1.引言
測頭是精密量儀的關鍵部件之一，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。坐標測量機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測量機提供新的觸測原理、新的測量精度后，坐標測量機才能發(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50年代末三坐標測量機的出現(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視頻測頭。
機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行定位瞄準而完成測量，主要用于手動測量。該類測頭結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，但精度不高，很難滿足當前數(shù)控精密量儀的要求，除了個別場合，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測頭測端與被測工件接觸時精密量儀發(fā)出采樣脈沖信號，并通過儀器的定位系統(tǒng)鎖存此時測端球心的坐標值，以此來確定測端與被測工件接觸點的坐標。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，是三維測頭中應用最廣泛的測頭。但該類測頭也存在各向異性（三角效應）、預行程等誤差，限制了其測量精度的進一步提高，最高精度只能達零點幾微米。在精密量儀上采用觸發(fā)式測頭進行測量時，通常是兩點定線、三點定面、三點或四點定圓等方法，其實質(zhì)是用幾個點的坐標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、適應性廣的測頭，同時具備空間坐標點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，該信號和精密量儀的相應坐標值疊加便可得到被測工件上點的精確坐標。若不考慮測桿的變形，掃描式測頭是各向同性的，故其精度遠遠高于觸發(fā)式測頭。該類測頭的缺點是結(jié)構(gòu)復雜，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，然后進行數(shù)據(jù)處理，進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，不能對一些孔、槽等內(nèi)尺寸較小的工件進行測量；另外，測頭測端與被測工件接觸時產(chǎn)生的壓力會引起被測工件的變形和劃傷，也難以對一些薄片、刀口輪廓及柔軟的材料進行測量。而非接觸式測頭由于采用光學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的方法進行測量，由于測頭無需接觸被測工件，故不存在測量力，更不會劃傷被測工件，同時可以測量軟質(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
當觸發(fā)式測頭的測端觸碰到被測工件時，測頭發(fā)出觸發(fā)信號。其核心是判斷接觸與否，類似電子開關的工作性質(zhì)，故又稱開關測頭。實現(xiàn)此功能的方法有電子機械開關的通斷、壓電晶體的壓電效應和應變片的形變等。