機(jī)床測(cè)頭是在位測(cè)量技術(shù)中的核心部件，其主要功能是在加工過程中為數(shù)控系統(tǒng)提供工件表面的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)加工參數(shù)的在線補(bǔ)償和優(yōu)化。機(jī)床測(cè)頭的性能直接影響著在位測(cè)量的精度、效率和可靠性。本文漢測(cè)將重點(diǎn)介紹常見機(jī)床測(cè)頭的工作原理，并分析其在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)。

一、接觸式測(cè)頭

接觸式測(cè)頭是最常用的一類機(jī)床測(cè)頭，其基本工作原理是通過測(cè)針與工件表面直接接觸，將接觸信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。接觸式測(cè)頭主要由以下幾個(gè)部分組成：

1.測(cè)針：測(cè)針是與工件直接接觸的部件，通常采用硬質(zhì)合金或陶瓷等耐磨材料制成。測(cè)針的形狀和尺寸根據(jù)被測(cè)工件的特點(diǎn)而定，常見的有球形、圓柱形、圓錐形等。

2.傳感器：傳感器是將測(cè)針的機(jī)械位移轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的關(guān)鍵部件。常用的傳感器類型有應(yīng)變電阻式、壓電式、光電式等。應(yīng)變電阻式傳感器利用了測(cè)力引起電阻值變化的原理；壓電式傳感器利用了壓電晶體在受力時(shí)產(chǎn)生電荷的原理；光電式傳感器則利用了測(cè)針位移引起光路變化的原理。

3.觸發(fā)電路：觸發(fā)電路用于檢測(cè)傳感器輸出信號(hào)的變化，并在達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)輸出觸發(fā)信號(hào)。觸發(fā)信號(hào)的響應(yīng)速度和重復(fù)性是評(píng)價(jià)觸發(fā)電路性能的重要指標(biāo)。

4.信號(hào)處理電路：信號(hào)處理電路對(duì)傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等處理，得到數(shù)字化的位移信號(hào)，并通過接口電路傳輸給數(shù)控系統(tǒng)。

接觸式測(cè)頭的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、通用性強(qiáng)，適用于大多數(shù)材質(zhì)的工件測(cè)量。但其缺點(diǎn)是測(cè)量速度相對(duì)較慢，測(cè)針易磨損，而且不能測(cè)量軟質(zhì)、粘性材料及易變形工件。

二、非接觸式測(cè)頭

非接觸式測(cè)頭是利用光、聲、電等非接觸方式獲取工件表面信息的測(cè)頭，其基本工作原理是通過發(fā)射和接收媒介信號(hào)，根據(jù)信號(hào)的變化情況間接測(cè)量工件的尺寸和位置。常見的非接觸式測(cè)頭有以下幾種類型：

1.激光測(cè)頭：激光測(cè)頭利用激光三角法測(cè)量原理，通過投射激光束到工件表面，并用CCD等光電傳感器接收反射光束，根據(jù)發(fā)射角和接收角的變化計(jì)算出工件表面的位置坐標(biāo)。激光測(cè)頭的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量速度快、精度高、量程大，適用于復(fù)雜曲面的掃描測(cè)量。缺點(diǎn)是易受表面粗糙度、反射率等因素的影響，而且造價(jià)相對(duì)較高。

2.光學(xué)測(cè)頭：光學(xué)測(cè)頭利用光學(xué)成像原理，通過CCD相機(jī)拍攝工件表面圖像，并用圖像處理算法提取輪廓特征，計(jì)算出尺寸參數(shù)。光學(xué)測(cè)頭的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量速度快、非接觸性好，適用于小型、微細(xì)工件的測(cè)量。缺點(diǎn)是受光照條件影響大，而且測(cè)量精度相對(duì)較低。

3.電容測(cè)頭：電容測(cè)頭利用了導(dǎo)體間電容與距離的關(guān)系，通過測(cè)量探頭與工件間電容的變化，換算出兩者間的相對(duì)位移。電容測(cè)頭的優(yōu)點(diǎn)是分辨率高、響應(yīng)速度快，適用于導(dǎo)電材料工件的精密測(cè)量。缺點(diǎn)是易受溫度、濕度等環(huán)境因素的影響，而且測(cè)量范圍較小。

4.超聲波測(cè)頭：超聲波測(cè)頭利用超聲波的飛行時(shí)間或多普勒頻移效應(yīng)，測(cè)量探頭與工件間的距離或相對(duì)速度。超聲波測(cè)頭的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量范圍大、對(duì)材質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，適用于粗糙表面和有油污工件的測(cè)量。缺點(diǎn)是測(cè)量精度相對(duì)較低，易受環(huán)境噪聲的干擾。

非接觸式測(cè)頭克服了接觸式測(cè)頭的某些局限性，但其測(cè)量精度和穩(wěn)定性通常不如接觸式測(cè)頭。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)工件特點(diǎn)、加工要求、環(huán)境條件等因素，選擇合適的測(cè)頭類型。

三、機(jī)床測(cè)頭的應(yīng)用分析

機(jī)床測(cè)頭在現(xiàn)代制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，下面從加工對(duì)象、加工階段和加工目的三個(gè)方面進(jìn)行分析。

1.按加工對(duì)象分類：

-軸類零件：如電機(jī)軸、傳動(dòng)軸等，通常采用接觸式測(cè)頭測(cè)量其徑向跳動(dòng)、圓柱度等參數(shù)。

-盤類零件：如法蘭盤、凸輪等，通常采用接觸式或激光測(cè)頭測(cè)量其平面度、同軸度等參數(shù)。

-殼體類零件：如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、變速箱殼等，通常采用激光或光學(xué)測(cè)頭測(cè)量其內(nèi)外輪廓尺寸。

-葉輪類零件：如渦輪葉片、壓氣機(jī)葉輪等，通常采用激光或光學(xué)測(cè)頭測(cè)量其葉型曲面。

2.按加工階段分類：

-毛坯測(cè)量：在粗加工前，采用測(cè)頭測(cè)量毛坯的尺寸和位置，以優(yōu)化裝夾方案和刀具路徑。

-粗加工測(cè)量：在粗加工后，采用測(cè)頭測(cè)量關(guān)鍵尺寸和形位公差，判斷是否滿足后續(xù)精加工條件。

-精加工測(cè)量：在精加工過程中，采用測(cè)頭實(shí)時(shí)測(cè)量加工表面的尺寸和形狀誤差，并實(shí)現(xiàn)在線補(bǔ)償。

-成品檢測(cè)：在終加工后，采用測(cè)頭對(duì)成品進(jìn)行抽樣或全檢，驗(yàn)證其是否滿足圖紙要求。

3.按加工目的分類：

-工件找正：采用測(cè)頭測(cè)量工件基準(zhǔn)面和關(guān)鍵特征，建立工件坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)工件在多次裝夾中的位置一致性。

-刀具補(bǔ)償：采用測(cè)頭測(cè)量刀具的實(shí)際位置和磨損量，并將偏差值反饋給數(shù)控系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)整刀具補(bǔ)償參數(shù)。

-自適應(yīng)控制：采用測(cè)頭實(shí)時(shí)測(cè)量加工參數(shù)，如切削力、振動(dòng)、溫度等，根據(jù)反饋數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速等加工參數(shù)。