CN102538678A - 一种扫描式测头测量装置 - Google Patents

Abstract

一种扫描式测头测量装置，属于精密测量领域，适用于微位移量测量以及二维微小尺寸测量，其包括有机械测头部分和光栅信号处理部分；在所述的机械侧头部分中包括有两层平行簧片结构组；所述的两层平行簧片结构相互垂直；使用本发明的一种扫描式测头测量装置，结构简单紧凑，体积小重量轻，运动时无摩擦影响。避免了现有扫描测头结构复杂，使用不便的缺点；与目前的采用楼式结构的平行簧片组合结构相比，本装置更加适合水平安装进行测量，不需要重力平衡机构。

Description

一种扫描式测头测量装置

技术领域

本发明涉及一种扫描式测头测量装置，适用于微位移量测量以及二维微小尺寸测量，属于精密测量领域。

背景技术

测头是坐标测量机的关键部件，其性能直接影响着坐标测量的测量精度和工作效率。扫描式测头又称线性测头，与触发式测头不同的是，当测头测针接触到被测工件后，不仅发出瞄准信号，还要给出测端的微位移，即同时具有瞄准和测微的功能。该类测头的技术关键是能否提供一种无摩擦、无回程误差、灵敏度高的微导轨系统。扫描式测头的输出量与测针的偏移量成正比关系，同时具有空间坐标点的位置探测以及曲线和曲面扫描的功能。

作为一种精度高、功能强、适应性广的测头，扫描式测头的应用十分的广泛，特别是在一些高精密的测量仪器或者对于采样点密集程度要求很高的测量领域。各大坐标测量机和精密量仪生产厂家都推出了典型的扫描式测头。RENISHAW生产的高性能扫描测头使用光学的方法测量测头探针端部的精确位置，价格昂贵。德国Zeiss、德国Leitz、瑞士Mecartex以及国内的哈尔滨量具刃具集团有限公司目前生产的扫描式测头装置多采用电感传感器，存在电子零位误差。

扫描式测头装置通常采用滑块或者弹簧等作为导向机构，结构复杂，同时还需要专门的复位或者重力平衡装置。平行簧片作为导向机构，在克服摩擦和自动复位方面体现了优势。目前采用平行簧片作为导向机构的扫描式测头多为一维测头，实现多维测量的导向机构则均采用楼式结构，仅能竖直安装，在水平测量时需要更换成专用测针，同时测头还需要弹簧作为重力平衡机构。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有的扫描式测头传感器精度低、受摩擦力影响、结构较复杂、测量速度慢的缺点，提出了一种使用光栅位移传感器和双平行簧片结构作为导向机构的扫描式测头测量装置，适合水平安装进行尺寸测量。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一种扫描式测头测量装置，采用以下方案：

一种扫描式测头测量装置，其包括有机械测头部分和光栅信号处理部分；在所述的机械侧头部分中包括有两层平行簧片结构组；所述的两层平行簧片结构相互垂直；与测头外壳2相连有测头Y轴固定端25，Y轴固定端25固接有Y轴光栅读数头23；转接板22呈L形，其一支端连接有X轴光栅读数头18，另一支端上固定有Y轴光栅尺27，X轴光栅读数头18与Y轴光栅尺27的位置相互垂直；所述的Y轴光栅读数头23正对Y轴光栅尺27；两块侧板24分别通过簧片16与Y轴固定端25和转接板22相连，两块侧板24分别位于所述Y轴光栅尺27的两侧且相互平行；

X轴移动端19上固接有X轴光栅尺17，X轴光栅尺17正对着X轴光栅读数头18；两块侧板24通过簧片16与X轴移动端19和转接板22的一个支端相连，两块侧板24分别位于X轴光栅尺17的两侧并相互平行；测针3固定于X轴移动端19上；所述的X轴光栅读数头18与Y轴光栅读数头23相互垂直；

由X轴光栅读数头18和Y轴光栅读数头23分别引出光栅线缆7，光栅线缆7接入光栅信号处理部分的光栅信号接口15。

所述的Y轴固定端25与Y轴读数头23通过连接杆26和测头连接件21连接；所述的转接板22一支端与X轴读数头18通过连接杆26和测头连接件21连接。

在侧板24上连接有限位挡板28，限位挡板(28上设计有便于锁定螺钉1伸入实现锁紧功能的螺孔；移动端19上设计有与限位挡板(28上的螺孔相配合的螺孔；需要锁紧时，锁定螺钉1从移动端19上的预留孔伸入与挡板28上的螺孔配合，实现锁紧功能；读数头连接件21与挡板28之间设计有起到限位和缓冲的作用的橡胶垫20。

光栅信号处理部分包括光栅信号接口、电源模块、放大整形电路、FPGA模块、DSP模块、ISA接口模块、串口模块；用于接收三路光栅信号的光栅信号接口连接至光栅位移传感器的输出端，再与将输入信号做放大整形处理的放大整形电路连接，放大整形电路的输出端与做四倍频变相细分的处理的FPGA模块相连，FPGA模块再与可以做数据转换和处理的DSP模块的数据总线连接，DSP模块与串口模块相连，同时FPGA模块还与ISA接口相连；电源转换模块11输入端与ISA接口连接，输入所需电压，同时输出端与DSP模块10以及FPGA模块12连接，给芯片提供所需电压；程序下载接口13与DSP模块10以及FPGA模块12连接，给芯片下载相应的程序。

这个技术方案有以下有益效果：

1.本发明采用双簧片结构作为测头的导向机构，运动过程中簧片移动端与其它机构不接触，无摩擦力影响，运动灵活，测量力消失后簧片自动回到原始位置。通过转接板将第一层簧片的固定端和第二层簧片的移动端连接，机械主体为水平结构，能够实现二维运动。这是区别于现有技术的创新点之一。

2.本发明采用光栅传感器作为位移感知单元，将光栅尺和读数头分别安装在每层簧片的移动端和固定端上，光栅尺和读数头不接触，直接将相对位移转化为脉冲信号。简单方便，无摩擦，受干扰小。这是区别于现有技术的创新点之二；

3.与现有技术相比，本发明采用的方法简单可行，相应的测量装置结构简单，光栅信号处理系统可将光栅信号进行四倍频细分。

4.使用以上技术之后测量装置具有以下特点：

(1)使用本发明的一种扫描式测头测量装置，结构简单紧凑，体积小重量轻，运动时无摩擦影响。避免了现有扫描测头结构复杂，使用不便的缺点；与目前的采用楼式结构的平行簧片组合结构相比，本装置更加适合水平安装进行测量，不需要重力平衡机构。

(2)使用本发明的一种扫描式测头测量装置，采用光栅位移传感器，避免电感传感器存在的回程误差，减小了环境干扰。光栅脉冲信号无需A/D转换，保证了系统的测量精度。有专门的光栅信号处理系统对光栅信号进行四倍频细分，辨向细分部分采用数字电路实现。

附图说明

图1为本发明装置的系统外形示意图；

图2为本发明装置的机械主体结构图；

图3为本发明装置的限位和锁紧机构结构图；

图4为本系统的信号处理系统组成框图。

图中：1.锁紧螺钉，2.测头外壳，3.测针，4.测头机械主体，5.后盖，6.安装柄，7.光栅线缆，8.串行接口，9.ISA接口，10.DSP模块，11.电源转换模块，12.FPGA模块，13.程序下载接口，14.放大整形模块，15.光栅信号接口，16.弹性簧片，17.X轴光栅尺，18.X轴光栅读数头，19.X轴移动端，20.限位缓冲部件，21.读数头连接件，22.转接板，23.Y轴光栅读数头，24.侧板，25.Y轴固定端，26.连接杆，27.Y轴光栅尺，28.限位档板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提出的一种扫描式测头测量装置进行具体阐述。

如图1所示，整个光栅扫描系统系统分为两部分，机械测头部分和安装在计算机主机内部的光栅信号处理部分。整个机械主体4由外壳2和后盖5保护，机械主体4由螺钉固定在外壳2上，后盖5上设计有安装柄6，便于测头的安装和使用。用于传输光栅信号的光栅线缆7从测头后盖5上的预留孔引出，与信号处理系统光栅信号接口15相连。光栅信号处理系统上分布有电源转换模块11、放大整形模块14、FPGA模块12、DSP模块10，将光栅信号进行四倍频细分和计数之后通过串口8或者ISA接口9发送到上位机，结合读数软件完成数据采集和测量功能。

该装置构成简单易行，使用方便。使用双簧片结构和现有的高精度光栅传感器，在测量过程中与其它机构不接触，避免了摩擦的影响，能自动回到初始位置。下面结合附图说明该二维扫描装置的具体构成方式和优点。

测头的机械主体的结构如图2所示，整个结构由两层平行簧片结构组合而成，两层平行簧片结构相互垂直，分别可以沿X轴方向和Y轴方向平行移动。与测头外壳2相连有测头Y轴固定端25，Y轴固定端25固接有Y轴光栅读数头23；转接板22呈L形，其一支端连接有X轴光栅读数头18，另一支端上固定有Y轴光栅尺27；所述的Y轴光栅读数头23正对Y轴光栅尺27；两块侧板24分别通过簧片16与Y轴固定端25和转接板22相连，两块侧板24分别位于所述Y轴光栅尺27的两侧且相互平行。

X轴移动端19上固接有X轴光栅尺17，X轴光栅尺17正对着X轴光栅读数头18；两块侧板24通过簧片16与X轴移动端19和转接板22的一个支端相连，两块侧板24分别位于X轴光栅尺17的两侧并相互平行。由X轴光栅读数头18和Y轴光栅读数头23分别引出光栅线缆7，光栅线缆7接入光栅信号处理系统的光栅信号接口15。测针3固定于X轴移动端19上；所述的X轴光栅读数头18与Y轴光栅读数头23相互垂直；所述的Y轴固定端25与Y轴读数头23通过连接杆26和测头连接件21连接；所述的转接板22一支端与X轴读数头18通过连接杆和测头连接件连接。

锁紧以及限位设计如图3所示。在侧板24上连接有限位挡板28，挡板28上设计有螺孔。需要锁紧时，锁定螺钉1从移动端19上的预留孔伸入与挡板28上的螺孔配合，实现锁紧功能。读数头连接件21与挡板28之间设计有橡胶垫20，起到限位和缓冲的作用。机械主体的二维导向上均安装有锁紧装置，可以根据不同的测量需要进行单向或者双向锁紧。

实际工作时，测针与被测对象接触而受到测量力的作用，可以将测量力分解成分别沿着X轴方向和Y方向的分力。在各自方向的测量力的作用下，X轴移动端19相对于转接板22的一支端平行移动，转接板22的另外一端可以沿着Y轴固定端25平行移动。由于X轴光栅读数头18和Y轴光栅读数头23分别与转接板22的一支端平行移动和Y轴固定端25固连，而X轴光栅尺17和Y轴光栅尺27分别粘贴在X轴移动端19和转接板22的另一端上，因此两个轴的读数头和对应的光栅尺之间也会有相对移动。读数头就会将发生的相对位移转化成光栅信号由光栅线缆7将位移光栅信号引入光栅信号处理系统的光栅信号接口15，从而完成被测位移向光栅信号的转化过程。

光栅信号处理系统框图如图4所示。包括光栅信号接口、电源模块、放大整形电路、FPGA模块、DSP模块、ISA接口模块、串口模块；用于接收三路光栅信号的光栅信号接口连接至光栅位移传感器的输出端，再与将输入信号做放大整形处理的放大整形电路连接，放大整形电路的输出端与做四倍频变相细分的处理的FPGA模块相连，FPGA模块再与可以做数据转换和处理的DSP模块的数据总线连接，DSP模块与串口模块相连，同时FPGA模块还与ISA接口相连。电源转换模块11输入端与ISA接口连接，输入所需电压，同时输出端与DSP模块10以及FPGA模块12连接，给芯片提供所需电压。程序下载接口13与DSP模块10以及FPGA模块12连接，给芯片下载相应的程序。

放大整形电路由放大器和比较器构成。正弦或者方波的光栅信号经过放大器和比较器之后输出的是TTL电平的方波。再经过FPGA四倍频细分、辨向以及可逆计数，可得到光栅尺位移的脉冲数。脉冲数据可以直接由ISA总线读入上位机，也可以通过数据总线将计数结果传输给DSP，由DSP处理之后通过串口把数据传入上位机。

Claims (4)

1.一种扫描式测头测量装置，其包括有机械测头部分和光栅信号处理部分；其特征在于：在所述的机械侧头部分中包括有两层平行簧片结构组；所述的两层平行簧片结构相互垂直；与测头外壳(2)相连有测头Y轴固定端(25)，Y轴固定端(25)固接有Y轴光栅读数头(23)；转接板(22)呈L形，其一支端连接有X轴光栅读数头(18)，另一支端上固定有Y轴光栅尺(27)，X轴光栅读数头(18)与Y轴光栅尺(27)的位置相互垂直；所述的Y轴光栅读数头(23)正对Y轴光栅尺(27)；两块侧板(24)分别通过簧片(16)与Y轴固定端(25)和转接板(22)相连，两块侧板(24)分别位于所述Y轴光栅尺(27)的两侧且相互平行；

X轴移动端(19)上固接有X轴光栅尺(17)，X轴光栅尺(17)正对着X轴光栅读数头(18)；两块侧板(24)通过簧片(16)与X轴移动端(19)和转接板(22)的一个支端相连，两块侧板(24)分别位于X轴光栅尺(17)的两侧并相互平行；测针(3)固定于X轴移动端(19)上；所述的X轴光栅读数头(18)与Y轴光栅读数头(23)相互垂直；

由X轴光栅读数头(18)和Y轴光栅读数头(23)分别引出光栅线缆(7)，光栅线缆(7)接入光栅信号处理部分的光栅信号接口(15)。

2.根据权利要求1所述的一种扫描式测头测量装置，其特征在于：所述的Y轴固定端(25)与Y轴读数头(23)通过连接杆(26)和测头连接件(21)连接；所述的转接板(22)一支端与X轴读数头(18)通过连接杆(26)和测头连接件(21)连接。

3.根据权利要求1所述的一种扫描式测头测量装置，其特征在于：在侧板(24)上连接有限位挡板(28)，限位挡板(28)上设计有便于锁定螺钉(1)伸入实现锁紧功能的螺孔；移动端(19)上设计有与限位挡板(28)上的螺孔相配合的螺孔；需要锁紧时，锁定螺钉(1)从移动端(19)上的预留孔伸入与挡板(28)上的螺孔配合，实现锁紧功能；读数头连接件(21)与挡板(28)之间设计有起到限位和缓冲的作用的橡胶垫(20)。

4.根据权利要求1所述的一种扫描式测头测量装置，其特征在于：光栅信号处理部分包括光栅信号接口、电源模块、放大整形电路、FPGA模块、DSP模块、ISA接口模块、串口模块；用于接收三路光栅信号的光栅信号接口连接至光栅位移传感器的输出端，再与将输入信号做放大整形处理的放大整形电路连接，放大整形电路的输出端与做四倍频变相细分的处理的FPGA模块相连，FPGA模块再与可以做数据转换和处理的DSP模块的数据总线连接，DSP模块与串口模块相连，同时FPGA模块还与ISA接口相连；电源转换模块(11)输入端与ISA接口连接，输入所需电压，同时输出端与DSP模块(10)以及FPGA模块(12)连接，给芯片提供所需电压；程序下载接口(13)与DSP模块(10)以及FPGA模块(12)连接，给芯片下载相应的程序。

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