CN111947571A - 一种微力测力式三维综合螺纹测量机测头及用其测量方法 - Google Patents

一种微力测力式三维综合螺纹测量机测头及用其测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种微力测力式三维综合螺纹测量机测头及用其测量方法，能够简单准确地测得探针的位移量，从而测得被测螺纹的空间位置。通过横向测微位移系统和纵向测微位移系统分别测得探针在水平和垂直方向的微位移量。探针与被测螺纹预接触，三维综合螺纹测量机驱动后，探针在水平和垂直方向分别发生位移，两组平行簧片作为导向机构，分别被拉伸，直线光栅系统的读数头与长光栅发生相对位移，并测得位移量。本发明用于微力测力式三维综合螺纹测量机对螺纹的检测。

Description

一种微力测力式三维综合螺纹测量机测头及用其测量方法
技术领域
本发明涉及测量技术领域，尤其涉及测量所用的测头。
背景技术
螺纹是工业制造领域的重要基础性零件，用于紧固连接或传动，由于螺纹具有不同角度形状的复杂螺旋沟槽，难以准确测量其几何形貌和参数信息，导致螺纹加工制造过程中许多细节无法得到控制，严重影响螺纹质量水平。为了检测螺纹真实全面的三维形貌和螺纹参数，发展三维螺纹测量设备将对螺纹制造产生重大促进作用。
三维综合螺纹测量机选用柱坐标系和二维测头即可实现对螺纹的三维测量。测头是测量机实现高精度测量的关键之一，也是坐标测量机的核心部件之一。常用的测头按结构原理可分为机械式、光学式和电气式等；而按测量方法又可分为接触式和非接触式两类。相对于非接触式测量，接触式测量具有直观可靠、操作简单、测量范围大、测量结果稳定可靠、重复性好、对测量环境要求低、通用性强等特点。接触式测头包括光纤式、光栅式、电容式、压阻式等，其中光栅式位移传感器因其测量精度高、分辨率高、安装方便、抗干扰性能强而得到广泛应用。
本发明的目的在于提供一种微力测力式三维综合螺纹测量机测头，能够简单准确的测得测头的微位移量。
发明内容
为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种微力测力式三维综合螺纹测量机测头，包括横向测微位移系统、纵向测微位移系统及外壳；
所述的横向测微位移系统包括横向机械系统和横向直线光栅测量系统，所述的横向机械系统包括横向第一平行簧片组、横向第二平行簧片组、平动板、中间体，所述的平动板连接测杆，所述的横向直线光栅测量系统包括横向读数头、横向光栅尺、横向电路模块、横向连接体，所述的横向读数头安装于横向电路模块，所述的横向电路模块连接在横向连接体，所述的横向连接体的另一端连接在中间体上，所述的横向光栅尺安装于平动板；
所述的纵向测微位移系统包括纵向机械系统和纵向直线光栅测量系统，所述的纵向机械系统包括纵向第一平行簧片组、纵向第二平行簧片组、上述所述中间体及固定板，所述的固定板与所述外壳连接，所述的纵向直线光栅测量系统包括纵向读数头、纵向光栅尺、纵向电路模块、纵向连接体，所述的纵向读数头安装于纵向电路模块，所述的纵向电路模块连接在纵向连接体，所述的纵向连接体的另一端固定连接在固定板上，所述的纵向光栅尺固定安装在中间体上；
所述的横向第一平行簧片组、横向第二平行簧片组、纵向第一平行簧片组及纵向第二平行簧片组均包括簧片、第一夹板与第二夹板，每一个平行簧片组的第一夹板与第二夹板通过螺纹联接，簧片位于第一夹板与第二夹板中间，簧片的四个角各开一个孔，横向第一平行簧片组及横向第二平行簧片组在中间体两侧分别联接在中间体和平动板上，纵向第一平行簧片组及纵向第二平行簧片组在固定板的上下两侧分别联接在固定板和中间体上。
作为本发明的进一步改进，测杆的底部设有触针，触针的尖端包括一个圆锥形，圆锥形的顶部设有针尖，针尖半径为10至100μm之间。
作为本发明的进一步改进，所述簧片包括四个长条形，分别为首尾顺次连接组成一个类长方形的第一长条形、第三长条形、第二长条形、第四长条形，类长方形相对的两个顶角分别由长条形连接，从而，所述簧片中间形成镂空的四个类三角形，第一长条形、第三长条形、第二长条形、第四长条形相交处设有圆弧缺口，第三长条形和第四长条形的两边分别设有两个用来穿过螺纹的孔，第一长条形、第三长条形的两边分别设有一个用来穿过螺纹的孔，第一夹板与第二夹板的形状与簧片中部的形状匹配。
作为本发明的进一步改进，每一个平行簧片组的第一夹板与第二夹板通过八个螺纹联接，横向第一平行簧片组及横向第二平行簧片组在中间体两侧分别用垫片、螺纹联接在中间体和平动板上，纵向第一平行簧片组及纵向第二平行簧片组在固定板的上下两侧分别用垫片、螺纹联接在固定板和中间体上。
作为本发明的进一步改进，所述的中间体的前部设有三个孔，上面一个，下面两个，所述的中间体的前部的上下面各有两个安装孔，所述的中间体上部的两侧分别设有八个孔，两侧的八个孔对称设置，下部的两侧分别设有五个孔，中间体的后部设有一个凹槽。
作为本发明的进一步改进，所述的固定板总体呈“工”字形且中部镂空，镂空部位的两侧分别设有三个安装孔，固定板的上下左右各有两个安装孔。
作为本发明的进一步改进，所述的平动板设有四个梯形孔，中部设有一个安装孔，平动板的两侧各设有两个安装孔。
根据上述所述的一种微力测力式三维综合螺纹测量机测头进行测量螺纹的方法，包括以下步骤：
步骤一：将测头安装于三维螺纹坐标测量机，使测头的探针与被测件预接触，驱动测量机使坐标测量机进行沿x轴的横向运动，从而使测头、测杆在该方向产生位移；
步骤二：通过横向测微位移系统进行横向位移检测，测杆带动横向平动板进行横向平动位移，引起测杆横向机械系统中的横向第一平行簧片组、横向第二平行簧片组的拉伸，此时横向直线光栅测量系统检测该位移，横向读数头作为定尺，安装于平动板的光栅尺作为动尺，两者产生相对运动产生位移，从而检测出横向位移量；
步骤三：将所述的微力测力式三维综合螺纹测量机测头的探针与被测件预接触，驱动测量机使坐标测量机进行沿z轴的横向运动，从而使测头、测杆在该方向产生位移；
步骤四：通过纵向测微位移系统进行纵向位移检测，测杆带动平动板与中间体进行纵向平动位移，引起测杆纵向机械系统中的纵向第一平行簧片组、纵向第二平行簧片组的拉伸，此时纵向直线光栅测量系统检测该位移，纵向读数头作为定尺，安装于固定板的光栅尺作为动尺，两者产生相对运动产生位移，从而检测出纵向位移量。
本发明的有益效果是：
平行簧片机构是由平行平动片簧构成的弹性微动导轨。这种机构具有结构简单、无磨损、无导向间隙、导向精度高、反应灵敏、不存在爬行现象、结构紧凑体积小、重量轻而且易于加工装配等诸多优点。平行簧片机构在理想状态下其左右簧片受力后产生的弹性变形完全相同，平动板只有平动没有转动。
用两组平行簧片机构作为导轨使测头在横向和纵向分别产生位移，采用光栅装置对水平方向和垂直方向的位移分别进行检测，不仅体积小，还能够获得高精度的位移量，加工方便、材料易获得，增加了测头行业的创新性的设计。
本发明选用结构简单、反应灵敏的平行簧片作为导向机构，不仅体积小、装配方便，而且在市场上易获得，成本低。
本发明利用平行簧片设计了二维位移结构，不仅体积小，精度也得到提高，配合在三维综合螺纹测量机上使用能够获得准确的螺纹尺寸。
本发明采用两组高精度光栅检测探针在横向和纵向的微位移，分辨率高、便于安装调试。
“微力测力”是指测螺纹的7gf-10gf；常见三坐标测头测力为30gf-100gf。常见三坐标测头通常采用红宝石测球，测球半径通常为1-3mm；本例采用触针，触针的尖端包括一个圆锥形，圆锥形的顶部设有针尖401，针尖401半径为10至100μm之间，能扫描尺寸更小的螺纹轮廓。
附图说明
图1：一种微力测力式三维综合螺纹测量机测头立体图；
图2：一种微力测力式三维综合螺纹测量机测头第一立体分解图；
图3：一种微力测力式三维综合螺纹测量机测头第二立体分解图；
图4：一种微力测力式三维综合螺纹测量机测头第三立体分解图；
图5A：一种微力测力式三维综合螺纹测量机测头去掉外壳部分立体图；
图5B：图5A中的A部分的放大图；
图6：横向测微位移系统总体装配图；
图7：纵向测微位移系统总体装配图；
图8：平行簧片组单元装配图；
图9：横向测微位移系统的直线光栅测量系统装配图；
图10：纵向测微位移系统的直线光栅测量系统装配图；
图11：直线光栅测量系统的读数头与电路模块单元装配图；
图12：测头的外壳；
图13：平动板；
图14：固定板；
图15：中间体；
图16：横向连接体；
图17：纵向连接体；
图18：簧片结构图。
图中各部件名称如下：
平行簧片组1-1-1、平行簧片组1-1-2、平行簧片组2-1-1、平行簧片组2-1-2、簧片100、夹板200、夹板300、平动板1-1-3、中间体3、测杆4、固定板5、外壳6、读数头1-2-1、光栅尺1-2-2、电路模块1-2-3、连接体1-2-4、读数头2-2-1、光栅尺2-2-2、电路模块2-2-3、连接体2-2-4、第一长条形101、第三长条形103、第二长条形102、第四长条形104、针尖401。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
说明：
“测微位移”是指几微米到几十微米。
如图1至图5A，一种微力测力式三维综合螺纹测量机测头，包括横向测微位移系统、纵向测微位移系统及外壳6；
如图6所示，所述的横向测微位移系统包括横向机械系统和横向直线光栅测量系统，所述的横向机械系统包括横向第一平行簧片组1-1-1、横向第二平行簧片组1-1-2、平动板1-1-3、中间体3，所述的平动板1-1-3连接测杆4，所述的横向直线光栅测量系统包括横向读数头1-2-1、横向光栅尺1-2-2、横向电路模块1-2-3、横向连接体1-2-4，所述的横向读数头1-2-1安装于横向电路模块1-2-3，所述的横向电路模块1-2-3连接在横向连接体1-2-4，所述的横向连接体1-2-4的另一端连接在中间体3上，所述的横向光栅尺1-2-2安装于平动板1-1-3；
如图7所示，所述的纵向测微位移系统包括纵向机械系统和纵向直线光栅测量系统，所述的纵向机械系统包括纵向第一平行簧片组2-1-1、纵向第二平行簧片组2-1-2、上述所述中间体3及固定板5，所述的固定板5与所述外壳6连接，所述的纵向直线光栅测量系统包括纵向读数头2-2-1、纵向光栅尺2-2-2、纵向电路模块2-2-3、纵向连接体2-2-4，所述的纵向读数头2-2-1安装于纵向电路模块2-2-3，所述的纵向电路模块2-2-3连接在纵向连接体2-2-4，所述的纵向连接体2-2-4的另一端固定连接在固定板5上，所述的纵向光栅尺2-2-2固定安装在中间体3上；
如图8所示，所述的横向第一平行簧片组1-1-1、横向第二平行簧片组1-1-2、纵向第一平行簧片组2-1-1及纵向第二平行簧片组2-1-2均包括簧片100、第一夹板200与第二夹板300，每一个平行簧片组的第一夹板200与第二夹板300通过螺纹联接，簧片100位于第一夹板200与第二夹板300中间，簧片的四个角各开一个孔，横向第一平行簧片组1-1-1及横向第二平行簧片组1-1-2在中间体3两侧分别联接在中间体3和平动板1-1-3上，纵向第一平行簧片组2-1-1及纵向第二平行簧片组2-1-2在固定板5的上下两侧分别联接在固定板5和中间体3上。
如图18所示，所述簧片100包括四个长条形，分别为首尾顺次连接组成一个类长方形的第一长条形101、第三长条形103、第二长条形102、第四长条形104，类长方形相对的两个顶角分别由长条形连接，从而，所述簧片100中间形成镂空的四个类三角形。第一长条形101、第三长条形103、第二长条形102、第四长条形104相交处设有圆弧缺口，第三长条形103和第四长条形104的两边分别设有两个用来穿过螺纹的孔，第一长条形101、第三长条形103的两边分别设有一个用来穿过螺纹的孔。
本发明的扫描测头导向机构设计，综合了平面柔性铰链导向机构和带加强板平行簧片导向机构，扫描使用寿命大于15000次，结构稳定性好、导向精度高、铰链疲劳寿命长。
第一夹板200与第二夹板300的形状与簧片100中部的形状匹配。每一个平行簧片组的第一夹板200与第二夹板300通过八个螺纹联接，横向第一平行簧片组1-1-1及横向第二平行簧片组1-1-2在中间体3两侧分别用垫片、螺纹联接在中间体3和平动板1-1-3上，纵向第一平行簧片组2-1-1及纵向第二平行簧片组2-1-2在固定板5的上下两侧分别用垫片、螺纹联接在固定板5和中间体3上。
如图13所示，所述的平动板1-1-3设有四个梯形孔，中部设有一个安装孔，平动板1-1-3的两侧各设有两个安装孔。
如图14所示，所述的固定板5总体呈“工”字形且中部镂空，镂空部位的两侧分别设有三个安装孔，固定板5的上下左右各有两个安装孔。
如图15所示，所述的中间体3的前部设有三个孔，上面一个，下面两个，所述的中间体3的前部的上下面各有两个安装孔，所述的中间体3上部的两侧分别设有八个孔，两侧的八个孔对称设置，下部的两侧分别设有五个孔，中间体3的后部设有一个凹槽。
根据上述所述的一种微力测力式三维综合螺纹测量机测头进行测量螺纹的方法，包括以下步骤：
步骤一：将测头安装于三维螺纹坐标测量机，使测头的探针与被测件预接触，驱动测量机使坐标测量机进行沿x轴的横向运动，从而使测头、测杆在该方向产生位移；
步骤二：通过横向测微位移系统进行横向位移检测，测杆4带动横向平动板1-1-3进行横向平动位移，引起测杆横向机械系统中的横向第一平行簧片组1-1-1、横向第二平行簧片组1-1-2的拉伸，此时横向直线光栅测量系统检测该位移，横向读数头1-2-1作为定尺，安装于平动板1-1-3的光栅尺作为动尺，两者产生相对运动产生位移，从而检测出横向位移量；
步骤三：将所述的微力测力式三维综合螺纹测量机测头的探针与被测件预接触，驱动测量机使坐标测量机进行沿z轴的横向运动，从而使测头、测杆在该方向产生位移；
步骤四：通过纵向测微位移系统进行纵向位移检测，测杆4带动平动板1-1-3与中间体3进行纵向平动位移，引起测杆纵向机械系统中的纵向第一平行簧片组2-1-1、纵向第二平行簧片组2-1-2的拉伸，此时纵向直线光栅测量系统检测该位移，纵向读数头2-2-1作为定尺，安装于固定板5的光栅尺作为动尺，两者产生相对运动产生位移，从而检测出纵向位移量。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种微力测力式三维综合螺纹测量机测头，其特征在于：包括横向测微位移系统、纵向测微位移系统及外壳(6)；
所述的横向测微位移系统包括横向机械系统和横向直线光栅测量系统，所述的横向机械系统包括横向第一平行簧片组(1-1-1)、横向第二平行簧片组(1-1-2)、平动板(1-1-3)、中间体(3)，所述的平动板(1-1-3)连接测杆(4)，所述的横向直线光栅测量系统包括横向读数头(1-2-1)、横向光栅尺(1-2-2)、横向电路模块(1-2-3)、横向连接体(1-2-4)，所述的横向读数头(1-2-1)安装于横向电路模块(1-2-3)，所述的横向电路模块(1-2-3)连接在横向连接体(1-2-4)，所述的横向连接体(1-2-4)的另一端连接在中间体(3)上，所述的横向光栅尺(1-2-2)安装于平动板(1-1-3)；
所述的纵向测微位移系统包括纵向机械系统和纵向直线光栅测量系统，所述的纵向机械系统包括纵向第一平行簧片组(2-1-1)、纵向第二平行簧片组(2-1-2)、上述所述中间体(3)及固定板(5)，所述的固定板(5)与所述外壳(6)连接，所述的纵向直线光栅测量系统包括纵向读数头(2-2-1)、纵向光栅尺(2-2-2)、纵向电路模块(2-2-3)、纵向连接体(2-2-4)，所述的纵向读数头(2-2-1)安装于纵向电路模块(2-2-3)，所述的纵向电路模块(2-2-3)连接在纵向连接体(2-2-4)，所述的纵向连接体(2-2-4)的另一端固定连接在固定板(5)上，所述的纵向光栅尺(2-2-2)固定安装在中间体(3)上；
所述的横向第一平行簧片组(1-1-1)、横向第二平行簧片组(1-1-2)、纵向第一平行簧片组(2-1-1)及纵向第二平行簧片组(2-1-2)均包括簧片(100)、第一夹板(200)与第二夹板(300)，每一个平行簧片组的第一夹板(200)与第二夹板(300)通过螺纹联接，簧片(100)位于第一夹板(200)与第二夹板(300)中间，簧片的四个角各开一个孔，横向第一平行簧片组(1-1-1)及横向第二平行簧片组(1-1-2)在中间体(3)两侧分别联接在中间体(3)和平动板(1-1-3)上，纵向第一平行簧片组(2-1-1)及纵向第二平行簧片组(2-1-2)在固定板(5)的上下两侧分别联接在固定板(5)和中间体(3)上。
2.根据权利要求1所述的一种微力测力式三维综合螺纹测量机测头，其特征在于：测杆(4)的底部设有触针，触针的尖端包括一个圆锥形，圆锥形的顶部设有针尖(401)，针尖(401)半径为10至100μm之间。
3.根据权利要求1所述的一种微力测力式三维综合螺纹测量机测头，其特征在于：所述簧片(100)包括四个长条形，分别为首尾顺次连接组成一个类长方形的第一长条形(101)、第三长条形(103)、第二长条形(102)、第四长条形(104)，类长方形相对的两个顶角分别由长条形连接，从而，所述簧片(100)中间形成镂空的四个类三角形，第一长条形(101)、第三长条形(103)、第二长条形(102)、第四长条形(104)相交处设有圆弧缺口，第三长条形(103)和第四长条形(104)的两边分别设有两个用来穿过螺纹的孔，第一长条形(101)、第三长条形(103)的两边分别设有一个用来穿过螺纹的孔，第一夹板(200)与第二夹板(300)的形状与簧片(100)中部的形状匹配。
4.根据权利要求3所述的一种微力测力式三维综合螺纹测量机测头，其特征在于：每一个平行簧片组的第一夹板(200)与第二夹板(300)通过八个螺纹联接，横向第一平行簧片组(1-1-1)及横向第二平行簧片组(1-1-2)在中间体(3)两侧分别用垫片、螺纹联接在中间体(3)和平动板(1-1-3)上，纵向第一平行簧片组(2-1-1)及纵向第二平行簧片组(2-1-2)在固定板(5)的上下两侧分别用垫片、螺纹联接在固定板(5)和中间体(3)上。
5.根据权利要求1所述的一种微力测力式三维综合螺纹测量机测头，其特征在于：所述的中间体(3)的前部设有三个孔，上面一个，下面两个，所述的中间体(3)的前部的上下面各有两个安装孔，所述的中间体(3)上部的两侧分别设有八个孔，两侧的八个孔对称设置，下部的两侧分别设有五个孔，中间体(3)的后部设有一个凹槽。
6.根据权利要求1所述的一种微力测力式三维综合螺纹测量机测头，其特征在于：所述的固定板(5)总体呈“工”字形且中部镂空，镂空部位的两侧分别设有三个安装孔，固定板(5)的上下左右各有两个安装孔。
7.根据权利要求1所述的一种微力测力式三维综合螺纹测量机测头，其特征在于：所述的平动板(1-1-3)设有四个梯形孔，中部设有一个安装孔，平动板(1-1-3)的两侧各设有两个安装孔。
8.根据权利要求1至7任意一项所述的一种微力测力式三维综合螺纹测量机测头进行测量螺纹的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：将测头安装于三维螺纹坐标测量机，使测头的探针与被测件预接触，驱动测量机使坐标测量机进行沿x轴的横向运动，从而使测头、测杆在该方向产生位移；
步骤二：通过横向测微位移系统进行横向位移检测，测杆(4)带动横向平动板(1-1-3)进行横向平动位移，引起测杆横向机械系统中的横向第一平行簧片组(1-1-1)、横向第二平行簧片组(1-1-2)的拉伸，此时横向直线光栅测量系统检测该位移，横向读数头(1-2-1)作为定尺，安装于平动板(1-1-3)的光栅尺作为动尺，两者产生相对运动产生位移，从而检测出横向位移量；
步骤三：将所述的微力测力式三维综合螺纹测量机测头的探针与被测件预接触，驱动测量机使坐标测量机进行沿z轴的横向运动，从而使测头、测杆在该方向产生位移；
步骤四：通过纵向测微位移系统进行纵向位移检测，测杆(4)带动平动板(1-1-3)与中间体(3)进行纵向平动位移，引起测杆纵向机械系统中的纵向第一平行簧片组(2-1-1)、纵向第二平行簧片组(2-1-2)的拉伸，此时纵向直线光栅测量系统检测该位移，纵向读数头(2-2-1)作为定尺，安装于固定板(5)的光栅尺作为动尺，两者产生相对运动产生位移，从而检测出纵向位移量。
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