品检测：在终加工后，采用测头对成品进行抽样或全检，验证其是否满足图纸要求。

3.按加工目的分类：

-工件找正：采用测头测量工件基准面和关键特征，建立工件坐标系，实现工件在多次装夹中的位置一致性。

-刀具补偿：采用测头测量刀具的实际位置和磨损量，并将偏差值反馈给数控系统，自动调整刀具补偿参数。

-自适应控制：采用测头实时测量加工参数，如切削力、振动、温度等，根据反馈数据动态优化进给速度、主轴转速等加工参数。