1.引言
測頭是精密量儀的關(guān)鍵部件之一，作為傳感器提供被測工件的幾何信息，其發(fā)展水平直接影響著精密量儀的測量精度、工作性能、使用效率和柔性程度。坐標(biāo)測量機(jī)是一種典型的精密量儀，其發(fā)展歷史也表明，只有在精密測頭為坐標(biāo)測量機(jī)提供新的觸測原理、新的測量精度后，坐標(biāo)測量機(jī)才能發(fā)生一次根本的變化。換言之，精密測頭是限制精密量儀精度和速度的主要因素，精密量儀能否滿足現(xiàn)代測量要求也依賴于精密測頭系統(tǒng)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展。
2.精密測頭的演變
精密測頭的發(fā)展有悠久的歷史，最早可追溯到上世紀(jì)20年代電感測微儀的出現(xiàn)；但真正快速發(fā)展卻得益于上世紀(jì)50年代末三坐標(biāo)測量機(jī)的出現(xiàn)。迄今，精密測頭通常分為接觸式測頭與非接觸式測頭兩種，其中接觸式測頭又分為機(jī)械式測頭、觸發(fā)式測頭和掃描式測頭；非接觸式測頭分為激光測頭和光學(xué)視頻測頭。
機(jī)械式測頭又稱接觸式硬測頭，是精密量儀使用較早的種測頭。通過測頭測端與被測工件直接接觸進(jìn)行定位瞄準(zhǔn)而完成測量，主要用于手動(dòng)測量。該類測頭結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，但精度不高，很難滿足當(dāng)前數(shù)控精密量儀的要求，除了個(gè)別場合，目前這種測頭已很少使用。 
目前市面上廣泛存在的精密測頭是觸發(fā)式測頭。第一個(gè)觸發(fā)式測頭于1972年由英國Renishaw公司研制。觸發(fā)式測頭的測量原理是當(dāng)測頭測端與被測工件接觸時(shí)精密量儀發(fā)出采樣脈沖信號(hào)，并通過儀器的定位系統(tǒng)鎖存此時(shí)測端球心的坐標(biāo)值，以此來確定測端與被測工件接觸點(diǎn)的坐標(biāo)。該類測頭具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、制作成本低及較高觸發(fā)精度等優(yōu)點(diǎn)，是三維測頭中應(yīng)用最廣泛的測頭。但該類測頭也存在各向異性（三角效應(yīng)）、預(yù)行程等誤差，限制了其測量精度的進(jìn)一步提高，最高精度只能達(dá)零點(diǎn)幾微米。在精密量儀上采用觸發(fā)式測頭進(jìn)行測量時(shí)，通常是兩點(diǎn)定線、三點(diǎn)定面、三點(diǎn)或四點(diǎn)定圓等方法，其實(shí)質(zhì)是用幾個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)來確定理想幾何要素的尺寸大小，而在形位誤差測量方面就顯示出明顯缺陷；掃描測頭的出現(xiàn)彌補(bǔ)了觸發(fā)式測頭這方面的不足。
掃描式測頭也稱量化測頭，測頭輸出量與測頭偏移量成正比，作為一種精度高、功能強(qiáng)、適應(yīng)性廣的測頭，同時(shí)具備空間坐標(biāo)點(diǎn)的位置探測和曲線曲面的掃描測量的功能。該類測頭的測量原理是測頭測端在接觸被測工件后，連續(xù)測得接觸位移，測頭的轉(zhuǎn)換裝置輸出與測桿的微小偏移成正比的信號(hào)，該信號(hào)和精密量儀的相應(yīng)坐標(biāo)值疊加便可得到被測工件上點(diǎn)的精確坐標(biāo)。若不考慮測桿的變形，掃描式測頭是各向同性的，故其精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于觸發(fā)式測頭。該類測頭的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，目前世界上只有少數(shù)公司可以生產(chǎn)。
不論是觸發(fā)式測頭還是掃描式測頭，都是采用接觸式探針與被測工件接觸采集輪廓點(diǎn)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而得到被測工件的位置或形狀信息。由于接觸式探針有一定的大小，不能對(duì)一些孔、槽等內(nèi)尺寸較小的工件進(jìn)行測量；另外，測頭測端與被測工件接觸時(shí)產(chǎn)生的壓力會(huì)引起被測工件的變形和劃傷，也難以對(duì)一些薄片、刀口輪廓及柔軟的材料進(jìn)行測量。而非接觸式測頭由于采用光學(xué)方法可以避免接觸式測頭這方面的限制。
非接觸式測頭一般采用光學(xué)的方法進(jìn)行測量，由于測頭無需接觸被測工件，故不存在測量力，更不會(huì)劃傷被測工件，同時(shí)可以測量軟質(zhì)介質(zhì)的表面形貌。但該類測頭受外界影響因素較多，如被測物體的形貌特征、輻射特性以及表面反射情況都會(huì)影響測量結(jié)果。到目前為止，非接觸式測頭的測量精度還不是很高，還無法取代接觸式測頭在精密量儀中的位置。
3 各類精密測頭的現(xiàn)狀
3.1 觸發(fā)式測頭
當(dāng)觸發(fā)式測頭的測端觸碰到被測工件時(shí)，測頭發(fā)出觸發(fā)信號(hào)。其核心是判斷接觸與否，類似電子開關(guān)的工作性質(zhì)，故又稱開關(guān)測頭。實(shí)現(xiàn)此功能的方法有電子機(jī)械開關(guān)的通斷、壓電晶體的壓電效應(yīng)和應(yīng)變片的形變等。