CN105547157A - 三维微纳米触发式探头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三维微纳米触发式探头，其特征是由测头单元和测量单元构成：测头单元是在圆环座上设置呈“十”字的簧片，在簧片上固定设置呈“十”字的悬浮片，形成悬浮片在圆环座上的悬浮结构；在悬浮片的上端面分别固定设置各分光反射棱镜和楔形棱镜，在悬浮片的中心贯通孔中固定安装探针；由激光器和四象限探测器构成测量单元，利用四象限探测器获得位于探针前端的测球的位移信号。本发明能够获得高精度、高灵敏度和小测力的探测效果，同时具有高稳定性、调节灵活的优势。

Description

三维微纳米触发式探头
技术领域
本发明涉及微纳米测试领域，更具体地说是一种应用在纳米三坐标测量机上的触发式三维探头，用于物体表面的三维高精度测量。
背景技术
近几十年来，纳米技术突飞猛进，制造业已经进入纳米加工阶段。微小化、精密化是促进发展的核心动力。制造业技术的提高必然需要精密测量技术的配合，如此才可以保证制造业的高精度。因此，精密测量设备在精密制造中担任重要的角色，是精密制造必不可少的一个环节。然而精密制造又与精密加工是密不可分的，随着精密加工技术的高速发展，出现了许多微型构件、各种复杂表面件、微型电子器件、精密光学元件等零部件。这些微型构件的加工精度处于微纳米量级，要对这些微器件进行精密测量，就要发展特殊的高精度检测方法与技术手段。
三坐标测量机的探头部分是三坐标测量机的核心部件之一，探头的测量精度决定三坐标测量机的总体测量精度。探头有接触式和非接触式之分，接触式探头可以用来测量非接触式探头所不能测量的具有斜面、台阶、深孔、圆弧等特征的工件。
现有技术中的接触式探头主要有：原子力探头、电容式探头、光纤探头、DVD探头、微触觉探头、共焦式探头等。现有探头需要集成二至四个高精度传感器，存在着结构复杂、装调难度大、成本高的问题。比如荷兰Eindhoven大学开发的基于应变计的三维微接触式传感测头，是将应变计、电路以及弹性元件通过沉淀、制版、刻蚀等工艺后共同制作成整体结构，测头各个方向的力和位移的变化通过装在敏感粱上的应变计进行检测，其体积较小，但应变片的检测灵敏度和精度都比较低，并且其测头采用三角形拓扑结构，解耦复杂。瑞士联邦计量检定局METAS开发的电磁式微接触式测头，测头具有三个方向的自由度，每个方向的检测都采用电感来实现，三个方向的测力相同，结构主要由铝制成，电磁式测头的测量范围较大，横向检测灵敏度较高且接触力较小，但其结构相当复杂、装调困难，且采用三角形悬挂结构，解耦复杂。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种三维微纳米触发式探头，以期获得高精度、高灵敏度和小测力的探测效果，同时具有高稳定性和调试方便的优势。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本三维微纳米触发式探头的结构特点是由测头单元和测量单元构成：
所述测头单元是在圆环座上设置呈“十”字的簧片，所述簧片的各悬臂的远端与圆环形簧片外圈形成整体，并以所述圆环形簧片外圈与圆环座固定连接；在所述簧片的上表面、处在簧片的中心固定设置呈“十”字的悬浮片，形成悬浮片在圆环座上的悬浮结构；在所述悬浮片的上端面分别固定设置第一分光反射棱镜、第二分光反射棱镜和楔形棱镜，在所述悬浮片和簧片的中心贯通孔中固定安装探针，所述探针凸伸于悬浮片的下端面，探针的前端为测球；所述第一分光反射棱镜和第二分光反射棱镜均为非偏振分光反射棱镜；
所述测量单元的光路结构为：激光器呈水平发射出的准直光依次经过第一平面反射镜和第二平面反射镜的反射后呈水平投射至第一分光反射棱镜，在所述第一分光反射棱镜中形成的反射光作为第一光束投射至第三四象限探测器；在所述第一分光反射棱镜中形成的透射光投射至第二分光反射棱镜，在所述第二分光反射棱镜中形成的透射光作为第二光束投射至第二四象限探测器；在所述第二分光反射棱镜中形成的反射光投射至楔形棱镜，在所述楔形棱镜中形成透射光作为第三光束投射至第一四象限探测器，利用所述第三四象限探测器、第二四象限探测器和第一四象限探测器获得测球的位移信号。
本发明三维微纳米触发式探头的结构特点也在于：所述楔形棱镜粘贴在所述第二分光反射棱镜的侧部。
本发明三维微纳米触发式探头的结构特点也在于：设置所述探头的壳体为圆筒体，在所述圆筒体中以隔板分区为上腔和下腔；
所述激光器设置在上腔中，并利用激光器支架固定在隔板上；
所述第一平面反射镜利用第一平面反射镜支架固定设置在上腔的侧壁上；
所述第二平面反射镜利用第二平面反射镜支架固定设置在下腔的侧壁上；
所述测头单元以其圆环座固定设置在所述圆筒体的底部端口上；
第一四象限探测器、第二四象限探测器和第三四象限探测器一一对应地利用第一探测器支架、第二探测器支架和第三探测器支架安装在下腔的侧壁上。
本发明三维微纳米触发式探头的结构特点也在于：包括第一探测器支架、第二探测器支架和第三探测器支架的各个探测器支架的固定结构为：所述探测器支架是由分处在探测器支架不同圆周位置上的第一紧定螺钉和第二紧定螺钉锁定在下腔的侧壁上；并且在所述探测器支架的一侧与下腔的侧壁之间设置分处在不同位置上的第一弹簧垫圈和第二弹簧垫圈，分别调整所述第一弹簧垫圈和第二弹簧垫圈的松紧程度实现探测器支架相应的空间位置的调整。
本发明三维微纳米触发式探头的结构特点也在于：在所述探测器支架上设置有凸棱，在所述下腔的内侧壁上对应位置处设置有凹槽，以所述凸棱和凹槽的配合实现探测器支架在下腔中一个方向上的限位。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明采用光学传感器进行感测，较之应变式、压阻式和电感式传感器可以获得更高的灵敏度和精度。
2、本发明用三个光学传感器同时感测测球在水平方向和竖直方向上的位移变化，每个光学传感器只负责测量一个方向的位移变化，且位置都可以进行调节，具有测量清晰、调节灵活等显著特点。
3、本发明采用高精度的光学传感器，配合具有高灵敏和高稳定性的悬浮结构，可以达到纳米级分辨力和精度。
4、本发明采用通过调节弹簧垫圈松紧程度的方法进行四象限探测器空间位置的调整，方法简单适用。
5、本发明采用新型的圆形簧片，圆形簧片的外圈与圆环座相贴合，十字悬浮片各悬臂的臂端固定在圆形簧片中心十字交叉处，形成十字悬浮片在圆环座中的悬浮结构，此结构受力均匀，灵敏度高，便于感测。
附图说明
图1a为本发明中圆筒体剖视结构示意图；
图1b为本发明中圆筒体外形示意图；
图2为本发明总体结构剖面示意图；
图3为本发明中测量结构示意图；
图4为本发明光路结构示意图；
图5为本发明中测头单元结构分解示意图；
图6为本发明中簧片与悬浮片配合结构示意图；
图7为本发明中簧片与探针配合结构示意图；
图8为本发明中簧片结构示意图；
图9为本发明中四象限探测器与其支架结构示意图；
图10为本发明中光学镜组结构示意图；
图11为本发明中平面反射镜及其支架结构示意图；
图12为本发明中激光器及其支架结构示意图；
图13为本发明中Z轴向测量原理示意图；
图14为本发明中X轴向测量原理示意图；
图15为本发明中Y轴向测量原理正视示意图；
图16为本发明中Y轴向测量原理右视示意图；
图中标号：1a圆筒体；1b上腔；1c下腔；2顶盖；3a激光器；3b激光器支架；4a第一平面反射镜；4b第一平面反射镜支架；5a第二平面反射镜；5b第二平面反射镜支架；6a第一四象限探测器；6b第一探测器支架；6c第一弹簧垫圈；6d第二弹簧垫圈；6e第一紧定螺钉；6f第二紧定螺钉；7a第二四象限探测器；7b第二探测器支架；8a第三四象限探测器；8b第三探测器支架；9a第一分光反射棱镜；9b第二分光反射棱镜；9c楔形棱镜；10a圆环座；10b悬浮片；10c簧片；10d测球；10e探针。
具体实施方式
本实施例中三维微纳米触发式探头是由测头单元和测量单元构成。
参见图2、图3、图5、图6和图7，测头单元是在圆环座10a上设置呈“十”字的簧片10c，图8所示的簧片10c的各悬臂的远端与圆环形簧片外圈形成整体，并以圆环形簧片外圈与圆环座10a固定连接；在簧片10c的上表面、处在簧片10c的中心固定设置呈“十”字的悬浮片10b，形成悬浮片10b在圆环座10a上的悬浮结构；在悬浮片10b的上端面分别固定设置第一分光反射棱镜9a、第二分光反射棱镜9b和楔形棱镜9c，在悬浮片10b和簧片10c的中心贯通孔中固定安装探针10e，探针10e凸伸于悬浮片10b的下端面，探针10e的前端为测球10d；第一分光反射棱镜9a和第二分光反射棱镜9b均为非偏振分光反射棱镜。
参见图3和图4，测量单元的光路结构为：激光器3a呈水平发射出的准直光依次经过第一平面反射镜4a和第二平面反射镜5a的反射后呈水平投射至第一分光反射棱镜9a，在第一分光反射棱镜9a中形成的反射光作为第一光束投射至第三四象限探测器8a；在第一分光反射棱镜9a中形成的透射光投射至第二分光反射棱镜9b，在第二分光反射棱镜9b中形成的透射光作为第二光束投射至第二四象限探测器7a；在第二分光反射棱镜9b中形成的反射光投射至楔形棱镜9c，在楔形棱镜9c中形成透射光作为第三光束投射至第一四象限探测器6a，利用第三四象限探测器8a、第二四象限探测器7a和第一四象限探测器6a获得测球10d的位移信号，楔形棱镜9c粘贴在第二分光反射棱镜9b的侧部。
参见图1a、图1b和图2，设置探头的壳体为圆筒体1，圆筒体1的底部为敞口，圆筒体1的顶部固定设置有顶盖2，在圆筒体1中以隔板分区为上腔1b和下腔1c，；激光器3a设置在上腔1b中，并利用图12所示的激光器支架3b固定在隔板上；第一平面反射镜4a利用第一平面反射镜支架4b固定设置在上腔1b的侧壁上，第一平面反射镜4a和第一平面反射镜支架4b之间以粘接的形式固定连接；第二平面反射镜5a利用第二平面反射镜支架5b固定设置在下腔1c的侧壁上，第二平面反射镜5a和第二平面反射镜支架5b之间同样以粘接的形式固定连接；测头单元以其圆环座10a固定设置在圆筒体1a的底部端口上；第一四象限探测器6a、第二四象限探测器7a和第三四象限探测器8a一一对应地利用第一探测器支架6b、第二探测器支架7b和第三探测器支架8b安装在下腔1c的侧壁上。
具体实施中，包括第一探测器支架6b、第二探测器支架7b和第三探测器支架8b的各个探测器支架的固定结构为：探测器支架是由分处在探测器支架不同圆周位置上的第一紧定螺钉和第二紧定螺钉锁定在下腔1c的侧壁上；并且在探测器支架的一侧与下腔1c的侧壁之间设置分处在不同位置上的第一弹簧垫圈和第二弹簧垫圈，分别调整第一弹簧垫圈和第二弹簧垫圈的松紧程度实现探测器支架相应的空间位置的调整；在探测器支架上设置有凸棱，在下腔1c的内侧壁上对应位置处设置有凹槽，以凸棱和凹槽的配合实现探测器支架在下腔1c中一个方向上的限位。
图9所示为第一四象限探测器6a和第一探测器支架6b的配合结构，其中，第一探测器支架6b由分处在第一探测器支架6不同圆周位置上的第一紧定螺钉6e和第二紧定螺钉6f锁定在下腔1c的侧壁上；并且在第一探测器支架6b的一侧与下腔1c的侧壁之间设置分处在不同位置上的第一弹簧垫圈6c和第二弹簧垫圈6b，分别调整第一弹簧垫圈6c和第二弹簧垫圈6d的松紧程度实现第一探测器支架6b相应的空间位置的调整，从而实现第一四象限探测器6a的位置的调整；在第一探测器支架6b上设置有凸棱，在下腔1c的内侧壁上对应位置处设置有凹槽，以凸棱和凹槽的配合实现第一探测器支架6b在下腔1c中一个方向上的限位；当第一弹簧垫圈6c和第二弹簧垫圈6d同时被锁紧或松开时，间接地地调节了第一四象限探测器6a在水平方向的位置；当第一弹簧垫圈6c和第二弹簧垫圈6d一紧一松时，间接地调节了四象限探测器6a在竖直方向的位置，本实施例中Z轴呈竖直方向，X轴和Y轴呈水平方向，这一方式简单地调节分别了各四象限探测器的二维位置，达到准确检测接收光束位移变化量的目的。
具体实施中，为了减小悬浮片10b在进行接触测量时自身重力的影响，选择悬浮片10b镁铝合金为材质，镁铝合金密度更、比强度高、弹性模量大、消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，且刚性好、具有一定的耐蚀性和尺寸稳定性。
如图13所示，当探针10e在竖直Z轴方向受到触碰，由第三四象限探测器8a检测到光线通过第一分光反射棱镜9a的位移变化量；如图14所示，当探针10e在X轴方向受到触碰，由第二四象限探测器7a检测到光线通过第一分光反射棱镜9a和第二分光反射棱镜9b的位移变化量；如图15和图16所示，当探针10e在Y轴方向受到触碰，第一四象限探测器6a检测到光线通过第一分光反射棱镜9a、第二分光反射棱镜9b和楔形棱镜9c后的位移变化量。
本实施例中所应用的四象限探测器对于位移变化量的探测原理是：从激光器3a发出的光经测量单元测得Z轴方向、X轴方向和Y轴方向的位移变化量对应在第三四象限探测器8a、第二四象限探测器7a和第一四象限探测器6a上光点形状和位置的变化，进而导致四象限探测器输出的电流信号大小的变化，通过电流/电压转换电路将四个象限输出的电流信号转换为电压信号，分别记为VA、VB、VC、VD。根据式(a)和式(b)分别将四象限探测器上光点的形状和位置的变化转化成两路电压信号输出，这两路电压信号分别与第一分光反射棱镜9a、第二分光反射棱镜9b和楔形棱镜9c在竖直和水平方向上的位移相对应，并且在一定范围内呈线性关系，从而实现对测球位移的测量。
S1＝K[(VA+VB)-(VC+VD)](a)
S2＝K[(VA+VD)-(VB+VC)](b)
式(a)和式(b)中，S1和S2分别为测球在同一平面内两个相互垂直方向的位移，包括X轴向和Y轴向两个相互垂直方向的位移、X轴向和Z轴向两个相互垂直方向的位移，以及Y轴向和Z轴向两个相互垂直方向的位移；K为比例系数，比例系数K通过标定的方式获得。
图5所示，本实施例中呈“十”字的簧片10c，其在簧片10的四个悬臂中分别设置有一个椭圆环的挠性结构，椭圆环在短轴方向上的两端与悬臂相连成一整体，椭圆环在长轴方向与所在的悬臂相互垂直呈翅片状，椭圆环内沿长轴方向开设矩形通孔，这一挠性结构设置可以有效降低簧片的刚度，使之满足探头测量的要求。

Claims (5)

1.一种三维微纳米触发式探头，其特征是由测头单元和测量单元构成：
所述测头单元是在圆环座(10a)上设置呈“十”字的簧片(10c)，所述簧片(10c)的各悬臂的远端与圆环形簧片外圈形成整体，并以所述圆环形簧片外圈与圆环座(10a)固定连接；在所述簧片(10c)的上表面、处在簧片(10c)的中心固定设置呈“十”字的悬浮片(10b)，形成悬浮片(10b)在圆环座(10a)上的悬浮结构；在所述悬浮片(10b)的上端面分别固定设置第一分光反射棱镜(9a)、第二分光反射棱镜(9b)和楔形棱镜(9c)，在所述悬浮片(10b)和簧片(10c)的中心贯通孔中固定安装探针(10e)，所述探针(10e)凸伸于悬浮片(10b)的下端面，探针(10e)的前端为测球(10d)；所述第一分光反射棱镜(9a)和第二分光反射棱镜(9b)均为非偏振分光反射棱镜；
所述测量单元的光路结构为：激光器(3a)呈水平发射出的准直光依次经过第一平面反射镜(4a)和第二平面反射镜(5a)的反射后呈水平投射至第一分光反射棱镜(9a)，在所述第一分光反射棱镜(9a)中形成的反射光作为第一光束投射至第三四象限探测器(8a)；在所述第一分光反射棱镜(9a)中形成的透射光投射至第二分光反射棱镜(9b)，在所述第二分光反射棱镜(9b)中形成的透射光作为第二光束投射至第二四象限探测器(7a)；在所述第二分光反射棱镜(9b)中形成的反射光投射至楔形棱镜(9c)，在所述楔形棱镜(9c)中形成透射光作为第三光束投射至第一四象限探测器(6a)，利用所述第三四象限探测器(8a)、第二四象限探测器(7a)和第一四象限探测器(6a)获得测球(10d)的位移信号。
2.根据权利要求1所述的三维微纳米触发式探头，其特征是：所述楔形棱镜(9c)粘贴在所述第二分光反射棱镜(9b)的侧部。
3.根据权利要求1所述的三维微纳米触发式探头，其特征是：设置所述探头的壳体为圆筒体(1)，在所述圆筒体(1)中以隔板分区为上腔(1b)和下腔(1c)；
所述激光器(3a)设置在上腔(1b)中，并利用激光器支架(3b)固定在隔板上；
所述第一平面反射镜(4a)利用第一平面反射镜支架(4b)固定设置在上腔(1b)的侧壁上；
所述第二平面反射镜(5a)利用第二平面反射镜支架(5b)固定设置在下腔(1c)的侧壁上；
所述测头单元以其圆环座(10a)固定设置在所述圆筒体(1a)的底部端口上；
第一四象限探测器(6a)、第二四象限探测器(7a)和第三四象限探测器(8a)一一对应地利用第一探测器支架(6b)、第二探测器支架(7b)和第三探测器支架(8b)安装在下腔(1c)的侧壁上。
4.根据权利要求3所述的三维微纳米触发式探头，其特征是：包括第一探测器支架(6b)、第二探测器支架(7b)和第三探测器支架(8b)的各个探测器支架的固定结构为：所述探测器支架是由分处在探测器支架不同圆周位置上的第一紧定螺钉和第二紧定螺钉锁定在下腔(1c)的侧壁上；并且在所述探测器支架的一侧与下腔(1c)的侧壁之间设置分处在不同位置上的第一弹簧垫圈和第二弹簧垫圈，分别调整所述第一弹簧垫圈和第二弹簧垫圈的松紧程度实现探测器支架相应的空间位置的调整。
5.根据权利要求4所述的三维微纳米触发式探头，其特征是：在所述探测器支架上设置有凸棱，在所述下腔(1c)的内侧壁上对应位置处设置有凹槽，以所述凸棱和凹槽的配合实现探测器支架在下腔(1c)中一个方向上的限位。
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