CN103234440B

CN103234440B - 三维测量头

Info

Publication number: CN103234440B
Application number: CN201310135331.1A
Authority: CN
Inventors: 赵飚; 赵志强
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-04-18
Filing date: 2013-04-18
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2033-04-18
Also published as: CN103234440A

Abstract

本发明公开了一种三维测量头，包括测杆、测杆摆动检测机构和测杆位移检测机构，所述测杆摆动检测机构包括基体和由交叉弹片构成的柔性铰链，所述柔性铰链分别设于基体的上、下两端，两者的回转中心轴线分别为X向和Y向，上、下端柔性铰链与基体之间分别设置检测X向和Y向转动量的测量元件，所述测杆连接于基体下端的柔性铰链上；所述测杆位移检测机构包括于导向机构内沿Z向上、下运动的移动杆，所述移动杆的下端连接基体上端的柔性铰链，移动杆与导向机构之间设置检测Z向位移量的测量元件和使移动杆复位的回位弹簧。本发明线性精度高，制作工艺简单，生产成本低，可替代进口产品，应用于三坐标测量机和数控机床上的工件高精度检测。

Description

三维测量头

(一）技术领域：

本发明涉及一种用于三坐标测量机和数控机床的三维测量头。

（二）背景技术：

现用的三维测头分为触发式测头和扫描式测头两大类，其中扫描式测头大多数采用双弹片层叠式结构，只有英国Renishaw公司等少数发达国家才能生产。

其缺点是：

1、结构和制作工艺极其复杂，生产成本高。

2、大多数采用电感式位移传感器作为测量元件。

3、电感式位移传感器的线性精度差，制作工艺复杂，生产成本高。

(三）发明内容：

针对现有技术的不足之处，本发明的目的是提供一种高精度低成本的三维测量头。

能够实现上述目的的三维测量头，包括测杆、测杆在X向和Y向的摆动检测机构和测杆在Z向的位移检测机构。所述测杆在X向和Y向的摆动检测机构是由基体和由交叉弹片组成的柔性铰链构成，所述柔性铰链分别设于基体的上、下两端，两者的回转中心轴线分别为X向和Y向，上、下端柔性铰链与基体之间分别设置检测X向和Y向转动量的测量元件，所述测杆连接于基体下端的柔性铰链上；所述测杆在Z向的位移检测机构包括于导向机构内沿Z向上、下运动的移动杆，所述移动杆的下端连接基体上端的柔性铰链，移动杆与导向机构之间设置检测Z向位移量的测量元件和使移动杆复位的回位弹簧。

经过有限元数学分析所述柔性铰链交叉弹片的其交叉点具有稳定的回转轴线，测量精度高测量线性好，调节柔性铰链的杠杠比还可以进一步提高测量精度，该柔性铰链结构的技术已经成熟，已由本申请人申报并取得了中国发明专利授权（ZL20070048220.1）和美国专利授权（US8130003B2），并完成了科技部中小企业创新基金项目鉴定（立项代码：07C2621441789）。

本发明结构的工作原理：将测杆对工件的空间三维测量量转化为柔性铰链的X向、Y向转动量和移动杆的Z向移动量，通过分别检测三者的变量而合成得到被测量工件实际的坐标位置，测杆的连续测量过程则是X向、Y向转动量和Z向移动量不断合成的过程。

柔性铰链连接方式为：上端柔性铰链的回转中心轴线上位（向外张开）弹片与移动杆连接，下位（向外张开）弹片与基体上端连接；下端柔性铰链的回转中心轴线上位（向外张开）弹片与基体下端连接，下位（向外张开）弹片与测杆连接。

为实现稳定连接，所述各柔性铰链分别为前、后或左、右设置的两组交叉弹片。

所述测量元件可采用电容传感器、或采用电感传感器、或采用光栅传感器、或采用磁栅传感器、或采用容栅传感器。

所述测量元件优选由相互配合感应的主栅和副栅构成的容栅传感器，分别为容栅角位移传感器和容栅直线位移传感器。

本发明的有益效果：

本发明三维测量头线性精度高，测量分辨率可以达到0.1微米，制作工艺简单，生产成本低，可替代进口产品，应用于三坐标测量机和数控机床上的工件高精度检测。

（四）附图说明：

图1是本发明一种实施方式的结构示意图。

图2是图1实施方式的侧视图。

图3是图2实施方式的剖视图。

图4是图1实施方式的外形图。

图号标识：1、测杆；2、基体；3、柔性铰链；4、移动杆；5、回位弹簧；6、导向套；7、弹簧座；8、测杆座；9、触头；10、测杆摆条；11、基体座；12、基体摆条；13、容栅直线位移传感器；14、连接板；15、锥套；16、护套。

（五）具体实施方式：

下面结合附图对本发明的技术方案进一步说明。

本发明三维测量头主要由测杆1、测杆摆动检测机构和测杆位移检测机构构成。

所述测杆摆动检测机构的主体为基体2和柔性铰链3，所述基体2竖直放置，所述柔性铰链3设于基体2的上、下端，柔性铰链3由十字交叉的两弹片构成，其交叉点为柔性铰链3的回转轴心，柔性铰链3由平行的两副交叉弹片组成，上、下端柔性铰链3的回转轴心线互为90°，分别对应于空间的X向和Y向。

上端柔性铰链3回转轴心上位的交叉弹片（张开的弹片）之间安装基体座11，所述基体座11上设有与基体2方向一致的基体摆条12，所述基体摆条12面向基体2一侧面，上端柔性铰链3回转轴心下位的交叉弹片（张开的弹片）与基体2上端的斜面配合固装；下端柔性铰链3回转轴心上位的交叉弹片（张开的弹片）与基体2下端的斜面配合固装，下端柔性铰链3回转轴心下位的交叉弹片（张开的弹片）通过与测杆座8与测杆1的上端固装，测杆1的下端安装触头9，所述测杆座8上设有与测杆1方向一致的测杆摆条10，所述测杆摆条10面向基体2另一侧面；上、下端柔性铰链3与基体2之间分别设置检测X向和Y向转动量的容栅角位移传感器，所述容栅角位移传感器的主栅和副栅分别设于基体摆条12与基体2一侧面之间、测杆摆条10与基体2另一侧面之间，如图1、图2、图3所示。

所述测杆位移检测机构设于基体2上方，包括移动杆4和导向套6，所述移动杆4的运动方向为Z向，移动杆4的上段杆体由上、下导向套6定位，移动杆4的下段杆体套装弹簧座7，所述弹簧座7限位于基体座11，移动杆4的下端连接基体2上端的柔性铰链3，下位导向套6与弹簧座7压装回位弹簧5；移动杆4顶部安装检测Z向移动量的容栅直线位移传感器13（由主栅和副栅构成），如图1、图2、图3所示。

于弹簧座7位置设置连接板14，所述连接板14上安装包容移动杆4上段和容栅直线位移传感器13的锥套15，连接板14下安装包容基体2的护套16，使本发明成为一个整体，所述护套16上设置显示器，所述显示器内部的计算器通过相关电路连接容栅角位移传感器和容栅直线位移传感器13，如图4所示。

本发明使用时，上部锥套15连接于三坐标测量机的主轴锥孔就位，三坐标测量机运行通过测杆1的触头9对工件进行接触测量，工件的空间位置点分解为X、Y、Z三向坐标，分别由上、下方柔性铰链3的摆动量和移动杆4的位移量检测，由计算机计算并于显示器上显示。

检测完毕，测杆1的触头9离开工件，回位弹簧5复位测杆1，显示器上显示X、Y、Z三向坐标值为零。

Claims

1.三维测量头，其特征在于：包括测杆（1）、测杆在X向和Y向的摆动检测机构和测杆在Z向的位移检测机构，所述测杆在X向和Y向的摆动检测机构由基体（2）和由交叉弹片组成的柔性铰链（3）构成，所述柔性铰链（3）分别设于基体（2）的上、下两端，两者的回转中心轴线分别为X向和Y向，上、下端柔性铰链（3）与基体（2）之间分别设置检测X向和Y向转动量的测量元件，所述测杆（1）连接于基体（2）下端的柔性铰链（3）上；所述测杆在Z向的位移检测机构包括于导向机构内沿Z向上、下运动的移动杆（4），所述移动杆（4）的下端连接基体（2）上端的柔性铰链（3），移动杆（4）与导向机构之间设置检测Z向位移量的测量元件和使移动杆（4）复位的回位弹簧（5）。

2.根据权利要求1所述的三维测量头，其特征在于：上端柔性铰链（3）的回转中心轴线上位弹片与移动杆（4）连接，下位弹片与基体（2）上端连接；下端柔性铰链（3）的回转中心轴线上位弹片与基体（2）下端连接，下位弹片与测杆（1）连接。

3.根据权利要求2所述的三维测量头，其特征在于：所述各柔性铰链（3）分别为前、后或左、右设置的两组交叉弹片。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的三维测量头，其特征在于：所述测量元件为电容传感器、或为电感传感器、或为光栅传感器、或为磁栅传感器、或为容栅传感器。

5.根据权利要求4所述的三维测量头，其特征在于：所述测量元件为包括由相互配合感应的主栅和副栅构成的容栅传感器，分别为容栅角位移传感器和容栅直线位移传感器（13）。