CN108286937B - 接触式扫描测头、坐标测量装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种接触式扫描测头，包括发出平行光的发光组件、设于发光组件出光侧的圆锥透镜、位于圆锥透镜上远离发光组件一侧的电荷耦合器件及用于与待测试件接触的测试接触件；测试接触件固接于发光组件上远离出光侧的一侧，发光组件上远离所述出光侧的一侧设有若干用于将发光组件连接于测量装置上的弹性件，各弹性件围绕测试接触件与发光组件的连接处设置；圆锥透镜中的锥顶指向发光组件，在测试过程中，使得发光组件发出的光经过圆锥透镜后在电荷耦合器件上的投影的图案发生变化，依据电荷耦合器件采集到的投影图案确定测试接触件的偏置，进而确定待测试件上测试点坐标值的变化，获得偏移量。

Description

接触式扫描测头、坐标测量装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及坐标测试以及光学测试技术领域，具体而言，本发明涉及一种接触式扫描测头、坐标测量装置、系统及方法。

背景技术

传统的三坐标测量系统包括光栅尺以及安装在坐标测量机上的扫描接触测头，然而传统的三坐标测量机在测试未知曲面的过程中，扫描侧头不能够连续的采集曲面上的点，而只能被触发以用于获取三坐标测量系统中光栅尺的读数，导致整个测量过程中的测量效率低，同时由于采集的点不连续，导致依据测试结果运算出的结果的精度较低，不能完全反应出未知曲面的尺寸和形状信息。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是测量精度低。测量效率低的问题。

本发明提供了一种接触式扫描测头，包括发出平行光的发光组件、设于所述发光组件出光侧的圆锥透镜、位于所述圆锥透镜上远离所述发光组件一侧的电荷耦合器件及用于与待测试件接触的测试接触件；所述测试接触件固接于所述发光组件上远离所述出光侧的一侧，所述发光组件上远离所述出光侧的一侧设有若干用于将所述发光组件连接于测量装置上的弹性件，各所述弹性件围绕所述测试接触件与发光组件的连接处设置；所述圆锥透镜中的锥顶指向所述发光组件。

进一步地，所述测试接触件为球体，所述测试接触件通过连接杆与发光组件固接，所述球体用于与所述待测试件接触。

优选地，所述圆锥透镜为平凹角圆锥透镜。

优选地，所述电荷耦合器件为板状，所述电荷耦合器件与所述圆锥透镜中圆锥的底面间隔预设距离。

优选地，所述预设距离依据所述电荷耦合器件的尺寸、所述圆锥透镜的折射率、所述圆锥透镜中圆锥的体积和底面积确定。

进一步地，还包括设置于所述发光组件边沿与所述圆锥透镜边沿之间的支撑结构。

进一步地，所述发光组件包括发光元件和设置于所述发光元件背光侧的基板。

本发明还提供了一种坐标测量装置，包括任一技术方案所述的接触式扫描测头、工作台以及位于所述工作台上且能在工作台上滑动的测试机构，所述接触式扫描测头与所述测试机构连接。

进一步地，所述测试机构包括：横跨所述工作台的横梁以及支撑所述横梁且能在所述工作台两侧边滑动的支撑组件，垂直于所述横梁并与所述横梁滑动连接的滑杆，所述接触式扫描测头位于所述滑杆对着所述工作台的一端，所述滑杆的一端设置有能容纳所述接触式扫描测头且与其连接的壳体，所述弹性件远离所述发光组件的一端与所述壳体连接。

本发明还提供了一种坐标测量系统，包括任一技术方案所述的坐标测量装置、光栅尺、计算机装置，所述坐标测量装置与所述计算机装置电性连接，所述光栅尺用于采集所述坐标测量装置上测试机构和滑杆的坐标值，所述计算机装置用于依据所述坐标测量装置测试到的数据和所述光栅尺采集到的所述坐标测量装置上的坐标值进行运算，确定待测试件的尺寸信息。

本发明还提供了一种坐标测量方法，应用所述的坐标测量系统，包括：

控制所述测试接触件在预设测量范围内与待测试件接触，改变所述发光组件和圆锥透镜之间距离，以改变所述发光组件发出的光经过所述圆锥透镜后在所述电荷耦合器件上的投影图案，基于所述电荷耦合器件感知到的所述投影图案确定所述测试接触件的偏移量；

采集所述测试接触件在所述坐标测量装置上的坐标值；

基于所述偏移量、所述坐标值、预设规则确定所述待测试件的尺寸信息。

进一步地，所述投影图案包括多个同心椭圆，所述测试接触件为球体，在所述基于所述电荷耦合器件感应到的所述投影图案确定所述测试接触件的偏移量的过程中，具体包括：

解析所述电荷耦合器件感知到的所述投影图案，依据拟合重构确定各所述椭圆的椭圆度；

基于所述椭圆度确定各所述椭圆的面积，依据所述面积确定所述圆锥透镜与所述电荷耦合器件之间距离；

基于所述距离、所述连接杆长度、所述测试接触件的直径确定所述偏移量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的一种接触式扫描测头，包括发出平行光的发光组件、位于所述发光组件出光侧的圆锥透镜、位于所述圆锥透镜出光侧的电荷耦合器件，所述圆锥透镜中圆锥的顶点指向所述发光组件，所述发光组件背向其出光侧的一侧设置有与其固定连接的测试接触件，且发光组件在该侧围绕所述测试接触件还有弹性件，所述弹性件远离所述发光组件的一端与固定件连接，以便在所述测试接触件与待测试件接触时，克服所述弹性件的弹性力改变所述发光组件与所述电荷耦合器件之间的距离。在克服所述弹性件的弹性力改变所述发光组件与电荷耦合器件之间的距离的过程中，所述电荷耦合器件能够实时采集所述发光组件发出光经过所述圆锥透镜后，在所述电荷耦合器件上的投影，所述电荷耦合器件能够依据该投影确定所述发光组件与电荷耦合器件之间的距离变化，进而依据其确定待测试件上坐标值的变化，同时该接触式扫描测头的测试精度较高，进而提高了测量的精度，提高了测试效率。其中发光组件发出的平行光经过圆锥透镜后形成的是同心圆环或者椭圆换，电荷耦合器件感应的元素只有椭圆环和圆环，计算机较处理过程简单、处理速度快，因此可以实现快速测量，提高测试效率，又因为圆锥透镜结构简单，折射保形率较容易保证，因此成本较低。

2、本发明提供的一种接触式扫描测头，所述测试接触件为球体，所述测试接触件通过连接杆与发光组件固接，所述球体用于与所述待测试件接触。所述球体为标准接触球，所述连接杆另一端与所述发光组件固定连接，所述标准接触球与所述待测试件接触，其中标准接触球与连接杆刚性固定连接，以便在标准接触球与待测试件接触时，能够推动发光组件及圆锥透镜，进而改变发光组件和圆锥透镜与电荷耦合器件之间的距离。本发明公开的实施例提供的标准接触能能够与待测试件的表面点、线、面三种任意一种或者多种方式接触，使测试到的待测试件测试点的坐标值更为准确和连续。

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为本发明一种接触式扫描测头的典型实施例的结构示意图；

图2为本发明一种坐标测量系统的典型实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

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。

本发明实施例提供的一种接触式扫描测头，参见图1，包括发出平行光的发光组件1、位于所述发光组件1出光侧的圆锥透镜2、位于所述圆锥透镜2上远离所述发光组件1一侧的电荷耦合器件4及用于与待测试件接触的测试接触件32，所述圆锥透镜2中圆锥的顶点位于指向所述发光组件1，所述发光组件1背向其出光侧的一侧设置有与其固定连接的测试接触件32，所述发光组件1上远离所述出光侧的一侧设有若干用于将所述发光组件1连接于测量装置上的弹性件5，各所述弹性件5围绕所述测试接触件32与发光组件1的连接处设置；所述圆锥透镜2中的锥顶指向所述发光组件1，以便在所述测试接触件32与待测试件接触时，克服所述弹性件5的弹性力改变所述发光组件1与电荷耦合器件4之间的距离。

圆锥透镜2位于所述发光组件1出光侧，所述圆锥透镜2中圆锥的顶点位于指向所述发光组件1，依据每一种颜色光的波长以及全反射角度的不同，在发光组件1发出的平行白光经过圆锥透镜2后，形成单色同心光环，且同一个光环的颜色相同，不同光环的颜色不同。测试接触件32位于所述发光组件1的背光侧且与发光组件的背光侧相背，所述圆锥透镜2的出光侧设置有电荷耦合器件4，所述发光组件1的背光侧还有弹性件5，所述弹性件5围绕所述测试接触件32设置，同时在使用时，所述弹性件5远离发光组件1的一端与固定件连接。在测试接触件32受力时，克服弹性件5的弹性力，改变发光组件1发出光经过圆锥透镜2后在电荷耦合器件4上的同心光环，电荷耦合器件4实时感知同心光环的投影，以便精确的确定测试接触件的偏移量，进而得到精确的待测试件上一点的坐标值，通过该接触式扫描测头提高了测试精度。

所述发光组件1主要用于发出具有平行光特性的白光，平行光可以由R、G、B三色的半导体激光器芯片经过混光后制成，也可由平行性比较好的R、G、B三色的LED芯片经过混光后制成，也可由平行性比较好的白光LED芯片制成，也可由条状的CCFL灯管加一些光线平行结构制成，或者发光组件1还可以如包括白炽灯、卤素灯、日光灯、钠光灯、汞灯、荧光水银灯、氙气灯、弧光灯、氖管灯、电致发光(EL)灯、发光二极管(LED)灯等加一些光线平行结构制成，但不限于这些类型。

所述圆锥透镜2具有预设的折射率，圆锥透镜2中一部分用于将发光组件1发出的光按平行光传输给所述圆锥透镜2中的圆锥中，即所述圆锥透镜2中圆锥的圆锥面位于圆锥透镜2中，圆锥的底面位于所述圆锥透镜2的出光侧，且为圆锥透镜2的出光面。平行光从圆锥面入射至圆锥中，并在圆锥面发生折射，又因为在本发明的实施例中，发光组件发出的光为白光，白光由多种颜色光合成，又因为不同颜色的光，其发生全反射的临界角角度不同，使得入射至圆锥中的白光能够分散为多种单色光，并且从圆锥的底面出射的时候形成多个单色的同心光环。

所述测试接触件32具有标准的尺寸，主要用于与待测试件的表面接触，以使待测试件的表面与所述测试接触件32接触时，能够改变所述圆锥透镜2与电荷耦合器件4之间的距离。所述电荷耦合器件4用于感知从圆锥透镜2圆锥底面出射后并投影至所述电荷耦合器件4的光线投影，所述电荷耦合器件4主要由CCD传感器、CMOS、CIS中的一种制成，主要用于感知光线投影，并将投影的光信号转变成电信号或者数字信号，以便后续能依据信号的转变进行运算确定测试接触件的偏移量。

在本发明的实施例中，所述弹性件5为弹簧或者具有弹性的其他件，且接触式扫描测头安装好后，接触式扫描测头外包括一个能容纳接触式扫描测头的外壳，弹性件5一端与发光组件1连接，而另一端与接触式扫描测头的外壳连接，以在所述测试接触件32受到待测试件表面的挤压时，能够克服弹性力使得所述测试接触件32发生偏移。在本发明的实施例中，弹性件围绕所述测试接触件32设置，优选地，弹性件围绕所述测试接触件32均匀设置，与发光组件1连接，因此，在测试接触件32受力时，各弹性件5受到的力相同或者不同。具体而言，在测试接触件32受到的是垂直于发光组件1的力时，此时，各弹性件5所受的力相同。由于本发明的实施例中，在测试接触件32不受力时，该发光组件1发出的光经过圆锥透镜2后，在所述电荷耦合器件上的投影的图案为多个同心圆环，同时，在测试接触件32受到的是垂直于发光组件1的力时，此时，各弹性件5所受的力相同，同样地，该发光组件1发出的光经过圆锥透镜2后，在所述电荷耦合器件4上的投影为多个同心圆环。在测试接触件32受到的力不是垂直于发光组件1时，使得测试接触件32同时受到了垂直于发光组件1的力和平行于发光组件的力，由于测试接触件32和发光组件1刚性连接，测试接触件32受力时会带动发光组件1的位置发生变化，平行于发光组件1的力会导致发光组件1发生偏移，导致发光组件1与电荷耦合器件4之间距离发生变化，且与受力方向相同一侧的部分发光组件1与电荷耦合器件4之间的距离缩短，与受力方向相反一侧另一部分发光组件1与电荷耦合器件4之间的距离增加，且以发光组件1与测试接触件32相连接的点为中间点，即位于该点上的部分发光组件1与电荷耦合器件4之间的距离不变，该距离为发光组件1上的一点在电荷耦合器件4上的投影之间的距离，同时发光组件1发出的平行光入射圆锥透镜圆锥面的方向发生变化，使得发光组件1发出的平行光经过圆锥透镜2后在电荷耦合器件上投影的图案为多个同心的椭圆形单色光环。结合前述的受力过程，在测试接触件32受到的力不是垂直于发光组件1时，导致不同的距离发光组件1发出的光在电荷耦合器件的投影的同心环不再是圆形而是椭圆形，导致发光组件1发出的光经过圆锥透镜2后在电荷耦合器件4上形成多个椭圆，由于发光组件1上至少有一点与电荷耦合器件4之间的距离不变，且该点投影在电荷耦合器件4上之后，形成椭圆的中心，且为同时投影的多个椭圆的中心。

进一步地，所述测试接触件32为标准接触球的球体，所述测试接触件32通过连接杆31与发光组件1固接，所述测试接触件32和所述连接杆31共同构成测试机构3。所述球体用于与所述待测试件接触，连接杆31及与所述连接杆31一端连接的标准接触球32，所述连接杆31另一端与所述发光组件1连接。所述标准接触球32用于与待测试件接触，且在运算过程中，所述标准接触球32的直径以及所述连接杆的长度是已知的，且所述标准接触球32球心到球表面的距离均相等，所述连接杆31的直径小于所述标准接触球32的直径。

优选地，所述测试接触件32还可以仅有连接杆31，且连接杆31远离发光组件1的一端为半球状，或者连接杆31的远离发光组件1的一端连接有标准的半球或者具有大于半球的球缺，该半球或者球缺用于与待测试件的表面接触，连接杆31与半球或者球缺上的平面连接，且连接杆的轴线穿过球心。

优选地，所述圆锥透镜2为平凹角圆锥透镜，其包括位于所述圆锥透镜2入光侧和出光侧的两相对的平面，位于所述圆锥透镜2出光侧的平面为所述圆锥透镜2中圆锥的底面，所述圆锥的顶点位于两相对的平面之间。以此，发光组件1发出的光经过圆锥透镜2后，能够形成环形的多个单色同心光环，且每一个光环的颜色不一样，且圆锥透镜2结构简单，光线经过圆锥透镜2形成的形状比较稳定，使得整个扫描侧头的制造成本较低。

优选地，所述电荷耦合器件4为板状，所述电荷耦合器件4与所述圆锥的底面具有预设距离，具体为了满足测试的要求，由于圆锥透镜的大小(圆锥的母线与圆锥底面法线的夹角、圆锥底面圆的直径的大小)、圆锥透镜的折射率、电荷耦合器件4的尺寸、圆锥透镜和电荷耦合器件4的距离具有固定比例，在圆锥透镜的大小(圆锥的母线与圆锥底面法线的夹角、圆锥底面圆的直径的大小)、圆锥透镜的折射率、电荷耦合器件4的尺寸确定时再结合固定比例确定圆锥透镜2中圆锥底面与电荷耦合器件4之间的距离。优选地，所述预设距离依据所述电荷耦合器件4的尺寸、所述圆锥透镜2的折射率以及所述圆锥透镜2中圆锥的体积和底面积确定。

优选地，如前文所述，所述发光组件1发出光为具有平行光特性的白光。以便在经过圆锥透镜2后形成多个同心单色光环，且不同光环之间的颜色不同。

优选地，还包括设置于所述发光组件1边沿与所述圆锥透镜2边沿之间的支撑结构6，在标准接触球32未发生偏移时，支撑结构6用于保证发光组件1发出的光入射到圆锥透镜2中时，保证光线在圆锥透镜2中与圆锥的轴线平行，以保证平行光能以相同的入射角入射至圆锥透镜2中的圆锥中，使得在最初的状态(未与待测试件接触)时，圆锥透镜2出射的光线为多个同心单色圆形光环，且不同光环的颜色不同。

优选地，所述发光组件1包括发光元件11和设置于所述发光元件11背光侧的基板12，所述基板12用于支撑发光元件11，保证发光元件11发出光为平行光。同时所述基板12不透光，以使发光组件1发出的光能单侧出射。

本发明公开的实施例还提供了一种坐标测量装置，如图2所示，包括任一技术方案所述的接触式扫描测头10、工作台20以及位于所述工作台上且能在工作台上滑动的测试机构30，所述接触式扫描测头10与所述测试机构30连接。

进一步地，所述测试机构包括：横跨所述工作台20的横梁301以及支撑所述横梁301且能在所述工作台20两侧边滑动的支撑组件302，垂直于所述横梁301并与所述横梁301滑动连接的滑杆40，所述接触式扫描测头10位于所述滑杆40对着所述工作台20的一端，所述滑杆20的一端设置有能容纳所述接触式扫描测头10且与其连接的壳体，所述弹性件远离所述发光组件的一端与所述壳体连接。所述滑杆40即为法向轴40。

进一步地，所述坐标测量装置还包括：工作台20以及位于所述工作台20上且能在工作台上滑动的测试机构30，所述测试机构30上设置有法向轴40，所述接触式扫描测头10位于所述法向轴40对着所述工作台20的一端，所述测试机构30的一端设置有能容纳所述接触式扫描测头10且与其连接的壳体，所述弹性件远离所述发光组件的一端与所述壳体连接。测试机构30包括能在所述工作台20侧面滑动且用于支撑横梁301的两支撑组件302，所述横梁301横跨所述工作台20，所述法向轴40与所述横梁301连接且能在横梁301上滑动，法向轴40还能在垂直于横梁301的方向上移动，所述工作台20用于放置待测试件，所述横梁301表示坐标测量装置的Y轴，将工作台的一侧面设置为坐标测量装置的X轴，所述法向轴40表示坐标测量装置的Z轴，所述法向轴40能够依据测量的需要进行转动，依据横梁301在工作台20上滑动到的具体位置，法向轴40在横梁301上滑动到的具体位置，以及法向轴40自身法向移动到的具体位置，确定坐标测量装置的坐标值，所述接触式扫描测头10位于所述法向轴40对着所述工作台20的一端，其主要用于采集待测试件上连续点之间坐标值的变化，将坐标测量装置上的坐标值与接触式扫描测头10扫描测试到的坐标叠加，得到精度较高的待测试件上测试点的坐标值。

进一步地，还包括：能容纳所述接触式扫描测头10且与其连接的壳体，所述接触式扫描测头10中所述弹性件远离所述发光组件的一端与所述壳体连接，以便在标准接触球接触待测试件表面时，使得发光组件和电荷耦合器件之间的距离发生变化时，避免在待测试件和标准接触球接触过程中，测试件给与标准接触球的力过大，使得标准接触球偏离且不能与待测试件的表面接触，导致接触式扫描测头10测试的结果不准确。

本发明公开的实施例还提供了一种坐标测量系统，如图2所示，包括所述的坐标测量装置、光栅尺、计算机装置50，所述坐标测量装置与所述计算机装置50电性连接，所述光栅尺用于采集所述坐标测量装置上的坐标值，在测试待测试件过程中，光栅尺采集的坐标测量装置上的坐标值结合接触式扫描测头偏移量，共同确定待测试件的形状和尺寸，在两者同步进行测试时，将两者测试的结果叠加在一起，使得测试到的坐标值更为连续且精确。

本发明公开的实施例还提供了一种坐标测量方法，应用于所述的坐标测量系统，包括：

控制所述测试接触件在预设测量范围内与待测试件接触，改变所述发光组件和圆锥透镜之间距离，以改变所述发光组件发出的光经过所述圆锥透镜后在所述电荷耦合器件上的投影图案，基于所述电荷耦合器件感知到的所述投影图案确定所述测试接触件的偏移量；

采集所述测试接触件在所述坐标测量装置上的坐标值；

基于所述偏移量、所述坐标值、预设规则确定所述待测试件的尺寸信息。

如前文所述，控制测试接触件与待测试件接触，主要是控制标准接触球与待测试件接触，在标准接触球与待测试件接触时，待测试会对标准接触球产生一挤压力，标准接触球在该力的作用下沿Z轴移动，使得发光组件发生位移，由于在该力不是垂直于发光组件的，因此，在发光组件发生移动时，弹性件的受力不均匀，导致该力的方向所指向的一侧发光组件与电荷耦合器件之间的距离缩短，进而使得发光组件发出的光透射过圆锥透镜后，在电荷耦合器件上的投影不是多个同心的圆形光环，而是多个同心的椭圆形光环，且同一个光环的颜色相同，不同光环的颜色不同，电荷耦合器件采集投影在电荷耦合器件上的椭圆形光环，确定各椭圆的椭圆度，并依据该椭圆的椭圆度确定椭圆的面积，进而依据该面积确定电荷耦合器件与发光组件之间距离的变化值，同时依据椭圆度确定标准接触球的偏移量，其中将该偏移量和光栅尺读出的坐标测量装置上的坐标叠加，再带入预设规则，确定待测试件的形状和尺寸，该预设规则为多项式，主要由用户设定，其中用户可以指定多项式的阶数和参数，优选地，在本发明公开的实施例中，待测试件的表面为曲面，当然也可以是其他形状的表面，如平整方形或者多边形的表面，或者待测试件上相交的两表面其中一个表面为曲面，另一面为平整的四方形面，当然本发明也适用于实施例中未提到待测试件表面的测试。在此过程中，光栅尺读取的坐标测量装置的坐标值为粗值，接触式扫描测头获取的值精度更高，两者同步工作，将两者获取的值结合在一起能够得到更为精确的坐标值，同时光栅尺和接触式扫描测头结合使用能够连续扫描采集待测试件上的点的信息，提高测量精度，测试效率高。电荷耦合器件感应的元素只有椭圆环和圆环，参数较为单一，使得计算机装置能够快速进行运算处理，确定标准接触球的偏移量。

进一步地，所述投影图案包括多个同心椭圆，所述测试接触件为球体，在所述基于所述电荷耦合器件感应到的所述投影图案确定所述测试接触件偏移量的过程中，具体包括：

解析所述电荷耦合器件感知到的所述投影图案，依据拟合重构确定各所述椭圆的椭圆度；

基于所述椭圆度确定各所述椭圆的面积，依据所述面积确定所述圆锥透镜与所述电荷耦合器件之间距离；

基于所述距离、所述连接杆长度、所述测试接触件的直径确定所述偏移量。

如前文所述，电荷耦合器件感知到椭圆环的投影后，将光信号转换成电信号，在将各电信号经过拟合重构(回归运算)确定各所述椭圆的椭圆度，在椭圆度确定后，便能确定椭圆的长轴和短轴，再结合椭圆的标准计算规则确定椭圆的面积，以便于依据该面积即预设算法确定发光组件与电荷耦合器件之间距离的变化值，进而决定变化后发光组件与电荷耦合器件之间距离，在该距离确定后结合一致的连接杆长度、标准接触球的直径确定标准接触球的偏移量。

在本发明公开的实施例中，光栅尺和待测试件同步工作，通过接触式扫描测头连续采集待测试件上的点，确定不同点的值，而光栅尺采集坐标测量装置能测量到最大精度值，接触式扫描测头采集的值的精度大于光栅尺读取道德坐标测量机构测量的值，将待测试件上同一点的通过接触式扫描测头确定的值和光栅尺读取到的值叠加在一起，使得采集到的待测试件上的坐标值更为精确，由于扫描侧头能够连续扫描测量待测试件上的坐标，降低反复测量待测试件的次数，提高测试的效率。

在通过光栅尺进行测量坐标测量装置上的坐标时，通过指示光栅测量的是标尺光栅的位移和速度。以透射光栅为例，当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹之间形成一个小角度θ，并且两个光栅尺刻面相对平行放置时，在光源的照射下，位于几乎垂直的栅纹上，形成明暗相间的“莫尔条纹”条纹。当两片光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹距离。由于光的衍射与干涉作用，莫尔条纹的变化规律近似正(余)弦函数，变化周期数与光栅相对位移的栅距数同步。在两光栅栅线夹角较小的情况下，莫尔条纹宽度W和光栅栅距ω、栅线角θ之间有下列关系。式中，θ的单位为rad，W的单位为mm。由于倾角很小，sinθ很小，则W＝ω/θ，若ω＝0.01mm，θ＝0.01rad，则上式可得W＝1，即光栅放大了100倍。光栅测量位移的实质是以光栅的栅距为一把标准尺子对位称量进行测量。当两块光栅以微小倾角重叠时，在与光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹，随着光栅的移动，莫尔条纹也随之上下移动。这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量。在一个莫尔条纹宽度内，按照一定间隔放置4个光电器件就能实现电子细分与判向功能。例如，栅线为50线对/mm的光栅尺，其光栅栅距为0.02mm，若采用四细分后便可得到分辨率为5μm的计数脉冲。采用由低漂移运放构成的差分放大器进行运算，其运算过程为由4个光敏器件获得的4路光电信号分别送到2只差分放大器输入端，从差分放大器输出的两路信号其相位差为π/2，为得到判向和计数脉冲，需对这两路信号进行整形，首先把它们整形为占空比为1：1的方波。然后，通过对方波的相位进行判别比较，就可以等到光栅尺的移动方向。通过对方波脉冲进行计数，可以等到光栅尺的位移和速度，依据光栅尺的位移和速度确定坐标测量装置的坐标值。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

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 (11)

1.一种接触式扫描测头，其特征在于，包括发出平行光的发光组件、设于所述发光组件出光侧的圆锥透镜、位于所述圆锥透镜上远离所述发光组件一侧的电荷耦合器件及用于与待测试件接触的测试接触件；所述发光组件包括发光元件和设置于所述发光元件背光侧的基板，所述基板用于支撑所述发光元件，保证所述发光元件发出光为平行光；所述测试接触件固接于所述发光组件上远离所述出光侧的一侧，所述发光组件上远离所述出光侧的一侧设有若干用于将所述发光组件连接于测量装置上的弹性件，各所述弹性件围绕所述测试接触件与发光组件的连接处设置；所述圆锥透镜中的锥顶指向所述发光组件。

2.根据权利要求1所述的接触式扫描测头，其特征在于，所述测试接触件为球体，所述测试接触件通过连接杆与发光组件固接，所述球体用于与所述待测试件接触。

3.根据权利要求1所述的接触式扫描测头，其特征在于，所述圆锥透镜为平凹角圆锥透镜。

4.根据权利要求3所述的接触式扫描测头，其特征在于，所述电荷耦合器件为板状，所述电荷耦合器件与所述圆锥透镜中圆锥的底面间隔预设距离。

5.根据权利要求4所述的接触式扫描测头，其特征在于，所述预设距离依据所述电荷耦合器件的尺寸、所述圆锥透镜的折射率、所述圆锥透镜中圆锥的体积和底面积确定。

6.根据权利要求1所述的接触式扫描测头，其特征在于，还包括设置于所述发光组件边沿与所述圆锥透镜边沿之间的支撑结构。

7.一种坐标测量装置，其特征在于，包括权利要求1至6任意一项所述的接触式扫描测头、工作台以及位于所述工作台上且能在工作台上滑动的测试机构，所述接触式扫描测头与所述测试机构连接。

8.根据权利要求7所述的坐标测量装置，其特征在于，所述测试机构包括：横跨所述工作台的横梁以及支撑所述横梁且能在所述工作台两侧边滑动的支撑组件，垂直于所述横梁并与所述横梁滑动连接的滑杆，所述接触式扫描测头位于所述滑杆对着所述工作台的一端，所述滑杆的一端设置有能容纳所述接触式扫描测头且与其连接的壳体，所述弹性件远离所述发光组件的一端与所述壳体连接。

9.一种坐标测量系统，其特征在于，包括权利要求7或8所述的坐标测量装置、光栅尺、计算机装置，所述坐标测量装置与所述计算机装置电性连接，所述光栅尺用于采集所述坐标测量装置上测试机构和滑杆的坐标值，所述计算机装置用于依据所述坐标测量装置测试到的数据和所述光栅尺采集到的所述坐标测量装置上的坐标值进行运算，确定待测试件的尺寸信息。

10.一种坐标测量方法，其特征在于，应用于权利要求9所述的坐标测量系统，包括：

控制所述测试接触件在预设测量范围内与待测试件接触，改变所述发光组件和圆锥透镜之间距离，以改变所述发光组件发出的光经过所述圆锥透镜后在所述电荷耦合器件上的投影图案，基于所述电荷耦合器件感知到的所述投影图案确定所述测试接触件的偏移量；

采集所述测试接触件在所述坐标测量装置上的坐标值；

基于所述偏移量、所述坐标值、预设规则确定所述待测试件的尺寸信息。

11.根据权利要求10所述的坐标测量方法，其特征在于，所述投影图案包括多个同心椭圆，所述测试接触件为球体，在所述基于所述电荷耦合器件感应到的所述投影图案确定所述测试接触件的偏移量的过程中，具体包括：

解析所述电荷耦合器件感知到的所述投影图案，依据拟合重构确定各所述椭圆的椭圆度；

基于所述椭圆度确定各所述椭圆的面积，依据所述面积确定所述圆锥透镜与所述电荷耦合器件之间距离；

基于所述距离、所述连接杆长度、所述测试接触件的直径确定所述偏移量。

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