CN113639699B - 一种机电一体、具有位置记忆功能的三维在线测量头 - Google Patents

Abstract

一种机电一体、具有位置记忆功能的三维在线测量头。其核心机构由复位顶针（34）、测针座（32）、圆柱水平杆（36）、水平记录及调节机构（14）组成。这一核心机构实现了测针座（32）的三维定位、水平保持以及灵活摆动。水平记录及调节机构可以通过上述功能实现对于测针微米级摆动的电平反馈。水平记录及调节机构由六个独立的压电陶瓷叠堆，经过特别的设计可以升降，保持对于圆柱水平杆的支撑。六个压电陶瓷叠堆每次同时输出六个电平数据，经过时间系列成为了系统控制的时间函数。增加相应的触发及测量策略，结合对于这些函数的处理，可以及时、动态的判断三个圆柱水平杆的三维位置。

Description

一种机电一体、具有位置记忆功能的三维在线测量头

技术领域

本发明涉及一种机电一体、具有位置记忆功能的三维在线测量头，更具体地说，本发明涉及在线测量头的核心机构，一种能保持测量头主体部件测针座与测量头壳体在轴向同轴且定位以及保持测针座水平的机电系统。

背景技术

测量头作为机床加工过程中，利用机床主轴安装测量头实施对加工工件的接触测量，是现代机械加工中经常使用的测量方法，测量头在使用过程中，由于测量部位不同及多次使用，测量头的测针和测针座需要与测量头壳体发生相对位移，所以测量头的制造精度和测针与测量头壳体发生相对位移后的复位精度是保证测量头测量精度的关键。

这个复位要求是测量头的测针在任意方向的复位要保持一致，精度在可接受的范围内。这个复位精度是个综合参数，其更为详细的分解技术要求是测针座在竖直方向的定位精度、竖直方向与测量头壳体的同轴精度、测针座的水平精度这三个参数必须达到精度要求范围，而这三个参数精度要求是超出被测数控机床精度等级的，因此要求非常高。

现有同类测量头中，测针固定在测针座上，测针座的水平控制是采用作为活动部件的测针座的水平面上有三等份分隔设置的三组定位圆柱，称为圆柱水平杆，组装时必须保证到三个圆柱水平杆的下底部的三条线形成一个共同的平面。同时必须保证到三个圆柱水平杆的圆周直径的一致性。制造精度和组装精度要求非常高，难度大，成本高。

测针座的三个圆柱水平杆要维持水平，是通过在测量头壳体底部平面上设置定位球来支撑实现的。同时通过定位球实现对圆柱水平杆的水平面内限位。实现测针座的水平要在安装定位球的过程中同步完成，故此，这个组装过程难度非常大。测针座的水平状态维持需要在测针座上方施加一个向下的弹性压力，如此才可以实现测针前端测球的各个方向摆动灵活及复位。在摆动过程中必须保证到测针座与测量头壳体的轴向位置不变同时还要求同轴。这个测量头壳体轴向位置不变以及同轴是通过有弹性的材料把测针座同测量头壳体联结在一起，而这个联结需要同时保证测针座、弹性材料体和测量头壳体的单体加工精度以及三者的组装精度。因此零部件间接口多、结构结构复杂、加工难度大、组装过程精度难以控制。严重者，造成测量头合格率低。

这种测量头投入使用必须保证测针的竖直状态以及测针与测量头的同轴要在合格的范围内，它涉及到的是测针座的水平度和测针座与测量头壳体的同轴度两个参数。以上两个参数在测量头出厂前需要经过校准而得到保证，不符合精度要求的测量头要么重新装配，要么降低等级使用或者根本不能使用而报废。而现有的结构及材料和功能设计决定了测量头的校准过程效率低下。

发明内容

针对以上提出的问题，本发明的目的是提供一种在三维空间、机电一体、具有位置记忆功能的三维在线测量头，通过软、硬件结合的方式来保证测量头核心机构测针座与测量头壳体在轴向实现定位和同轴以及总体维持水平状态一致。

本发明是通过以下的技术方案来实现的：在硬件方面，这一测量头是由下外壳调节机构组件、中外壳控制机构组件、测针座机构组件、上外壳电极组件和电池仓组件组成；在软件方面，系统功能由触发控制模块、通信模块以及信号发生及控制模块实现。

所述下外壳调节机构组件是由下外壳、软线板、三组六只水平记录及调节机构以及起密封作用的密封橡胶、密封轴套和下外壳密封压板组成。

所述中外壳控制机构组件是有六组LED信号灯、控制电路板和同轴隔层板以及外壳组成。

所述上外壳电极组件是由上外壳、电池仓螺丝、上外壳密封垫、电极、电池仓组件组成。

所述电池仓组件是由电池仓、电池仓盖、仓盖螺丝、电池仓密封垫、电极铜片组成。

所述上外壳电极组件与电池仓组件共同地实现了对于测头主体的密封功能，具体是由上外壳密封槽、上外壳密封垫、电池仓盖密封槽、电池仓密封垫、电池仓螺丝形成的。

所述下外壳调节机构组件、中外壳控制机构组件和上外壳电极组件是通过榫头以及凹槽加强力胶方式联结的。

所述测针座机构组件是由测针、测针座、三个圆柱水平杆、复位顶针、压缩弹簧、同轴螺帽组成。

所述测针座机构组件与上外壳电极组件联结是通过同轴螺帽与上外壳壳体铆压结合联结的，它保证了二者的同轴度。

所述测针座机构组件与中外壳控制机构组件联结是通过复位顶针与中外壳控制机构组件的同轴隔层板上的轴套滑动联结的，它保证了二者的同轴度。

所述测针座机构组件的核心部件，测针座的上表面，其几何中心处，设计有一个向下凹进的凹球面，这一球面与复位顶针相接，是为了承接上方向下的压力，这一压力实现了测针座与复位顶针同轴以及保持水平定位所需要的外力。

优选的，所述复位顶针下端是一小球，小球的硬度需要足够的高。

优选的，小球直径与测针座的凹球面直径较小或相等。

在压缩弹簧的压力作用下，复位顶针的小球球面与测针座的凹球面始终保持竖直方向的内切，实现了对于测针座的竖直方向以及水平面上的三维定位。

优选的，复位顶针下端小球与测针座所用材料是同一种材料。

所述测针座机构组件的核心部件，测针座的水平方向，沿周边有三个120°分隔的面，每个面正中安装有完全一样的圆柱水平杆，三个圆柱水平杆呈120°间隔水平放射状态。组装三个圆柱水平杆时保证到三个圆柱水平杆的下底是处于同一个平面的。

优选的，三个圆柱水平杆的材质是同种材料。

优选的，三个圆柱水平杆的材料硬度越高越好。

优选的，三个圆柱水平杆的表面光滑度越高越好。

所述测针座机构组件是通过三个圆柱水平杆来保持水平的。具体地是通过在下壳调节机构组件的下外壳底平面上对应安装有三组六个水平记录及调节机构来支撑实现的。

所述水平记录及调节机构是由支撑球、压电陶瓷叠堆、叠堆外壳、软线板、控制电路板、下外壳底部、密封圈、密封压板、压簧和调节螺钉组成。

优选的，支撑球表面光滑度越高越好；

优选的，支撑球的材质与三个圆柱水平杆的材质是一致的；

圆柱水平杆与水平记录及调节机构是点接触。具体是圆柱水平杆圆周与支撑球的大圆相切形成的。

优选的，圆柱水平杆与支撑球表面涂有减少摩擦力和防止变质的润滑材料。

优选的，所述水平记录及调节机构提供了在下外壳调节机构上实施密封的密封结构，对于圆柱水平杆面与支撑球面保持清洁，减少摩擦有帮助。

圆柱水平杆与支撑球间的点接触设计，充分保证到了机械接触的灵敏性从而保证到了电信号发生的灵敏度。

所述水平记录及调节机构是通过下外壳底部以及压簧来固定及锁定的，压簧提供了所需要的锁紧力，压簧同时也起到了抵抗测针座机构组件中复位弹簧的压力。

所述调节螺钉是用来调节六个支撑球的高度，使得每一个支撑球接触到三个圆柱水平杆。这个设计对测量头进行校准时提供了极大的方便。

所述水平记录及调节机构的三组六只压电陶瓷叠堆在圆柱水平杆的上下压力波动下，相应会分别独立做出电平信号的上下波动反馈，而控制电路板中的记忆体芯片以及微控制器芯片在软件的控制下能够对于电信号进行记录、存储、处理以及对测针座的位置度精微变化做出判断。

附图说明：

图1是本发明之测头组件示意图

图2是本发明之测针座定位与同轴控制示意图

图3是本发明之控制模块示意图

图4是本发明之圆柱水平杆与水平记录调节机构示意图

图5是本发明之水平记录及调节机构示意图

图6是本发明之测头下外壳密封示意图

图7是本发明之上外壳电池电源组件示意图

图8是本发明之中外壳控制机构组件示意图

附图标号说明：

1、下外壳调节机构组件

11、下外壳 12、密封压板

13、密封橡胶 14、水平调节机构

14a、水平调节结构 14b、水平调节机构

14c、水平调节机构 14d、水平调节机构

14e、水平调节机构 14f、水平调节机构

2、中外壳控制机构组件

21、同轴隔层板 22、主线路板

23、接线端子 24、LED显示灯

25、透明外壳

3、测针座机构组件

31、测针 32、测针座

33、复位弹簧 34、复位顶针

35、同轴螺帽 36、圆柱水平杆

36a、圆柱水平杆 36b、圆柱水平杆

36c、圆柱水平杆

4、上外壳电池电源组件

41、上外壳 41a、上外壳密封槽

41b、电池仓固定螺丝 41c、上外壳同轴定位槽

41d、上外壳电池仓腔体 42、电池仓螺丝

43、上外壳密封垫 44、电极

5、电池仓组件

51、电池仓 52、电池仓盖

52a、电池仓盖密封槽 53、仓盖螺丝

54、电池仓密封垫 55、电极铜片

A、测针座定位与同轴控制细节示意图

a1、凹球面 a2、圆球面

a3、大直径凹球面

B、测针座定位与同轴控制细节示意图

b1、上外壳连接头 b2、中外壳上部连接头

C、测针座定位与同轴控制细节示意图

c1、隔层板连接头 c2、下外壳连接头

c3、中外壳下部连接头

D、测针座定位与同轴控制细节示意图

d1、隔层板中心孔 d2：螺纹

d3、轴套

E、测头下外壳密封细节示意图

e1、上密封圈 e2、密封橡胶薄膜

e3、下密封圈

F、水平记录及调节机构细节示意图

14a1、压电陶瓷叠堆 14a2、叠堆外壳

14a3、簧片 14a4、密封圈

14a5、调节螺丝 14a6、信号导线

111、下外壳底部

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。显然，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，绝非对本发明的限定。需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

如图1所示，本发明所涉及是一种机电一体、具有位置记忆功能的三维在线测量头，其硬件是由下外壳调节机构组件、中外壳控制机构组件2、测针座机构组件3、上外壳电极组件4和电池仓组件组成5，其中控制部分由电子电路硬件主线路板实现，安装在中外壳控制机构组件中，如图8主线路板22所示。其软件模块组成如图3所示，包括主控模块3a、信号采样处理模块3b、触发控制模块3c、通信模块3d以及显示控制模块3e。

测量头实现功能的关键因素之一是保持测针座机构组件竖直方向与测量头主体竖直方向同轴，测量头主体是由上、中、下外壳连接而成，如图2所示，图2是沿轴向的剖面示意图。细节示意图B所示的，上外壳体连接头b1与中外壳体上部连接头b2是凸榫、凹槽的铆接方式。细节示意图C所示的，同轴隔层板21连接头c1与下外壳体连接头c2是套接加搭接方式，二者结合后正好形成一个凹槽，这个凹槽提供了中外壳壳体接头c3连接界面，二者也是凸榫、凹槽铆接加搭接方式。

优选的，上外壳体与中外壳体凸榫b2、凹槽b1是采用紧配合铆接加强力胶水粘结方式实现的。

优选的，同轴隔层板21接头c1与下外壳体接头c2的套接加搭接是紧配合套接加强力胶粘合方式实现的。

优选的，同轴隔层板21接头c1与下外壳体接头c2形成的凹槽与中外壳体接头c3的铆接与搭接是采用紧配合加强力胶水粘结方式实现的。

上述外壳体间的连接是为了测量头成为一个测量的整体，它保证了竖直方向同轴度。为了后面描述方便，我们把这个连接的整体称为测量头主体。

需要说明的是，上述描述侧重于测量头主体连接的细节及实现方式，而测量头各个机构组件以及零部件组装的先后顺序需要提前考虑，否则会发生干涉。

特别地，同轴隔层板21对复位顶针34的同轴控制及组装必须先于测量头主体连接。

特别地，下外壳调节机构组件1内部零部件的组装完成必须先于测量头主体连接。

特别地，中外壳控制机构组件2内部零部件的组装完成必须先于测量头主体连接。

特别地，上外壳电极组件4内部零部件的组装完成必须先于测量头主体连接。

同轴隔层板21对复位顶针34的同轴控制及组装参见图2细节示意图D所示，同轴隔层板21中心处有一圆孔d1和圆孔外围设计有轴套d3，组装时，复位顶针34从上部放入轴套内，穿过圆孔d1，然后在复位顶针上部放入复位弹簧33，轴套d3上部设计有同轴螺帽35。同轴螺帽35与轴套d3是通过螺纹d2连接的，同轴螺帽与上外壳电极组件4是压铆结合的。复位弹簧33的伸缩带动复位顶针34的上下运动。

下外壳调节机构组件1内部零部件的组装参见图4、图5、图6所示。本发明对下外壳调节机构组件1设计了两大功能。

其一、支撑圆柱水平杆36a,36b,36c使其保持水平，同时对于圆柱水平杆36a的下压或翘起动作相应地产生电信号波动。

其二、设计了对于测量头主体内部的密封功能，保证加工现场中的烟雾被排斥在外边，不被污染。

上述密封功能参见图6及图6细节示意图E所示，主要通过密封橡胶13实现。

具体地，密封橡胶13成碗状形态，分为上密封圈e1、密封橡胶薄膜e2以及下密封圈e3。上密封圈e1通过测针座32及密封轴套33锁定，形成密封。下密封圈e3通过下外壳11及下外壳密封压板12锁定，形成密封。参见图4、图5所示，圆柱水平杆的支撑实现。

具体地，测针座32下端的测针31与测针座是刚性连接的。三个圆柱水平杆36a、36b、 36c因为上方复位顶针34的压力作用，压在三组六只水平记录及调节机构14a、14b、14c、 14d、14e、14f上。

水平记录及调节机构14a、14b、14c、14d、14e、14f被设计成可以粗调，快速实现其升降，以求达成其上端的压电陶瓷叠堆参见细节示意图F、14a1与圆柱水平杆36a接触。六个压电陶瓷叠堆可以独立实现粗调，这样可以实现六个陶瓷叠堆都能够与三个圆柱水平杆接触上。

优选的，压电陶瓷叠堆14a1顶部与圆柱水平杆36a接触面为球面，或其他的双曲面，目的就是保证形成点接触。

粗调功能实现参见图5，细节显示图F。是由压电陶瓷叠堆14a1、叠堆外壳14a2、簧片14a3、密封圈14a4、调节螺丝14a5、信号导线14a6、下外壳底部壳体111组合成一个有弹性的升降功能的结构。具体通过旋转调节螺丝来升降。

特别地，簧片14a3的弹力必须远远大于测针座32上部的复位顶针34的压力，这样可以保证簧片14a3弹力不对圆柱水平杆36a的上下波动带来干扰。

特别地，因为压电陶瓷的高灵敏性，水平记录及调节机构14a、14b、14c、14d、14e、14f对于三个圆柱水平杆36a、36b、36c施加其上的力，在大小不同的情况下，对应会产生高分辨率的电平信号，系统可以进行记录及在软件中进行比较。相应的，六个水平记录及调节机构14a、14b、14c、14d、14e、14f的最终标定状态的确认与记录可以分别对应圆柱水平杆36a、36b、36c不同的水平位置，这个标定的记录，事实上是对于三个水平杆的三维空间位置进行了独立的、可分辨的记忆。具体地，在系统软件相应模块中，会安排动态的状态记录表来保持对于测量头的状态追溯。

中外壳控制机构组件2内部零部件的组装参见图8所示。中外壳控制机构组件2是由同轴隔层板21、主线路板22、接线端子23、LED显示灯24和透明外壳25组成。

测量头主体与内部核心机构、测针座机构组件3的同轴都是通过上述同轴隔层板21以及复位顶针34共同作用实现的。参见图2及图2细节示意图D，复位顶针因为同轴隔层板21限制作用而与测量头主体同轴；参见图2及图2细节示意图A,复位顶针头部是一个圆球面a2，而测针座32上表面对应设计有配合复位顶针头部球面a2的凹球面a1，凹球面a1外围还连接有一个更大直径的凹球面a3。复位顶针头部球面a2与凹球面a1是球内切的，切点刚刚好在同轴轴线上。如此，只要保证到测针座32在水平的情况下，就实现了测针31与测量头主体同轴。

上外壳电池电源组件4内部零部件的组装如图7所示。上外壳电池电源组件首要功能实现上外壳与中外壳的组装，其次，提供腔体41d安装电池仓组件5，上外壳电极组件4与电池仓组件的组合对整个测量头提供电能，电能是由两个电极44输出的。

具体地，上外壳电极组件4是由上外壳41、电池仓螺丝42、上外壳密封垫43、电极44、电池仓组件5组成。

特别地，上外壳电极组件4与电池仓组件5共同地实现了对于测头主体的密封功能，实现了对于加工现场的烟、雾、灰尘的阻隔。

具体地，上外壳上设计有放置上外壳密封垫43的密封槽41a。电池仓盖52上设计有放置电池仓密封垫54的电池仓盖密封槽52a。上外壳密封槽41a、上外壳密封垫43、电池仓盖密封槽52a、电池仓密封垫54、电池仓螺丝42形成双层密封方式，共同实现了对于上外壳电极组件的密封功能。

电池仓组件5是由电池仓51、电池仓盖52、仓盖螺丝53、电池仓密封垫54、电极铜片55组成，参见图7所示。电池仓组件5在被推入上外壳电极组件时，电池仓组件上的电极铜片55与电极44保持连接。

Claims (9)

1.一种机电一体、具有位置记忆功能的三维在线测量头，其特征是：测量头由软件和硬件两部分组成，通过软、硬件结合的方式来实现记录、存储、处理以及在线测量功能；所述硬件由下外壳调节机构组件、中外壳控制机构组件、测针座机构组件、上外壳电极组件和电池仓组件组成；所述软件的系统功能由触发控制模块、通信模块以及信号发生及控制模块实现；通过软、硬件结合的方式来保证测量头核心机构测针座与测量头壳体在轴向实现定位和同轴以及总体维持水平状态一致；下外壳调节机构组件、中外壳控制机构组件和上外壳电极组件通过榫头以及凹槽加强力胶方式联结的；所述测针座机构组件与中外壳电控制机构组件联结通过复位顶针与中外壳控制机构组件的同轴隔层板上的轴套滑动联结的；所述测针座的上表面设计有一个向下凹进的凹球面，这一凹球面与复位顶针相接，所述复位顶针下端是一小球，球面上有压缩弹簧，小球球面和测针座的凹球面始终保持竖直方向的内切；在测针座的水平方向，沿周边有三个120°分隔的面；分隔面正中安装有三个圆柱型水平杆，三个水平杆呈120°间隔水平放射状态；下壳调节机构组件的下外壳底平面上安装有三组六个水平记录及调节机构，水平记录及调节机构由支撑球、压电陶瓷叠堆、叠堆外壳、软线板、控制电路板、下外壳底部、密封圈、密封压板、压簧和调节螺钉组成；水平杆与水平记录及调节机构是点接触；支撑球的大圆与水平杆圆周相切；水平杆与支撑球表面涂有减少摩擦力和防止变质的润滑材料。

2.根据权利要求1所述一种机电一体、具有位置记忆功能的三维在线测量头其特征是：所述下外壳调节机构组件由下外壳、软线板、三组六只水平记录及调节机构、密封橡胶、密封轴套和下外壳密封压板组成，其特征在于密封橡胶、密封轴套和下外壳密封压板组成了密封结构。

3.根据权利要求1所述一种机电一体、具有位置记忆功能的三维在线测量头其特征是：所述测针座机构组件与上壳电极组件联结通过同轴螺帽与上壳体铆压结合联结的。

4.根据权利要求1所述一种机电一体、具有位置记忆功能的三维在线测量头其特征是：所述复位顶针下端的小球与测针座所用材料是同一种材料，小球的硬度需要大于69HRC。

5.根据权利要求1所述一种机电一体、具有位置记忆功能的三维在线测量头其特征是：所述复位顶针下端的小球的直径小于或等于测针座的凹球面直径。

6.根据权利要求1所述一种机电一体、具有位置记忆功能的三维在线测量头其特征是：所述三个水平杆的材质是同种材料，且表面粗糙度Ra小于6.3um。

7.根据权利要求1所述一种机电一体、具有位置记忆功能的三维在线测量头其特征是：所述水平记录及调节机构是通过下外壳底部以及压簧来固定及锁定的。

8.根据权利要求1所述一种机电一体、具有位置记忆功能的三维在线测量头其特征是：所述支撑球的材质与水平杆的材质是一致的，支撑球表面粗糙度Ra小于6.3um。

9.根据权利要求1所述一种机电一体、具有位置记忆功能的三维在线测量头其特征是：所述软件通过控制电路板中的记忆体芯片以及微控制器芯片对电信号进行处理，实现记录、存储、处理和在线测量功能。

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