光学通讯测头的使用趋势及结构分析

传统的接触式坐标测量机自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，对测量设备的要求也越来越高。在这个过程中，CMM经历了无数次技能创新，以适应更高的测量要求。但是现在的CMM在某些方面还是遇到了一定的技能瓶颈。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坐标测量机的硬件结构和测量原理约束。

大多数传统坐标测量机配备有触发探针。用触发式探头测量物体时，探头以一定的速度接触物体表面，然后探头的朝向发生偏离。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。原因是第一个触发探针的采样方法是对还是错。第一个采样点完成后，探头需要退到一定距离，这样探头到位后才能进行第二个采样点。而且取分的时候不要太快接触物体表面。如果探头接触物体的速度太快，探头的位置偏差太大，那么信号会被认为是磕碰，取点失败。因此，可以用扫描探针代替触发探针，并且扫描探针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方向才能完成整个测量，测量针的每次指向都需要校准。如果要克服这一不足，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。这项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，且不能在接触状态下停留在工件表面，只能离散地逐点测量工件表面，无法进行连续扫描测量。

常见触发探头的内部结构如图1所示。测量杆安装在三脚架上，三脚架的三个圆柱腿位于三对触点上。当测量杆不承受测量力时，三脚架的三个圆柱腿与三对触点保持接触。当测量杆的球形端与工件接触时，无论在X、Y、Z哪个方向施加接触力，都会有至少一个圆柱腿与触点脱离接触，导致电路断开，产生阶跃信号。通过采样电路，沿三个轴的坐标数据将被存储和处理。同时，与探针同轴的弹簧提供预载。探头波瓣存在的原因是触发探头的三点设计原理。当沿特定方向的力施加到探针上时，探针可能会围绕一个或两个接触点旋转，导致需要确保圆柱形腿与接触点的接触和复位。因此，探头具有由信号触发的开关机构、探头复位机构和超程保护机构。

CMM在测量时，从测头末端到被测零件接触测头扳机的过程为“预行程”。预行程的存在并不是误差源，因为在探头认证的过程中，厂家已经用一个已知半径的标准球来确定一个合理的探头半径，以消除平均预行程的影响。

触发力的不同会产生预行程的变化，如图2所示。图中可以清楚地看到三个叶瓣，反映出前冲程的变化接近17um。这种变化模式显示了探针结构的立方对称性。这种凸角大大降低了CMM执行高精度测量的能力，例如圆度和圆柱度。