CN106839959B - 一种多向位移测量测头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多向位移测量测头，能够对机床误差实施高精度、高效率的测量，具有极好的实用性。其包括壳体，柔性铰链片体，以壳体轴线为中心均布在安装面上的n个电容式传感器，以及固定在柔性铰链片体上的测针；正整数n≥3；柔性铰链片体呈正n边形框架设置，中间设置有固定连接测针的连接板；柔性铰链片体通过n个顶点位置作为固定端，固定在壳体的安装面上；柔性铰链片体上的n个悬空端分别一一正对覆盖电容式传感器的测量面，且有间隙的设置在对应电容式传感器的测量范围内；测针沿壳体轴线固定在连接板上，柔性铰链片体的侧边非固定部分和连接板与壳体之间设置有形变间隙，用于将测针的位移通过连接板的形变带动各个悬空端产生形变。

Description

一种多向位移测量测头

技术领域

本发明涉及测量仪器，具体为一种多向位移测量测头。

背景技术

误差补偿法是提高数控机床的加工精度常用的一种方法，通常通过修改机床的加工指令对机床进行误差补偿，达到理想的运动轨迹，实现机床精度的软升级。通过误差补偿不仅可以提高制造数控机床的精度等级，同时也可以对现有数控机床的精度进行升级。

机床误差的测量是实施误差补偿的关键环节，开发新的测量仪器，对于实现误差补偿具有至关重要的意义。目前的误差测量方法，从误差值获得的来源看，一般分为直接测量法、间接测量法和综合误差测量法。已有测量方法在机床精度评定、定期验收过程中起到相当大的作用，可以提供机床误差的最大值或平均值，有的方法已作为机床精度评定的标准。有些也可用来进行机床几何误差单项的测量和为部分误差的分解提供帮助。但仍然缺乏一种高精度，并能够快速获得机床几何误差信息，以机床误差补偿为目的得测量仪器；所以，开发新的测量仪器，探讨新的获得机床误差的测量方法，最终实现机床几何误差的补偿，提高机床精度，仍是主要任务，任重而道远。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种多向位移测量测头，能够对机床误差实施高精度、高效率的测量，为机床的误差补偿环节提供可靠的数据支持，具有极好的实用性。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种多向位移测量测头，包括壳体，柔性铰链片体，以壳体轴线为中心均布在安装面上的n个电容式传感器，以及固定在柔性铰链片体上的测针；其中，n为正整数，n≥3；

所述的柔性铰链片体呈正n边形框架设置，中间设置有固定连接测针的连接板；柔性铰链片体通过n个顶点位置作为固定端，固定在壳体的安装面上；柔性铰链片体的每个边的中间向外延伸设置悬空端，悬空端分别与对应边的两侧以及连接板连接形成三个连接点，相邻连接点之间设置隔离槽，同一边上的隔离槽以对应边的中垂线为对称轴呈对称设置；

所述n个电容式传感器的测量面共面设置，柔性铰链片体与电容式传感器的测量面平行；柔性铰链片体上的n个悬空端分别一一正对覆盖电容式传感器的测量面，且有间隙的设置在对应电容式传感器的测量范围内；

所述的测针沿壳体轴线固定在连接板上，柔性铰链片体的侧边非固定部分和连接板与壳体之间设置有形变间隙，用于将测针的位移通过连接板的形变带动各个悬空端产生形变。

优选的，所述悬空端与正对覆盖电容式传感器的测量面之间的间隙，为电容式传感器测量范围的1/2。

优选的，所述的壳体安装面上对应电容式传感器分别设置有安装通孔，电容式传感器通过传感器固定座固定在壳体上。

进一步，安装通孔位于安装面的一侧外围设置有凹槽，凹槽的深度为电容式传感器测量范围的1/2，电容式传感器的测量面与凹槽底面平齐；凹槽的外轮廓比对应的悬空端外轮廓略大，用于提供悬空端的形变空间。

再进一步，柔性铰链片体通过内六角螺钉固定在壳体的安装面上。

进一步，传感器固定座上设置有开口的加持孔，螺钉设置在开口处用于电容式传感器在加持孔内的加紧固定。

优选的，所述的壳体中部设置有成正n边形设置的通孔，通孔外轮廓比柔性铰链片体的框架外轮廓略大，用于提供侧边非固定部分和连接板的形变空间。

优选的，通孔的n个转角均呈圆弧设置。

优选的，所述的测针采用红宝石测针，通过精密螺母与连接板上的中心通孔。

优选的，连接板呈正n边形设置，每个顶点分别连接一个悬空端，中间设置有中心通孔；测针通过精密螺母与中心通孔固定连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过设置的柔性铰链片体，由于柔性铰链片体的结构特性，对测针上球头在任意方向发生位移，经过力的中介作用，被解耦成柔性铰链片体上n个悬空端各自的微位移，测针的球头在任意方向的位移球头位移与悬空端位移之间的这种映射关系具有唯一性；再利用对应设置的电容式位移传感器为各自的微移动进行测量，实时获取位移数据，则能够快速的、高效的获取高精度的误差数据，为误差补偿提供数据支持。

进一步的，利用悬空端与电容式传感器测量面之间的间隙设置，使其为测量范围的1/2，能够充分保证形变空间和位移方向和大小的测量准确度。

进一步的，通过设置的安装通孔和凹槽的配合，使得柔性铰链片体能够直接固定在壳体上，利用凹槽保证间隙距离和变形空间，安装通孔提供可调的安装位置，保证使用方便和测量精度。

进一步的，利用正n边形的连接板，以及通孔的设置，保证了清晰、明确的变形和力的解耦传递关系，同时也利于安装定位和加工。

附图说明

图1a为本发明实例中所述测头结构正视图。

图1b为本发明实例中所述测头结构俯视图。

图1c为本发明实例中所述测头结构仰视图。

图1d为本发明实例中所述测头结构半剖视图。

图2为本发明实例中所述壳体的结构示意图。

图3为本发明实例中所述柔性铰链片体的结构示意图。

图4为本发明实例中所述传感器与固定座装配的结构示意图。

图5为本发明实例中所述测头的使用流程图。

图中，壳体1，第一传感器固定座2，第一电容式位移传感器3，第二电容式位移传感器4，第二传感器固定座5，第三传感器固定座6，第三电容式位移传感器7，柔性铰链片体8，测针9；第一凹槽11，第一安装通孔12，第二凹槽13，第二安装通孔14，通孔15，第三凹槽16，第三安装通孔17；第一固定端81，第一悬空端82，第二固定端83，第二悬空端84，第三固定端85，第三悬空端86，中心通孔87。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种多向位移测量测头，以设置三个电容式传感器为例进行说明。其包括壳体1，第一传感器固定座2，第二传感器固定座5，第三传感器固定座6，第一电容式位移传感器3，第二电容式位移传感器4，第三电容式位移传感器7，以及柔性铰链片体8和测针9。

柔性铰链片体8固定在壳体1上，测针9固定在柔性铰链片体8上，固定在壳体1上的第一、二、三传感器固定座2、5、6，对应安装到第一、二、三传感器固定座2、5、6上的第一、二、三电容式位移传感器3、4、7。

其中，壳体1的安装面上设置一个形状为等边三角形且三转角均为圆弧的通孔15，三个深度为电容式位移传感器传感器测量范围1/2大小的第一、二、三凹槽11、13、16，以及三个与电容式位移传感器形成间隙配合的第一、二、三安装通孔12、14、17。其中，第一、二、三凹槽11、13、16和第一、二、三安装通孔12、14、17均以壳体1轴线为中心均布。

柔性铰链片体8结构为三角形架构，有第一、二、三固定端81、83、85与壳体1通过内六角螺钉装配，有第一、二、三悬空端82、84、86在柔性铰链片体8装配后与壳体1的第一、二、三凹槽11、13、16分别对应，间隙大小为电容式位移传感器传感器测量范围的1/2，有中心通孔87通过精密螺母与测针9装配。测针9优选采用红宝石测针。柔性铰链片体8由一块铝合金薄板上经电火花慢速切割加工而成，所有结构成一体化设置，其三固定端三悬空端的三角形架构结合了柔性铰链微形变的特点，力-微位移性能比较突出。

其中，柔性铰链片体8呈正三边形框架设置，中间设置有固定连接测针9的连接板88；柔性铰链片体8通过三个顶点位置作为固定端，固定在壳体1的安装面上；柔性铰链片体8的每个边的中间向外延伸设置一个悬空端，悬空端分别与对应边的两侧以及连接板88连接形成三个连接点，相邻连接点之间设置隔离槽89，同一边上的隔离槽89以对应边的中垂线为对称轴呈对称设置，保证了微动变形的传递。

第一传感器固定座2通过螺钉10实现对第一电容式位移传感器3的固定。第一、二、三电容式位移传感器3、4、7的测量端面与第一、二、三凹槽11、13、16表面保持齐平，第一、二、三电容式位移传感器3、4、7测量端面到柔性铰链片体8的第一、二、三悬空端82、84、86内表面距离保持在传感器测量范围的1/2大小。

测头的作用原理，测针球头在任意方向发生位移，由于柔性铰链片体的结构特性，测针球头在任意方向的位移经过力的中介作用，被解耦成柔性铰链片体三悬空端各自的微位移，球头位移与悬空端位移之间的这种映射关系具有唯一性；使用时，测针9的球头以接触测量的方式获得被测对象在任意方向的位移，这种位移通过测针9球头与柔性铰链片体8相连的杆，使柔性铰链片体8发生弹性形变，第一、二、三悬空端82、84、86由于弹性形变，分别发生相应的微位移，同时传感器实时获取位移数据，并根据由系统辨识后得到的数学模型建立的算法，将三组位移数据作为输入，实时获得被测位移量的大小、方向。

具体的，如图1a、图1b、图1c、图1d所示，测头相应包括壳体1，柔性铰链片体8通过内六角螺钉固定在壳体1上，测针9固定在柔性铰链片体8上，第一、二、三电容式位移传感器3、4、7安装到第一、二、三传感器固定座2、5、6上，再固定到壳体1。

在图2中详细显示了壳体1结构。在测头装配时，柔性铰链片体8的第一、二、三悬空端82、84、86分别对应壳体1的第一、二、三凹槽11、13、16。三只电容式位移传感器分别安装到壳体1的第一、二、三安装通孔12、14、17中，形成间隙配合，根据设计，传感器测量面与凹槽的平面保持齐平。从而传感器测量面与柔性铰链片体8悬空端的内表面的间距为传感器测量范围1/2大小。

在图3中显示了柔性铰链片体8结构。该结构是一种特殊的三角架构的柔性铰链。材料的弹性模量及整体结构表现出的刚度，使结构本身能够对来自外界的微力/微位移的激励产生良好的反应，满足对微小量测量的要求。

本发明在结构设计环节，通过对柔性铰链片体8分别进行力学建模和仿真验算，得到测针球头在任意方向外界激励的作用下，柔性铰链片体8三个悬空端，第一、二、三悬空端82、84、86在传感器轴线方向上产生的微位移变化量，进而获得测头系统激励输入-微位移输出的一般性数学模型。在该数学模型的指导下，为获得测头系统的最佳性能，主要对柔性铰链片体8结构，测针9测杆直径及长度，测针9球头直径进行合理优化。

本发明所述的测头在使用时，在力学数学模型指导下，使用三坐标微位移平台(分度值1um)在任意方向上对测针9球头施加单位位移量的激励，通过第一、二、三电容式位移传感器3、4、7实时记录第一、二、三悬空端82、84、86分别沿传感器轴线的微位移。在力学数学模型指导下建立外界激励(单位位移)与三悬空端位移量的函数关系，同时考虑进系统无法消除的误差，从而建立测头实物的数学模型。

在实现测头对三向位移测量的环节，对测头实物数学模型进行处理，整理出输入量为第一、二、三悬空端82、84、86微位移，即三只传感器的实时数据，输出量为测针9球头位移，包括位移大小和角度方向的算法模型。输入量为传感器实时读数，将其输入算法模型，在连续时间内即可获得测针9球头在对被测物进行接触测量过程中连续的位移变化，即误差。

Claims (10)

1.一种多向位移测量测头，其特征在于，包括壳体(1)，柔性铰链片体(8)，以壳体(1)轴线为中心均布在安装面上的n个电容式传感器，以及固定在柔性铰链片体(8)上的测针(9)；其中，n为正整数，n≥3；

所述的柔性铰链片体(8)呈正n边形框架设置，中间设置有固定连接测针(9)的连接板(88)；柔性铰链片体(8)通过n个顶点位置作为固定端，固定在壳体(1)的安装面上；柔性铰链片体(8)的每个边的中间向外延伸设置悬空端，悬空端分别与对应边的两侧以及连接板(88)连接形成三个连接点，相邻连接点之间设置隔离槽(89)，同一边上的隔离槽(89)以对应边的中垂线为对称轴呈对称设置；柔性铰链片体(8)由一块铝合金薄板上经电火花慢速切割加工而成，所有结构成一体化设置；

所述n个电容式传感器的测量面共面设置，柔性铰链片体(8)与电容式传感器的测量面平行；柔性铰链片体(8)上的n个悬空端分别一一正对覆盖电容式传感器的测量面，且有间隙的设置在对应电容式传感器的测量范围内；

所述的测针(9)沿壳体(1)轴线固定在连接板(88)上，柔性铰链片体(8)的侧边非固定部分和连接板(88)与壳体(1)之间设置有形变间隙，用于将测针(9)的位移通过连接板(88)的形变带动各个悬空端产生形变。

2.根据权利要求1所述的一种多向位移测量测头，其特征在于，所述悬空端与正对覆盖电容式传感器的测量面之间的间隙，为电容式传感器测量范围的1/2。

3.根据权利要求1所述的一种多向位移测量测头，其特征在于，所述的壳体(1)安装面上对应电容式传感器分别设置有安装通孔，电容式传感器通过传感器固定座固定在壳体(1)上。

4.根据权利要求3所述的一种多向位移测量测头，其特征在于，安装通孔位于安装面的一侧外围设置有凹槽，凹槽的深度为电容式传感器测量范围的1/2，电容式传感器的测量面与凹槽底面平齐；凹槽的外轮廓比对应的悬空端外轮廓略大，用于提供悬空端的形变空间。

5.根据权利要求4所述的一种多向位移测量测头，其特征在于，柔性铰链片体(8)通过内六角螺钉固定在壳体(1)的安装面上。

6.根据权利要求3所述的一种多向位移测量测头，其特征在于，传感器固定座上设置有开口的加持孔，螺钉(10)设置在开口处用于电容式传感器在加持孔内的加紧固定。

7.根据权利要求1所述的一种多向位移测量测头，其特征在于，所述的壳体(1)中部设置有成正n边形设置的通孔(15)，通孔(15)外轮廓比柔性铰链片体(8)的框架外轮廓略大，用于提供侧边非固定部分和连接板(88)的形变空间。

8.根据权利要求7所述的一种多向位移测量测头，其特征在于，通孔(15)的n个转角均呈圆弧设置。

9.根据权利要求1所述的一种多向位移测量测头，其特征在于，所述的测针(9)采用红宝石测针，通过精密螺母与连接板(88)上的中心通孔。

10.根据权利要求1所述的一种多向位移测量测头，其特征在于，连接板(88)呈正n边形设置，每个顶点分别连接一个悬空端，中间设置有中心通孔(87)；测针(9)通过精密螺母与中心通孔(87)固定连接。