1.引言
測(cè)頭是精密量?jī)x的關(guān)鍵部件之一，作為傳感器提供被測(cè)工件的幾何信息，其發(fā)展水平直接影響著精密量?jī)x的測(cè)量精度、工作性能、使用效率和柔性程度。坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是一種典型的精密量?jī)x，其發(fā)展歷史也表明，只有在精密測(cè)頭為坐標(biāo)測(cè)量機(jī)提供新的觸測(cè)原理、新的測(cè)量精度后，坐標(biāo)測(cè)量機(jī)才能發(fā)生一次根本的變化。換言之，精密測(cè)頭是限制精密量?jī)x精度和速度的主要因素，精密量?jī)x能否滿(mǎn)足現(xiàn)代測(cè)量要求也依賴(lài)于精密測(cè)頭系統(tǒng)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展。
2.精密測(cè)頭的演變
精密測(cè)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(cè)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(cè)量機(jī)的出現(xiàn)。迄今，精密測(cè)頭通常分為接觸式測(cè)頭與非接觸式測(cè)頭兩種，其中接觸式測(cè)頭又分為機(jī)械式測(cè)頭、觸發(fā)式測(cè)頭和掃描式測(cè)頭；非接觸式測(cè)頭分為激光測(cè)頭和光學(xué)視頻測(cè)頭。
機(jī)械式測(cè)頭又稱(chēng)接觸式硬測(cè)頭，是精密量?jī)x使用較早的種測(cè)頭。通過(guò)測(cè)頭測(cè)端與被測(cè)工件直接接觸進(jìn)行定位瞄準(zhǔn)而完成測(cè)量，主要用于手動(dòng)測(cè)量。該類(lèi)測(cè)頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，但精度不高，很難滿(mǎn)足當(dāng)前數(shù)控精密量?jī)x的要求，除了個(gè)別場(chǎng)合，目前這種測(cè)頭已很少使用。 
目前市面上廣泛存在的精密測(cè)頭是觸發(fā)式測(cè)頭。第一個(gè)觸發(fā)式測(cè)頭于1972年由英國(guó)Renishaw公司研制。觸發(fā)式測(cè)頭的測(cè)量原理是當(dāng)測(cè)頭測(cè)端與被測(cè)工件接觸時(shí)精密量?jī)x發(fā)出采樣脈沖信號(hào)，并通過(guò)儀器的定位系統(tǒng)鎖存此時(shí)測(cè)端球心的坐標(biāo)值，以此來(lái)確定測(cè)端與被測(cè)工件接觸點(diǎn)的坐標(biāo)。該類(lèi)測(cè)頭具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)頭中應(yīng)用最廣泛的測(cè)頭。但該類(lèi)測(cè)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(cè)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?jī)x上采用觸發(fā)式測(cè)頭進(jìn)行測(cè)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(lái)確定理想幾何要素的尺寸大小，而在形位誤差測(cè)量方面就顯示出明顯缺陷；掃描測(cè)頭的出現(xiàn)彌補(bǔ)了觸發(fā)式測(cè)頭這方面的不足。
掃描式測(cè)頭也稱(chēng)量化測(cè)頭，測(cè)頭輸出量與測(cè)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(cè)頭，同時(shí)具備空間坐標(biāo)點(diǎn)的位置探測(cè)和曲線曲面的掃描測(cè)量的功能。該類(lèi)測(cè)頭的測(cè)量原理是測(cè)頭測(cè)端在接觸被測(cè)工件后，連續(xù)測(cè)得接觸位移，測(cè)頭的轉(zhuǎn)換裝置輸出與測(cè)桿的微小偏移成正比的信號(hào)，該信號(hào)和精密量?jī)x的相應(yīng)坐標(biāo)值疊加便可得到被測(cè)工件上點(diǎn)的精確坐標(biāo)。若不考慮測(cè)桿的變形，掃描式測(cè)頭是各向同性的，故其精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于觸發(fā)式測(cè)頭。該類(lèi)測(cè)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(cè)頭還是掃描式測(cè)頭，都是采用接觸式探針與被測(cè)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(cè)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(cè)量；另外，測(cè)頭測(cè)端與被測(cè)工件接觸時(shí)產(chǎn)生的壓力會(huì)引起被測(cè)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(cè)量。而非接觸式測(cè)頭由于采用光學(xué)方法可以避免接觸式測(cè)頭這方面的限制。
非接觸式測(cè)頭一般采用光學(xué)的方法進(jìn)行測(cè)量，由于測(cè)頭無(wú)需接觸被測(cè)工件，故不存在測(cè)量力，更不會(huì)劃傷被測(cè)工件，同時(shí)可以測(cè)量軟質(zhì)介質(zhì)的表面形貌。但該類(lèi)測(cè)頭受外界影響因素較多，如被測(cè)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(cè)量結(jié)果。到目前為止，非接觸式測(cè)頭的測(cè)量精度還不是很高，還無(wú)法取代接觸式測(cè)頭在精密量?jī)x中的位置。
3 各類(lèi)精密測(cè)頭的現(xiàn)狀
3.1 觸發(fā)式測(cè)頭
當(dāng)觸發(fā)式測(cè)頭的測(cè)端觸碰到被測(cè)工件時(shí)，測(cè)頭發(fā)出觸發(fā)信號(hào)。其核心是判斷接觸與否，類(lèi)似電子開(kāi)關(guān)的工作性質(zhì)，故又稱(chēng)開(kāi)關(guān)測(cè)頭。實(shí)現(xiàn)此功能的方法有電子機(jī)械開(kāi)關(guān)的通斷、壓電晶體的壓電效應(yīng)和應(yīng)變片的形變等。