CN107152912B - 一种光学触发测头及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种光学触发测头及测量方法，包括测头光路模块和测头传感模块，测头光路模块包括由前往后依次设置的聚焦透镜一、四分之一波片、偏振分光棱镜、准直透镜、光源以及设于偏振分光棱镜侧边的直角棱镜、依次设于直角棱镜后方的聚焦透镜二和光电探测器；测头传感模块包括光纤杆、转接外壳、固定外壳、柔性弹簧片、反射件以及测针，光纤杆通过转接外壳套设于固定外壳中并置于聚焦透镜一前方，光纤杆和转接外壳与固定外壳之间设有容腔，固定外壳前端设有与容腔相通的开口，柔性弹簧片设于容腔内的开口处，反射件与测针通过连接杆连接并分别固定于柔性弹簧片内外侧的中间。采用本发明解决了现有触发测头技术所存在的各向异性较大、触发精度不高等问题。

Description

一种光学触发测头及测量方法

技术领域

本发明涉及三坐标测量机的光学精密测头领域，尤其涉及一种光学触发测头及测量方法。

背景技术

近年来，随着汽车工业、机器人、航空航天工业、微型装配、微电机系统等技术快速发展，对所加工的精密零件的尺寸公差要求也提出了更高要求，对这些精密微小零件尺寸进行检测的仪器精度要求也更加严格，其中三坐标测量机(CMM)是一种典型的精密测量仪器。三坐标测量机主要由三维微纳定位平台和感测功能的传感测头等部分构成，传感测头部分是三坐标测量机的核心部件，直接关系测量机的测量精度，传感测头的发展水平也直接影响着测量机的测量精度、工作性能、使用效率等。

目前商用传感测头分为非接触式和接触式，按照测量模型又可以分为扫描式和触发式。非接触式传感测头利用光学的方法，通过被测件面反射回来的光信号，再通过一定的算法来实现测量功能，这种测量方式对一些复杂零件的内部结构没有办法测量，同时，对被测物的表面的反射系数要求苛刻，对于颜色较深的被测件其测量精度有所损失。对于接触式测头，传感测头的末端测球接触到被测件时，其传感物理量发生改变，进而引起电信号的改变，最终来确定触碰的空间位置，这种接触式测量，对于被测件硬度有一定的要求，接触测量时，测力过大会产生较大的变形，同时也会磨损接触测球，综合下来其测量误差相对较大。对于接触式测头常用的有两种，一种是接触式触发测头，一种是接触式扫描测头。触发式测头，不具有测量功能，当测球与被测件接触时，测头给出触发信号，来判断是否接触到被测物，结合三坐标光栅尺给出触碰点的空间坐标，这种触发式目前大部分是球柱三点支撑方式，这种方式结构简单，安装方便，重复定位精度较高，由于三点支撑的非对称，会引起较大的各向异性；对于扫描测头，具备触发式测头功能，也具有小量程的测量功能，相当于小量程的三坐标测量机，这种结构测头精度较高，但其结构复杂，体积较大，价格较贵。接触式触发测头的测量精度能满足大部分的工业要求，所以市场上的传感测头大部分还是触发式测头。

综上所述，接触式触发测头目前是应用最广泛，但是受其结构的限制，其测头的各向异性明显，使得对其进行误差补偿很困难，从而制约了其测量精度的提升。

发明内容

本发明提供一种光学触发测头及测量方法，解决了上述现有触发测头技术所存在的各向异性较大、触发精度不高等问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光学触发测头，包括测头光路模块和测头传感模块，所述测头光路模块包括由前往后依次设置的聚焦透镜一、四分之一波片、偏振分光棱镜、准直透镜、光源以及设于所述偏振分光棱镜侧边的直角棱镜、依次设于所述直角棱镜后方的聚焦透镜二和光电探测器；所述测头传感模块包括光纤杆、转接外壳、固定外壳、柔性弹簧片、反射件以及测针，所述光纤杆通过所述转接外壳套设于所述固定外壳中并置于所述聚焦透镜一前方，所述光纤杆和转接外壳与所述固定外壳之间设有容腔，所述固定外壳前端设有与所述容腔相通的开口，所述柔性弹簧片设于所述容腔内的开口处，所述反射件与所述测针通过连接杆连接并分别固定于所述柔性弹簧片的内外侧中间，所述测针穿过所述开口置于所述固定外壳前方，所述反射件设于所述光纤杆前方并置于所述容腔内。

优选地，所述测头光路模块还包括用于安装所述测头光路模块的框架，所述转接外壳相对所述测头光路模块的一端设有与所述框架配合连接的三个环形均布的磁铁和三个环形均布的定位槽，所述测头传感模块与测头光路模块通过所述定位槽和磁铁与框架的配合进行连接。

优选地，所述光纤杆上具有一根中心光纤棒和设于所述中心光纤棒周围同轴均匀分布的六根光纤棒。

优选地，所述中心光纤棒及其周围的六根光纤棒均为2mm的石英多模光纤棒。

优选地，所述光纤杆与所述反射件相对的一面镀有消光膜；所述反射件与所述光纤杆相对的一面镀有高反射膜。

优选地，所述光源位于所述准直透镜的物方焦面上，所述偏振分光棱镜位于所述准直透镜的像方空间，所述四分之一波片的快轴方向与P型偏振光振动方向夹角为45°，所述聚焦透镜一的像方焦面上设置所述测头传感模块，所述直角棱镜的一直角面与所述偏振分光棱镜相对，所述直角棱镜的另一直角面后方放置所述聚焦透镜二，所述聚焦透镜二像方空间一倍焦距以内放置所述光电探测器。

优选地，所述光源为激光二极管，所述测针的前端设有测球。

优选地，所述光电探测器是图像探测器或光电二极管阵列。

一种光学触发测量方法，使用上述的光学触发测头进行触发测量，通过光源射出激光，激光依次经过准直透镜、偏振分光棱镜、四分之一波片、聚焦透镜一后聚焦耦合进入光纤杆上的中心光纤棒中进行传输，出射后具有一定发散角并传至反射件，通过反射件的反射进入中心光纤棒和其周围的六根光纤棒中进行传输，出射后再依次通过聚焦透镜一、四分之一波片、偏振分光棱镜，通过偏振分光棱镜反射至直角棱镜，经过直角棱镜反射后通过聚焦透镜二在光电探测器上形成七个光斑，一个光斑在中心，六个光斑均布在周围，光电探测器接收光强并转为电信号；当前端测针接触到被测件时，使测针发生偏摆，进而使反射件发生偏摆，导致光纤棒所接受的光强发生变化，进而使光电探测器所接受并转换的电信号发生变化，通过光强与电信号之间的变化关系，来确定电信号变化与测针空间位置变化的关系，最后得到所需的触发阈值，最终实现测头触发功能。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明基于光学传感特性，通过光纤棒来接收光强，通过光强的变化，进而使光电探测器所接受并转换的电信号发生变化，通过光强与电信号之间的变化关系，来确定电信号变化与测针空间位置变化的关系，最后得到所需设置的触发阈值，实现触发功能；具有对称结构，测头可以实现各项同性，解决了传统商用测头所存在的各向异性较大的问题。

本发明所研究的光纤触发测头，是一种光学测头，具有较高的测量分辨力和较快的感测速度，其测头光路模块与测头传感模块，通过转接座上的定位槽和磁铁连接起来，安装简单快捷，这样方便替换不同测力和测量精度的测头传感部位，适用性强，以适用各种不同场合的测量精度的要求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为实施例光学触发测头示意图；

图2为实施例光纤杆示意图；

图3为实施例转接外壳示意图；

图4为实施例反射件示意图；

图5为图4中反射件的其它形状示意图；

图6为图4中反射件的其它形状示意图。

1、激光二极管，2、准直透镜，3、偏振分光棱镜，4、四分之一波片，5、聚焦透镜一，6、光纤杆，7、转接外壳，8、固定外壳，9、反射件，10、弹簧片，11、转接杆，12、测针，13、直角棱镜，14、聚焦透镜二，15、光电探测器。

具体实施方式

为了更充分的理解本发明的技术内容，下面将结合附图以及具体实施例对本发明作进一步介绍和说明。

实施例

如图1至图4所示，本实施例所示的一种光学触发测头，包括测头光路模块和测头传感模块两部分，测头光路模块包括由前往后依次设置的聚焦透镜一5、四分之一波片4、偏振分光棱镜3、准直透镜2、激光二极管1以及设于偏振分光棱镜3侧边的直角棱镜13、依次设于直角棱镜13后方的聚焦透镜二14和光电探测器15；其中激光二极管选波长为650nm的可见光，其测头光路模块的光学元件均匹配650nm波段的元件，激光二极管1位于准直透镜2的物方焦面上，偏振分光棱镜3位于准直透镜2的像方空间，四分之一波片4的快轴方向与P型偏振光振动方向夹角为45°，直角棱镜13的一直角面与偏振分光棱镜3相对，直角棱镜13的另一直角面后方放置聚焦透镜二14，聚焦透镜二14的像方空间一倍焦距以内放置光电探测器15，聚焦透镜一5的像方焦面上设置测头传感模块；测头传感模块包括光纤杆6、转接外壳7、固定外壳8、反射件9、柔性弹簧片10以及测针12，光纤杆6通过转接外壳7套设于固定外壳8中并置于聚焦透镜一5前方，光纤杆6通过胶粘在转接外壳7内，转接外壳7前端外侧通过胶粘于固定外壳8后端内，光纤杆6和转接外壳7与固定外壳8之间设有容腔，固定外壳8前端设有与容腔相通的开口，柔性弹簧片10固定于容腔内的开口处，反射件9与测针12通过连接杆11连接并分别固定于柔性弹簧片10内外侧的中间，测针12穿过开口置于固定外壳8前方，测针12的前端设有测球，反射件9设于光纤杆6前方并置于容腔内。

本实施例中，测头光路模块还包括用于安装所述聚焦透镜一、四分之一波片、偏振分光棱镜、准直透镜、光源、偏振分光棱镜、直角棱镜、聚焦透镜二和光电探测器的框架或结构体(图中未画出)，转接外壳7相对测头光路模块的一端设有与框架或结构体配合连接的三个环形均布的磁铁71和三个环形均布的定位槽72，框架或结构体上设有与转接外壳7上的磁铁相配合的磁性件或磁铁以及与定位槽相配合的卡合部，测头传感模块与测头光路模块通过定位槽和磁铁与框架或结构体的磁性件和卡合部配合进行连接，安装简单快捷，这样方便替换不同测力和测量精度的测头传感模块。

本实施例中，光纤杆6中有七根光纤帮，包括一根中心光纤棒和设于中心光纤棒周围同轴均匀分布的六根光纤棒，七根光纤棒均为2mm的石英多模光纤棒。

本实施例中，光纤杆6与反射件9相对的底面61中除了光纤棒端面外部分均镀有消光膜，可以有效阻止不需要的光强因为界面多次反射所造成的干扰；反射件9与光纤杆6相对的表面镀有高反射膜，其中镀有高反射膜的反射件表面可以是平面91，也还可以是球面92或凹球面93(如图5和图6所示)。

本实施例中，光电探测器是图像探测器或特殊形状的光电二极管阵列。

一种光学触发测量方法，使用上述的光学触发测头进行触发测量；将整个测头装调好之后，激光二极管通恒流电压，激光二极管射出激光，激光本身的发散角较大，通过准直透镜之后，变为一束发散角很小的近似平行光束，光束通过偏振分光棱镜之后，透射的光束为P型偏振光，P型偏振光通过四分之一波片后，变为圆偏振光，圆偏振光通过聚焦透镜一后，聚焦耦合进入光纤杆上的中心光纤棒中进行传输，光束出射后具有一定发散角并传至反射件，通过反射件表面高反射膜的进行反射，反射后在光纤杆的底部端面形成一光域面，由于在光纤杆的底部端面中除了光纤棒端面外部分均镀有消光膜，这样可以有效阻止不需要的光强因为端面多次反射所造成的干扰，中心光纤棒和其周围的六根光纤棒接受光强进行传输，出射后再次通过聚焦透镜一变为偏振光，此时的聚焦透镜一起光束准直的作用，后再次经过四分之一波片，偏振光变为S型偏振光，S型偏振光再次经过偏振分光棱镜时，S型偏振光被反射至直角棱镜，经过直角棱镜反射后通过聚焦透镜二在光电探测器上形成七个光斑，一个光斑在中心，六个光斑均布在周围，光电探测器接收光强并转为电信号；当测针前端测球接触到被测件时，使测针发生偏摆，进而使反射件发生偏摆，导致光纤棒所接受的光强发生变化，进而使光电探测器所接受光强并转换的电信号发生变化，通过光强与电信号之间的变化关系，来确定电信号变化与测针空间位置变化的关系，最后得到所需的触发阈值，最终实现测头触发功能。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种光学触发测头，包括测头光路模块和测头传感模块，其特征在于：所述测头光路模块包括由前往后依次设置的聚焦透镜一、四分之一波片、偏振分光棱镜、准直透镜、光源以及设于所述偏振分光棱镜侧边的直角棱镜、依次设于所述直角棱镜后方的聚焦透镜二和光电探测器；所述测头传感模块包括光纤杆、转接外壳、固定外壳、柔性弹簧片、反射件以及测针，所述光纤杆通过所述转接外壳套设于所述固定外壳中并置于所述聚焦透镜一前方，所述光纤杆和转接外壳与所述固定外壳之间设有容腔，所述固定外壳前端设有与所述容腔相通的开口，所述柔性弹簧片设于所述容腔内的开口处，所述反射件与所述测针通过连接杆连接并分别固定于所述柔性弹簧片内外侧的中间，所述测针穿过所述开口置于所述固定外壳前方，所述反射件设于所述光纤杆前方并置于所述容腔内；所述测头光路模块还包括用于安装所述测头光路模块的框架，所述转接外壳相对所述测头光路模块的一端设有与所述框架配合连接的三个环形均布的磁铁和三个环形均布的定位槽，所述测头传感模块与测头光路模块通过所述定位槽和磁铁与框架的配合进行连接。

2.根据权利要求1所述的光学触发测头，其特征在于：所述光纤杆上具有一根中心光纤棒和设于所述中心光纤棒周围同轴均匀分布的六根光纤棒。

3.根据权利要求2所述的光学触发测头，其特征在于：所述中心光纤棒及其周围的六根光纤棒均为2mm的石英多模光纤棒。

4.根据权利要求1所述的光学触发测头，其特征在于：所述光纤杆与所述反射件相对的一面镀有消光膜；所述反射件与所述光纤杆相对的一面镀有高反射膜。

5.根据权利要求1-4任一项所述的光学触发测头，其特征在于：所述光源位于所述准直透镜的物方焦面上，所述偏振分光棱镜位于所述准直透镜的像方空间，所述四分之一波片的快轴方向与P型偏振光振动方向夹角为45°，所述聚焦透镜一的像方焦面上设置所述测头传感模块，所述直角棱镜的一直角面与所述偏振分光棱镜相对，所述直角棱镜的另一直角面后方放置所述聚焦透镜二，所述聚焦透镜二像方空间一倍焦距以内放置所述光电探测器。

6.根据权利要求5所述的光学触发测头，其特征在于：所述光源为激光二极管，所述测针的前端设有测球。

7.根据权利要求5所述的光学触发测头，其特征在于：所述光电探测器是图像探测器或光电二极管阵列。

8.一种光学触发测量方法，其特征在于：使用如权利要求1-7任一项所述的光学触发测头进行触发测量，通过光源射出激光，激光依次经过准直透镜、偏振分光棱镜、四分之一波片、聚焦透镜一后聚焦耦合进入光纤杆上的中心光纤棒中进行传输，出射后具有一定发散角并传至反射件，通过反射件的反射进入中心光纤棒和其周围的六根光纤棒中进行传输，出射后再依次通过聚焦透镜一、四分之一波片、偏振分光棱镜，通过偏振分光棱镜反射至直角棱镜，经过直角棱镜反射后通过聚焦透镜二在光电探测器上形成七个光斑，一个光斑在中心，六个光斑均布在周围，光电探测器接收光强并转为电信号；当前端测针接触到被测件时，使测针发生偏摆，进而使反射件发生偏摆，导致光纤棒所接受的光强发生变化，进而使光电探测器所接受并转换的电信号发生变化，通过光强与电信号之间的变化关系，来确定电信号变化与测针空间位置变化的关系，最后得到所需的触发阈值，最终实现测头触发功能。