蔡司三坐标接触式测头与光学测头的区别

近年来流行着一些带有误导性的宣传，导致部分用户对光学扫描测头有过高的期待，例如“用光学测头一扫，零件的所有尺寸都出来了”等等，这对光学测头实际上存在很大的误解。从目前的状态来说，接触式与光学测头之间主要是相互补充的关系，而非竞争。 那接触式和光学测头究竟在哪些方面可以实现互补呢?这一点还需从光学测头的种类说起。三维光学测头有不同的分类，比如点光源、线光源、面光源，不同的测头其应用场合有显著区别。我们将光学测头的应用大致分成两类：表面数字化和三维测量。有人不禁会有疑问：表面数字化和三维测量不是一回事吗?其实，区分两种应用的关键在于是否生成数字表面模型 (Digital Surface Model)，也就是我们常说的点云或是三角网格。当然在很多实际应用当中，生成的数字表面模型后续也会用于表面或特征元素测量，但这种测量模式是基于数字化后的零件模型，与传统的直接测量特征元素还是有根本区别。

对于表面数字化，其目的是要获取零件表面轮廓，这就需要大量获取轮廓的空间点坐标。而对于接触式测头来说，一个一个点逐次获取的方式是无法胜任百万数量级点数的要求的，哪怕是连续扫描测头，也只是通过测头不离开零件表面的方式来提高取点速度，本质上还是单点采集。这类应用当中，线光源和面光源测头就很好弥补了接触式测头的不足，线扫描测头通过一条由若干点的激光在工件表面移动，即可扫描出一片区域;而面拍照测头则是通过一组编码的光线栅格，一次性获取一个特定大小区域内的点云。 在得到了数字化表面模型后，用户可以把数据用于各种目的，比如和CAD模型做对比，获取零件整体/局部轮廓的偏差，三维尺寸测量或者逆向工程等等。但是这种测量方式用于尺寸与行为公差测量时，通常无法符合测量工艺流程的要求(如建立测量基准、选择元素拟合方法、选取评价参考等等)。但是，有的零件或出于零件特殊性，如软性材质、不允许接触的表面、微小特征等，或出于测量效率的要求，确实需要非接触式测量。对于此类应用，点光源测头也很好弥补了接触式测头的不足。 其实，光学测头相比接触式测头还有另一方面的优势。接触式测头采点时，测头记录的是测球中心的空间坐标，然后根据测球半径来进行补偿，得出实际点的坐标。但当测量特定位置的三维曲线时，如果不按照测点的法线方向去采点，会存在半径补偿余弦误差;而如果按照测点的法线方向去采点，又会产生实际测点位置出现偏差的情况。这种情形在测量透平叶片时尤为常见。

▲ 接触式测头采点

非接触式光学测头直接利用光点的反射信号来获取被测点的坐标，不存在半径补偿的环节，因此能够完全杜绝余弦误差产生的源头。再者，在测量易变性零件时，虽然测力不大，但零件还是会在力的作用下造成一定变形(例如下图中的薄叶片，测量顶部截面时，叶盆时叶片受到测力影响朝叶背方向弯曲，反之亦然)。虽然弯曲变形量不大，但是考虑到叶片本身极薄，其相对变形量还是非常可观的，会对得出的轮廓度与位置度都造成非常大的影响。

▲ 弯曲变形

除点测头以外，面光源拍照式测头也能具备三维测量能力，但是拍照式测头在用作三维测量时，并不是基于获得的点云来进行的，而是直接依靠捕捉的三维图像提取被测元素。而且，当拍照式测头用于三维测量时并不单独使用，而是配合接触式测头一起，由接触式测头负责建立测量基准，而拍照式测头则是针对一些特殊元素特征(例如孔、槽等)进行测量。 光学测头虽然有一些接触式测头无法提供的优势，但并无法完全替代接触式测头，其原因在于光线的可触及性不如接触式测头。测球的各个部位都可以去接触被测物体来采点，但光的传播是沿直线的，我们无法让光“转弯”，必然有一些特征让光线力所不能及，比如径深比很小的孔、或是需要L型测针的场合，接触式测头比光学测头更方便。

没有最好的测头，更没有万能的测头，究竟怎么选择最终还是取决于测量需求。在繁多的测头种类面前，应该不只是以预算为导向，也不一定要追求全能型的测头，找到真正合适的产品，才能既快又好地做好质量控制。