CN110095050A - 一种三角梁柔性约束变刚度微纳测头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种三角梁柔性约束变刚度微纳测头，包括动平台，动平台呈圆台状，动平台的一侧安装有测量组件，测量组件通过测量支撑结构与动平台连接，测量支撑结构的中心与测量组件的圆心同轴，测量支撑结构上固定安装有若干反射片，动平台的另一侧安装有若干与反射片相对应的干涉仪，动平台在于反射片相应的位置处分别设有贯穿孔；测量支撑结构的一端与测量组件连接，另一端通过柔性调节件与压电堆栈器连接，柔性调节件在动平台的下方呈正三角形分布；测量组件的顶部与动平台的底面之间具有间隙。本发明可通过调节压电堆栈器不同的工作状态，改变测量组件的刚度，可满足因测量过程、测量对象不同而对测量组件有不同刚度的需求。

Description

一种三角梁柔性约束变刚度微纳测头
技术领域
本发明涉及一种精密测量仪器，特别涉及一种三角梁柔性约束变刚度微纳测头。
背景技术
微系统技术的快速发展，各种微型精密元器件产品需求日益增大。测头是三坐标测量机的重要组成部分，三坐标测量机的总体测量精度在很大程度上取决于测头的测量性能。
当测头接触脆弱工件表面时，为避免测头在测量过程中划伤工件表面，要求测头支撑机构必须具有较低的刚度，而在测头主轴运动过程中，为保证测头系统的稳定性以避免误触发，需要增大谐振频率和提高动态反应，又要求测头支撑机构具有较高的刚度。
目前传统固定约束测头，一旦安装完成，刚度无法改变，其主要存在以下问题：
1、固定刚度测头无法调节刚度，不易实现刚度的各向同性；
2、低刚度测头在接近和远离工件时产生的惯性力易带来误触发；
3、低刚度测头工艺性较差，加工难度大，精度低；
4、低刚度测头在吸附和吸引过程中会对敏感弹性梁潜在的破坏；
5、高刚度测头在测量时易对被测工件表面造成损坏。
发明内容
为了解决上述现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种三角梁柔性约束变刚度微纳测头，该三角梁柔性约束变刚度微纳测头可通过调节压电堆栈器不同的工作状态，改变测量组件的刚度，可满足因测量过程、测量对象不同而对测量组件有不同刚度的需求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种三角梁柔性约束变刚度微纳测头，包括动平台，所述动平台呈圆台状，所述动平台的一侧安装有测量组件，所述测量组件通过测量支撑结构与所述动平台连接，所述测量支撑结构的中心与所述测量组件的圆心同轴，所述测量支撑结构上固定安装有若干反射片，所述动平台的另一侧安装有若干与所述反射片相对应的干涉仪，所述动平台在于所述反射片相应的位置处分别设有贯穿孔；
所述测量支撑结构的一端与所述测量组件连接，另一端通过柔性调节件与压电堆栈器连接，所述柔性调节件在所述动平台的下方呈正三角形分布；
所述测量组件的顶部与所述动平台的底面之间具有间隙。
可选的，所述测量组件包括测球、测杆以及中心体，所述测球通过所述测杆与所述中心体连接；
所述中心体通过所述测量支撑结构与所述动平台连接，并且所述中心体的顶部与所述动平台的底面之间具有所述间隙。
可选的，所述间隙的大小为0.5～0.7mm。
可选的，所述测量支撑结构包括若干悬架以及与所述中心体连接的连接片，所述悬架的一端与所述连接片一体成型，另一端与所述柔性调节件固定连接。
可选的，所述悬架的数量设有三个，三个所述悬架之间的夹角为120°。
可选的，所述柔性调节件包括约束支撑梁、柔顺导向组件以及柔性铰链串联机构，所述约束支撑梁的数量为三个，所述约束支撑梁的两端分别固定连接有一个所述柔性导向组件的一侧，所述柔顺导向组件的另一侧分别通过所述柔性铰链串联机构与所述压电堆栈器连接。
可选的，每个所述悬架远离所述中心体的端部分别与所述约束支撑梁的中部固定连接，并且所述悬架与所述约束支撑梁垂直分布。
可选的，所述柔顺导向组件为H型杆，并且所述柔顺导向组件的两端分别固定约束在所述动平台的表面上。
可选的，所述压电堆栈器通过柔性铰链串联机构与所述柔顺导向组件固定连接；
所述柔性铰链串联机构包括第一连接块以及分别设于所述第一连接块两端的连接头，所述连接头与所述第一连接块一体成型，并且所述连接头的厚度是所述第一连接块厚度的0.2～0.4倍。
可选的，所述动平台的制作材料为殷钢；所述中心体的制作材料为铝合金；所述悬架的制作材料为铝合金；所述测杆的制作为碳化钨；所述测球的制作材料为红宝石；所述约束支撑梁的制作材料为铍青铜材料；所述柔顺导向机构的制作材料为铍青铜；所述柔性铰链串联机构的制作材料为弹簧钢。
采用上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、本发明采用了呈三角形的柔性调节件结构，使得压电堆栈器提供的压力通过柔性调节件，只在柔性调节件的轴向有作用力，测量组件不会受到挤压力，解决了测量组件易出现偏移的问题；
2、本发明采用柔性铰链串联机构，通过将刚性运动副替换成柔性铰链，提高了系统的精度和分辨率；柔性铰链串联结构由于其整体式结构，减少了装配间隙和摩擦等因素，常常被应用于高精度微动平台；具体为通过一个压电堆栈器可同时对两个约束支撑梁施加压力，解决了约束支撑梁易受弯矩作用从而导致中心体平移的问题，空间排布合理，容易实现微型精密控制；
3、本发明可通过调节压电堆栈器不同的工作状态，改变测量组件的刚度，可满足因测量过程、测量对象不同而对测量组件有不同刚度的需求。
附图说明
图1是本发明的动平台的底面结构示意图；
图2是本发明的动平台的顶面结构示意图；
图3是本发明的测量组件的结构示意图；
图4是本发明的测量支撑结构的结构示意图；
图5是本发明的柔性铰链串联机构的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如图1、2所示，本发明公开了一种三角梁柔性约束变刚度微纳测头，包括动平台1，动平台1呈圆台状，动平台1的一侧安装有测量组件2，测量组件2通过测量支撑结构3与动平台1连接，测量支撑结构3的中心与测量组件2的圆心同轴，测量支撑结构3上固定安装有若干反射片4，动平台1的另一侧安装有若干与反射片4相对应的干涉仪5，动平台1在于反射片4相应的位置处分别设有贯穿孔101。在测量时，反射片4产生的偏转，分别被所对应的干涉仪5感测，从而检测中心体位姿变化来确定测头是否触发。在本实施例中，干涉仪5可例如为迈克尔逊干涉仪。在本实施例中，采用三个迈克尔逊干涉仪作为测量传感器，可以大幅度提高水平方向的测量分辨力。
在安装干涉仪5时，可在动平台1的顶面通过第三连接块12将干涉仪5安装就位。由此，第三连接块12可例如为三棱柱，并在三棱柱的三个侧面的同一高度的位置分别设有用于安装干涉仪5的支架13，干涉仪5分别固定安装在支架13中，并使干涉仪5的光出射口正对贯穿孔101，即干涉仪5的光出射孔与贯穿孔101的轴线共线设置。
在本实施例中，设置贯穿孔101时，贯穿孔101的大小以能够容纳反射片4为准，贯穿孔101的数量与反射片4的数量保持一致，即每个贯穿孔101只提供一个反射片4对干涉仪5的出射光进行反射。
测量支撑结构3的一端与测量组件2连接，另一端通过柔性调节件与压电堆栈器7连接，通过调节压电堆栈器7不同的工作状态，改变测量组件2的刚度，可满足因测量过程、测量对象不同而对测量组件2有不同刚度的需求。柔性调节件在动平台1的下方呈正三角形分布，在安装测量组件2时，保证测量组件2的顶部与动平台1的底面之间具有间隙，以便于在变刚度时，测量组件2能够适应各类刚度的测量环境，例如，该间隙的大小可例如为0.5～0.7mm。
具体地，如图3所示，在本实施例中，测量组件2包括测球201、测杆202以及中心体203，测球201通过测杆202与中心体203连接，中心体203通过测量支撑结构3与动平台1连接，并且中心体203的顶部与动平台1的底面之间具有上述间隙。其中，测杆202为阶梯测杆，其包括锥台段和圆柱段，锥台段的顶部与中心体203的底部通过环氧树脂胶连接，圆柱段的底部与测球201的顶部连接，锥台段与圆柱段一体成型。在本实施例中，中心体203可例如为球体结构。
在本实施例中，如图4所示，测量支撑结构3包括若干悬架301以及与中心体203连接的连接片302，悬架301的一端与连接片302一体成型，另一端与柔性调节件固定连接，连接片302的内侧面与中心体203的表面贴合并固定。其中，悬架301的数量设有三个，三个悬架301之间的夹角为120°。
在本实施例中，柔性调节件作为变刚度的关键部件，其包括约束支撑梁9、柔顺导向组件6以及柔性铰链串联机构8，约束支撑梁9的数量为三个，约束支撑梁9的两端分别固定连接有一个柔性导向组件6的一侧，柔顺导向组件6的另一侧分别通过柔性铰链串联机构8与压电堆栈器7连接，即在本实施例中，柔顺导向组件6设有六个，每两个柔顺导向组件6连接一个约束支撑梁9。其中，每个悬架301远离中心体203的端部分别与约束支撑梁9的中部固定连接，并且悬架301与约束支撑梁9垂直分布，通过该设置方式，使得本实施例的整体结构呈对称分布状态，提高了整体结构的稳定性。在本实施例中，柔顺导向组件6可例如为H型杆，并且柔顺导向组件6的两端分别固定约束在动平台1的表面上。
通过上述结构，在连接反射片4时，可将反射片4连接在约束支撑梁9与悬架301的连接处，从而使得反射片4相对处于悬浮状态，并且反射片4的反射面与干涉仪5相对设置。
在本实施例中，为了提高整体性，可将连接在同一个约束支撑梁9两端的柔顺导向组件6远离中心体203的一端通过第二连接块10与动平台1连接起来，并且固定在不同的约束支撑梁9端部且相邻的两个柔顺导向组件6靠近中心体203的一端通过连接环11与动平台1连接起来。
压电堆栈器7通过柔性铰链串联机构8与柔顺导向组件6固定连接。其中，如图5所示，柔性铰链串联机构8包括第一连接块801以及分别设于第一连接块801两端的连接头802，连接头802与第一连接块801一体成型，并且连接头802的厚度是第一连接块801厚度的0.2～0.4倍，在本实施例中，连接头802两侧向内凹陷，形成圆弧槽。其中，与柔顺导向组件6连接的连接头802与柔顺导向组件6的侧部一体成型，减少了装配间隙和摩擦等因素的影响。
在本实施例中，各个部件的制作材料如下：动平台1的制作材料为殷钢；中心体203的制作材料为铝合金；悬架301的制作材料为铝合金；测杆202的制作为碳化钨；测球201的制作材料为红宝石；约束支撑梁9的制作材料为铍青铜材料；柔顺导向机构6的制作材料为铍青铜；柔性铰链串联机构8的制作材料为弹簧钢。
本发明利用压电堆栈器7的压电效应，使约束支撑梁9发生形变，进而降低柔性调节件的刚度。本发明通过柔性铰链串联机构8和柔顺导向组件6使作用力只作用于约束支撑梁9末端，并且约束支撑梁9不会受到弯矩作用，以防中心体203偏移。具体的工作过程为：当测球201将要接近工件时，压电堆栈器7开始工作，约束支撑梁9两端受到压力作用刚度变小，进而使整个约束支撑机构的刚度减小；当测量过程完成时，压电堆栈器7不工作，柔性调节件的刚度增大，测球201恢复其初始刚度，可以克服测球201和被测工件之间的吸引力，快速离开待测器件表面。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
除说明书所述的技术特征外，其余技术特征为本领域技术人员的已知技术，为突出本发明的创新特点，其余技术特征在此不再赘述。

Claims (10)

1.一种三角梁柔性约束变刚度微纳测头，其特征在于，包括动平台(1)，所述动平台(1)呈圆台状，所述动平台(1)的一侧安装有测量组件(2)，所述测量组件(2)通过测量支撑结构(3)与所述动平台(1)连接，所述测量支撑结构(3)的中心与所述测量组件(2)的圆心同轴，所述测量支撑结构(3)上固定安装有若干反射片(4)，所述动平台(1)的另一侧安装有若干与所述反射片(4)相对应的干涉仪(5)，所述动平台(1)在于所述反射片(4)相应的位置处分别设有贯穿孔(101)；
所述测量支撑结构(3)的一端与所述测量组件(2)连接，另一端通过柔性调节件与压电堆栈器(7)连接，所述柔性调节件在所述动平台(1)的下方呈正三角形分布；
所述测量组件(2)的顶部与所述动平台(1)的底面之间具有间隙。
2.根据权利要求1所述的三角梁柔性约束变刚度微纳测头，其特征在于，所述测量组件(2)包括测球(201)、测杆(202)以及中心体(203)，所述测球(201)通过所述测杆(202)与所述中心体(203)连接；
所述中心体(203)通过所述测量支撑结构(3)与所述动平台(1)连接，并且所述中心体(203)的顶部与所述动平台(1)的底面之间具有所述间隙。
3.根据权利要求2所述的三角梁柔性约束变刚度微纳测头，其特征在于，所述间隙的大小为0.5～0.7mm。
4.根据权利要求3所述的三角梁柔性约束变刚度微纳测头，其特征在于，所述测量支撑结构(3)包括若干悬架(301)以及与所述中心体(203)连接的连接片(302)，所述悬架(301)的一端与所述连接片(302)一体成型，另一端与所述柔性调节件固定连接。
5.根据权利要求4所述的三角梁柔性约束变刚度微纳测头，其特征在于，所述悬架(301)的数量设有三个，三个所述悬架(301)之间的夹角为120°。
6.根据权利要求5所述的三角梁柔性约束变刚度微纳测头，其特征在于，所述柔性调节件包括约束支撑梁(9)、柔顺导向组件(6)以及柔性铰链串联机构(8)，所述约束支撑梁(9)的数量为三个，所述约束支撑梁(9)的两端分别固定连接有一个所述柔性导向组件(6)的一侧，所述柔顺导向组件(6)的另一侧分别通过所述柔性铰链串联机构(8)与所述压电堆栈器(7)连接。
7.根据权利要求6所述的三角梁柔性约束变刚度微纳测头，其特征在于，每个所述悬架(301)远离所述中心体(203)的端部分别与所述约束支撑梁(9)的中部固定连接，并且所述悬架(301)与所述约束支撑梁(9)垂直分布。
8.根据权利要求7所述的三角梁柔性约束变刚度微纳测头，其特征在于，所述柔顺导向组件(6)为H型杆，并且所述柔顺导向组件(6)的两端分别固定约束在所述动平台(1)的表面上。
9.根据权利要求8所述的三角梁柔性约束变刚度微纳测头，其特征在于，所述压电堆栈器(7)通过柔性铰链串联机构(8)与所述柔顺导向组件(6)固定连接；
所述柔性铰链串联机构(8)包括第一连接块(801)以及分别设于所述第一连接块(801)两端的连接头(802)，所述连接头(802)与所述第一连接块(801)一体成型，并且所述连接头(802)的厚度是所述第一连接块(801)厚度的0.2～0.4倍。
10.根据权利要求9所述的三角梁柔性约束变刚度微纳测头，其特征在于，所述动平台(1)的制作材料为殷钢；所述中心体(203)的制作材料为铝合金；所述悬架(301)的制作材料为铝合金；所述测杆(202)的制作为碳化钨；所述测球(201)的制作材料为红宝石；所述约束支撑梁(9)的制作材料为铍青铜材料；所述柔顺导向机构(6)的制作材料为铍青铜；所述柔性铰链串联机构(8)的制作材料为弹簧钢。
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