傳統(tǒng)的接觸式坐標(biāo)測量機(jī)自1956年問世以來，已經(jīng)發(fā)展了50多年?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)車間和科研部門。隨著工業(yè)技能的不斷提高，對測量設(shè)備的要求也越來越高。在這個(gè)過程中，CMM經(jīng)歷了無數(shù)次技能創(chuàng)新，以適應(yīng)更高的測量要求。但是現(xiàn)在的CMM在某些方面還是遇到了一定的技能瓶頸。這些瓶頸不能簡單歸結(jié)為技能創(chuàng)新不足，主要原因在于觸摸式坐標(biāo)測量機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)和測量原理約束。

大多數(shù)傳統(tǒng)坐標(biāo)測量機(jī)配備有觸發(fā)探針。用觸發(fā)式探頭測量物體時(shí)，探頭以一定的速度接觸物體表面，然后探頭的朝向發(fā)生偏離。產(chǎn)生的電信號觸發(fā)探頭記錄物體表面上測量點(diǎn)的空間坐標(biāo)。這樣造成的第一個(gè)問題就是測量速度慢。原因是第一個(gè)觸發(fā)探針的采樣方法是對還是錯(cuò)。第一個(gè)采樣點(diǎn)完成后，探頭需要退到一定距離，這樣探頭到位后才能進(jìn)行第二個(gè)采樣點(diǎn)。而且取分的時(shí)候不要太快接觸物體表面。如果探頭接觸物體的速度太快，探頭的位置偏差太大，那么信號會(huì)被認(rèn)為是磕碰，取點(diǎn)失敗。因此，可以用掃描探針代替觸發(fā)探針，并且掃描探針采用連續(xù)采樣的方法，因此采樣速度有了很大的提高。限制測量速度的第二個(gè)原因是，如果被測物體具有復(fù)雜的幾何形狀，測量針需要多次改變方向才能完成整個(gè)測量，測量針的每次指向都需要校準(zhǔn)。如果要克服這一不足，進(jìn)一步提高測量速度，就需要在三坐標(biāo)測量機(jī)上配備高端的多軸旋轉(zhuǎn)掃描測頭。這項(xiàng)新技能可以以連續(xù)的方式高速掃描物體的采樣點(diǎn)。

測頭是三坐標(biāo)測量機(jī)的重要組成部分。探頭一般由一根桿和一個(gè)紅寶石球組成，主要用于測量工作面。通過移動(dòng)探頭的機(jī)械位置，探頭觸發(fā)信號并收集測量數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯筋^的性能直接影響測量精度和效率。觸發(fā)式測頭結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可用于高速測量，因此在現(xiàn)代三坐標(biāo)測量機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。但由于其精度略低，且不能在接觸狀態(tài)下停留在工件表面，只能離散地逐點(diǎn)測量工件表面，無法進(jìn)行連續(xù)掃描測量。

常見觸發(fā)探頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。測量桿安裝在三腳架上，三腳架的三個(gè)圓柱腿位于三對觸點(diǎn)上。當(dāng)測量桿不承受測量力時(shí)，三腳架的三個(gè)圓柱腿與三對觸點(diǎn)保持接觸。當(dāng)測量桿的球形端與工件接觸時(shí)，無論在X、Y、Z哪個(gè)方向施加接觸力，都會(huì)有至少一個(gè)圓柱腿與觸點(diǎn)脫離接觸，導(dǎo)致電路斷開，產(chǎn)生階躍信號。通過采樣電路，沿三個(gè)軸的坐標(biāo)數(shù)據(jù)將被存儲和處理。同時(shí)，與探針同軸的彈簧提供預(yù)載。探頭波瓣存在的原因是觸發(fā)探頭的三點(diǎn)設(shè)計(jì)原理。當(dāng)沿特定方向的力施加到探針上時(shí)，探針可能會(huì)圍繞一個(gè)或兩個(gè)接觸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致需要確保圓柱形腿與接觸點(diǎn)的接觸和復(fù)位。因此，探頭具有由信號觸發(fā)的開關(guān)機(jī)構(gòu)、探頭復(fù)位機(jī)構(gòu)和超程保護(hù)機(jī)構(gòu)。

CMM在測量時(shí)，從測頭末端到被測零件接觸測頭扳機(jī)的過程為“預(yù)行程”。預(yù)行程的存在并不是誤差源，因?yàn)樵谔筋^認(rèn)證的過程中，廠家已經(jīng)用一個(gè)已知半徑的標(biāo)準(zhǔn)球來確定一個(gè)合理的探頭半徑，以消除平均預(yù)行程的影響。

觸發(fā)力的不同會(huì)產(chǎn)生預(yù)行程的變化，如圖2所示。圖中可以清楚地看到三個(gè)葉瓣，反映出前沖程的變化接近17um。這種變化模式顯示了探針結(jié)構(gòu)的立方對稱性。這種凸角大大降低了CMM執(zhí)行高精度測量的能力，例如圓度和圓柱度。