精密测头技术的演变与发展趋势

早期的触发式测头采用弹簧力作用下的机械定位机构，当测端与被测工件接触时，产生的接触力由测杆传递至测头体内部的触发机构，当该力增大到足以克服内部弹簧的预压力时，触发机构的机械触点便脱离接触，进而发出触发信号。采用此方式触发的测头存在以下弊端：当测头从不同方向触测工件时，克服内部弹簧所需的接触力并不相同，这就导致了测头从不同方向触测工件时测头的预行程也不同，降低了重复性精度。这是引起测量误差的最大误差源，而该设计方式根本无法避免预行程的变化。另外，测头测端与被测工件接触时，测杆由于受力会发生弯曲变形，同样会引入测量误差，且该误差随着测杆的长度增加而增加。Renishaw公司早期的触发式测头TP2，只能支持10mm长的测杆，预行程变化量为3.28μm，单向重复性精度为0.35μm。
固态传感技术在触发测头中的使用，显著提高了测头的精度，特别是减小了在使用较长的测杆时由于预行程变化引起的测量误差。Renishaw公司新一代触发式测头TP200采用灵敏度更高的应变片技术进行触发，大大减小了测头的各项异性，减小了预行程变化。其结构设计采取感应接触形变的应变片和机械复位机构相隔离，此设计可以消除很大部分由振动引起的测量误差；并且，该测头的设计非常紧凑，直径仅为13mm，可以容易地伸入被测工件中进行测量，增加了测头的测量范围。TP200测头不仅在精度、测量范围和工作寿命方面有很大进步，而且在使用较长测杆时的预行程变化也减小许多。在测杆长达100mm的情况下，单向重复性精度为0.5μm，预行程变化量小于1μm；另外，该测头有着很低的测量力，XY向测力仅为0.02N，Z向测力为0.07N。
为适应不同测量需求，可将两种或更多的触发技术集成到一个触发式测头内，即双触发或多触发技术。德国Zeiss公司ST3测头采用压电传感器和电子机械开关两种技术相结合的触发方式，当采用压电传感器方式触发时，测量力可以减小到0.01N，配合电子机械触发方式，可以避免灵敏的压电传感器引起误触发。另外，Renishaw公司TP800测头集合电子机械开关、压电传感器和应变片技术与一体，可以以三种触发方式工作。当采用压电传感器触发方式时，测头预行程变化量最小；当采用电子机械开关触发方式时，预行程变化量最大，精度也最低；采用应变片触发方式时，预行程变化量适中。该测头的测量精度也很高，当携带长度为50mm测杆时，各方向上的单向重复精度仅为0.25μm，预行程变化量小于0.5μm。采用多种触发方式的测头一般能支持较传统触发式测头更重更长的测杆，例如，Renishaw的TP800测头可支持长达350mm的测杆；且可以根据实际测量需要选择不同的触发方式、测量速度和测杆，扩大了测头的应用范围。
3.2 扫描式测头
扫描式测头又称线性测头，与触发式测头不同的是，当测头测端接触到被测工件后，不仅发出瞄准信号，还要给出测端的微位移，即同时具有瞄准和测微的功能。该类测头的技术关键是能否提供一种无摩擦、无回程误差、灵敏度高、运动直线性好的三维微导轨系统。
德国Zeiss公司早期的扫描式测头采用三层片簧导轨，每层导轨中都配有电感传感器来感测微位移，当测头测端接触到被测工件时，测头便发出零位信号和偏差信号，经电箱处理由计算机接收并存储测量数据。该测头采用静态检测技术，测头在接触工件之前便得到一个预置的测量方向，以该方向接触工件后，测头发出降速信号，然后进行微动，待测头过零时发出过零信号，之后测头便转入下一个快速进给运动。此工作方式的特点是：如果被测工件的曲面事先已知，即可预置测头的运动方向，此时只需很少的控制技术，实现起来比较容易和简单。但该测头也有其弊端，当测头以一个方向（如X向）运动时，另外两个方向（Y向和Z向）的导向运动由锁紧部件锁住，此时测头测端接触被测工件的运动方向和被测点的法向方向并不一致，这将引入余弦误差；另外，在测量换向时（如X向换为Y向），紧锁部件在锁紧和放开各轴时将产生机械零位误差，而各轴的电感传感器在互相更换时也会产生电子零位误差。