CN107990826B - 光纤测头中光纤的布置方法 - Google Patents

光纤测头中光纤的布置方法 Download PDF

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    • G01B11/007—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates coordinate measuring machines feeler heads therefor

Abstract

本发明提供了一种光纤测头中光纤的布置方法，所述方法包括反射式光纤测头球面或球内模型的构建及理论计算。本发明通过反射式光纤测头球面或球内模型的构建及理论的计算，不仅能够提高光纤测头对光的灵敏度，还能增加光纤测头的受光面积，且从数值仿真分析可以看出，在所选参数条件下，反射球的位移与接收光纤的受光面积在X,Y,Z方向上都呈现单调变化规律，具备触发条件。

Description

光纤测头中光纤的布置方法
技术领域
本发明涉及精密测量测试技术与仪器领域，尤其涉及一种光纤测头中光纤的布置方法。
背景技术
三坐标测量机(Coordinate Measuring Machine，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，Moore等为代表的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。目前，CMM已广泛应用于机械制造业，汽车工业，电子工业等部门，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用测头来拾取信号，测头的性能直接影响测量精度和测量效率。在CMM上使用的测头，可以分为接触式和非接触式两类。非接触式测头基于光反射原理，测量过程中不需要测针，但由于聚焦范围的限制，其高度方向上的量程很小；同时非接触式测头的测量结果受被测件材质和表面粗糙程度的影响较大，使用场合受到较大限制。目前，精度最高，使用范围最广的还是接触式测头。
接触式测头通常需要用测针来触碰被测件，测针受到触碰力的作用会发生弯曲变形。触碰力越大，测针越长则测针的弯曲变形量越大。为了确保接触的可靠性，需要保证一定的触碰力。因此，在现有的测量方案中，都是推荐使用短而粗的测针，以减小测针变形带来的误差。
美国专利US5659969提出了一种光反射式测头，其中发射光纤周围同轴均布3、4或者6根接收光纤；发射光纤的光通过凹面镜反射回接收光纤，通过判断接收到的总的光能来判断末端移动的位置；中国专利CN101586942A公开了一款光纤测头，其与专利US5659969不同的是使用了测端球内反射代替凹面镜，这种结构缩短了尺寸传递链，不存在测针变形引起的误差；然而，上述两个专利却均未考虑光纤的布置问题。
发明内容
本发明针对现有方式的缺点，提出一种光纤测头中光纤的布置方法，用以解决现有技术存在的上述问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种光纤测头中光纤的布置方法，包括如下步骤：
(1)构建反射式光纤测头球面或球内模型，以三维模型中的坐标原点(0,0,0)为起始位置，构建球心坐标点C(x0,y0,z0)及半径为R的测端球，其中测端球也为反射球；
(2)假设发射光纤的半径为r，数值孔径为α，点A(xA,yA,0)为发射光纤最外层的坐标；点B(xB,yB,zB)为入射光与测端球的接触点，也是入射光的反射点；在测量过程中，测端球的球心位置会发生变化，若点D(xD,yD,zD)是点A关于法线BE的对称点，点E(xE,yE,zE)为法线BE与AD连线的交点，则入射光纤的截面是直径为r的圆，所以A点满足方程：
反射球半径为R，其方程为：
(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2＝R2
入射光纤发出的光，经过数值孔径的放大，形成一个入射光锥，其方程为：
入射光锥与反射球的交线确定了球面上的反射边界，其由方程可推导为：
入射光AB的方程为：
法线BC的方程为：
过A点与法线BC垂直的平面方程为：
(x0-xB)(x-xA)+(y0-yB)(y-yA)+(z0-zB)(z-zA)＝0
法线BC的参数方程为：
x＝(x0-xB)t+xB
y＝(y0-yB)t+yB
z＝(z0-zB)t+zB
由此求得参数t，进而求得点E的坐标；D点是A点关于E点的对称点，所以：
xD＝2xE+xA
yD＝2yE+yA
zD＝2zE+zA
反射光BD的方程为：
反射光BD的方向为：
(xD-xB,yD-yB,zD-zB)
XOY平面的法向量为：(0,0,k)，此两向量之间的夹角为：
其中，夹角θ∈[0°,90°]
则反射光与XOY平面的交点坐标方程为：
进一步的，所述反射光与XOY平面的交点坐标方程确定了反射光的出射点在XOY平面上的边界，在此边界内的接收光纤可以接收到光信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过反射式光纤测头球面或球内模型的构建及理论的计算，不仅能够提高光纤测头对光的灵敏度，还能增加光纤测头的受光面积，且从数值仿真分析可以看出，在所选参数条件下，反射球的位移与接收光纤的受光面积在X,Y,Z方向上都呈现单调变化规律，具备触发条件。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例的一种光纤测头中光纤的布置方法流程图；
图2为本发明实施例中的反射式光纤测头模型；
图3为本发明实施例中的光纤的II-II截面图；
图4为本发明实施例中的测端球在Z方向移动时接收光纤受光面积比的变化情况；
图5为本发明实施例中的反射球在X方向移动时接收光纤受光面积比的变化情况；
图6为本发明实施例中的反射球在Y方向移动时接收光纤受光面积比的变化情况。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的描述的一些流程中，包含了按照特定顺序出现的多个操作，但是应该清楚了解，这些操作可以不按照其在本文中出现的顺序来执行或并行执行，操作的序号如101、102等，仅仅是用于区分开各个不同的操作，序号本身不代表任何的执行顺序。另外，这些流程可以包括更多或更少的操作，并且这些操作可以按顺序执行或并行执行。需要说明的是，本文中的“第一”、“第二”等描述，是用于区分不同的消息、设备、模块等，不代表先后顺序，也不限定“第一”和“第二”是不同的类型。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分例，实施而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
因此，为了解决上述问题，提供了一种光纤测头中光纤的布置方法。
实施例
如图1所示，提供了本发明一个实施例的一种光纤测头中光纤的布置方法，主要步骤是反射式光纤测头球面或球内模型的构建及理论计算，具体如下所述：
(1)构建反射式光纤测头球面或球内模型，以三维模型中的坐标原点(0,0,0)为起始位置，构建球心坐标点C(x0,y0,z0)及半径为R的测端球，其中测端球也为反射球；
(2)假设发射光纤的半径为r，数值孔径为α，点A(xA,yA,0)为发射光纤最外层的坐标；点B(xB,yB,zB)为入射光与测端球的接触点，也是入射光的反射点；在测量过程中，测端球的球心位置会发生变化，若点D(xD,yD,zD)是点A关于法线BE的对称点，点E(xE,yE,zE)为法线BE与AD连线的交点，则入射光纤的截面是直径为r的圆，所以A点满足方程：
反射球半径为R，其方程为：
(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2＝R2
入射光纤发出的光，经过数值孔径的放大，形成一个入射光锥，其方程为：
入射光锥与反射球的交线确定了球面上的反射边界，其由方程可推导为：
入射光AB的方程为：
法线BC的方程为：
过A点与法线BC垂直的平面方程为：
(x0-xB)(x-xA)+(y0-yB)(y-yA)+(z0-zB)(z-zA)＝0
法线BC的参数方程为：
x＝(x0-xB)t+xB
y＝(y0-yB)t+yB
z＝(z0-zB)t+zB
由此求得参数t，进而求得点E的坐标；D点是A点关于E点的对称点，所以：
xD＝2xE+xA
yD＝2yE+yA
zD＝2zE+zA
反射光BD的方程为：
反射光BD的方向为：
(xD-xB,yD-yB,zD-zB)
反射光BD的方向与XOY平面方向的夹角为锐角，是反射光回到XOY平面的充要条件；
XOY平面的法向量为：(0,0,k)，此两向量之间的夹角为：
其中，夹角θ∈[0°,90°]；
则反射光与XOY平面的交点坐标方程为：
反射光与XOY平面的交点坐标方程确定了反射光的出射点在XOY平面上的边界，在此边界内的接收光纤可以接收到光信号。
具体的，球面或球内反射式光纤测头可以简化成图2所示的理论模型，设发射光纤的半径为r，其数值孔径为α，反射球(测端球)的半径为R。
以发射光纤的端面中心为坐标原点建立如图2所示的坐标系。其中各点的坐标分别设置为，A为发射光纤最外层的坐标，即(xA,yA,0)，点B为入射光与测端球的接触点，也是入射光的反射点(xB,yB,zB)，点C为测端球的球心(x0,y0,z0)，在测量过程中，测端球心的位置会发生变化，点D是点A关于法线BE的对称点(xD,yD,zD)，点E为法线BE与AD连线的交点(xE,yE,zE)。
探测过程中，测端球(反射球)受到探测力的作用发生移动(忽略球的变形，只考虑球心位置发生改变)，经过测端球反射到XOY平面上的光区域(简称为光域)发生改变，由于接收光纤的位置相对于发射光纤是不变的。XOY平面上的光区域发生改变，将使得某个(或某些)接收光纤未能被光域覆盖或者只有部分被光域覆盖。由于反射的距离很短，可以假设反射光强是均匀的，因此，接收到的总的光强的变化可以反映出测端球心位置的变动情况。
测端球心位置的变动情况，可以反映其与被测件的接触力，当其变动量达到设定的阈值时，例如100um，作为触发条件，此时测头发出触发信号。需要注意的是，阈值的设定与光纤布置的参数关系紧密，以通过数学推导确定相关结构参数，为光纤测头的设计提供依据。
入射光纤的截面为直径为r的圆，所以A点满足方程：
反射球半径为R，其方程为：
(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2＝R2 (1)
入射光纤发出的光，经过数值孔径的放大，形成一个入射光锥，其方程为
入射光锥与反射球的交线确定了球面上的反射边界，其由方程(1),(2)联立确定。
入射光AB的方程为：
法线BC的方程为：
过A点与法线BC垂直的平面方程为：
(x0-xB)(x-xA)+(y0-yB)(y-yA)+(z0-zB)(z-zA)＝0 (6)
法线BC的参数方程为：
联立方程(6)和(7)求得参数t，进而求得点E的坐标。
D点是A点关于E点的对称点，所以：
反射光BD的方程为:
反射光BD的方向与XOY平面方向的夹角为锐角，是反射光回到XOY平面的充要条件。
反射光BD的方向为：(xD-xB,yD-yB,zD-zB)，XOY平面的法向量为：(0,0,k)，此两向量之间的夹角为：
夹角θ∈[0°,90°]
反射光与XOY平面的交点坐标为：
方程(11)确定了反射光在XOY平面上的边界，在此边界内的接收光纤可以接收到光信号。
在介质均匀的小面积材料中，假设反射光的强度是均匀的(一般等同)，则接收光纤所接受的光强与其受光面积成正比，即通过计算被反射光域覆盖的光纤的面积来确定发射光强的变化。
数值仿真验证
根据以上方程式，通过数值仿真来分析光纤测头参数与光纤受光面积的情况，如图3所示，为模型图中光纤的II-II截面图，S为发射光纤，X为接收光纤，选取的光纤测头参数如表1所示：
表1-光纤测头参数
以-X,-Y,-Z轴方向的移动为例计算反射球心位置变化与接收光纤受光面积的变化关系，球心以0.01mm的步长变化，可以得到如下的规律：
(1)Z方向的位移与接收光纤受光面积比如图4所示：从图4中可以看出，在±Z方向上，移动反射球，接收光纤的受光面积成单调变化，具备触发条件；
(2)Z从0到0.1，受光面积减小89.8％；Z从0到-0.1，受光面积增加204.7％。可以看出，沿-Z方向，变化较为明显，灵敏度更高。
如图5所示，为模型中反射球在X方向移动时接收光纤受光面积比的变化情况：从图5中可以看出，测端球沿±X方向移动，接收光纤的受光面积有同样的变化趋势，从0到±0.08，受光面积增加13％。
如图6所示，为Y方向的位移与接收光纤受光面积比的变化情况：从图6中可以看出，与X方向类似的，测端球沿±Y方向移动，接收光纤的受光面积有同样的增加趋势，从0到±0.08，受光面积增加14％。
综上所诉，从数值仿真分析可以看出，在所选参数条件下，反射球的位移与接收光纤的受光面积在X,Y,Z方向上都呈现单调变化规律，具备触发条件；但是，在三个方向上变化规律不尽相同，尤其是Z方向和X、Y方向存在较大的差异性，这种差异性最终会表现为触发测头的各向异性。因此，合理的设计触发测头的参数，可以优化测头的性能。因此，在测头的设计过程中，如能结合本发明和制造工艺，能够精准优化光纤测头的参数并分析测头的各向异性。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种光纤测头中光纤的布置方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)构建反射式光纤测头球面或球内模型，以三维模型中的坐标原点(0,0,0)为起始位置，构建球心坐标点C(x0,y0,z0)及半径为R的测端球，其中测端球也为反射球；
(2)假设发射光纤的半径为r，数值孔径为α，点A(xA,yA,0)为发射光纤最外层的坐标；点B(xB,yB,zB)为入射光与测端球的接触点，也是入射光的反射点；在测量过程中，测端球的球心位置会发生变化，若点D(xD,yD,zD)是点A关于法线BE的对称点，点E(xE,yE,zE)为法线BE与AD连线的交点，则入射光纤的截面是直径为r的圆，所以A点满足方程：
反射球半径为R，其方程为：
(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2＝R2
入射光纤发出的光，经过数值孔径的放大，形成一个入射光锥，其方程为：
入射光锥与反射球的交线确定了球面上的反射边界，其由方程可推导为：
入射光AB的方程为：
法线BC的方程为：
过A点与法线BC垂直的平面方程为：
(x0-xB)(x-xA)+(y0-yB)(y-yA)+(z0-zB)(z-zA)＝0
法线BC的参数方程为：
x＝(x0-xB)t+xB
y＝(y0-yB)t+yB
z＝(z0-zB)t+zB
由此求得参数t，进而求得点E的坐标；D点是A点关于E点的对称点，所以：
xD＝2xE+xA
yD＝2yE+yA
zD＝2zE+zA
反射光BD的方程为：
反射光BD的方向为：
(xD-xB,yD-yB,zD-zB)
XOY平面的法向量为：(0,0,k)，此两向量之间的夹角为：
其中，夹角θ∈[0°,90°]
则反射光与XOY平面的交点坐标方程为：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反射光与XOY平面的交点坐标方程确定了反射光的出射点在XOY平面上的边界，在此边界内的接收光纤可以接收到光信号。
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