CN108489441B - 一种接触式三维跟踪扫描测头 - Google Patents

Abstract

一种接触式三维跟踪扫描测头，由运动单元、感测单元、限位单元、信号处理单元及安装体系组成。所述运动单元包括探针、下运动板、下回复机构、Z向传动机构、X向传动机构、Y向传动机构、上运动板和上回复机构；所述感测单元由Z向直线位移传感器、X向直线位移传感器和Y向直线位移传感器组成，三个传感器中心线相互平行、横截面中心的连线构成等腰直角三角形，从而将探针末端的球头沿X、Y、Z三个方向的位移分别通过三个传感器获取并转换成电信号输出，实现了简单实用的机械式解耦，使测头具有空间利用率高、体积小巧、结构简单，优良的动态响应性能及测量大型复杂曲面零件廓形尺寸的能力，并可提高测量精度。

Description

一种接触式三维跟踪扫描测头

技术领域

本发明属于工件坐标扫描测量领域，涉及一种用于三坐标测量机或数控加工中心上的接触式三维跟踪扫描测头。

背景技术

现代制造业领域，对大型复杂曲面零件廓形尺寸的高效精密测量需求量较大，通常使用三坐标测量机对工件表面廓形进行测量，以获得工件表面各点的三维空间坐标参数。三坐标测量机中，最为核心的部件是用于探测工件表面的测量探头(简称测头)。所述测头可分为接触式与非接触式两大类，其中接触式测头可细分为触发式测头与扫描式测头。扫描式测头较触发式测头具有更高的测量速度，适合于大型复杂曲面零件整体廓形的精密高效测量，但因其机械结构复杂，常采用串联式导向机构或位移传感器感测方向相互正交的并联式导向机构，导致测头体积庞大、加工难度大、制造成本高；再者，因结构复杂笨重导致测头动态响应性能差，无法连续、快速跟踪曲率突变较大的曲面零件，极易发生碰撞与脱模。

中国专利ZL 201310296616.3公开了一种接触式三维扫描测头，该测头采用多组平行簧片组成的串联式导向机构，机械结构复杂、空间利用率低、体积庞大，测量某一方向位移时会受到其它两个方向测量装置的影响，导致其性能不稳定，精度较低；该设备没有防止探头摆动超过极限位置的限位机构，无法有效保护测头，使得当探头遇到工件摩擦系数过大或曲面不平滑等不利因素时会出现过压、脱模和振荡，甚至导致测量设备损毁。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构紧凑、体积小巧、动态响应快的接触式三维跟踪扫描测头，以便于测量复杂工件表面的三维信息，并提高测量精度和测头工作的安全性。

本发明所述接触式三维跟踪扫描测头，由运动单元、感测单元、限位单元、信号处理单元及用于安装运动单元、感测单元、限位单元、信号处理单元的安装体系组成；所述运动单元包括探针、下运动板、下回复机构、下固定片、Z向传动机构、X向传动机构、Y向传动机构、上运动板、上回复机构和上固定片，下回复机构和上回复机构均含有弹性件；所述感测单元由Z向直线位移传感器、X向直线位移传感器和Y向直线位移传感器组成，三个直线位移传感器的传感形式可为电感式直线位移传感器、电容式直线位移传感器或光学直线位移传感器；所述限位单元由Z向限位传感机构、X向限位传感机构和Y向限位传感机构组成；所述信号处理单元包括信号处理器和电路板；所述安装体系包括壳体、顶盖、底盖、第一支撑柱、第二支撑柱、第三支撑柱和支承板，第一支撑柱至少为三根，第二支撑柱和第三支撑柱的数量与第一支撑柱的数量相同，底盖中心部位设置有供运动单元中的探针通过的中心孔；

上述各构件、器件的安装组合方式如下：

所述底盖与壳体下端可拆卸连接；各根第一支撑柱下端分别与下回复机构和底盖周边组合，将下回复机构可拆卸式地固定在底盖上，各根第一支撑柱上端分别与上回复机构周边连接，将上回复机构可拆卸式固定在第一支撑柱上；各根第二支撑柱下端分别与上回复机构周边连接，各根第二支撑柱的上端分别与支承板周边连接，将支承板可拆卸式固定在第二支撑柱上；各根第三支撑柱下端分别与支承板周边连接，各根第三支撑柱上端分别与所述电路板周边连接，将电路板可拆卸式固定在第三支撑柱上；

所述下运动板、下固定片分别位于下回复机构的顶面和底面，并与下回复机构所含的弹性件连接；所述上运动板、上固定片分别位于上回复机构的底面和顶面，并与上回复机构所含的弹性件连接；以下运动板的中心为原点建立三维直角坐标系，所述Z向传动机构安装在下运动板的顶面，其中心线与三维直角坐标系的Z轴重合，其上端与上运动板连接；所述X向传动机构安装在下运动板顶面，其中心线与Z向传动机构的中心线平行并与直角坐标系的X轴相交；所述Y向传动机构安装在下运动板顶面，其中心线与Z向传动机构的中心线平行并与直角坐标系的Y轴相交，且该中心线距直角坐标系原点的距离与X向传动机构的中心线距直角坐标系原点的距离相等；

所述Z向直线位移传感器安装在所述支承板上，安装位置应使其中心线与Z向传动机构的中心线重合，Z向直线位移传感器的动体与Z向传动机构上端连接；所述X向直线位移传感器安装在上运动板上，安装位置应使其中心线与X向传动机构的中心线重合，X向直线位移传感器的动体与X向传动机构上端连接；所述Y向直线位移传感器安装在上运动板上，安装位置应使其中心线与Y向传动机构的中心线重合，Y向直线位移传感器的动体与Y向传动机构的上端连接；

所述Z向限位传感机构安装在上回复机构和上固定片上，所述X向限位传感机构安装在上运动板和X向传动机构上，所述Y轴限位传感机构在上运动板和Y向传动机构上；

所述探针下端为球头，探针的上端通过磁力吸附作用与下运动板底面连接，连接位置应使其中心线与Z向传动机构的中心线重合，探针下端穿过底盖的中心孔伸出，位于所述壳体之外；

所述位移信号处理器安装在电路板上，位移信号处理器用于向Z向直线位移传感器、X向直线位移传感器、Y向直线位移传感器提供启动激励信号，并将来自Z向直线位移传感器、X向直线位移传感器、Y向直线位移传感器的标志被测工件表面参数的位移电信号转化为线性电压差信号传送给三坐标测量机或数控加工中心的处理系统；

所述顶盖安装在壳体上端，并与壳体上端可拆卸连接。

上述接触式三维跟踪扫描测头中，下回复机构含的弹性件为第一“十字”形弹簧片，下回复机构由第一“十字”形弹簧片和两个第一簧片固定盖组合而成，第一“十字”形弹簧片安装在两个第一簧片固定盖之间，其中心部位设置有通孔；上回复机构含的弹性件为第二“十字”形弹簧片，上回复机构由第二“十字”形弹簧片和两个第二簧片固定盖组合而成，第二“十字”形弹簧片安装在两个第二簧片固定盖之间，其中心部位设置有通孔。

上述接触式三维跟踪扫描测头中，所述Z向传动机构由第一固定座、第一弹性钢丝、第一运动杆和第一杆接头组成，第一固定座安装在下运动板顶面，其中心线与三维直角坐标系的Z轴重合，第一弹性钢丝固定在第一固定座上，第一运动杆的下端与第一弹性钢丝连接、上端与第一杆接头下端连接，第一杆接头的上端用于与上运动板和感测单元中Z向直线位移传感器的动体连接，组合时应使第一弹性钢丝、第一运动杆和第一杆接头的中心线与第一固定座的中心线重合；所述X向传动机构由第二固定座、第二弹性钢丝、第二运动杆和第二杆接头组成，第二固定座安装在下运动板顶面，其中心线与第一固定座的中心线平行并与直角坐标系的X轴相交，第二弹性钢丝固定在第二固定座上，第二运动杆的下端与第二弹性钢丝连接、上端与第二杆接头下端连接，第二杆接头的上端用于与感测单元中X向直线位移传感器的动体连接，组合时应使第二弹性钢丝、第二运动杆和第二杆接头的中心线与第二固定座的中心线重合；所述Y向传动机构由第三固定座、第三弹性钢丝、第三运动杆和第三杆接头组成，第三固定座安装在下运动板顶面，其中心线与第一固定座的中心线平行并与直角坐标系的Y轴相交，且第三固定座的中心线距直角坐标系原点的距离与第二固定座的中心线距直角坐标系原点的距离相等，第三弹性钢丝固定在第三固定座上，第三运动杆的下端与第三弹性钢丝连接、上端与第三杆接头下端连接，第三杆接头的上端用于与感测单元中Y向直线位移传感器的动体连接，组合时应使第三弹性钢丝、第三运动杆和第三杆接头的中心线与第三固定座的中心线重合。

上述接触式三维跟踪扫描测头中，所述Z向限位传感机构由绝缘块、第一限位簧片和第一限位触点组成，绝缘块安装在上回复机构顶面的周边，第一限位触点安装在上固定片顶面，第一限位簧片为条状簧片，其一端安装在绝缘块上，其悬臂端位于第一限位触点上方；所述X向限位传感机构和Y向限位传感机构由绝缘环、第二限位簧片、第三限位簧片、触点安装片，第二限位触点、连接座，固定帽和第三限位触点组成，第二限位簧片、第三限位簧片和触点安装片均为两条臂形成的“L”形片体，其两臂相交部位设置有与Z向传动机构组合的套装孔；连接座安装在上运动板底面并套装在Z向传动机构上，第二限位簧片、触点安装片、第三限位簧片从上至下依次套装在Z向传动机构上；绝缘环为两个，套装在Z向传动机构上，并分别位于第二限位簧片与触点安装片之间、触点安装片与第三限位簧片之间；固定帽套装在Z向传动机构上，其上端与第三限位簧片接触，通过螺钉紧固将第三限位簧片、触点安装片、第二限位簧片及绝缘环固定；触点安装片的一条臂端部与X向传动机构连接，另一条臂端部与Y向传动机构连接，第二限位触点安装在触点安装片与X向传动机构连接的臂上，并位于第二限位簧片与第三限位簧片之间，第三限位触点安装在触点安装片与Y向传动机构连接的臂上，并位于第二限位簧片与第三限位簧片之间；使用时所述第一限位触点、第二限位触点和第三限位触点分别与三坐标测量机或数控加工中心的控制系统电连接。

所述信号处理单元的优选结构是还增设稳压器、第一电位器和第二电位器，且所述位移信号处理器、第一电位器、第二电位器均为三个；稳压器、第一电位器和第二电位器安装在电路板上；稳压器用于将提供给三个位移信号处理器的电压稳定在所设置的范围内；三个第一电位器分别用于调节三个位移信号处理器的放大倍率，三个第二电位器分别用于调节三个位移信号处理器的电压偏置；三个位移信号处理器分别用于向Z向直线位移传感器、X向直线位移传感器、Y向直线位移传感器提供启动激励信号，并分别将来自Z向直线位移传感器、X向直线位移传感器、Y向直线位移传感器的标志被测工件表面参数的位移电信号转化为线性电压差信号传送给三坐标测量机或数控加工中心的处理系统。

上述接触式三维跟踪扫描测头中，所述安装体系还包括密封圈，所述密封圈位于底盖与壳体下端的接触面之间，以防止灰尘，油污进入壳体内。

上述接触式三维跟踪扫描测头，第一限位簧片悬臂端底面与第一限位触点之间的间距为探针球头向上运动的限定量程；第二限位簧片底面与第二限位触点、第三限位触点之间的间距为探针球头向X轴或Y轴的正向扭转的限定量程；第三限位簧片顶面与第二限位触点、第三限位触点之间的间距为探针球头向X轴或Y轴的负向扭转的限定量程。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、由于本发明所述接触式三维跟踪扫描测头采用三个直线位移传感器作为测量元件，采用两个运动板与回复机构，将探针球头Z向位移的测量与X向位移、Y向位移的测量分隔开来，使其相互之间互不干扰，三个传感器中心线相互平行、横截面中心的连线构成等腰直角三角形，从而将探针末端的球头沿X、Y、Z三个方向的位移分别通过三个传感器获取并转换成电信号输出，实现了简单实用的机械式解耦，因此该测头具有空间利用率高、结构紧凑，动态响应性能好及测量大型复杂曲面零件廓形尺寸的能力，并可提高测量精度(测量线性度小于±0.05％)和减小体积(与现有串联式导向机构或位移传感器感测方向相互正交的并联式导向机构的测头相比，体积至少可减小二分之一)。

2、由于本发明所述接触式三维跟踪扫描测头设置了限位单元，当探针遇到工件摩擦系数过大或曲面不平滑等不利因素超过限定的量程时，能及时通过三坐标测量机或数控加工中心制动，防止探针球头摆动超过极限位置而损坏测头，有利于提高使用寿命。

3、由于本发明所述接触式三维跟踪扫描测头中的探针上端通过磁力吸附作用与下运动板底面连接，因而当遇到极端恶劣测量工况或不可预测因素时，探针能及时脱落，与测头主体分离，从而避免测头中主要结构的损坏。

4、本发明所述接触式三维跟踪扫描测头中的安装体系结构合理，便于运动单元、感测单元、限位单元、信号处理单元的安装组合。

5、由于本发明所述接触式三维跟踪扫描测头中的安装体系设置有密封圈，因而可防止灰尘，油污进入壳体内损坏运动单元、感测单元、限位单元、信号处理单元。

附图说明

图1是本发明所述接触式三维跟踪扫描测头的结构示意图；

图2是本发明所述接触式三维跟踪扫描测头所建立的三维直角坐标系示意图；

图3是本发明所述接触式三维跟踪扫描测头中运动单元及直线位移传感器的爆炸图；

图4是图1的A-A剖视图；

图5是本发明所述接触式三维跟踪扫描测头的运动单元中下运动板、下回复机构和探针的组合示意图；

图6是本发明所述接触式三维跟踪扫描测头的限位单元中Z向限位传感机构的结构示意图；

图7是本发明所述接触式三维跟踪扫描测头的限位单元中X向和Y向限位传感机构的结构示意图；

图8是图7的立体图；

图9是本发明所述接触式三维跟踪扫描测头中探针的Z向运动原理示意图；

图10是本发明所述接触式三维跟踪扫描测头中探针的X向或Y向扭转运动原理示意图；

图11是本发明所述接触式三维跟踪扫描测头中探针球头X向或Y向位移尺寸关系示意图；

图12是本发明所述接触式三维跟踪扫描测头中探针球头Z向位移尺寸关系示意图；

图13是本发明所述接触式三维跟踪扫描测头中信号处理单元的一种结构和安装方式示意图。

图中，1-探针，1.1-球头，2-下运动板，2.1-磁体，3-下回复机构，3.1第一簧片固定盖，3.2-第一“十字”形弹簧片，4-下固定片，5-Z向传动机构，5.1-第一固定座，5.2-第一弹性钢丝，5.3-第一运动杆，5.4-第一杆接头，6-X向传动机构，6.1-第二固定座，6.2-第二弹性钢丝，6.3-第二运动杆，6.4-第二杆接头，7-Y向传动机构，7.1-第三固定座，7.2-第三弹性钢丝，7.3-第三运动杆，7.4-第三杆接头，8-上运动板，9-上回复机构，9.1-第二簧片固定盖，9.2-第二“十字”形弹簧片，10-上固定片，11-Z向直线位移传感器，12-X向直线位移传感器，13-Y向直线位移传感器，14-Z向限位传感机构，14.1-绝缘块，14.2-第一限位簧片，14.3-第一限位触点，15-X向限位传感机构，15.1-绝缘环，15.2-第二限位簧片，15.3-第三限位簧片，15.4-触点安装片，15.5-第二限位触点，15.6-连接座，15.7-固定帽，16-Y向限位传感机构，16.1-第三限位触点，17-支承板，18-信号处理单元，18.1-位移信号处理器，18.2-稳压器，18.3-第一电位器，18.5-第二电位器，18.4-电路板，19-底盖，20-密封圈，21-壳体，22-顶盖，23-第一支撑柱，24-第二支撑柱，25-第三支撑柱。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明所述接触式三维跟踪扫描测头及使用方法和测量原理作进一步说明。

本实施例所述接触式三维跟踪扫描测头是三坐标测量机的一个部件，使用时安装在三坐标测量机上。

本实施例所述接触式的结构如图1所示，由运动单元、感测单元、限位单元、信号处理单元18及用于安装运动单元、感测单元、限位单元、信号处理单元的安装体系组成。

所述运动单元如图1、图3所示，包括探针1、下运动板2、下回复机构3、下固定片4、Z向传动机构5、X向传动机构6、Y向传动机构7、上运动板8、上回复机构9和上固定片10；探针1下端为球头1.1，下运动板2底面安装有与探针上端组合的磁体2.1；下回复机构3由第一“十字”形弹簧片3.2和两个第一簧片固定盖3.1组合而成，第一簧片固定盖3.1为环形盖，第一“十字”形弹簧片安装在两个第一簧片固定盖之间，其中心部位设置有通孔；上回复机构9由第二“十字”形弹簧片9.2和两个第二簧片固定盖9.1组合而成，第二簧片固定盖9.1为环形盖，第二“十字”形弹簧片安装在两个第二簧片固定盖之间，其中心部位设置有通孔；Z向传动机构5由第一固定座5.1、第一弹性钢丝5.2、第一运动杆5.3和第一杆接头5.4组成，X向传动机构6由第二固定座6.1、第二弹性钢丝6.2、第二运动杆6.3和第二杆接头6.4组成，Y向传动机构7由第三固定座7.1、第三弹性钢丝7.2、第三运动杆7.3和第三杆接头7.4组成。

所述感测单元如图1、图3所示，由Z向直线位移传感器11、X向直线位移传感器12和Y向直线位移传感器13组成，三个直线位移传感器均为市售商品，其传感形式为LVDT电感式直线位移传感器。Z向直线位移传感器的型号为马可罗公司的CD375-050，X、Y向直线位移传感器型号为TE公司的MHR-010。

所述限位单元如图1、图6、图7、图8所示，由Z向限位传感机构14、X向限位传感机构15和Y向限位传感机构16组成；述Z向限位传感机构14由绝缘块14.1、第一限位簧片14.2和第一限位触点14.3组成，所述X向限位传感机构15和Y向限位传感机构16由绝缘环15.1、第二限位簧片15.2、第三限位簧片15.3、触点安装片15.4、第二限位触点15.5、连接座15.6、固定帽15.7和第三限位触点16.1组成。

所述信号处理单元18如图1、图13所示，包括位移信号处理器18.1、稳压器18.2、第一电位器18.3、第二电位器18.5和电路板18.4，位移信号处理器、第一电位器、第二电位器均为三个，位移信号处理器18.1、稳压器18.2、第一电位器18.3、第二电位器18.5均为市售商品，位移信号处理器18.1的型号规格AD698，第一电位器18.3的型号规格WSW3-3，第二电位器18.5的型号规格WSW3-3，稳压器18.2由稳压范围在+15V和-15V的两个型号为PQ30RV21的稳压器组成。

所述安装体系如图1所示，包括壳体21、顶盖22、底盖19、密封圈20、第一支撑柱23、第二支撑柱24、第三支撑柱25和支承板17，第一支撑柱23为四根，第二支撑柱24和第三支撑柱25的数量与第一支撑柱的数量相同，壳体21为圆筒体，底盖19中心部位设置有供运动单元中的探针1通过的中心孔，第一支撑柱23、第二支撑柱24和第三支撑柱25均为螺柱。

上述构件和器件的安装组合方式如下：

如图1所示，所述底盖19与壳体21下端螺纹连接，所述密封圈20位于底盖19与壳体21下端的接触面之间；四根第一支撑柱23环绕下回复机构3周边均匀分布，它们的下端分别与下回复机构3和底盖周边螺纹连接，将下回复机构3可拆卸式地固定在底盖19上，它们的上端分别与上回复机构9周边螺纹连接，将上回复机构9可拆卸式固定在第一支撑柱23上；四根第二支撑柱24环绕上回复机构9周边均匀分布，它们的下端分别与上回复机构9周边螺纹连接，它们的上端分别与支承板17周边螺纹连接，将支承板17可拆卸式固定在第二支撑柱24上；四根第三支撑柱25环绕支承板17周边均匀分布，它们的下端分别与支承板17周边螺纹连接，它们的上端分别与所述电路板18.4周边螺纹连接，将电路板18.4可拆卸式固定在第三支撑柱25上。

如图1、图3、图6所示，所述下运动板2、下固定片4分别位于下回复机构3的顶面和底面，并与下回复机构中的第一“十字”形弹簧片3.2连接；所述上运动板8、上固定片10分别位于上回复机构9的底面和顶面，并与上回复机构中的第二“十字”形弹簧片9.2连接。

如图2、图3、图4所示，以下运动板2的中心为原点建立三维直角坐标系，所述Z向传动机构5中各构件的安装组合方式：第一固定座5.1安装在下运动板2顶面，其中心线与三维直角坐标系的Z轴重合，第一弹性钢丝5.2固定在第一固定座上，第一运动杆5.3的下端与第一弹性钢丝连接、上端与第一杆接头下端连接，第一杆接头5.4的上端用于与上运动板8和感测单元中Z向直线位移传感器11的动体连接，组合时应使第一弹性钢丝5.2、第一运动杆5.3和第一杆接头5.4的中心线与第一固定座5.1的中心线重合；所述X向传动机构6中各构件的安装组合方式：第二固定座6.1安装在下运动板2顶面，其中心线与第一固定座5.1的中心线平行并与直角坐标系的X轴相交，且第二固定座6.1的中心线距三维直角坐标系原点的距离为D mm，第二弹性钢丝6.2固定在第二固定座上，第二运动杆6.3的下端与第二弹性钢丝连接、上端与第二杆接头6.4下端连接，第二杆接头6.4的上端用于与感测单元中X向直线位移传感器12的动体连接，组合时应使第二弹性钢丝6.2、第二运动杆6.3和第二杆接头6.4的中心线与第二固定座6.1的中心线重合；所述Y向传动机构7中各构件的安装组合方式：第三固定座7.1安装在下运动板2顶面，其中心线与第一固定座5.1的中心线平行并与直角坐标系的Y轴相交，且第三固定座7.1的中心线距三维直角坐标系原点的距离同样为D mm，第三弹性钢丝7.2固定在第三固定座上，第三运动杆7.3的下端与第三弹性钢丝连接、上端与第三杆接头7.4下端连接，第三杆接头7.4的上端用于与感测单元中Y向直线位移传感器13的动体连接，组合时应使第三弹性钢丝7.2、第三运动杆7.3和第三杆接头7.4的中心线与第三固定座7.1的中心线重合。

如图1、图3所示，所述Z向直线位移传感器11安装在所述支承板17上，安装位置应使其中心线与Z向传动机构5的中心线重合，Z向直线位移传感器的动体与Z向传动机构中第一杆接头5.4的上端连接；所述X向直线位移传感器12安装在上运动板8上，安装位置应使其中心线与X向传动机构6的中心线重合，X向直线位移传感器的动体与X向传动机构中第二杆接头6.4上端连接；所述Y向直线位移传感器13安装在上运动板8上，安装位置应使其中心线与Y向传动机构7的中心线重合，Y向直线位移传感器的动体与Y向传动机构中第三杆接头7.4的上端连接。

如图1、图5所示，所述探针的上端通过磁力吸附作用与下运动板2底面连接，连接位置应使其中心线与Z向传动机构5的中心线重合，探针下端穿过底盖19的中心孔伸出，位于所述壳体21之外。

所述Z向限位传感机构14中各构件的安装组合方式如图6所示：绝缘块14.1安装在上回复机构9顶面的周边，第一限位触点14.3安装在上固定片10顶面，第一限位簧片14.2为条状簧片，其一端安装在绝缘块上，其悬臂端位于第一限位触点14.3上方，第一限位簧片悬臂端底面与第一限位触点之间的间距为探针球头1.1向上运动的限定量程；所述X向限位传感机构15和Y轴限位传感机构16中各构件的安装组合方式如图7、图8所示：第二限位簧片15.2、第三限位簧片15.3和触点安装片15.4均为两条臂形成的“L”形片体，其两臂相交部位设置有与Z向传动机构组合的套装孔；连接座15.6安装在上运动板8底面并套装在Z向传动机构的第一运动杆5.3上，第二限位簧片15.2、触点安装片15.4、第三限位簧片15.3从上至下依次套装在Z向传动机构的第一运动杆5.3上；绝缘环15.1为两个，套装在Z向传动机构的第一运动杆5.3上，并分别位于第二限位簧片15.2与触点安装片15.4之间、触点安装片15.4与第三限位簧片15.3之间；固定帽15.7套装在Z向传动机构的第一运动杆5.3上，其上端与第三限位簧片15.3接触，通过螺钉紧固将第三限位簧片15.3、触点安装片15.4、第二限位簧片15.2及绝缘环15.1固定；触点安装片15.4的一条臂端部与X向传动机构的第二运动杆6.3连接，另一条臂端部与Y向传动机构的第三运动杆7.3连接，第二限位触点15.5安装在触点安装片15.4与X向传动机构的第二运动杆6.3连接的臂上，并位于第二限位簧片15.2与第三限位簧片15.3之间，第三限位触点16.1安装在触点安装片15.4与Y向传动机构的第三运动杆7.3连接的臂上，并位于第二限位簧片15.2与第三限位簧片15.3之间，第二限位簧片15.2底面与第二限位触点15.5、第三限位触点16.1之间的间距为探针球头向X轴或Y轴的正向扭转的限定量程；第三限位簧片15.3顶面与第二限位触点15.5、第三限位触点16.1之间的间距为探针球头向X轴或Y轴的负向扭转的限定量程。

如图13所示，所述位移信号处理器18.1、稳压器18.2、第一电位器18.3和第二电位器18.5安装在电路板18.4上；稳压器18.2用于将提供给三个位移信号处理器18.1的电压稳定在所设置的范围内；三个第一电位器18.3分别用于调节三个位移信号处理器18.1的放大倍率，三个第二电位器18.5分别用于调节三个位移信号处理器18.1的电压偏置；三个位移信号处理器18.1分别用于向Z向直线位移传感器11、X向直线位移传感器12、Y向直线位移传感器13提供启动激励信号，并分别将来自Z向直线位移传感器11、X向直线位移传感器12、Y向直线位移传感器13的标志被测工件表面参数的位移电信号转化为线性电压差信号传送给三坐标测量机的处理系统。

所述顶盖22安装在壳体上端，并与壳体上端螺纹连接。

本实施例所述接触式三维跟踪扫描测头的外形尺寸：外径φ35mm，长80mm(不含探针)。

本实施例所述接触式三维跟踪扫描测头的使用方法如下：使用时，将该测头安装在三座标机上，并将该测头中信号处理单元的三个位移信号处理器18.1的信号输出端分别与三坐标测量机的处理系统电连接，将该测头中限位单元的第一限位触点14.3、第二限位触点15.5和第三限位触点16.1分别与三坐标测量机的控制系统电连接。该测头在三坐标测量机牵引下，通过探针球头1.1对被测工件表面来回扫描，并将检测到的标志被测工件表面参数的位移电信号转化为线性电压差信号传送给三坐标测量机。当探针球头1.1超过限定的量程时(第一限位簧片14.2底面与第一限位触点14.3接触，第二限位簧片15.2底面与第二限位触点15.5、第三限位触点16.1接触或第三限位簧片15.3顶面与第二限位触点15.5、第三限位触点16.1接触)，三坐标测量机控制系统即制动，使测头停止扫描。

本实施例所述接触式三维跟踪扫描测头的测量原理如下：如图9、10所示，在对被测工件表面扫描的工程中，探针球头1.1会产生沿Z向的位移和X向或Y向的扭转运动(在回复机构中十字弹簧片的作用下最终能回到初始位置)。当探针球头1.1产生沿Z向的位移时，从图12可知，能得到S3＝Z的几何关系式，式中，S3代表探针球头产生的Z向位移量，Z代表Z向传动机构5产生的沿Z向直线位移传感器11轴线方向的位移量；直线位移传感器11感知位移量Z，并将其转换成电信号传送给对应的一个位移信号处理器18.1。当探针球头1.1产生X向或Y向的扭转运动时，从图11可以看出，能得到S1/L＝X/D或S2/L＝Y/D的几何关系式，式中，D代表X向传动机构6或Y向传动机构7的中心线与下运动板2中心线之间的距离，L代表探针球头1.1与下运动板2之间的距离，S1代表探针球头1.1产生的X向位移量，X代表X向传动机构6产生的沿X向直线位移传感器12轴线方向的位移量，S2代表探针球头1.1产生的Y向位移量，Y代表Y向传动机构7产生的沿Y向直线位移传感器13轴线方向的位移量；X向直线位移传感器12感知位移量X、Y向直线位移传感器13感知位移量Y，并分别将它们转换成电信号传送给对应的一个位移信号处理器18.1。

Claims (10)

1.一种接触式三维跟踪扫描测头，其特征在于由运动单元、感测单元、限位单元、信号处理单元(18)及用于安装运动单元、感测单元、限位单元、信号处理单元的安装体系组成；

所述运动单元包括探针(1)、下运动板(2)、下回复机构(3)、下固定片(4)、Z向传动机构(5)、X向传动机构(6)、Y向传动机构(7)、上运动板(8)、上回复机构(9)和上固定片(10)，下回复机构(3)和上回复机构(9)均含有弹性件；

所述感测单元由Z向直线位移传感器(11)、X向直线位移传感器(12)和Y向直线位移传感器(13)组成；

所述限位单元由Z向限位传感机构(14)、X向限位传感机构(15)和Y向限位传感机构(16)组成；

所述信号处理单元(18)包括位移信号处理器(18.1)和电路板(18.4)；

所述安装体系包括壳体(21)、顶盖(22)、底盖(19)、第一支撑柱(23)、第二支撑柱(24)、第三支撑柱(25)和支承板(17)，第一支撑柱(23)至少为三根，第二支撑柱(24)和第三支撑柱(25)的数量与第一支撑柱的数量相同，底盖(19)中心部位设置有供运动单元中的探针(1)通过的中心孔；

所述底盖(19)与壳体(21)下端可拆卸连接；各根第一支撑柱(23)下端分别与下回复机构(3)和底盖周边组合，将下回复机构(3)可拆卸式地固定在底盖(19)上，各根第一支撑柱(23)上端分别与上回复机构(9)周边连接，将上回复机构(9)可拆卸式固定在第一支撑柱(23)上；各根第二支撑柱(24)下端分别与上回复机构(9)周边连接，各根第二支撑柱(24)上端分别与支承板(17)周边连接，将支承板(17)可拆卸式固定在第二支撑柱(24)上；各根第三支撑柱(25)下端分别与支承板(17)周边连接，各根第三支撑柱(25)上端分别与所述电路板(18.4)周边连接，将电路板(18.4)可拆卸式固定在第三支撑柱(25)上；

所述下运动板(2)、下固定片(4)分别位于下回复机构(3)的顶面和底面，并与下回复机构(3)所含的弹性件连接；所述上运动板(8)、上固定片(10)分别位于上回复机构(9)的底面和顶面，并与上回复机构(9)所含的弹性件连接；以下运动板(2)的中心为原点建立三维直角坐标系，所述Z向传动机构(5)安装在下运动板(2)的顶面，其中心线与三维直角坐标系的Z轴重合，其上端与上运动板(8)连接；所述X向传动机构(6)安装在下运动板(2)顶面，其中心线与Z向传动机构(5)的中心线平行并与直角坐标系的X轴相交；所述Y向传动机构(7)安装在下运动板(2)顶面，其中心线与Z向传动机构(5)的中心线平行并与直角坐标系的Y轴相交，且该中心线距直角坐标系原点的距离与X向传动机构(6)的中心线距直角坐标系原点的距离相等；

所述Z向直线位移传感器(11)安装在所述支承板(17)上，安装位置应使其中心线与Z向传动机构(5)的中心线重合，Z向直线位移传感器的动体与Z向传动机构(5)上端连接；所述X向直线位移传感器(12)安装在上运动板(8)上，安装位置应使其中心线与X向传动机构(6)的中心线重合，X向直线位移传感器的动体与X向传动机构(6)上端连接；所述Y向直线位移传感器(13)安装在上运动板(8)上，安装位置应使其中心线与Y向传动机构(7)的中心线重合，Y向直线位移传感器的动体与Y向传动机构(7)的上端连接；

所述Z向限位传感机构(14)安装在上回复机构(9)和上固定片(10)上，所述X向限位传感机构(15)安装在上运动板(8)和X向传动机构(6)上，所述Y轴限位传感机构(16)在上运动板(8)和Y向传动机构(7)上；

所述探针(1)下端为球头(1.1)，探针的上端通过磁力吸附作用与下运动板(2)底面连接，连接位置应使其中心线与Z向传动机构(5)的中心线重合，探针下端穿过底盖(19)的中心孔伸出，位于所述壳体(21)之外；

所述位移信号处理器(18.1)安装在电路板(18.4)上；位移信号处理器(18.1)用于向Z向直线位移传感器(11)、X向直线位移传感器(12)、Y向直线位移传感器(13)提供启动激励信号，并将来自Z向直线位移传感器(11)、X向直线位移传感器(12)、Y向直线位移传感器(13)的标志被测工件表面参数的位移电信号转化为线性电压差信号传送给三坐标测量机或数控加工中心的处理系统；

所述顶盖(22)安装在壳体上端，并与壳体上端可拆卸连接。

2.根据权利要求1所述接触式三维跟踪扫描测头，其特征在于所述下回复机构(3)含的弹性件为第一“十字”形弹簧片(3.2)，下回复机构由第一“十字”形弹簧片(3.2)和两个第一簧片固定盖(3.1)组合而成，第一“十字”形弹簧片安装在两个第一簧片固定盖之间，其中心部位设置有通孔；上回复机构(9)含的弹性件为第二“十字”形弹簧片(9.2)，上回复机构由第二“十字”形弹簧片(9.2)和两个第二簧片固定盖(9.1)组合而成，第二“十字”形弹簧片安装在两个第二簧片固定盖之间，其中心部位设置有通孔。

3.根据权利要求1或2所述接触式三维跟踪扫描测头，其特征在于所述Z向传动机构(5)由第一固定座(5.1)、第一弹性钢丝(5.2)、第一运动杆(5.3)和第一杆接头(5.4)组成，第一固定座(5.1)安装在下运动板(2)顶面，其中心线与三维直角坐标系的Z轴重合，第一弹性钢丝(5.2)固定在第一固定座上，第一运动杆(5.3)的下端与第一弹性钢丝连接、上端与第一杆接头下端连接，第一杆接头(5.4)的上端用于与上运动板(8)和感测单元中Z向直线位移传感器(11)的动体连接，组合时应使第一弹性钢丝(5.2)、第一运动杆(5.3)和第一杆接头(5.4)的中心线与第一固定座(5.1)的中心线重合；

所述X向传动机构(6)由第二固定座(6.1)、第二弹性钢丝(6.2)、第二运动杆(6.3)和第二杆接头(6.4)组成，第二固定座安装在下运动板(2)顶面，其中心线与第一固定座(5.1)的中心线平行并与直角坐标系的X轴相交，第二弹性钢丝(6.2)固定在第二固定座上，第二运动杆(6.3)的下端与第二弹性钢丝连接、上端与第二杆接头下端连接，第二杆接头(6.4)的上端用于与感测单元中X向直线位移传感器(12)的动体连接，组合时应使第二弹性钢丝(6.2)、第二运动杆(6.3)和第二杆接头(6.4)的中心线与第二固定座(6.1)的中心线重合；

所述Y向传动机构(7)由第三固定座(7.1)、第三弹性钢丝(7.2)、第三运动杆(7.3)和第三杆接头(7.4)组成，第三固定座(7.1)安装在下运动板(2)顶面，其中心线与第一固定座(5.1)的中心线平行并与直角坐标系的Y轴相交，且第三固定座(7.1)的中心线距直角坐标系原点的距离与第二固定座(6.1)的中心线距直角坐标系原点的距离相等，第三弹性钢丝(7.2)固定在第三固定座上，第三运动杆(7.3)的下端与第三弹性钢丝连接、上端与第三杆接头下端连接，第三杆接头(7.4)的上端用于与感测单元中Y向直线位移传感器(13)的动体连接，组合时应使第三弹性钢丝(7.2)、第三运动杆(7.3)和第三杆接头(7.4)的中心线与第三固定座(7.1)的中心线重合。

4.根据权利要求1或2所述接触式三维跟踪扫描测头，其特征在于所述Z向限位传感机构(14)由绝缘块(14.1)、第一限位簧片(14.2)和第一限位触点(14.3)组成，绝缘块(14.1)安装在上回复机构(9)顶面的周边，第一限位触点(14.3)安装在上固定片(10)顶面，第一限位簧片(14.2)为条状簧片，其一端安装在绝缘块上，其悬臂端位于第一限位触点(14.3)上方；

所述X向限位传感机构(15)和Y向限位传感机构(16)由绝缘环(15.1)、第二限位簧片(15.2)、第三限位簧片(15.3)、触点安装片(15.4)、第二限位触点(15.5)、连接座(15.6)、固定帽(15.7)和第三限位触点(16.1)组成，第二限位簧片(15.2)、第三限位簧片(15.3)、和触点安装片(15.4)均为两条臂形成的“L”形片体，其两臂相交部位设置有与Z向传动机构组合的套装孔；连接座(15.6)安装在上运动板(8)底面并套装在Z向传动机构(5)上，第二限位簧片(15.2)、触点安装片(15.4)、第三限位簧片(15.3)从上至下依次套装在Z向传动机构上；绝缘环(15.1)为两个，套装在Z向传动机构(5)上，并分别位于第二限位簧片(15.2)与触点安装片(15.4)之间、触点安装片(15.4)与第三限位簧片(15.3)之间；固定帽(15.7)套装在Z向传动机构(5)上，其上端与第三限位簧片(15.3)接触，通过螺钉紧固将第三限位簧片(15.3)、触点安装片(15.4)、第二限位簧片(15.2)及绝缘环(15.1)固定；触点安装片(15.4)的一条臂端部与X向传动机构(6)连接，另一条臂端部与Y向传动机构(7)连接，第二限位触点(15.5)安装在触点安装片(15.4)与X向传动机构(6)连接的臂上，并位于第二限位簧片(15.2)与第三限位簧片(15.3)之间，第三限位触点(16.1)安装在触点安装片(15.4)与Y向传动机构(7)连接的臂上，并位于第二限位簧片(15.2)与第三限位簧片(15.3)之间；

使用时所述第一限位触点(14.3)、第二限位触点(15.5)和第三限位触点(16.1)分别与三坐标测量机或数控加工中心的控制系统电连接。

5.根据权利要求3所述接触式三维跟踪扫描测头，其特征在于所述Z向限位传感机构(14)由绝缘块(14.1)、第一限位簧片(14.2)和第一限位触点(14.3)组成，绝缘块(14.1)安装在上回复机构(9)顶面的周边，第一限位触点(14.3)安装在上固定片(10)顶面，第一限位簧片(14.2)为条状簧片，其一端安装在绝缘块上，其悬臂端位于第一限位触点(14.3)上方；

所述X向限位传感机构(15)和Y向限位传感机构(16)由绝缘环(15.1)、第二限位簧片(15.2)、第三限位簧片(15.3)、触点安装片(15.4)第二限位触点(15.5)、连接座(15.6)、固定帽(15.7)和第三限位触点(16.1)组成，第二限位簧片(15.2)、第三限位簧片(15.3)和触点安装片(15.4)均为两条臂形成的“L”形片体，其两臂相交部位设置有与Z向传动机构组合的套装孔；连接座(15.6)安装在上运动板(8)底面并套装在Z向传动机构的第一运动杆(5.3)上，第二限位簧片(15.2)、触点安装片(15.4)、第三限位簧片(15.3)从上至下依次套装在Z向传动机构的第一运动杆(5.3)上；绝缘环(15.1)为两个，套装在Z向传动机构的第一运动杆(5.3)上，并分别位于第二限位簧片(15.2)与触点安装片(15.4)之间、触点安装片(15.4)与第三限位簧片(15.3)之间；固定帽(15.7)套装在Z向传动机构的第一运动杆(5.3)上，其上端与第三限位簧片(15.3)接触，通过螺钉紧固将第三限位簧片(15.3)、触点安装片(15.4)、第二限位簧片(15.2)及绝缘环(15.1)固定；触点安装片(15.4)的一条臂端部与X向传动机构的第二运动杆(6.3)连接，另一条臂端部与Y向传动机构的第三运动杆(7.3)连接，第二限位触点(15.5)安装在触点安装片(15.4)与X向传动机构的第二运动杆(6.3)连接的臂上，并位于第二限位簧片(15.2)与第三限位簧片(15.3)之间，第三限位触点(16.1)安装在触点安装片(15.4)与Y向传动机构的第三运动杆(7.3)连接的臂上，并位于第二限位簧片(15.2)与第三限位簧片(15.3)之间；

使用时所述第一限位触点(14.3)、第二限位触点(15.5)和第三限位触点(16.1)分别与三坐标测量机或数控加工中心的控制系统电连接。

6.根据权利要求1或2所述接触式三维跟踪扫描测头，其特征在于所述信号处理单元(18)还包括稳压器(18.2)、第一电位器(18.3)和第二电位器(18.5)，且所述位移信号处理器(18.1)、第一电位器、第二电位器均为三个；

稳压器(18.2)、第一电位器(18.3)和第二电位器(18.5)安装在电路板(18.4)上；稳压器(18.2)用于将提供给三个位移信号处理器(18.1)的电压稳定在所设置的范围内；三个第一电位器(18.3)分别用于调节三个位移信号处理器(18.1)的放大倍率，三个第二电位器(18.5)分别用于调节三个位移信号处理器(18.1)的电压偏置；三个位移信号处理器(18.1)分别用于向Z向直线位移传感器(11)、X向直线位移传感器(12)、Y向直线位移传感器(13)提供启动激励信号，并分别将来自Z向直线位移传感器(11)、X向直线位移传感器(12)、Y向直线位移传感器(13)的标志被测工件表面参数的位移电信号转化为线性电压差信号传送给三坐标测量机或数控加工中心的处理系统。

7.根据权利要求1或2所述接触式三维跟踪扫描测头，其特征在于所述安装体系还包括密封圈(20)，所述密封圈(20)位于底盖(19)与壳体(21)下端的接触面之间。

8.根据权利要求3所述接触式三维跟踪扫描测头，其特征在于所述安装体系还包括密封圈(20)，所述密封圈(20)位于底盖(19)与壳体(21)下端的接触面之间。

9.根据权利要求4所述接触式三维跟踪扫描测头，其特征在于所述安装体系还包括密封圈(20)，所述密封圈(20)位于底盖(19)与壳体(21)下端的接触面之间。

10.根据权利要求5所述接触式三维跟踪扫描测头，其特征在于所述安装体系还包括密封圈(20)，所述密封圈(20)位于底盖(19)与壳体(21)下端的接触面之间。