傳統(tǒng)的接觸式坐標測量機自1956年問世以來，已經發(fā)展了50多年。現(xiàn)已廣泛應用于生產車間和科研部門。隨著工業(yè)技能的不斷提高，對測量設備的要求也越來越高。在這個過程中，CMM經歷了無數(shù)次技能創(chuàng)新，以適應更高的測量要求。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為技能創(chuàng)新不足，主要原因在于觸摸式坐標測量機的硬件結構和測量原理約束。

大多數(shù)傳統(tǒng)坐標測量機配備有觸發(fā)探針。用觸發(fā)式探頭測量物體時，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。產生的電信號觸發(fā)探頭記錄物體表面上測量點的空間坐標。這樣造成的第一個問題就是測量速度慢。原因是第一個觸發(fā)探針的采樣方法是對還是錯。第一個采樣點完成后，探頭需要退到一定距離，這樣探頭到位后才能進行第二個采樣點。而且取分的時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，那么信號會被認為是磕碰，取點失敗。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原因是，如果被測物體具有復雜的幾何形狀，測量針需要多次改變方向才能完成整個測量，測量針的每次指向都需要校準。如果要克服這一不足，進一步提高測量速度，就需要在三坐標測量機上配備高端的多軸旋轉掃描測頭。這項新技能可以以連續(xù)的方式高速掃描物體的采樣點。

測頭是三坐標測量機的重要組成部分。探頭一般由一根桿和一個紅寶石球組成，主要用于測量工作面。通過移動探頭的機械位置，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)式測頭結構簡單，成本低，可用于高速測量，因此在現(xiàn)代三坐標測量機中得到廣泛應用。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，只能離散地逐點測量工件表面，無法進行連續(xù)掃描測量。

常見觸發(fā)探頭的內部結構如圖1所示。測量桿安裝在三腳架上，三腳架的三個圓柱腿位于三對觸點上。當測量桿不承受測量力時，三腳架的三個圓柱腿與三對觸點保持接觸。當測量桿的球形端與工件接觸時，無論在X、Y、Z哪個方向施加接觸力，都會有至少一個圓柱腿與觸點脫離接觸，導致電路斷開，產生階躍信號。通過采樣電路，沿三個軸的坐標數(shù)據(jù)將被存儲和處理。同時，與探針同軸的彈簧提供預載。探頭波瓣存在的原因是觸發(fā)探頭的三點設計原理。當沿特定方向的力施加到探針上時，探針可能會圍繞一個或兩個接觸點旋轉，導致需要確保圓柱形腿與接觸點的接觸和復位。因此，探頭具有由信號觸發(fā)的開關機構、探頭復位機構和超程保護機構。

CMM在測量時，從測頭末端到被測零件接觸測頭扳機的過程為“預行程”。預行程的存在并不是誤差源，因為在探頭認證的過程中，廠家已經用一個已知半徑的標準球來確定一個合理的探頭半徑，以消除平均預行程的影響。

觸發(fā)力的不同會產生預行程的變化，如圖2所示。圖中可以清楚地看到三個葉瓣，反映出前沖程的變化接近17um。這種變化模式顯示了探針結構的立方對稱性。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。