CN106595479A - 一种光纤式三维触发测头装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种光纤式三维触发测头装置及测量方法，该装置包括光源、光纤测杆、弹性复位机构、镀有反射膜的测球以及光电检测单元，所述光纤测杆上具有一根中心光纤和在所述中心光纤周围同轴均匀分布的4N根接收光纤，N为正整数，所述弹性复位机构设置在所述光纤测杆与所述测球之间，用于使所述测球复位到初始位置，所述光源发出恒定功率的光通过所述中心光纤传输到所述测球上，经过所述反射膜反射的光通过所述接收光纤传输到所述光电检测单元。该装置可以克服在探测时由于测杆受力变形而带来的测量误差，同时具有较高的分辨力、测量精度。

Description

一种光纤式三维触发测头装置及测量方法

技术领域

本发明涉及光学精密测量领域，特别是一种光纤式三维触发测头装置及测量方法。

背景技术

近年来，随着汽车工业、电子工业、航空航天工业和国防工业的快速发展，对微型机械、超精密加工、微型装配等技术领域也都提出了越来越高的要求，使得对各部分零件的要求也却来越高，对所加工的精密零件的精度要求也越来越严格，要对这些精密零件进行检测的仪器的要求也越来越高。对于检测测量仪器来讲，其中三坐标测量机(CMM)是一种典型的精密测量仪器。

自从1959年的苏格兰Ferranti公司研发的第一台准三坐标测量机问世之后，意大利DEA公司配置硬测头，研制了第一台真正意义上的三坐标测量机，此后各个研究机构研制了有固定桥式、移动桥式、龙门式、悬臂式等结构类型的三坐标测量机，这几种结构一直沿用到现在，其中三坐标测量机的测头部分是三坐标测量机等精密测量仪器的核心部件，直接关系到测量任务的实现和最终的测量精度，测头的发展水平直接影响着精密测量机的测量精度、工作性能、使用效率等。近年来，各研究机构和公司主要研究方向是不断完善测头的各部分性能，来简化测头整体结构、提高抗干扰性能、提高测量精度以及降低成本等。

测头可分为非接触式和接触式，其中非接触式算法复杂，对于孔、槽等一些竖直方向上的结构没有办法去实现等精度的测量，测量速度较慢，以及对被测物的表面有较高的要求等，这些限制了其使用的广泛性。对于接触式测头又可以分为触发式和扫描式，扫描式测头精度较高，但其结构复杂，体积大，价格较贵；对于触发式测头结构简单，成本低，可以满足大部分的工业要求，所以是当前应用最为广泛的一种测头。自从机械电阻式触发测头(三叉机械式)发明以来，其测量的方式不断进行改进，现有的商用触发式测头原理主要有电子机械开关、压电式、应变片式等触发方式。无论采用哪种方式的传感触发，都是测端接触被测件带动测杆偏移进而一起触发，存在的各向异性以及接触被测件引起的测杆变形等都会带来误差，虽然可以改变测量传感方式以及减小触测力等措施，来减小误差，但不是从本质上来进行消除，这样会导致误触发等因素影响测头的广泛使用。

综上所述，接触式触发测头目前是应用最广泛，但是其结构的受限，制约了其测量精度的提升，所以要从根本上消除各向异性以及测杆受力变形所来带的误差，就要突破传统触发测量模型，这样才能使接触式触发测头的精度能进一步提高。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种光纤式三维触发测头装置及测量方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种光纤式三维触发测头装置，包括光源、光纤测杆、弹性复位机构、镀有反射膜的测球以及光电检测单元，所述光纤测杆上具有一根中心光纤和在所述中心光纤周围同轴均匀分布的4N根接收光纤，N为正整数，所述弹性复位机构设置在所述光纤测杆与所述测球之间，用于使所述测球复位到初始位置，所述光源发出恒定功率的光通过所述中心光纤传输到所述测球上，经过所述反射膜反射的光通过所述接收光纤传输到所述光电检测单元，其中当所述测球与被测件接触受力时，所述测球的位置发生的变化导致球面反射的光域面积及位置发生变化，所述接收光纤所接收的光强值相应地发生变化，基于光强值变化与测球空间位置变化的关系确定所述测球的空间位置变化信息。

进一步地：

所述中心光纤与所述接收光纤的设置满足下式：

其中r1为所述中心光纤的半径为，r2为所述接收光纤的半径，r1小于r2，q为所述中心光纤与所述接收光纤的表面最短距离。

还包括设置在所述光纤测杆与弹性复位机构之间的调节保护结构，所述调节保护结构包括固定杆、转接件、保护弹簧、下外壳和球座，其中所述光纤测杆与所述固定杆连接，所述固定杆和所述转接件螺纹连接，所述螺纹连接的旋合长度可调节，所述固定杆端口与所述保护弹簧套合，所述转接件与所述下外壳连接，所述球座安置在所述下外壳的定位槽内，所述球座的一端与所述保护弹簧套合，所述球座的另一端耦合到所述弹性复位机构，其中当进行正常探测时，所述球座位置保持不变，当出现异常的导致过行程的外力时，所述球座克服所述保护弹簧的力离开所述定位槽以提供保护性过行程，当导致过行程的外力撤除时，所述保护弹簧使所述球座复位到原始状态。

所述光纤测杆与所述固定杆螺纹连接，所述螺纹连接的旋合长度可调节，以调节所述光纤测杆的端面与所述测球之间的距离。

所述定位槽为V型定位槽。

所述弹性复位机构为复位弹簧。

所述光电检测单元包括对应于4N根接收光纤的4N个光电二极管。

一种光纤式三维触发测量方法，使用所述的光纤式三维触发测头装置进行触发测量，由所述光电检测单元采集光强转换为4N路电信号，再由后级电路进行处理，所转化的电信号与光强值成线性比例关系，后级处理得到的电压信号通过标定技术可得到所述测球的空间几何位置变化与处理后的电压信号变化的函数关系，进而得到测头的触发值以及测量精度，测量时，基于光强值变化与测球空间位置变化的关系，确定所述测球的空间位置变化信息。

包括水平方向的信号处理以及竖直方向上的信号处理，其中水平方向上的信号处理包括对4N路电信号分别进行两两对角差分放大处理，得到2N路电信号；竖直方向上的信号处理包括对4N路电信号进行求和放大处理，得到一路电压信号；基于得到的2N+1路测量信号得到所需的触发阈值。

还包括对所述2N+1路进行消偏置和滤波处理。

本发明提供基于光纤传感特性的一种光纤触发测头装置及测量方法。其中包括一个1×4N路的同轴分布的光纤测杆，中间的1根光纤用于耦合恒定功率的光源并进行传输，出射到镀有高反射膜的测球表面，在球面上进行反射，由均布的4N根均布光纤接收，并由各自对应的4N个光电二极管接收，并转化为电压信号。当测球接触到被测件时，会使测球的位置发生改变，此时均布光纤所接收的光强值发生变化，最终反映到光电二极管所接收并转换的压信号变化，可以通过后续信号处理以及标定技术来得到电压值变化与测球空间位置变化的函数关系式，以此来确定测球空间位置变化信息，来实现光纤测头的三维触发功能。这种光纤触发测头将测球直接作为探测部位，可以克服在探测时由于测杆受力变形而带来的测量误差，同时具有较高的分辨力、测量精度。

本发明的有益效果有：

1、本发明基于光纤传感特性，通过均布的接收光纤来感应光强的变化，进而得到触发信号，可以实现各向同性，解决了传统的机械电阻式触发测头所存在的各向异性问题。

2、本发明所研究的光纤触发测头，将测球直接作为探测部位，不受测杆影响，在进行某些特殊零件测量时，可以将测杆做的很长，也可以做成各种弯曲形状来进行测量，解决了传统测头在探测时由于测杆受力变形而带来的测量误差。

3、本发明的测头其触发精度可调，适用性强，以适用各种不同场合的测量精度的要求，解决了一种触发测头模型对应一种触发精度的局限。

附图说明

图1是本发明实施例的三维光纤触发测头工作示意图。

图2是本发明实施例的球座三维示意图。

图3是本发明实施例的光纤测杆示意图。

图4是图2实施例的测杆的A-A剖视图的光纤束截面图。

图5是图4中光纤束截面图的(1+4N)分布模型。

图6是本发明实施例的测头后级信号处理流程图。

1、光源，2、光纤测杆，3、固定杆，4、转接件，5、保护弹簧，6、下外壳，7、球座，8、复位弹簧，9、测球，10、光电二极管，11、后级处理电路，21、球座上端，22、球座下端，31、细螺纹，41、中心光纤，42、均布光纤。

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5，在一种实施例中，一种光纤式三维触发测头装置，包括光源1、光纤测杆2、弹性复位机构、镀有反射膜的测球9以及光电检测单元，所述光纤测杆2上具有一根中心光纤41和在所述中心光纤周围同轴均匀分布的4N根接收光纤42，N为正整数，所述弹性复位机构设置在所述光纤测杆2与所述测球9之间，用于使所述测球9复位到初始位置，所述光源1发出恒定功率的光通过所述中心光纤41传输到所述测球9上，经过所述反射膜反射的光通过所述接收光纤42传输到所述光电检测单元，其中当所述测球9与被测件接触受力时，所述测球9的位置发生的变化导致测球9球面反射的光域面积及位置发生变化，所述接收光纤42所接收的光强值相应地发生变化，基于光强值变化与测球空间位置变化的关系确定所述测球的空间位置变化信息。

参阅图1至图5，在优选实施例的光纤式三维触发测头装置中，具有恒定功率的光源1入射到光纤测杆2的中心光纤，传输到镀有高反射膜的测球9，测杆均布的4N(N为正整数)根接收光纤的一端对应有4N个光电二极管10，光电二极管后边有后级信号处理11等部分；调节保护结构包括固定杆3、转接件4、保护弹簧5、下外壳6和球座7，其中光纤测杆2与固定杆3细螺纹连接，固定杆3另一端与转接件4细螺纹连接，固定杆3端口与保护弹簧5紧套胶粘，转接件4与下外壳6紧配胶粘连接，球座7放在下外壳6的V型定位槽内，并与保护弹簧5紧套胶粘；球座7另一端紧套胶粘一个复位弹簧8，复位弹簧8与测球9胶粘连接。当测球与被测件接触受力时，测球位置发生变化，由球面反射的光域面积及位置也会发生变化，此时测杆的4N根光纤所接收的光强值相应的发生变化，可进一步通过后续信号处理及标定技术来得到光强值变化与测球空间位置变化的函数关系式，最终来确定测球空间位置变化信息。

在优选的实施例中，光学测杆2的光纤分布为1×4NN取正整数同轴均布，中心有一根半径为r1的中心光纤，中心光纤周围均布有4N根半径为r2的均布光纤，中心光纤与均布光纤表面最短距离为q，且中心光纤直径小于均布光纤直径，所满足函数表达式为：

在更优选的实施例中，调节保护结构包括固定杆3、转接件4、保护弹簧(5)、下外壳6和球座7，其中光纤测杆2与固定杆3细螺纹连接，可以进行手动调节光纤测杆2和固定杆3的连接螺纹的旋合长度，来确定光纤测杆的端面与测球的最佳距离，固定杆3和转接件4通过细螺纹连接，固定杆3端口与保护弹簧5紧套胶粘，转接件4另一端与下外壳6紧配胶粘连接，球座7放在下外壳6的V型定位槽内，与保护弹簧6紧套胶粘，这样可以通过调节固定杆3与转接件4的连接螺纹的旋合长度，来调节所提供的过行程保护复位力，以使得进行正常探测时，其球座位置固定不变，当测力过大、误操作等其他引起的过行程时，球座离开V型定位槽，来提供一定的保护过行程，以避免测球部分结构撞坏，当过行程外力撤除时，保护弹簧提供复位，使回到原始状态。

在一种实施例中，一种光纤式三维触发测头装置所进行的测量方法，具有恒定功率的光源1入射到光纤测杆2的中心光纤，并进行传输到镀有高反射膜的测球9上，在测球表面进行反射，由光纤测杆的均布光纤进行接收光强，并由各自对应的4N个光电二极管10接收，转换为电信号。当测球与被测件接触受力时，测杆固定不动，测球位置发生变化，由球面反射的光域面积及位置也会发生变化，此时测杆的4N根光纤所接收的光强值相应的发生变化，测球空间位置的变化与均布光纤所接收光强值的变化具有一定的函数关系，均布光纤传输的光信号由光电二极管接收并转化为电信号，此时所转化的电信号与光强值成线性比例关系，这样再通过后级信号处理11，则得到较理想的电压信号。再通过标定技术，可得到测球空间几何位置变化与处理后理想电压信号变化的函数关系，从而进一步可得到测头的触发值以及测量精度等参数。

在优选的实施例中，参阅图6，由4N个光电二极管接收的光强所转换的4N路电信号，由后级电路进行处理，可以得到较理想的电压信号。优选地，其后级信号处理分为水平方向的信号处理以及竖直方向上的信号处理，其中水平方向上信号处理是对4N路电信号分别进行两两对角差分放大处理，得到2N路电信号，这样可以消除共模干扰噪声且可以提高其测量灵敏度；在竖直方向上，对4N路电信号进行求和放大处理，得到一路电压信号。得到的(2N+1)路测量信号再分别进行消偏置、滤波、阈值比较以及触发开关等处理，最终可以得到所需的触发阈值。

参阅图1至图5，一种光纤式三维触发测头装置如图1所示，主要包括：具有恒定功率的光源1，光纤测杆2，固定杆3，转接件3，保护弹簧5，下外壳6，球座7，复位弹簧8，测球9，4N个光电二极管10，后级处理电路11。光源选取可见光650nm的波段，并且光功率较恒定，为此，选用现有的产品，红光二极管并且尾部带接口为FC/PC尾纤的光源，可以和光纤测杆的带尾纤FC/PC接口的中心光纤直接相连接。光纤测杆的结构示意图如图3所示，在图中31为细螺纹。图3所示的为光纤杆内的1×4N同轴光纤分布的模型的示意图，其中图3所示的为1×8的分布模型，其中31为中心光纤，32为均布光纤，中心光纤与均布光纤的直径选取以及排布模型如前文实施例所述，这里不再重复介绍。对于测球选取，选用受力形变小并质量轻的材料所制成的，并在外表面的三分之一球面镀有金属高反膜层，镀有膜层的地方用来进行反射光。对于光纤测头的具体安装方式，首先将球座7放到下外壳6的V型定位槽内，再将保护弹簧套在球座7的上端，并用金属胶进行粘接，球座上端如图2所示，之后在转接件4的下端外薄壁上涂一层金属胶并嵌套在下外壳6内，完全凝固粘接后，将固定杆3螺纹旋进转接件4中，一边旋进，一边用手轻轻触碰球座7的下端，当感受到有足够大力时，其球座不发生变化，则此时停止旋进，在球座7底部套一个复位弹簧8，并用金属胶水粘接，牢固后，将如上所完成的装置倒立固定，也就是复位弹簧8在上，固定杆3在下方，此时将测球镀有金属反射膜的一端放置在复位弹簧8上方，并且正对着球座的方向，并用金属胶进行粘接，带凝固粘接牢靠后，再将装置倒过来，也就是正常放置，将光纤测杆2旋进固定杆3中，旋进一定的位置，且光线测杆端口不超出球座底端，最后固定好测头装置，4N个均布光纤分别与对应的光电二极管相连接，并连接后后级信号处理部分，此时的整个测头装置就已安装完成。

光纤式三维触发测头装置的测量方法：

将装配好的光纤测头固定好，首先：在其测球正对的底部放置一个具有纳米分辨力的微动台，微动台可以进行三维平动，微动台上放有标准量块；其次，先在不接光源的情况下，将所有电路部分的电源都打开，分别观察带有4N个光电二极管的前置放大电路的4N个电压信号，之后再观察后级电路经过滤波后的(2N+1)路电压信号，调试后级处理电路，使其幅值为零，完成上述步骤后，接上光源，对带有4N光电二极管的前置放大电路的4N个电压信号进行观察其幅值变化情况，之后观察后级电路经过滤波后的(2N+1)路电压信号，进行调节其偏置使其幅值相等；接下来：先进行竖直方向上(也就是Z轴)的信号观测，让微动台Z轴最小步进1μm、500nm、300nm、200nm、100nm、50nm等，分别连续步进100次，每进行一种移动模式分别来观测4N路前置放大电路的信号以及竖直方向求和电路的信号响应情况，以此来确定Z轴方向的电压与测球位移变化情况；紧接着：完成了Z轴方向的测试之后，再去完成水平方向的测试，同样的原理，分别来标定出水平方向与电压之间的关系，在水平面，需要测试一周360°上的点，为了简化工作，我们测试八个点，也就是每隔45°来测试一次，最终得到水平方向上的电子云分布，也就是极坐标下触发电压的分布情况；最后：结合竖直方向和水平方向的电压位移情况，确定一个最佳触发阈值，理论上得到的触发值是各项同性的，但由于机械尺寸加工误差、装配过程中人为的安装误差、电子元件的不理想等等其他外在因素，会导致各向异性的出现，为了解决这个问题，可以在后级信号处理中进行补偿，进而可以得到各项同性的触发值，最终实现光纤测头的三维触发功能。

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)

1.一种光纤式三维触发测头装置，其特征在于,包括光源、光纤测杆、弹性复位机构、镀有反射膜的测球以及光电检测单元，所述光纤测杆上具有一根中心光纤和在所述中心光纤周围同轴均匀分布的4N根接收光纤，N为正整数，所述弹性复位机构设置在所述光纤测杆与所述测球之间，用于使所述测球复位到初始位置，所述光源发出恒定功率的光通过所述中心光纤传输到所述测球上，经过所述反射膜反射的光通过所述接收光纤传输到所述光电检测单元，其中当所述测球与被测件接触受力时，所述测球的位置发生的变化导致测球球面反射的光域面积及位置发生变化，所述接收光纤所接收的光强值相应地发生变化，基于光强值变化与测球空间位置变化的关系确定所述测球的空间位置变化信息。

2.如权利要求1所述的光纤式三维触发测头装置，其特征在于,所述中心光纤与所述接收光纤的设置满足下式：

其中r1为所述中心光纤的半径，r2为所述接收光纤的半径，r1小于r2，q为所述中心光纤与所述接收光纤的表面最短距离。

3.如权利要求1或2所述的光纤式三维触发测头装置，其特征在于,还包括设置在所述光纤测杆与弹性复位机构之间的调节保护结构，所述调节保护结构包括固定杆、转接件、保护弹簧、下外壳和球座，其中所述光纤测杆与所述固定杆连接，所述固定杆和所述转接件螺纹连接，所述螺纹连接的旋合长度可调节，所述固定杆端口与所述保护弹簧套合，所述转接件与所述下外壳连接，所述球座安置在所述下外壳的定位槽内，所述球座的一端与所述保护弹簧套合，所述球座的另一端耦合到所述弹性复位机构，其中当进行正常探测时，所述球座位置保持不变，当出现异常的导致过行程的外力时，所述球座克服所述保护弹簧的力离开所述定位槽以提供保护性过行程，当导致过行程的外力撤除时，所述保护弹簧使所述球座复位到原始状态。

4.如权利要3所述的光纤式三维触发测头装置，其特征在于,所述光纤测杆与所述固定杆螺纹连接，所述螺纹连接的旋合长度可调节，以调节所述光纤测杆的端面与所述测球之间的距离。

5.如权利要3所述的光纤式三维触发测头装置，其特征在于,所述定位槽为V型定位槽。

6.如权利要求1至5任一项所述的光纤式三维触发测头装置，其特征在于,所述弹性复位机构为复位弹簧。

7.如权利要求1至6任一项所述的光纤式三维触发测头装置，其特征在于,所述光电检测单元包括对应于4N根接收光纤的4N个光电二极管。

8.一种光纤式三维触发测量方法，特征在于,使用如权利要求1至7任一项所述的光纤式三维触发测头装置进行触发测量，由所述光电检测单元采集光强转换为4N路电信号，再由后级电路进行处理，所转化的电信号与光强值成线性比例关系，后级处理得到的电压信号通过标定技术可得到所述测球的空间几何位置变化与处理后的电压信号变化的函数关系，进而得到测头的触发值以及测量精度，测量时，基于光强值变化与测球空间位置变化的关系，确定所述测球的空间位置变化信息。

9.如权利要求8所述的光纤式三维触发测量方法，其特征在于,包括水平方向的信号处理以及竖直方向上的信号处理，其中水平方向上的信号处理包括对4N路电信号分别进行两两对角差分放大处理，得到2N路电信号；竖直方向上的信号处理包括对4N路电信号进行求和放大处理，得到一路电压信号；基于得到的2N+1路测量信号得到所需的触发阈值。

10.如权利要求9所述的光纤式三维触发测量方法，其特征在于,还包括对所述2N+1路进行消偏置和滤波处理。