CN112781495B - 一种基于悬浮激光结构的三维接触触发式测量探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于悬浮激光结构的三维接触触发式测量探头，包括弹性机构，悬浮片通过弹性簧片固定在弹性机构支撑件上，探针固定安装在悬浮片的底部，激光器通过激光器固定座固定在悬浮片的顶部，激光器的出射光轴与探头圆柱筒体的轴线成一角度；感测单元的圆柱筒体的侧壁下端固定有第一平面反射镜，侧壁上端固定有第二平面反射镜,激光器的出射光投照在第一平面反射镜上，并依次经第一平面反射镜和第二平面反射镜反射后倾斜投射至四象限光电探测器上，依据四象限光电探测器中光敏面上的检测信号获得探针的三维触发信号。本发明结构简单，便于组装和调整，其探测灵敏度高，初始信号调节便捷，长时间测量探头信号稳定。

Description

一种基于悬浮激光结构的三维接触触发式测量探头

技术领域

本发明涉及三坐标测量领域，更具体地说是一种应用在三坐标测量机上的基于激光悬浮结构的三维接触触发式测量探头。

背景技术

三坐标测量机在精度检测领域应用广泛，探头是影响其测量精度的关键部件之一。商用三坐标测量机所用的探头一般体积较小，重复精度在0.1μm至1μm之间。现有探头技术中，电容式探头的精度较高，但在横向测量时电容传感器的两级板间将产生倾角，导致探头的非线性误差增大，且电容传感器的价格昂贵，成本高；电感式探头所能达到的最高精度比电容式探头的低，成本也较高；采用图像处理方法的探头其精度受CCD像素限制，只能达到亚微米级；电阻式探头的感测元件和弹性元件通常需要利用MEMS技术加工制备，制造工艺成本高。

在公开号为CN104457613A的发明专利说明书中，本申请人提出了一种三维微纳米接触触发式探头，其探头的横向尺寸为40mm，其是为在保证探头精度的同时降低探头制造成本，采用了单个四象限光电探测器作为感测元件，但其组装过程繁琐，采用精密螺纹副调整激光器出射光角度，光路调整难度大，在实际应用中，探头竖直方向上的灵敏度较低，仅约为0.2V/μm，工业环境下长时间测量稳定性较差。

在公开号为CN105758335A的发明专利说明书中，本申请人提出了一种三维微纳米测量探头，其探头的横向尺寸为58mm，其通过双层悬浮结构的设置，将水平方向和竖直方向上的触发感测分开，以提高探头稳定性，探头测量单元包含两个四象限光电探测器，采用柔性铰链式基座调整激光光轴，但同样存在光路复杂，调整困难的问题，且制造成本较高。

在公开号为CN105783772A的发明专利说明书中，本申请人提出了一种单传感器式三维微纳米接触触发测量探头，其探头横向尺寸为60mm，同样仅采用单个四象限光电探测器，激光器出射光光轴通过商用二维微调座进行调整，调整较便捷，探头竖直方向上的灵敏度有所提升，但其光路结构中包含两个分光棱镜，整体光路较为复杂，探头制造成本较高，探头体积偏大。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于激光悬浮结构的三维接触触发式测量探头，在不损失测量精度的前提下，进一步简化结构、便于组装和调整、减小体积，使探头横向尺寸能够更小、降低成本；通过多镜面反射的光路结构，提高探头在竖直方向上的灵敏度，并能保持长时间测量中的探头信息的稳定。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于悬浮激光结构的三维接触触发式测量探头的特点是包括：

一弹性机构，其包括悬浮片，所述悬浮片通过一弹性簧片固定在弹性机构支撑件上，探针利用探针转接件固定安装在悬浮片的底部，所述转接件凸伸于弹性机构支撑件的底部，激光器通过激光器固定座固定在所述悬浮片的顶部，所述激光器的出射光轴与探头圆柱筒体的轴线成一角度；

一感测单元，其圆柱筒体的侧壁下端固定有第一平面反射镜，侧壁上端固定有第二平面反射镜,所述激光器的出射光投照在第一平面反射镜上，并经所述第一平面反射镜反射之后，投照在第二平面反射镜上，所述第二平面反射镜上的反射光倾斜照投射至位于圆柱筒体的顶部的四象限光电探测器上，依据所述四象限光电探测器中光敏面上的检测信号获得探针的三维触发信号。

本发明基于悬浮激光结构的三维接触触发式测量探头的特点也在于：所述弹性簧片的结构形式是：内环片和外环片为同心圆环，在所述内环片和外环片之间利用十字簧片进行连接。

本发明基于悬浮激光结构的三维接触触发式测量探头的特点也在于：在所述圆柱筒体的顶部呈“十”设置锁紧螺丝，各锁紧螺丝前端抵于四象限光电探测器的周边，对所述四象限光电探测器进行限位；通过调整各不同位置上的锁紧螺丝，使四象限光电探测器处在设定位置，以使初始状态下的激光光束照射在四象限光电探测器的光敏面中心位置上。

本发明基于悬浮激光结构的三维接触触发式测量探头的特点也在于：所述激光器固定座是由相对合抱的左侧基座和右侧基座以左右夹持的方式对所述激光器进行固定；在所述左侧基座上设置有沉孔，在所述右侧基座上设置有螺纹孔，螺丝通过左侧基座上的沉孔拧入右侧基座上的螺纹孔中，使激光器夹持在左侧基座和右侧基座中得到固定。

本发明基于悬浮激光结构的三维接触触发式测量探头的特点也在于：设置弹性簧片限位保护结构，是在所述弹性簧片支撑件的底面设置沿径向贯通的限位槽，在所述探针转接件上设置沿径向贯通的限位孔，所述限位槽和限位孔处在同一径向位置上；配合设置限位杆，所述限位杆为矩形横截面，所述限位槽和限位孔具有与所述限位杆的矩形横截面相配合的截面形状；将所述限位杆贯穿限位孔并卡嵌在所述限位槽中使弹性簧片在弹性机构支撑件上得到轴向和周向限位。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明在不使用复杂光学元件的情况下，将激光器和探头悬浮机构相结合的方式，在利用激光器和四象限光电探测器实现接触触发式探头三维高精度测量功能的同时，显著减小了探头的体积，在不损失精度的情况下，其探头横向尺寸可以降至26mm，降低了探头的制造与维护成本；

2、本发明采用多镜面反射的光路结构，通过在探头圆柱筒体上的两个平面反射镜对激光光束进行了两次转折，延长了测量光路，提升了四象限光电传感器上激光光点位置变化对于激光出射角度的敏感程度，可以将探头在竖直方向上的灵敏度提升至0.46V/μm；

3、本发明中采用呈“十”字分布的锁紧螺丝相互顶紧的方式实现了四象限光电探测器位置的固定以及调节，使得在初始调光时，激光光束能够照射在四象限光电探测器光敏面的中心位置。相较与精密螺纹副、柔性铰链式基座和商用二维微调座等激光光轴调节方式相比，本发明结构简单、调整方法简便，其体积小，成本低，降低了组装维护的难度。

4、本发明在更换探针时，利用限位槽、限位孔和限位杆的相互配合，有效约束了弹性机构在水平和竖直方向上的滚转与位移，从而避免拆卸更换探针时损坏悬浮片与弹性簧片。

附图说明

图1为本发明内部结构示意图；

图2为本发明外部形状示意图；

图3为本发明中弹性机构示意图；

图4为本发明中弹性机构另一角度示意图；

图5为本发明中激光器固定座中左侧基座示意图；

图6为本发明中激光器固定座中右侧基座示意图；

图7为本发明中圆柱筒体内部第一平面反射镜示意图；

图8为本发明中圆柱筒体内部第二平面反射镜示意图；

图9为本发明中四象限光电探测器固定调节示意图；

图10为本发明中限位杆使用状态示意图；

图中标号：1悬浮片，2弹性簧片，3弹性机构支撑件，4探针，5探针转接件，6激光器，7a左侧基座,7b右侧基座，8圆柱筒体，9a第一平面反射镜，9b第二平面反射镜，10四象限光电探测器，11限位杆，12锁紧螺丝。

具体实施方式

本实施例中基于悬浮激光结构的三维接触触发式测量探头包括：

如图1、图2、图3和图4所示：具有弹性机构，其包括悬浮片1，悬浮片1通过一弹性簧片2固定在弹性机构支撑件3上，探针4利用探针转接件5固定安装在悬浮片1的底部，转接件5凸伸于弹性机构支撑件3的底部，激光器6通过激光器固定座固定在悬浮片1的顶部，激光器6的出射光轴与探头圆柱筒体的轴线成一角度；悬浮片1的直径为10cm，弹性机构支撑件的圆截面直径为26cm。

如图1、图7和图8所示，具有感测单元，其圆柱筒体8的侧壁下端固定有第一平面反射镜9a，侧壁上端固定有第二平面反射镜9b,激光器6的出射光投照在第一平面反射镜9a上，并经第一平面反射镜9a反射之后，投照在第二平面反射镜9b上，第二平面反射镜9b上的反射光倾斜照投射至位于圆柱筒体8的顶部的四象限光电探测器10上，依据四象限光电探测器10中光敏面上的检测信号获得探针4的三维触发信号；圆柱筒体8的直径为26cm。

具体实施中，相应的结构也包括：

如图3所示，弹性簧片2的结构形式是：内环片和外环片为同心圆环，在内环片和外环片之间利用十字簧片进行连接；内环片直径为10cm，外环片直径为26cm。

如图9所示，在圆柱筒体8的顶部呈“十”设置锁紧螺丝12，各锁紧螺丝12前端抵于四象限光电探测器10的周边，对四象限光电探测器10进行限位；通过调整各不同位置上的锁紧螺丝12的进给量可以移动四象限光电探测器10的中心位置，使四象限光电探测器10处在设定位置，以使初始状态下的激光光束照射在四象限光电探测器10的光敏面中心位置上。

如图3、图5和图6所示，激光器固定座是由相对合抱的左侧基座7a和右侧基座7b以左右夹持的方式对激光器6进行固定；激光器固定座直径为10cm；在左侧基座7a上设置有沉孔，在右侧基座7b上设置有螺纹孔，螺丝通过左侧基座7a上的沉孔拧入右侧基座7b上的螺纹孔中，使激光器6夹持在左侧基座7a和右侧基座7b中得到固定。

如图10所示，设置弹性簧片2限位保护结构，是在弹性簧片支撑件3的底面设置沿径向贯通的限位槽，在探针转接件5上设置沿径向贯通的限位孔，限位槽和限位孔处在同一径向位置上；配合设置限位杆11，限位杆11为矩形横截面，限位槽和限位孔具有与限位杆11的矩形横截面相配合的截面形状；在更换探针4时，首先将限位杆11的一端嵌入限位槽，并限位杆11沿限位槽推移，使限位杆11贯穿限位孔并卡嵌在限位槽中，此时，弹性簧片2在弹性机构支撑件3上得到轴向和周向限位，由此限制了悬浮片1在轴向上的自由度，避免在拆卸探针4时损坏悬浮片1和弹性簧片2，实现弹性簧片2的限位保护。

本发明中探头的感测元件为四象限光电探测器，也可以替换为位置敏感探测器；激光器可选用半导体激光器作为激光光源，也可使用发光二极管，探头的感测元件可以与悬浮片平行放置，也可与竖直方向呈一夹角。

针对本实施例中基于悬浮激光结构的三维接触触发式测量探头的性能测试：

选用一台三维高精度纳米定位平台(Physik Instrumente,model P-561.3CD,德国)提供触发位移标准量对探头进行测试。重复性测量结果如表1所示，灵敏度测试结果如表2所示。

表1

表2

	X+	X-	Y+	Y-	Z
						灵敏度V/μm	0.48	0.51	0.80	0.62	0.46

表1可见，本发明探头重复性优于15.80nm；

表2可见，本发明水平方向灵敏度优于0.48V/μm，竖直方向灵敏度优于0.46V/μm。

Claims (3)

1.一种基于悬浮激光结构的三维接触触发式测量探头，其特征是包括：

一弹性机构，其包括悬浮片(1)，所述悬浮片(1)通过一弹性簧片(2)固定在弹性机构支撑件(3)上，探针(4)利用探针转接件(5)固定安装在悬浮片(1)的底部，所述探针 转接件(5)凸伸于弹性机构支撑件(3)的底部，激光器(6)通过激光器固定座固定在所述悬浮片(1)的顶部，所述激光器(6)的出射光轴与圆柱筒体的轴线成一角度；

一感测单元，其圆柱筒体(8)的侧壁下端固定有第一平面反射镜(9a)，侧壁上端固定有第二平面反射镜(9b),所述激光器(6)的出射光投照在第一平面反射镜(9a)上，并经所述第一平面反射镜(9a)反射之后，投照在第二平面反射镜(9b)上，所述第二平面反射镜(9b)上的反射光倾斜投射至位于圆柱筒体(8)的顶部的四象限光电探测器(10)上，依据所述四象限光电探测器(10)中光敏面上的检测信号获得探针(4)的三维触发信号；

在所述圆柱筒体(8)的顶部呈“十”设置锁紧螺丝(12)，各锁紧螺丝(12)前端抵于四象限光电探测器(10)的周边，对所述四象限光电探测器(10)进行限位；通过调整各不同位置上的锁紧螺丝(12)，使四象限光电探测器(10)处在设定位置，以使初始状态下的激光光束照射在四象限光电探测器(10)的光敏面中心位置上；

设置弹性簧片(2)限位保护结构，是在所述弹性机构 支撑件(3)的底面设置沿径向贯通的限位槽，在所述探针转接件(5)上设置沿径向贯通的限位孔，所述限位槽和限位孔处在同一径向位置上；配合设置限位杆(11)，所述限位杆(11)为矩形横截面，所述限位槽和限位孔具有与所述限位杆(11)的矩形横截面相配合的截面形状；将所述限位杆(11)贯穿限位孔并卡嵌在所述限位槽中使弹性簧片(2)在弹性机构支撑件(3)上得到轴向和周向限位。

2.根据权利要求1所述的基于悬浮激光结构的三维接触触发式测量探头，其特征是：所述弹性簧片(2)的结构形式是：内环片和外环片为同心圆环，在所述内环片和外环片之间利用十字簧片进行连接。

3.根据权利要求1所述的基于悬浮激光结构的三维接触触发式测量探头，其特征是：所述激光器固定座是由相对合抱的左侧基座(7a)和右侧基座(7b)以左右夹持的方式对所述激光器(6)进行固定；在所述左侧基座(7a)上设置有沉孔，在所述右侧基座(7b)上设置有螺纹孔，螺丝通过左侧基座(7a)上的沉孔拧入右侧基座(7b)上的螺纹孔中，使激光器(6)夹持在左侧基座(7a)和右侧基座(7b)中得到固定。

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