匠测科技 | 技术分享

**1973 年，英国格洛斯特郡的一间小作坊里，一位工程师正在为一个难题焦头烂额：协和式超音速飞机的 Rolls-Royce Olympus 发动机叶片形状复杂、精度要求极高，传统测量方法根本无法满足。他做了一个大胆的决定——放弃现有方案，从头设计一种全新的测量工具。这个决定，后来彻底改变了全球精密测量行业。**

这位工程师名叫 **David McMurtry**，他发明的工具叫做 **触发式测头**。同年，他与合作伙伴 John Deer 创立了一家公司——**雷尼绍（Renishaw）**。

50 年后的今天，这颗小小的测头，已经安装在数十万台数控机床和三坐标测量机上，成为智能制造不可或缺的”眼睛”。

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### 一、测头是什么？为什么它如此重要？

### 1.1 测头的定义

**测头（Probe）**，是精密测量系统中负责”感知”工件的核心部件。简单来说，它就是测量机的”手指”——通过接触或非接触的方式，感知工件表面的位置、形状和尺寸，然后将信号传递给测量系统进行处理。

### 1.2 测头的两大分类

我们今天重点讲的，是应用最广泛的**接触式测头**。

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### 二、测头里藏着哪些黑科技？

### 2.1 五大核心技术

一颗看似简单的测头，实际上集成了多项精密技术：

### **1. 机械触发式**

– **原理**：机械机构偏转触发微动开关

– **特点**：结构简单、成本低

– **应用**：早期测头、入门级设备

### **2. 应变片式**

– **原理**：测力引起应变片电阻变化，通过电桥电路转换为电信号

– **特点**：高精度（以雷尼绍OMP400应变片测头为例，50mm测针/240mm/min触测速度下单向重复精度可达0.25µm 2σ）、测力可控

– **代表产品**：雷尼绍 OMP400

– **应用**：高精度（以雷尼绍OMP400应变片测头为例，50mm测针/240mm/min触测速度下单向重复精度可达0.25µm 2σ）工件检测

### **3. 压电式**

– **原理**：压力产生电荷信号

– **特点**：响应速度快、灵敏度极高

– **应用**：超高精度（主流品牌测头在机测量单向重复精度通常在0.25~1.0µm 2σ范围）测量

### **4. 光学触发式**

– **原理**：光栅遮挡产生光电信号

– **特点**：无磨损、寿命长

– **代表产品**：Blum TC76

– **应用**：刀具测量、高频率使用场景

### **5. 扫描式**

– **原理**：连续接触工件表面，采集大量数据点

– **特点**：数据密度高、可还原完整形状

– **代表产品**：雷尼绍 SP25

– **应用**：复杂曲面、叶片、模具检测

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### 三、测头的技术难点在哪里？

很多人可能会问：”测头看起来不就是个开关吗？有什么技术含量？”

实际上，要做好一颗测头，需要攻克 **五大技术难关**：

### 3.1 测力控制 ⭐⭐⭐⭐⭐

**难点**：接触力既要保证触发可靠，又不能损伤工件表面。

– 测力太大：可能划伤精密工件表面

– 测力太小：可能无法可靠触发，导致测量失败

**解决方案**：采用精密弹簧机构 + 测力传感器，将接触力控制在 0.3-1.5N 之间（相当于 30-150 克物体的重力）。

### 3.2 精度保证 ⭐⭐⭐⭐⭐

**难点**：重复定位精度需达到微米级（≤0.002mm）。

这是什么概念？相当于一根头发丝直径的 1/30。

**解决方案**：

– 高精度（主流品牌测头在机测量单向重复精度通常在0.25~1.0µm 2σ范围）轴承和导轨

– 温度补偿算法

– 多点位校准

### 3.3 温度补偿 ⭐⭐⭐⭐

**难点**：车间温度变化会影响测头和工件的热胀冷缩，导致测量误差。

**解决方案**：内置温度传感器，实时补偿温度变化带来的误差。

### 3.4 信号传输 ⭐⭐⭐⭐

**难点**：机床在旋转、移动时，如何保证信号稳定（主流品牌光学测头采用调制红外信号传输，有效距离6~15m）（主流品牌光学测头采用调制红外信号传输，有效距离6~15m）传输？

**解决方案**：

– **红外传输**：短距离、成本低

– **射频传输**：长距离、穿透性强

– **有线连接**：最稳定，但适用范围有限

### 3.5 过行程保护 ⭐⭐⭐

**难点**：意外碰撞时，如何保护测头内部的精密机构？

**解决方案**：机械过载保护机构 + 电子碰撞检测，在碰撞发生时自动缩回测针。

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### 四、测头有多少种应用？

测头的应用场景，远超大多数人的想象。以下是 **六大核心应用场景**：

### 4.1 机床工件检测

**场景描述**：在 CNC 加工中心上，测头自动检测工件位置、尺寸，确保加工精度。

**典型流程**：

– 工件装夹后，测头自动找正位置

– 加工过程中，测头检测关键尺寸

– 加工完成后，测头进行最终验证

**价值**：减少脱机检测时间 70% 以上，避免反复装夹带来的误差。

### 4.2 刀具测量

**场景描述**：测量刀具长度、直径，检测刀具是否破损。

**典型应用**：

– 加工中心自动换刀后，测量刀具长度补偿

– 检测刀具磨损，提前预警换刀

– 发现断刀，避免加工事故

### 4.3 三坐标测量

**场景描述**：在质检实验室，三坐标测量机使用测头对工件进行精密检测。

**典型应用**：

– 尺寸检测：长、宽、高、孔径等

– 形位公差：平面度、圆度、同轴度等

– 逆向工程：扫描工件表面，生成 3D 模型

### 4.4 机器人引导

**场景描述**：在自动化产线上，测头帮助机器人精确定位工件。

**典型应用**：

– 机器人抓取定位

– 装配引导

– 去毛刺路径规划

### 4.5 增材制造检测

**场景描述**：在 3D 打印过程中，测头在机检测打印件质量。

**典型应用**：

– 航空航天复杂零件

– 医疗植入物

– 模具随形冷却水道

### 4.6 齿轮/叶片检测

**场景描述**：使用扫描测头检测复杂曲面。

**典型应用**：

– 航空发动机叶片

– 汽车齿轮

– 涡轮机叶轮

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### 五、全球测头市场格局

### 5.1 主要厂商

| 品牌 | 国家 | 市场地位 | 特点
| 雷尼绍（Renishaw） | 英国 | 全球第一（60%+） | 技术领先、产品线全
| Blum-Novotest | 德国 | 第二 | 刀具测量强项
| Marposs | 意大利 | 第三 | 工业自动化集成
| 蔡司（ZEISS） | 德国 | 第四 | 三坐标测量系统
| 海克斯康（Hexagon） | 瑞典 | 第五 | 综合测量方案
| 中图仪器
（Chotest） | 中国 | 国产领先 | 性价比高

### 5.2 技术来源大揭秘：蔡司、海克斯康与雷尼绍用的技术一样吗？

这是一个很多人关心的问题。答案是：**蔡司是独立自研，海克斯康是收购整合。**

### 🔍 **蔡司（ZEISS）— 独立自研技术**

– **公司历史**：1846 年创立（光学起家），比雷尼绍早 127 年

– **技术来源**：基于百年光学积累独立发展

– **核心优势**：光学系统、扫描测头、高精度（以雷尼绍OMP400应变片测头为例，50mm测针/240mm/min触测速度下单向重复精度可达0.25µm 2σ）测量

– **与雷尼绍关系**：无直接技术关联，专利独立

蔡司的 **VAST 扫描测头**、**RDS 旋转测座** 都是自主研发，技术路线与雷尼绍的触发式测头不同。

### 🔍 **海克斯康（Hexagon）— 收购整合技术**

海克斯康通过一系列收购建立测量帝国：

| 收购时间 | 收购公司 | 国家 | 技术贡献
| 2000 年 | Brown & Sharpe | 美国 | 三坐标测量机、测头技术
| 2005 年 | Leitz | 德国 | 高精度（主流品牌测头在机测量单向重复精度通常在0.25~1.0µm 2σ范围）测量系统
| 2006 年 | DEA | 意大利 | 大型测量系统
| 2016 年 | AICON | 德国 | 光学 3D 测量

**关键点**：

– Brown & Sharpe 成立于 1850 年，是美国老牌测量企业

– 早期可能使用过雷尼绍的专利授权（1980-90 年代）

– 但现已形成独立技术体系

### 🔍 **雷尼绍的专利保护情况**

– 1972 年 David McMurtry 发明触发式测头

– 核心专利保护期 20 年，已在 1990 年代到期

– 后续改进型专利（信号传输、测力控制等）仍在保护期内

– 1980-90 年代曾向多家厂商授权专利

### 💡 **为什么会有”沿用”的误解？**

– **触发原理相同**：机械偏转触发信号是物理原理，无法专利垄断

– **外观相似**：功能决定形态，都是圆柱形 + 测针结构

– **专利到期**：早期核心专利已过期，各家都可使用基础技术

– **行业标准**：测头接口、通信协议有行业标准（如 I++ DME）

### 5.3 市场趋势

– **智能化**：测头集成更多传感器，实现自适应测量

– **无线化**：射频传输成为主流，摆脱线缆束缚

– **集成化**：测头与机床、机器人深度集成

– **国产化**：中国厂商正在追赶，但高端市场仍被外资垄断

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### 六、从协和飞机到智能工厂

回到故事的开头。

1973 年，David McMurtry 为了解决协和飞机发动机的测量难题，发明了触发式测头。这项发明，让雷尼绍从一间小作坊成长为全球精密测量行业的领导者。

50 年后的今天，测头已经从最初的单一产品，发展成为一个庞大的技术体系。它应用于：

– ✈️ **航空航天**：飞机发动机、卫星零部件

– 🚗 **汽车制造**：发动机、变速箱、车身模具

– 📱 **消费电子**：手机外壳、精密结构件

– 🏥 **医疗器械**：人工关节、牙科种植体

– ⚡ **能源装备**：燃气轮机叶片、核电零部件

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### 七、结语：精密测量的未来

测头的故事，是精密测量行业发展的缩影。

从手动测量到自动测量，从接触式到非接触式，从单机测量到在线检测，从数据采集到智能分析——测量技术正在经历一场深刻的变革。

而这场变革的核心，是让制造更精密、更高效、更智能。

正如雷尼绍的口号所说：**“Intelligence Inside, Maintenance Redefined.”**

智能，始于测量。

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**参考文献：**

– 雷尼绍、波龙、马波斯官方网站

– 百度百科：雷尼绍公司

– 知乎专栏：三坐标测量机的测头系统组成介绍

– MMSONLINE：测头产品、品牌、技术与应用门户

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*本文由宁波匠测科技有限公司技术团队整理发布。*

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FAQ精选问答

**问：触发式测头和三坐标测量机的测头是同一回事吗？**
**答：**原理相似，但应用场景不同。触发式测头既可以用在三坐标测量机（CMM）上，也可以安装在数控机床（CNC）主轴上进行在机测量。两者的核心触发机制一致——通过测针触碰工件表面产生电信号——但机床上的测头需要应对切削液、切屑和振动等恶劣环境，对防护等级和信号传输方式（如光学/无线电）有更高要求。

**问：测头的单向重复精度0.25µm意味着什么？实际加工中能达到吗？**
**答：**0.25µm（0.00025mm）是指测头在相同条件下重复触碰同一点的偏差范围。这代表测头的机械重复性，但实际加工中最终精度受机床定位精度、热变形、测针弯曲等多种因素影响。综合在机测量各环节误差因素，现场通常以2µm以内作为设备验收的参考标准，高精度工况可控制在1µm以内。

**问：非接触式测头（激光）能否完全替代接触式测头？**
**答：**不能完全替代。激光测头速度更快、无测量力，适合软质材料、薄壁件和曲面扫描，但对表面颜色、反光度和清洁度敏感。接触式测头精度更稳定可靠，不受表面光学特性影响，在尺寸公差严格的机加工场景中仍是首选。实际应用中两者互补使用效果最佳。