精密测头技术的演变与发展趋势

德国Leitz公司生产的TRAX扫描测头系统，其弹性导轨结构原理和Zeiss公司的扫描测头大体相同，但测量原理完全不同。TRAX测头采用动态检测技术，测头测端接触被测工件时，测头三个方向的导轨都无需固定，测端沿法线方向读取接触力的同时还可以测得测力的方向，使得测头测端的运动方向始终和被测点的法向方向一致，不仅避免了余弦误差的存在，还消除了Zeiss测头中的机械零位误差，使得其测量精度非常高。另外，由于一旦测端与工件接触产生的测力达到用户预置的测力后，测头便按测量点的外法向方向返回，使得测端与被测工件表面几乎没有摩擦力，可以实现高速扫描测量。TRAX测头的工作原理决定了其同时适合已知和未知曲面的扫描测量，大大扩大了其使用范围。
瑞士Mecartex公司和METAS（瑞士联邦计量及检验局）联合研制了一种三维接触式测头。该测头采用了一种新型的机械机构，该机构限制了自身的旋转运动，并将其平移运动分为X、Y、Z三个方向，使得测头具有完全的三自由度；另外，每个方向的移动都可由电感传感器测得。由于该机构中所有的坐标轴和测头有相同的夹角，故重力对各个轴的影响相同，使得测头在三个方向上测力相同。用一块永久性磁铁将探针与测头体联接在一块，易于探针的更换和清洁；发生意外撞击时，该磁铁还可保护测头体不受损害。
精密测头的最新发展应该算Renishaw公司今年推出的Renishaw Revo测头。可以说，在测量原理上该测头是精密测头的一次革命性进展。该测头系统采用了Renscan5技术，在坐标测量机上能实现高精度、超高速五轴扫描测量，测量速度高达500mm/s。该技术的特点是让大部分的检测运动交由测座负责，测量机可以以恒定速度沿着一个矢量方向移动，将坐标测量机移动时因本身结构、重量所导致的动态误差降至最小，基本上消除了现时三轴扫描系统通常具有的测量误差。
Revo测头的两轴都采用了球面空气轴承技术，由高分辨率编码器的无刷电机驱动，可以提供快速、超高精度的定位。为降低测头机构在高速运动状态下对动态惯性的影响，Revo测头使用光学的方法测量测头探针端部的精确位置，其实现方法是：测头体内装有激光光源和位置传感器（PSD），激光源发出的光束经过一个中空的探针射到探针端部的反射镜上，当探针接触工件时发生弯曲变形，伴随着反射镜出现位移，反射镜的偏移直接导致光路发生变化，再由PSD测得变化的光路情况，便可确定探针端部的准确位置。
评定触发式测头性能的技术指标主要有测量力大小、预行程变化量、单向重复精度等，扫描式测头与触发式测头相比，结构更为复杂，应用场合更为广泛，故评价其性能的技术参数更多。表1中对三家测头制造厂的典型产品进行了性能比较，通过该表可以了解扫描式测头的技术现状。
表1 几种扫描式测头比较 
美国EMD－德国Zeiss－英国Renishaw 
测头型号：EMD Scanning－VAST－Renishaw SP600 
分辨率：0.05μm－0.2μm－0.1μm 
重复性：0.1μm－1.5μm－＜5.0μm 
测力：2～200g－24～480g－120g/mm 
每秒扫描点数：300－100－60～100 
每几何要素的扫描点数：32700－8000－/ 
有无零力测量：有－有－无 
多测头组合应用（接触/非接触）：是－/－某些系统 
未知曲面扫描：能－能－否
扫描能力：动态－主动－被动 
配套软件：菜单或文本－菜单－菜单 
粗糙度测量：能－否－否 
动态测试：能－否－否 
振动分析：能－否－否 
硬度测试：能－否－否 
线性精度：0.75μm+L/600mm－2.2μm+L/350mm－5.0μm 
空间精度：1.75μm+L/600mm－2.5μm+L/300mm－7.5μm 
CMM实时在线分析：是－否－否
3.3 非接触式测头