CN105423914A - 一种光信号触发式测头 - Google Patents

Abstract

一种光信号触发式测头，包括外壳和设置在外壳内由弦张紧支撑的测针支架，测针固定在测针支架上，弦连接至外壳，通过调节弦的张力实现对测针支架的支撑力和复位力；进一步地，测针支架上布置有柱形永磁铁，此永磁铁与布置在外壳上的环形永磁铁极性相对安装，该对永磁铁间的斥力提供测针支架的复位力。测针支架上安装有反射镜，反射镜将来自光源系统的光反射至光电传感系统；测针碰触工件时引起测针支架摆动，进而引起反射镜偏摆，使得反射光偏离原中心位置而导致光电传感系统接收的光强产生变化，进而使输出的电信号产生变化，测针退离工件时测针支架在弦张紧力的作用下复位。该触发式测头具有较高的分辨率和精度、极小的各向异性。

Description

一种光信号触发式测头

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别是一种光信号触发式测头。

背景技术

三坐标测量机(CoordinateMeasuringMachine，简称CMM)是20世纪60年代发展起来的一种新型高效精密测量仪器。它的出现，一方面是由于自动机床、数控高效加工以及原来越多复杂形状零件加工需要快速有效的检测设备与之配套；另一方面是由于电子技术、计算机技术、数字控制技术以及精密加工技术的发展为CMM的产生提供了技术基础。1960年，英国FERRANTI公司研制成功世界上第一台CMM，到20世纪60年代末，已有近十个国家的三十多家公司在生产CMM，不过这一时期的CMM尚处于初级阶段。进入20世纪80年代后，以Zeiss，Leitz，DEA，LK，Mitutoy，SIP,Ferranti，Moore等为代表的众多公司不断推出新产品，使得CMM的发展速度加快。现代CMM不仅能在计算机控制下完成各种复杂测量，而且可以通过与数控机床交换信息，实现对加工的控制，而且还可以根据测量数据实现返求工程。目前，CMM已广泛应用于机械制造业，汽车工业，电子工业，航空航天工业和国防工业等各部门，成为现代工业检测和质量控制不可缺少的万能测量设备。

CMM是用测头来拾取信号的，测头的性能直接影响测量精度和测量效率，没有先进的测头就无法发挥测量机的功能。在CMM上使用的测头，按照工作方式可以分为触发式和扫描式；触发式测头又称为开关测头，在测量过程中注意输出脉冲信号，扫描测头则可以输出测针的空间位置。

触发测头由于结构简单、使用成本低、重复性好等优点，且其可以满足大部分的工业测量需求，因而应该非常广泛。目前市场应用的测头中，约80％是触发式测头。

支撑定位机构是触发式测头的关键技术之一，其确定了测针支架的零位并影响测头的复位精度。测针支架是触发式测头中的运动部件，其只有在触发时偏离零位，在触测之前和触发之后，都应该快速复位。在传统的触发式测头中，这种定位支撑机构都是基于三点支撑的方式，例如，放置在同一平面上的三组球支撑起三个圆柱棒，也有将球换成V型槽或者V型摆放的圆柱等。这种三点支撑的方式具有结构简单、定位精度高，复位重复性好的优点。但是，由于支撑的非对称性，触发力的力矩会随着触发方向变化而发生改变，从而使得测量结果出现“三角形效应”，即测量结果出现各向异性。

在触发式测头中，一般使用螺旋弹簧、簧片或磁铁为测针支架提供复位力。弹簧和簧片都是接触式复位，在触测过程中总是存在摩擦和磨损，使得测头的使用寿命收到限制。磁铁作为一种非接触场力，在复位上有一定优势，但是由于磁场存在边沿效应，使得磁路的设计变得复杂。

触发式测头中常用的支撑结构包括高副支撑和弹性支撑，高副支撑主要是球/柱组合支撑、例如US4153998中的球/柱支撑结构；弹性支撑主要有弦拉伸支撑和弹簧膜片支撑，例如US6789327中的弹簧膜片支撑结构和ZL201120421880.1拉线支撑结构等。高副支撑具有支撑力度大，复位性好等优点，但是由于其结构的限制，使得测头有明显的各向异性，即“三角形效应”。使得测头的精度受限，这种“三角形效应”会受到零件的制造、组装精度的影响而形态各异，进而使得后期针对“三角形效应”进行的误差补偿变得困难。以往使用的拉线、弹簧片支撑结构由于支撑力度小，主要是使用在纳米测量机的触发式测头上。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种光信号触发式测头，克服以往的触发式测头各向异性大，触发力较大且不易调整，触发精度偏低的缺点。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种光信号触发式测头，包括外壳和设置在所述外壳内由弦张紧支撑的测针支架，测针固定在所述测针支架上，所述弦连接至所述外壳，通过调节所述弦的张力实现对所述测针支架的支撑力和复位力；所述测针支架上安装有反射镜，所述反射镜将来自光源系统的光反射至光电传感系统；所述测针碰触工件时引起所述测针支架摆动，进而引起所述反射镜偏摆，使得反射光偏离原中心位置而导致所述光电传感系统接收的光强产生变化，进而使输出的电信号产生变化，所述测针退离工件时所述测针支架在弦张紧力的作用下复位。

进一步地：

所述测针支架上设置有滑轮，所述外壳上设置有调整螺钉，所述弦经过所述滑轮并连接在所述调整螺钉上，通过拧动所述调整螺钉来调整所述弦的长度进而调整所述弦的张力。

所述弦包括在圆柱形的所述测针支架的周围按圆周等分布置的六组弦，每一组弦均可单独调整弦的张力，进而调整所述测针支架的中心位置。

所述弦为围绕在圆柱形的所述测针支架的周围设置的一根完整的弦。

还包括设置在所述测针支架上的柱形永磁体，以及设置在所述外壳上并环绕在所述柱形永磁体外围的环形永磁体，两者形成相互磁力用来辅助所述测针的复位。

还包括设置在所述外壳内的气压机构，其在所述测针支架复位时通过提供气压脉冲使所述测针支架产生微动，提高其轴向复位精度。

所述光源系统包括发光体和遮光板，所述发光体安装在所述遮光板上；所述遮光板开设有中心孔，所述中心孔内装有凸透镜，所述反射镜为凹面镜，所述凹面镜对所述发光体的入射光进行反射，并通过所述凸透镜聚焦；所述遮光板安装在所述外壳上且其上下位置可调，进而调整所述凸透镜的焦距。

还包括设置在所述测针支架的内侧的遮光片，所述遮光片位于所述凹面镜与所述遮光板之间，所述遮光板上与所述遮光片相对设置有顶杆，所述遮光片为弹性薄片，当所述测针支架向所述遮光板运动时，所述遮光片在所述顶杆的挤压作用下向内弯曲，进而引起所述凸透镜的入射光强变化；优选地，提供气压脉冲的进气筒和分气板设置在所述遮光板上。

在所述遮光板上嵌入均布的气嘴和/或磁铁，其提供的气流压力和/或磁力辅助所述测针支架轴向复位。

所述反光镜为平面镜，所述平面镜与所述光源系统、所述光电传感系统的感应器位于同一直线上或成垂直布置，当垂直布置时，通过增设有角度的反射镜来实现光线的转折。

本发明的有益效果：

本发明的触发式测头利用弦张力提供支撑和对中校准力(并优选进一步利用磁力辅助对中)，通过感应光强变化而发出触发信号。本发明的触发式测头结合了现有电气式接触测头及光学测头的优点而克服了它们如触发力各向异性明显，触发力较大且不易调整，触发精度偏低的缺点，同时还具有结构简单、调整方便，测量精度高，适合快速测量及适应性强的特点。该触发式测头具有较高的分辨率和精度、极小的各向异性，且对被测件的物理特性及表面状况没有特殊要求。本发明的触发式测头可以作为各种三坐标测量机的测头及加工中心的对刀仪使用。

附图说明

图1是本发明实施例的触发式测头结构示意图；

图2a是图1的A-A剖视图；

图2b是图2a中的弦张力支撑结构局部示意图；

图3a-图3b是本发明实施例的测针支架的单根弦支撑方式及弦张力调整结构示意图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1至图3b，在一种实施例中，一种光信号触发式测头，包括外壳72、73和设置在外壳72、73内由弦(例如铜丝64)张紧支撑的测针支架71，测针61固定在测针支架71上，弦连接至外壳，通过调节弦的张力实现对测针支架71的支撑力和复位力；测针支架71上安装有反射镜，反射镜将来自光源系统的光反射至光电传感系统；测针61碰触工件时引起测针支架71摆动，进而引起反射镜偏摆，使得反射光偏离原中心位置而导致光电传感系统接收的光强产生变化，进而使输出的电信号产生变化，测针61退离工件时测针支架71在弦张紧力的作用下复位。

根据优选实施例，一种光信号触发式测头，其是基于弦的张紧拉力作为测针架的支撑方式，以环形磁铁提供对中校准力和以光反射信号作为触发信号的接触触发式测头。

如图1-图2b所示，在一些优选实施例中，测针61、凹面镜67和圆柱形永磁体62安装在测针支架71上。铜丝64可经过测针支架71上的滑轮65连接在调整螺钉66上，通过拧动调整螺钉66来调整铜丝64的长度进而调整铜丝的拉力。测针支架71可通过拉力调整系统悬挂在测头的下外壳72上。环形永磁体63与测针支架上的圆柱形永磁体62极性可相对安装组成磁力弹簧系统，该磁力弹簧系统以保证测头的复位精度和重复性。光路系统可包括凹面镜67、光源68、遮光板69、遮光片79和PSD(PositionSensitiveDetector)感光片70。光源68可安装在遮光板69上，遮光板69的中心孔内装有凸透镜75，凹面镜67对光源69的光入射进行反射，并通过凸透镜75聚焦。反射光被遮光板69阻挡，只有透过凸透镜75的光入射至PSD感光片70上。遮光片79可为弹性薄片，当测针61向上运动时，遮光片79在顶杆78的挤压作用下向内弯曲，进而引起凸透镜75的入射光强变化。遮光板69和PSD感光片70都安装在测头的上外壳73上。拧动调焦螺钉76可使得遮光板69上下移动，进而调整凸透镜75的焦距。遮光板69上可设置进气筒77和分气板74，从而可以提供气压脉冲，使得测针支架71出现微振动，作为辅助复位技术。

工作过程中，触发式测头通过PSD感光片70感应反射光的光强变化来判断测针支架71是否发生偏摆或上下移动，进而判断测针是否与工件接触。在测头就绪后，测针支架处于竖直位置，PSD感光片70位于凹面镜的焦点。光源68打开后，入射光经过凹面镜67的反射进入PSD感光片70，感光片输出一个电压信号。此时，PSD感光片70处于凹面镜的焦点位置，因此其输出的电压信号最强；当测头开始工作，测针与工件接触后，碰触力使得测针支架71发生偏转，从而使得凹面镜67的焦点发生变化，由于遮光板69对反射光的阻挡，照射至PSD感光片70的光强减弱，进而使得其输出的电压变小，当输出的电压小于预设的阈值时，测头发出触发信号；随后，测头回退。当测头离开工件时，测针支架71在弦张紧拉力的作用下回位，此时永磁体62和63提供的磁力可以进一步辅助测针支架复位。当测针完全复位后，测头的一个工作循环结束，进入下一个触测准备状态。

测针支架的支撑结构关系到测头的重复性和可靠性。本发明中以弦张紧拉力系统作为测针支架的支撑，具有结构简单，调整方便等优点。优选地，弦张紧拉力系统包括弦、滑轮和调节螺钉，主要提供测针支架的支撑、对中精度的调整和复位精度的保障。弦拉力系统可以归属于弹性支撑系统。

在一种优选实施例中，测头中的弦拉力系统包括六组弦64、滑轮65、螺钉66，每一组都可以单独调整弦的拉力，进而调整测针支架的中心位置。滑轮65可以减小弦的摩擦力，使测针支架71的调整和复位更加顺畅。优选地，六组弦在圆柱形的测针支架的周围按圆周等分布置。

参阅图3a-图3b，在另一种优选实施例中，为了便于调整，弦拉力系统可以采用以一根弦绕线支撑的结构形式。优选地，弦为围绕在圆柱形的所述测针支架的周围设置的一根完整的弦。优选地，测针支架71和外壳72上可以间隔地设置滑轮65，弦64依次绕经这些滑轮而形成对测针支架71的张力支撑，并且减小弦的摩擦力。其中在外壳72上的滑轮以位置可调的方式设置，从而能够调整弦64的张力。

在一些实施例中，测头的复位机构包括弦拉力系统、永磁机构和气压机构三部分。弦拉力系统可以保证测头支架偏转后的粗复位。永磁机构包括环形永磁体和柱形永磁体，它们之间的斥力形成磁力弹簧，可以使得测头复位时回到磁力弹簧的平衡点，而这个平衡点是稳定的。测针支架轴向的精确复位，可借助于气压或永磁来实现，在遮光板上嵌入均布的气嘴或者环形磁铁，其提供的气流压力和磁力，作为轴向的复位力。由于气压和磁力均为非接触式场作用力，其作用效果比弹簧复位更加稳定可靠。特别是，当采取以气压复位的方式时，通过调整气压的大小，可以主动调整轴向复位力的大小，进而使得测头满足更广泛的应用要求。

在优选实施例中，测头具备主动辅助复位功能。在轴向采用气压复位时，每次复位中通过给定一个气压脉冲提供微扰动，可以使得复位更加精确。

在一种优选实施例中，测头的触发信号发生结构包括：光源系统，镜组系统和PSD感光系统。光源系统包括发光体、遮光板；镜组包括凹面镜和凸透镜；感光系统由一维PSD感光片组成。发光体安装在遮光板上，由四个白光LED组成。遮光板安装在上外壳上，通过齿轮调整其上下位置，进而调整凸透镜的焦距。镜组包含凹面镜和凸透镜，凹面镜固结在测针支架上并随着测针支架的偏摆而偏摆。测针支架偏摆带动凹面镜的偏摆会改变照射到PSD的光强强度，通过光强强度的判断即可得到触发信号。

在另一些实施例中，也可以采用平面反射镜的方式来实现光路系统。可将平面反光镜固定在测针支架上，并和光源系统、PSD感应器位于同一直线上，或成垂直布置。当它们三者位于同一直线上时，光源发出光经过平面镜反射直接回PSD感应器，在测量的过程中，测针支架发生偏摆使得平面镜倾斜，进而使得反射光偏出PSD感应器，导致PSD感应器的输出电压发生改变进而发出触发信号。当反光镜和光源系统及PSD感应器成垂直布置时，只需要在它们两者之间加入一个角反射镜即可。工作原理与它们成直线布置时相同。

在一种实施例中，一种弦支撑与永磁力校准的光信号触发式测头，测头包括由弦张紧支撑的测针支架，弦由螺钉连接至外壳，以螺钉调节弦的张力实现测针支架的支撑力和位置；测针支架上的圆柱形永磁体与外壳上的环形永磁体，组成磁力弹簧机构，用来辅助测针的复位，提高测针的复位精度。测针支架上安装了凹面镜。安装在遮光板上的光源发光，经过凹面镜反射和凸透镜聚焦，照射到PSD感光系统上。PSD将光强信号转换成电压输出。当测头工作时，测针碰触工件将引起测针支架摆动，进而引起凹镜偏摆，使得反射光偏离原中心位置，此时，PSD接收的光强减弱，其输出的电信号减弱。当PSD输出的电信号低于预设的阈值时，测头将输出一个触发信号。随后，测针退离工件，测针支架在弦张紧力和磁力的作用下复位，进入下一个工作循环。

在又一种实施例中，一种基于弦支撑、磁力对中的光信号触发测头，该测头系统包括螺旋弹簧以及与弹簧相连的的测针支架，所述弹簧为以间隔60°分布的六对弹簧，其两端分别连接在测针支架和测头壳体上，六对弹簧约束了测头支架的六个自由度，并使其悬挂在测头的中心位置。

所述弹簧通过螺钉与外壳相连，通过螺钉来调整各弹簧的拉力，进而调整测针支架的空间预定位置及定期检修。

所述测头还包括保证测头对中精度的磁力弹簧。该磁力弹簧由一个圆柱式环形磁铁和一个圆柱磁铁组成，它们都沿径向磁化，同极性相对安装的弹簧斥力保证测针偏摆之后的精准复位。

所述测头使用光电传感部件作为触发信号的产生源。此光电传感部件包含一个遮光板及安装在遮光板上的光源系统、一个安装在测针支架上的凹面镜和一个安装在测头壳体上的PSD感光片。

在各种实施例中，光电传感系统的工作过程如下：在测头就绪且测针未触碰工件时，光源系统发出白光照射到凹面镜上，凹面镜对入射光进行反射和聚焦，并经过遮光板上的通孔照射到PSD感光片上，PSD感光片输出一个电压信号；当测针触碰工件时，在触碰力的作用下，测针支架发生偏摆，进而引起凹面镜发生偏摆，此时，凹面镜的反射光方向及焦点发生变化，导致照射到PSD感光片上的光强减弱，使得PSD感光片的输出电压降低。因此，光电传感系统将测针支架的偏摆转换成了PSD感光片输出电压信号的变化。随着测针支架的偏摆，PSD感光片输出电压减小，当该输出电压小于预设的电压阈值时，测头发出触发信号。随后，测头离开工件，测针支架在弹簧与磁力的作用下，实现精确复位。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光信号触发式测头，其特征在于,包括外壳和设置在所述外壳内由弦张紧支撑的测针支架，测针固定在所述测针支架上，所述弦连接至所述外壳，通过调节所述弦的张力实现对所述测针支架的支撑力和复位力；所述测针支架上安装有反射镜，所述反射镜将来自光源系统的光反射至光电传感系统；所述测针碰触工件时引起所述测针支架摆动，进而引起所述反射镜偏摆，使得反射光偏离原中心位置而导致所述光电传感系统接收的光强产生变化，进而使输出的电信号产生变化，所述测针退离工件时所述测针支架在弦张紧力的作用下复位。

2.如权利要求1所述的光信号触发式测头，其特征在于,所述测针支架上设置有滑轮，所述外壳上设置有调整螺钉，所述弦经过所述滑轮并连接在所述调整螺钉上，通过拧动所述调整螺钉来调整所述弦的长度进而调整所述弦的张力。

3.如权利要求1或2所述的光信号触发式测头，其特征在于,所述弦包括在圆柱形的所述测针支架的周围按圆周等分布置的六组弦，每一组弦均可单独调整弦的张力，进而调整所述测针支架的中心位置。

4.如权利要求1或2所述的光信号触发式测头，其特征在于,所述弦为围绕在圆柱形的所述测针支架的周围设置的一根完整的弦。

5.如权利要求1至4任一项所述的光信号触发式测头，其特征在于,还包括设置在所述测针支架上的柱形永磁体，以及设置在所述外壳上并环绕在所述柱形永磁体外围的环形永磁体，两者形成相互磁力用来辅助所述测针的复位。

6.如权利要求1至5任一项所述的光信号触发式测头，其特征在于,还包括设置在所述外壳内的气压机构，其在所述测针支架复位时通过提供气压脉冲使所述测针支架产生微动，提高其轴向复位精度。

7.如权利要求1至6任一项所述的光信号触发式测头，其特征在于,光源系统包括发光体和遮光板，所述发光体安装在所述遮光板上；所述遮光板开设有中心孔，所述中心孔内装有凸透镜，所述反射镜为凹面镜，所述凹面镜对所述发光体的入射光进行反射，并通过所述凸透镜聚焦；所述遮光板安装在所述外壳上且其上下位置可调，进而调整所述凸透镜的焦距。

8.如权利要求7所述的光信号触发式测头，其特征在于,还包括设置在所述测针支架的内侧的遮光片，所述遮光片位于所述凹面镜与所述遮光板之间，所述遮光板上与所述遮光片相对设置有顶杆，所述遮光片为弹性薄片，当所述测针支架向所述遮光板运动时，所述遮光片在所述顶杆的挤压作用下向内弯曲，进而引起所述凸透镜的入射光强变化；优选地，提供气压脉冲的进气筒和分气板设置在所述遮光板上。

9.如权利要求7所述的光信号触发式测头，其特征在于,在所述遮光板上嵌入均布的气嘴和/或磁铁，其提供的气流压力和/或磁力辅助所述测针支架轴向复位。

10.如权利要求1至6任一项所述的光信号触发式测头，其特征在于,所述反光镜为平面镜，所述平面镜与所述光源系统、所述光电传感系统的感应器位于同一直线上或成垂直布置，当垂直布置时，通过增设有角度的反射镜来实现光线的转折。