光學通訊測頭的使用趨勢及結構分析

傳統的接觸式坐標測量機自1956年問世以（yǐ）來，已（yǐ）經（jīng）發展了50多年。現已廣泛應用（yòng）於生產車間和科研部門。隨著工（gōng）業技能的（de）不（bú）斷提高，對測量設備的要求也越來越高（gāo）。在這個過（guò）程中，CMM經曆了無數（shù）次（cì）技能創新，以適應更高的測（cè）量（liàng）要求。但是現在的（de）CMM在某些方麵還是遇到（dào）了一定的（de）技能瓶（píng）頸。這些瓶頸不能簡單歸結為技（jì）能創新不足，主要原因在於觸摸式坐標（biāo）測量機的硬件（jiàn）結構（gòu）和（hé）測量原理（lǐ）約束。

大多數傳統坐標測量機配備有觸發（fā）探針。用觸發式（shì）探頭測量物體時，探頭以一定的速度接觸物體表麵，然後探頭的朝向發生偏離。產生的電信號（hào）觸發探頭記（jì）錄物體表麵上測量點的空間坐標。這樣造成的第一個問（wèn）題就是測量速度慢。原因是第（dì）一個觸發探針的采樣方法是對還是錯。第一個采樣點完成後，探頭需要退到一定距離，這樣探頭到位後才能（néng）進行第二個采樣點。而且取（qǔ）分的時候不（bú）要太快接觸物體表麵。如果探頭接（jiē）觸物（wù）體（tǐ）的速度太快，探頭的位置偏差太（tài）大，那麽信號會被認為是磕碰，取（qǔ）點失敗（bài）。因此，可以用掃描探針代替觸發探針，並且掃（sǎo）描探針采用連續采樣的方法（fǎ），因此采樣速度有了很大的（de）提高。限製測量（liàng）速度的第二個原因是，如果（guǒ）被測物體具有（yǒu）複雜的幾何形狀（zhuàng），測量針需要多次改變方向才能完成整個測（cè）量，測量針的每次指向都需要校準。如果要克服這一（yī）不足，進一步提高測量速（sù）度，就需要在三（sān）坐標測量機上配備高端（duān）的（de）多軸（zhóu）旋轉掃（sǎo）描測頭。這項新技能可以（yǐ）以（yǐ）連續的方式高速掃（sǎo）描（miáo）物體的采樣（yàng）點。

測頭是三坐標測量機的重要組成部分。探（tàn）頭一般（bān）由一根杆和一個紅（hóng）寶石球組（zǔ）成，主要用於測量工作麵（miàn）。通過移動探頭的機械位置（zhì），探頭（tóu）觸發信號並收集測量數據。可以看出（chū），探頭的性能直接影響測量精度和效率。觸發式測頭結構簡單，成本低，可用（yòng）於高速測量，因此在現（xiàn）代三坐標測（cè）量機（jī）中得到廣泛應用。但由於其精度略低（dī），且不能在接觸狀態（tài）下停留在工件表麵，隻能離散地逐點測量工（gōng）件表麵，無法（fǎ）進行連續掃描測量。

常（cháng）見觸發探頭的內部結構如圖1所示。測量杆安（ān）裝在三腳架上，三腳架的三個圓（yuán）柱腿位於三對觸點上。當測量杆不承受測量力時，三腳架的三個圓柱腿與三對觸（chù）點保持（chí）接觸。當測量杆的球形端與工件接觸時，無論在X、Y、Z哪個方向施加接（jiē）觸力，都會有至少一個（gè）圓柱腿與觸點脫離接觸，導致電路斷開，產生階（jiē）躍信號。通過采樣電路，沿三個軸的坐標數據將被存儲和處理。同時，與探針同軸的彈簧提供預載（zǎi）。探頭波瓣存在的原因是觸發探頭的三點設計原（yuán）理。當沿特定方向的力施加到探針上時，探針（zhēn）可能會（huì）圍繞一個或兩個（gè）接觸點旋轉，導致需要確保圓柱形腿與接觸（chù）點的接觸和複位。因此，探頭具（jù）有由信（xìn）號觸發的開關（guān）機構、探頭複位機構和超（chāo）程保護（hù）機構。

CMM在測量時，從測頭末端到被（bèi）測零件接觸測頭扳機的過程為（wéi）“預行程”。預行程的存在並（bìng）不是誤差源，因為在探頭認證的過程中，廠家已（yǐ）經用一（yī）個已知半徑的標準球來確定一個合理的（de）探頭半（bàn）徑，以消（xiāo）除（chú）平均預行程的影響。

觸發力的不同會產生預行程的變化，如圖2所示。圖（tú）中可以清楚地看到三個葉（yè）瓣，反映出前衝程的變（biàn）化接近17um。這種（zhǒng）變化模式顯示了探針（zhēn）結構的立方對稱性。這種凸角大大降低了CMM執行高精度測量的能力，例（lì）如圓度和圓柱度。