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关于三坐标测量仪测头部分的介绍及分析
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摘要：测头是三坐标测量机触测被测零件的发讯开关，它是坐标测量机的关键部件，测头精度的高低决定了测量机的测量重复性。正确的选择测头可以提高测量效率及机器的使用寿命。
三坐标测量机除用于空间尺寸及形位误差的测量外，应用坐标测量机对未知数学模型的复杂曲面进行测量，提取复杂曲面的原始形状信息，重构被测曲面，实现被测曲面的数字化，不仅是坐标测量机应用的一个重要领域，也是反求工程中的关键技术之一，近年来也得到快速发展。测头是三坐标测量机触测被测零件的发讯开关，它是坐标测量机的关键部件，测头精度的高低决定了测量机的测量重复性。此外，不同零件需要选择不同功能的测头进行测量。
测头可分为接触式和非接触式（激光等类型）。目前主要用接触式测头，接触式测头又可分为开关式（触发式或动态发讯式）与扫描式（比例式或静态发讯式）两大类。
（1）机械接触式测头
接触式测头又称为&刚性测头&、&硬测头&，一般用于&静态&测量，大多作为接触元件使用。这种测头没有传感系统，无量程、不发讯，只是一个纯机械式接触头。机械接触式测头主要用于手动测量。由于人工直接操作，故测头的测量力不易控制，只适于作一般精度的测量。由于其明显的缺点，目前这种测头已很少使用。
（2）电气接触式测头
电气接触式测头又称为&软测头&，适于动态测量。这种测头作为测量传感器，是唯一与工件接触的部件，每测量一个点时，测头传感部分总有一个&接触&偏转&发讯&回复&的过程，测头的测端与被测件接触后可作偏移，传感器输出模拟位移量的信号。这种测头不但可用于瞄准（即过零发讯），还可用于测微（即测出给定坐标值的偏差值）。因此按其功能，电气接触式测头又可分为作瞄准用的开关测头和具有测微功能的三向测头。电气接触式测头是目前使用最多的测头。
非接触测头主要分为激光扫描测头和视频测头两种。
激光扫描测头主要用于实现较软材料或一些特征表面进行非接触测量。测头在距离检测工件一定距离（比如50mm），在其聚焦点!5mm范围内进行测量，采点速率在200点/秒以上。但精度有限一般在0.02mm以上。
2．测球半径补偿误差
（1）测针的选择
正确选择和使用测头是影响坐标测量机的测量精度的重要因素。测针安装在测头上，是测量系统中直接接触工件的部分，它与测头的通讯式连接渠道称作触发信号。如何选用合适的测针类型和规格取决于被测工件的特征，但是在任何情况下，测针的刚性和测球的球度都是不可或缺的。
工业用红宝石是高硬度的陶瓷材料，红宝石测球具有很好的球度，测量时红宝石测球的球头磨损可忽略不计。测针针杆一般用非磁性的不锈钢针杆或碳钨纤维针杆，以保证测针的刚性。测针的有效工作长度（EWL）使得测针接触工件时可获得精确的测点位置。球头尺寸和测针有效工作长度的选取取决于被测工件。可能的情况下，选择球头直径尽可能大、测杆尽可能短的测针，以保证最大的球头/测杆距，获得最佳的有效工作长度和测针刚性。需要时可加长测杆以增大探测深度，但值得注意的是，使用测针加长杆会降低刚性，从而降低测量精度。
（2）测球半径补偿误差
当测针接触到工件时，三坐标测量机接收的的坐标值应是红宝石球头中心点坐标，显然，测量软件将自动沿着测针从接触点回退的方向加上一个测球半径值作为测量值。但该测量值是一个与测头的机械惯性有关的动态值。实际上，测量作为一个动态过程，其测量值应该考虑到从测头采点到实际向系统传送该点坐标值时发生的机器空间移动距离。尽管这个距离极小，但对系统计算动态尺寸有一定影响。
在实际测量时，每测量一个元素，系统都可以自动区分测球半径的补偿方向，计算正确的补偿半径。在采点开始后，测量软件将在沿着测针接触工件的方向上对测球进行半径补偿。但被补偿点并非真正的接触点，而是测头沿着测针接触工件方向的延长线上的一个点。这样就造成了补偿误差，产生误差的大小与测球的半径及该工件被测面与笛卡尔坐标轴的夹角有关，夹角越大，误差越大。
1）测球半径r对补偿误差的影响
补偿误差&与测球半径r成正比关系，即测球半径r越小，补偿误差&也越小。因此当用三坐标测量机进行点位测量时，应选用尽可能小的测球。
2）测针轴线与被测表面法线间的夹角&对补偿误差的影响
当测针轴线与被测表面法线间的夹角&等于0时，测球半径补偿误差&也为0。因此，测量时要尽可能使测针轴线与被测表面垂直，使测头沿着被测表面的法线方向移动，以最大限度地减小测球半径补偿误差。
在用三坐标测量机测量点元素时，测量软件在自动补偿测球半径过程中会出现测球半径补偿误差。通过运用参考坐标系找正工件或用CNC模式进行测量，使测头沿着被测表面的法线方向移动采集点的坐标，可以尽量减小测球半径补偿误差，正确进行测球半径补偿，提高测量精度。
几十年的发展充分证明，现代三坐标测量系统打破了传统的测量模式，具有通用、灵活、高效等特点，可以通过计算机控制完成各种复杂零件的测量，符合机械制造业中柔性自动化发展的需要，能够满足现代生产对测量技术提出的高精度、高效率要求。
什么时侯用扫描测头？
应用于有形状要求的零件和轮廓的测量：扫描方式测量的主要优点在于能高速的采集数据，这些数据不仅可以用来确定零件的尺寸及位置，更重要的是能用众多的点来描述形状、轮廓，这特别适用于对形状、轮廓有严格要求的零件，该零件形状直接影响零件的性能(如叶片、椭圆活塞等);
也适用于你不能确信你所用的加工设备能加工出形状足够好的零件,而形状误差成为主要问题时。
什么时侯用触发式测头？
零件所被关注的是尺寸（如小的螺纹底孔）、间距或位置，而并不强调其形状误差（如定位销孔）;
或你确信你所用的加工设备有能加工出形状足够好的零件，而注意力主要放在尺寸和位置精度时，接触式触发测量是合适的，特别是由于对离散点的测量.
触发式测头比扫描测头快，触发测头体积较小当测量空间狭窄时测头易于接近零件;
一般来讲触发式测头使用及维修成本较低;
在机械工业中有大量的几何量测量,所关注的仅是零件的尺寸及位置，所以目前市场上的大部分三坐标测量机，特别是中等精度测量机，仍然使用接触式触发测头。
选择触发测头和扫描测头的技巧
高精度测量：扫描测头对离散点测量是匀速或恒测力采点，其测点精度可以更高；
由于扫描测头可以直接判断接触点的法矢，对于要求严格定位、定向测量的场合，扫描测头对离散点的测量也具有优势;对于未知曲面的扫描，亦即称为数字化的场合下，扫描测头显示出了它的独特优势:因为数字化工作方式时，需要大量的点，触发式测头的采点方式显得太慢;由于是未知曲面，测量机运动的控制方式亦不一样，即在&探索方式&下工作：测量机根据巳运动的轨迹来计算下一步运动的轨迹、计算采点密度等。
选择测头的几点考虑：
1. 在可以应用接触式测头的情况下，慎选非接触式测头；
2. 在只测尺寸、位置要素的情况下尽量选接触式触发测头；
考虑成本又能满足要求的情况下，尽量选接触式触发测头；
4. 对形状及轮廓精度要求较高的情况下选用扫描测头;
扫描测头应当可以对离散点进行测量；
6. 考虑扫描测头与触发测头的互换性（一般用通用测座来达到）；
易变形零件、精度不高零件、要求超大量数据零件的测量，可以考虑采用非接触式测头;
要考虑软件、附加硬件（如测头控制器、电缆）的配套。
触发测头的优势及劣势：
适于空间棱柱形物体及己知表面的测量；
2. 通用性强,
3. 有多种不同类型的触发测头及附件供采用；
4. 采购及运行成本低；
6. 适用于尺寸测量及在线应用；
7. 坚固耐用；
8. 体积小，易于在窄小空间应用
<font color="#. 由于在测点时测量机处于匀速直线低速运行状态，测量机的动态性能对测量精度影响较小；
劣　势：测量取点率低。
扫描测头的优势及劣势：
1、适于形状及轮廓测量；
2、采点率高；
3、更高级的数据处理能力；
1、比触发测头复杂；
2、对离散点的测量较触发测头为慢；
3、高速扫描时由于加速度而引起的动态误差很大，不可忽略，必须加以补偿；
4、测尖的磨损必须注意。
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