CN111854662B - 一种单压电并联同步驱动的变刚度测头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单压电并联同步驱动的变刚度测头，三维柔顺支撑机构包括第一连接板，第一连接板上沿周向呈辐条状均布分布有至少三个连接臂，每个连接臂的上端面对应连接有柔性铰链，每个连接臂的下端面对应连接有爪臂，且每个爪臂均向内倾斜；固定板被固定，且第一连接板、固定板和第二连接板依次从上至下平行设置，压电陶瓷连接在第一连接板和固定板之间；每个柔性铰链的上端面被固定，每个爪臂的下端面对应连接有一个约束臂；每个位移臂的上方对应设置有非接触传感器。本发明结构相对简单、测量系统复杂性低，单压电并联驱动模式解决了多压电驱动导致的非线性误差和驱动时滞，并联爪臂末端位姿调整的实时同步保证了测头刚度的各向同性调节。

Description

一种单压电并联同步驱动的变刚度测头
技术领域
本发明是属于精密测量仪器技术领域，具体涉及一种单压电并联同步驱动的变刚度测头。
背景技术
测头是三坐标测量机的核心部件。随着微纳元器件在航空航天、导弹等高端装备领域和手机等民用领域的应用越来越广泛，具有微纳级测量精度的测头在精密测量领域中的作用越来越重要。
测头通过测针与被测元器件的接触而产生微小的相互作用力，测针变形使测头产生相应的输出信号。在连续的扫描测量中，元器件的形貌特征反映为一段连续变化的输出信号，从而逆向获得元器件形貌。在这一过程中，测头的刚度决定着测量的精度。一方面，测头刚度反映了与被测元件间的作用力大小，作用力越大，则对元器件表面的破坏性越大，而且同时产生的表面阻力越大；另一方面，刚度也决定了测头的固有频率。在大批量件的测量任务中，更高的固频意味着更好的动态响应，从而可以获得更高的扫描速度和测量效率。而低固频下的高速扫描由于引入了由共振引起的测量误差而导致测量精度大幅下降。
现有的测头多为单一刚度的测量形式，从而使测头在测量力调节、高低速匹配等技术应用层面受到极大限制。变刚度测头通过对测头形变机构的刚度调节，解决了这一问题。现有的典型的变刚度测头比如专利《一种三角梁柔性约束变刚度微纳测头》(申请号：201910319094.1)，专利《一种变刚度并联柔性约束微纳测头》(申请号：201610513796.X)所述，其采用二维柔顺机构作为测头支撑机构，利用三组以上独立的压电陶瓷驱动支撑机构产生形变，从而使测头刚度变化。其中的问题在于，压电陶瓷固有的电压-位移非线性特征使得三组以上压电陶瓷之间不可避免地产生位移差异和时滞，从而导致较为严重的测针偏心、刚度各向异性等新的问题。
发明内容
针对现有技术中的技术问题，本发明提供了一种单压电并联同步驱动的变刚度测头，结构相对简单、测量系统复杂性低，单压电并联驱动模式解决了多压电驱动导致的非线性误差、驱动时滞等技术问题，并联爪臂末端位姿调整的实时同步保证了测头刚度的各向同性调节。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种单压电并联同步驱动的变刚度测头，包括三维柔顺支撑机构、固定板、线弹性形变机构、测针、非接触传感器和压电陶瓷；
所述三维柔顺支撑机构包括第一连接板，所述第一连接板上沿周向呈辐条状均布分布有至少三个连接臂，每个所述连接臂的上端面对应连接有柔性铰链，每个所述连接臂的下端面对应连接有爪臂，且每个所述爪臂均向内倾斜；
所述线弹性形变机构包括第二连接板，所述第二连接板上沿周向呈辐条状均布分布有约束臂和位移臂，所述约束臂和所述位移臂交替分布，且所述约束臂和所述位移臂的数量分别与所述连接臂数量相同，所述第二连接板的下端面连接有所述测针；
所述固定板被固定，且所述第一连接板、所述固定板和所述第二连接板依次从上至下平行设置，所述压电陶瓷连接在所述第一连接板和所述固定板之间；每个所述柔性铰链的上端面被固定，每个所述爪臂的下端面对应连接有一个所述约束臂；每个所述位移臂的上方对应设置有所述非接触传感器。
进一步地，每个所述爪臂与其对应连接的所述连接臂之间的夹角为10°～45°。
进一步地，变刚度测头还包括柱筒和设置在柱筒上方的端盖，所述固定板固定连接在所述柱筒内，每个所述柔性铰链的上端面与所述端盖固定连接。
进一步地，变刚度测头还包括刚性约束块，所述刚性约束块的上端面开设有凹止口；每个所述约束臂的端部设置有与所述凹止口配合的凸止口，所述凸止口与所述凹止口配合后，所述刚性约束块与所述爪臂的下端面连接。
进一步地，所述第一连接板的下端面中心开设有第一约束孔，所述固定板的上端面中心开设有第二约束孔，所述第一约束孔和所述第二约束孔的轴线重合，所述压电陶瓷的一端位于所述第一约束孔内，另一端位于所述第二约束孔内。
进一步地，所述第二连接板的下端面中心开设有安装孔，所述安装孔的轴线与所述第二约束孔的轴线重合，所述测针的一端与所述安装孔配合连接。
进一步地，所述第一连接板上沿周向呈辐条状均布分布有三个连接臂。
进一步地，所述非接触传感器与所述固定板的下端面固定连接。
进一步地，所述线弹性形变机构采用铍青铜制作，且所述第二连接板、所述约束臂和所述位移臂为一体制作。
进一步地，所述固定板的刚度大于所述三维柔顺支撑机构的刚度。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明提供的一种单压电并联同步驱动的变刚度测头，压电陶瓷由电压驱动后，三维柔顺支撑机构的压电端面受力产生向上的位移形变，从而带动均布的爪臂产生向上、向内的位移形变。在压杆失稳原理的作用下，测头线弹性形变机构的约束臂产生弹性范围内的压杆失稳现象，即弯曲。爪臂向上的位移分量所具有的导向作用，使约束臂产生沿特定方向的弯曲，即凹形弯曲，从而改变了线弹性形变机构的整体刚度。在连续电压变化下，爪臂位移带动线弹性形变机构产生连续的弯曲变化，从而实现测头的连续变刚度。在变刚度下，测头的固有频率、测针端接触力也发生连续的改变。根据具体测量对象、测量任务的要求，通过设定不同的驱动电压，即可匹配具有相应刚度的测头模式。相较于背景技术阐述中作为对比的专利(申请号：201910319094.1，201610513796.X)，该机构的三维并联特征以及基于该构型的单压电驱动模式，避免了多组压电陶瓷固有的非线性响应特征带来的系统误差，极大地降低了控制系统的复杂性，同时又保证了爪臂位姿变化的同步性。随并联爪臂在压电驱动下向轴心微位移，线弹性形变机构的约束臂在压杆失稳原理下的微弯曲状态愈加显著，测头刚度逐渐降低，一阶固有频率也相应降低。原始状态下的测头保持最高的刚度和固频，此状态下测头的动态响应速率最高，测量速度、加速度上限最大，适用于高效测量任务。针对表面材质脆、软的被测件，原始状态下的测针测量力极易破坏被测件的表面，因此需要通过调整压电陶瓷电压改变测头刚度，使测针的接触刚度小于被测表面的理论破坏刚度(由成熟的力学公式计算可得)，低刚度模式下测量速度的上限因为固频的降低而下降。
进一步地，本发明中每个爪臂与其对应连接的连接臂之间的夹角为10°～45°，可产生针对线弹性形变机构的约束臂的轴向作用力以及正交的导向力，保证约束臂所受的轴向力始终大于或等于其余方向的力，从而提高对压电驱动致形变的利用率。
进一步地，本发明通过刚性约束块上的凹止口与约束臂的端部的凸止口配合，将刚性约束块与爪臂的下端面连接，即采用止口配合的连接方式，方便快速的实现约束臂与爪臂的连接。
进一步地，本发明通过第一约束孔和第二约束孔配合将压电陶瓷固定约束，确保了压电陶瓷的稳定性。
进一步地，固定板的刚度大于三维柔顺支撑机构的刚度，确保在压电陶瓷作用下三维柔顺支撑机构形变而固定板不形变，进而避免固定板自身的形变导致的传感器相对于线弹性形变机构的位移臂产生变化，带来测量偏差的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的变刚度测头结构示意图；
图2为图1中线弹性形变机构的示意图；
图3为图1中三维柔顺支撑机构的示意图；
图4为图1中固定板的示意图；
图5为图1中刚性约束块的示意图；
图6为图1中核心机构的示意图；
图7为图1中柱筒的示意图。
图中：1-三维柔顺支撑机构；101-第一连接板；102-连接臂；103-柔性铰链；104-爪臂；105-第一约束孔；2-固定板；201-第二约束孔；3-线弹性形变机构；301-第二连接板；302-约束臂；303-位移臂；304-凸止口；305-安装孔；4-刚性约束块；401-凹止口；5-测针；6-非接触传感器；7-柱筒；8-端盖；9-压电陶瓷。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
作为本发明的某一具体实施方式，如图1所示，一种单压电并联同步驱动的变刚度测头，包括三维柔顺支撑机构1、固定板2、线弹性形变机构3、刚性约束块4、测针5、非接触传感器6、柱筒7、端盖8和压电陶瓷9。
如图3所示，三维柔顺支撑机构1包括第一连接板101，第一连接板101的下端面中心开设有第一约束孔105，第一连接板101上沿周向呈辐条状均布分布有至少三个连接臂102，也就是说，至少三个连接臂102呈360°并联均布在第一连接板101的四周。每个连接臂102远离第一连接板101的一端的上端面对应连接有柔性铰链103。每个连接臂102远离第一连接板101的一端的下端面对应连接有爪臂104，且每个爪臂104均向内倾斜，优选的，每个爪臂104与其对应连接的连接臂102之间的夹角为10°～45°。爪臂104的下端面作为线弹性形变机构3的约束面。
如图3所示，作为本发明的某一具体实施例，第一连接板101上沿周向呈辐条状均布分布有三个连接臂102，相邻两个连接臂102之间的夹角为120°；柔性铰链103的形状为半圆形，当然，柔性铰链103的形状也可以为椭圆形或V形等具有关节转动性质的形状。本发明的三维柔顺支撑机构1具有单一压电驱动源及三个执行位移动作的爪臂104。
如图2所示，线弹性形变机构3包括第二连接板301，第二连接板301的下端面中心开设有安装孔305，测针5的一端与安装孔305之间采用环氧树脂胶接。第二连接板301上沿周向呈辐条状均布分布有约束臂302和位移臂303，约束臂302和位移臂303交替分布，且约束臂302和位移臂303的数量分别与连接臂102数量相同，也就是说，约束臂302和位移臂303呈360°并联均布在第二连接板301的四周。线弹性形变机构3的安装孔305与三维柔顺支撑机构1的第一约束孔105同轴心。
如图2所示，作为本发明的某一具体实施例，线弹性形变机构3采用铍青铜制作，第二连接板301的横截面为正三角形，三个位移臂303的一端分别对应连接在三角形的三个顶点位置，三个约束臂302的一端分别对应连接在三角形三边的中点位置，第二连接板301、约束臂302和位移臂303为一体制作；相邻的约束臂302和位移臂303之间的夹角为60°。
结合图1至图7所示，固定板2固定连接在柱筒7内，具体的，结合图1和图4所示，固定板2的横截面呈正三角形状，固定板2的三个顶点端面作为装配面与柱筒7内壁对应的装配面进行安装固定；固定板2上还开设有用于装配非接触传感器6的安装孔。第一连接板101、固定板2和第二连接板301依次从上至下平行设置，压电陶瓷9连接在第一连接板101和固定板2之间，优选的，如图3和图4所示，第一连接板101的下端面中心开设有第一约束孔105，固定板2的上端面中心还开设有第二约束孔201，第一约束孔105和第二约束孔201的轴线重合，压电陶瓷9的一端位于第一约束孔105内，另一端位于第二约束孔201内，也就是说，第一约束孔105和第二约束孔201配合对压电陶瓷9进行约束。
如图1所示，每个柔性铰链103的上端面与设置在柱筒7上方的端盖8固定连接，即柔性铰链103的上端面与端盖8之间刚性约束。每个爪臂104的下端面对应连接有一个约束臂302，具体的，结合图2和图5所示，刚性约束块4的上端面开设有凹止口401，每个约束臂302的端部设置有与凹止口401配合的凸止口304，凸止口304与凹止口401配合后，刚性约束块4与爪臂104的下端面连接。每个位移臂303的末端的上方分别对应设置有一个非接触传感器6，非接触传感器6与固定板2的下端面固定连接，非接触传感器6检测位移臂303末端的位移形变。具体的，非接触传感器6位于固定板2上开设的用于装配非接触传感器6的安装孔内。本实施例中，非接触传感器6采用电涡流传感器。
固定板2与三维柔顺支撑机构1之间存在间隙，间隙大小取决于爪臂104的长度。
在压电装配端，固定板2的刚度应为三维柔顺支撑机构1刚度的1.5倍以上，确保在压电陶瓷9作用下只有三维柔顺支撑机构1发生形变，否则固定板2自身的形变将使非接触传感器6相对于线弹性形变机构3的位移臂303产生变化，带来测量偏差。
每个爪臂104与其对应连接的连接臂102之间的夹角为10°～45°，可使线弹性形变机构3的约束臂302产生可控的轴向力，保证约束臂302所受的轴向力始终大于或等于其余方向的力，从而提高对压电驱动致形变的利用率。在压电陶瓷9的驱动下，第一约束孔105(即压电驱动约束孔)端面发生位移形变，并经由柔性铰链103的关节转动作用，使三个爪臂104产生同步地位姿，具体表现为沿约束臂轴向的位移以及正交的向上的位移，使约束臂产生压杆失稳现象并使其产生“凹”形弯曲。
结合图1和图2所示，测针5与被测件接触下产生的形变经过结构传导为位移臂303的变形，并由非接触传感器6实时检测，即是测头输出信号。测头变刚度，是通过改变线弹性形变机构3的整体刚度，具体地，是利用三维柔顺支撑机构1使线弹性形变机构3的约束臂302产生可控的、弹性范围内的压杆失稳现象。在激光切割、金属化学蚀刻等工艺允许的微应变范围内，约束臂302的横截面越小越好，可以以更小的轴向力达到压杆失稳的效果。
本发明中，三维柔顺支撑机构是测头变刚度功能得以实现的关键。相较于背景技术阐述中作为对比的专利(申请号：201910319094.1，201610513796.X)，该机构的三维并联特征以及基于该构型的单压电驱动模式，避免了多组压电陶瓷固有的非线性响应特征带来的系统误差，极大地降低了控制系统的复杂性，同时又保证了爪臂位姿变化的同步性。随并联爪臂在压电驱动下向轴心微位移，线弹性形变机构的约束臂在压杆失稳原理下的微弯曲状态愈加显著，测头刚度逐渐降低，一阶固有频率也相应降低。原始状态下的测头保持最高的刚度和固频，此状态下测头的动态响应速率最高，测量速度、加速度上限最大，适用于高效测量任务。针对表面材质脆、软的被测件，原始状态下的测针测量力极易破坏被测件的表面，因此需要通过调整压电陶瓷电压改变测头刚度，使测针的接触刚度小于被测表面的理论破坏刚度(由成熟的力学公式计算可得)，低刚度模式下测量速度的上限因为固频的降低而下降。
综上所述可知，本发明相较于现有技术，具有如下技术效果：
(A)结构相对简单、测量系统复杂性低；
(B)单压电并联驱动模式解决了多压电驱动导致的非线性误差、驱动时滞等技术问题；
(C)并联爪臂末端位姿调整的实时同步保证了测头刚度的各向同性调节；
(D)对不同测量对象、测量任务可快速的实现变刚度模式的匹配。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种单压电并联同步驱动的变刚度测头，其特征在于，包括三维柔顺支撑机构(1)、固定板(2)、线弹性形变机构(3)、测针(5)、非接触传感器(6)和压电陶瓷(9)；
所述三维柔顺支撑机构(1)包括第一连接板(101)，所述第一连接板(101)上沿周向呈辐条状均布分布有至少三个连接臂(102)，每个所述连接臂(102)的上端面对应连接有柔性铰链(103)，每个所述连接臂(102)的下端面对应连接有爪臂(104)，且每个所述爪臂(104)均向内倾斜；
所述线弹性形变机构(3)包括第二连接板(301)，所述第二连接板(301)上沿周向呈辐条状均布分布有约束臂(302)和位移臂(303)，所述约束臂(302)和所述位移臂(303)交替分布，且所述约束臂(302)和所述位移臂(303)的数量分别与所述连接臂(102)的数量相同，所述第二连接板(301)的下端面连接有所述测针(5)；
所述固定板(2)被固定，且所述第一连接板(101)、所述固定板(2)和所述第二连接板(301)依次从上至下平行设置，所述压电陶瓷(9)连接在所述第一连接板(101)和所述固定板(2)之间；每个所述柔性铰链(103)的上端面被固定，每个所述爪臂(104)的下端面对应连接有一个所述约束臂(302)；每个所述位移臂(303)的上方对应设置有所述非接触传感器(6)；
变刚度测头还包括刚性约束块(4)，所述刚性约束块(4)的上端面开设有凹止口(401)；每个所述约束臂(302)的端部设置有与所述凹止口(401)配合的凸止口(304)，所述凸止口(304)与所述凹止口(401)配合后，所述刚性约束块(4)与所述爪臂(104)的下端面连接。
2.根据权利要求1所述的一种单压电并联同步驱动的变刚度测头，其特征在于，每个所述爪臂(104)与其对应连接的所述连接臂(102)之间的夹角为10°～45°。
3.根据权利要求1所述的一种单压电并联同步驱动的变刚度测头，其特征在于，变刚度测头还包括柱筒(7)和设置在柱筒(7)上方的端盖(8)，所述固定板(2)固定连接在所述柱筒(7)内，每个所述柔性铰链(103)的上端面与所述端盖(8)固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种单压电并联同步驱动的变刚度测头，其特征在于，所述第一连接板(101)的下端面中心开设有第一约束孔(105)，所述固定板(2)的上端面中心开设有第二约束孔(201)，所述第一约束孔(105)和所述第二约束孔(201)的轴线重合，所述压电陶瓷(9)的一端位于所述第一约束孔(105)内，另一端位于所述第二约束孔(201)内。
5.根据权利要求4所述的一种单压电并联同步驱动的变刚度测头，其特征在于，所述第二连接板(301)的下端面中心开设有安装孔(305)，所述安装孔(305)的轴线与所述第二约束孔(201)的轴线重合，所述测针(5)的一端与所述安装孔(305)配合连接。
6.根据权利要求1所述的一种单压电并联同步驱动的变刚度测头，其特征在于，所述第一连接板(101)上沿周向呈辐条状均布分布有三个连接臂(102)。
7.根据权利要求1所述的一种单压电并联同步驱动的变刚度测头，其特征在于，所述非接触传感器(6)与所述固定板(2)的下端面固定连接。
8.根据权利要求1所述的一种单压电并联同步驱动的变刚度测头，其特征在于，所述线弹性形变机构(3)采用铍青铜制作，且所述第二连接板(301)、所述约束臂(302)和所述位移臂(303)为一体制作。
9.根据权利要求1所述的一种单压电并联同步驱动的变刚度测头，其特征在于，所述固定板(2)的刚度大于所述三维柔顺支撑机构(1)的刚度。
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