本實(shí)用新型屬于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用微陣列方式布滿電容極板的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)專用測(cè)頭，可自動(dòng)識(shí)別半徑補(bǔ)償法線方向。

背景技術(shù)：

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)廣泛用于機(jī)械、電子、汽車和航空航天等領(lǐng)域復(fù)雜零件幾何質(zhì)量檢測(cè)，涉及的檢測(cè)內(nèi)容包括零件的尺寸、形狀及相互位置關(guān)系。由于具有通用性強(qiáng)、測(cè)量范圍大、精度高、效率高、性能好、能與柔性制造系統(tǒng)相連接，已被稱為復(fù)雜零件的“測(cè)量中心”。其測(cè)量原理是，首先將各種幾何元素的測(cè)量轉(zhuǎn)化為這些幾何元素上一些點(diǎn)集坐標(biāo)位置的測(cè)量。在測(cè)得這些點(diǎn)的坐標(biāo)位置后,再由算法軟件按一定的評(píng)定準(zhǔn)則計(jì)算出要求的幾何元素尺寸、形狀、相對(duì)位置等。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的精度與效率(測(cè)量速度)主要取決于機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、測(cè)頭和軟件系統(tǒng)等。當(dāng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)采用接觸式測(cè)頭進(jìn)行測(cè)量操作時(shí)，因?yàn)榍蛐螠y(cè)頭存在一定的半徑，測(cè)頭球心的軌跡和被測(cè)物件的實(shí)際輪廓是不一致的，需要在測(cè)量結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行半徑補(bǔ)償。但是，測(cè)頭與被測(cè)物的接觸點(diǎn)對(duì)于測(cè)量機(jī)算法軟件來(lái)說(shuō)是未知的，如果不能較準(zhǔn)確地獲知接觸點(diǎn)，便會(huì)產(chǎn)生半徑補(bǔ)償誤差，影響測(cè)量精度。

現(xiàn)有的半徑補(bǔ)償方法大致可以分為二維補(bǔ)償法和三維補(bǔ)償法。因?yàn)槎S補(bǔ)償法處理簡(jiǎn)單，處理速度快，所以目前被廣泛的使用，二維補(bǔ)償法的代表方法是三點(diǎn)共圓法。不過(guò)二維補(bǔ)償法在測(cè)量不規(guī)則曲面時(shí)會(huì)產(chǎn)生比較大的誤差，所以在二維補(bǔ)償法的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)曲面在測(cè)量點(diǎn)處的法矢提出了三維補(bǔ)償法，主要的代表方法有平面法、矢量的反復(fù)迭代法和直接測(cè)量法等等。不過(guò)無(wú)論是二維補(bǔ)償法還是三維補(bǔ)償法，在使用時(shí)都需要大量的計(jì)算，得到三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)頭與被測(cè)物件接觸點(diǎn)的法線方向。

為了解決上述缺陷，H.Aoyama等人針對(duì)金屬被測(cè)物件提出了一種方法，在測(cè)頭上某一經(jīng)度上均勻的取四個(gè)測(cè)量點(diǎn)，當(dāng)測(cè)頭與金屬被測(cè)物件接觸時(shí)，四個(gè)測(cè)量點(diǎn)將會(huì)被測(cè)出不同的電位差，根據(jù)四個(gè)不同的電位差數(shù)值 反推出接觸點(diǎn)的位置。該測(cè)量方法的精度有0.2°，不過(guò)該測(cè)量方法需要測(cè)頭與被測(cè)物件接觸，并且在反推接觸點(diǎn)位置時(shí)需要進(jìn)行大量的計(jì)算。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是針對(duì)現(xiàn)有三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)頭半徑補(bǔ)償方向無(wú)法準(zhǔn)確獲取的不足，對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)頭進(jìn)行改進(jìn)，使測(cè)頭在靠近金屬被測(cè)物件時(shí)就可以知道測(cè)頭與金屬被測(cè)物件的接觸點(diǎn)的位置，然后對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行誤差補(bǔ)償。具體來(lái)說(shuō)，就是在測(cè)頭上用微陣列的方式均勻布滿面積極小的電容極板，單個(gè)極板的形狀為正三角形或正方形。對(duì)測(cè)頭上的電容極板陣列施加激勵(lì)信號(hào)(可參考電容傳感器的激勵(lì)方式)，當(dāng)測(cè)頭靠近金屬被測(cè)物件時(shí)，金屬被測(cè)物件與有正對(duì)面積的電容極板將會(huì)形成一對(duì)平板電容器，產(chǎn)生電容，同時(shí)不同大小的正對(duì)面積會(huì)產(chǎn)生不同大小的電容，根據(jù)產(chǎn)生電容的極板和產(chǎn)生電容的大小就可以計(jì)算出接觸點(diǎn)所在位置。

本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下：

本實(shí)用新型包括測(cè)量頭和電容極板；所述的測(cè)量頭上以陣列方式均勻布滿電容極板；所述的電容極板形狀為正三角形或正方形；測(cè)量頭上電容極板的面積S的取值小于100μm²。

所述的測(cè)量頭上每個(gè)電容極板與金屬被測(cè)物件均形成了一個(gè)電容元件；將測(cè)量頭上的電容極板記為G，則電容元件的電容極板間距離為投影電容極板G′與電容極板G在金屬被測(cè)物件上的投影處切面的間隙，電容元件的電容極板相對(duì)面積為Scosθ，其中，θ為電容極板G與投影電容極板G′的夾角。投影電容極板G′的定義為將電容極板G投影到過(guò)電容極板G且與電容極板G在金屬被測(cè)物件上的投影處切面平行的面上所形成的電容極板。

本實(shí)用新型的有益效果是：

1、本實(shí)用新型在精度要求不高時(shí)，直接取輸出電容值最大的電容極板作為接觸點(diǎn)進(jìn)行半徑補(bǔ)償，不需要計(jì)算。

2、本實(shí)用新型在精度要求較高時(shí)，可以通過(guò)一些計(jì)算來(lái)反推出接觸點(diǎn)的精確位置，滿足高精度的要求。

3、本實(shí)用新型只要用微陣列的方式在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)頭上布滿面積極小的電容極板即可，不影響現(xiàn)有的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型的測(cè)量頭上采用陣列的方式布滿電容極板的示意圖；

圖2為本實(shí)用新型中測(cè)量頭靠近金屬被測(cè)物件的示意圖。

圖3為本實(shí)用新型的測(cè)量頭上布滿正方形電容極板的局部放大圖；

圖4為本實(shí)用新型中電容極板與金屬被測(cè)物件形成電容元件的示意圖；

圖5為接觸點(diǎn)在測(cè)量頭上相鄰六塊正三角形電容極板中的位置分類示意圖。

圖6為接觸點(diǎn)在測(cè)量頭上相鄰四塊正方形電容極板中的位置分類示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1所示，自動(dòng)識(shí)別半徑補(bǔ)償方向的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)專用測(cè)頭，包括測(cè)量頭和電容極板；測(cè)量頭上以陣列方式均勻布滿電容極板，并分別記錄每個(gè)電容極板在測(cè)量頭上的位置，圖1只是示意了球面上的網(wǎng)格劃分方式，實(shí)際中電容極板面積極小。如圖2所示，測(cè)量頭與金屬被測(cè)物件靠近。如圖3所示，將布滿電容極板的測(cè)量頭的一部分球面進(jìn)行放大，可以看到電容極板的數(shù)目極多而且面積極小，可以被近似看成一個(gè)點(diǎn)。圖3中的電容極板形狀為正方形，也可采用如圖1和2所示的正三角形。

如圖4所示，測(cè)量頭上每個(gè)電容極板與金屬被測(cè)物件均形成了一個(gè)電容元件；將測(cè)量頭上的電容極板記為G，面積S的取值小于100μm²，則電容元件的電容極板間距離d為投影電容極板G′與電容極板G在金屬被測(cè)物件上的投影處切面的間隙，電容元件的電容極板相對(duì)面積為Scosθ，其中，θ為電容極板G與投影電容極板G′的夾角。投影電容極板G′的定義為將電容極板G投影到過(guò)電容極板G且與電容極板G在金屬被測(cè)物件上的投影(上述已說(shuō)明電容極板面積極小，可以被近似看成一個(gè)點(diǎn)，因此在金屬被測(cè)物件上的投影也可近似看成一個(gè)點(diǎn))處切面平行的面上所形成的電容極板。

當(dāng)電容極板在正對(duì)金屬被測(cè)物件的半球上時(shí)，離接觸點(diǎn)越近的電容極板和金屬被測(cè)物件之間的距離會(huì)越小，且與金屬被測(cè)物件之間的夾角也越小，所以離接觸點(diǎn)越近的電容極板的電容輸出值越大。

測(cè)量頭與金屬被測(cè)物件的接觸點(diǎn)位置判斷如下：若采用的電容極板為正三角形，當(dāng)測(cè)量頭與金屬被測(cè)物件接觸時(shí)，如圖5所示，接觸點(diǎn)在測(cè)量頭上的位置將會(huì)有三種情況：1、落在正三角形電容極板的頂點(diǎn)上，即接觸點(diǎn)A；2、落在正三角形電容極板的三角邊上，即接觸點(diǎn)B；3、落在正三角形電容極板內(nèi)，即接觸點(diǎn)C。根據(jù)電容值的計(jì)算公式，通過(guò)電容極板的電容輸出值分辨這三種位置：若電容極板的電容輸出值有六個(gè)值相同且都為最大值，則接觸點(diǎn)落在正三角形電容極板的頂點(diǎn)上；若電容極板的電容輸出值有兩個(gè)值相同且都為最大值，則接觸點(diǎn)落在正三角形電容極板的三角邊上；若電容極板的電容輸出值只有一個(gè)最大值，則接觸點(diǎn)落在正三角形電容極板內(nèi)。對(duì)于其它形狀的電容極板可以類推。例如，若電容極板為正方形，如圖6所示，接觸點(diǎn)在測(cè)量頭上的位置也將會(huì)有三種情況：1、落在正方形電容極板的頂點(diǎn)上，即接觸點(diǎn)D；落在正方形電容極板的邊上，即接觸點(diǎn)E；落在正方形電容極板內(nèi)，即接觸點(diǎn)F。根據(jù)電容值的計(jì)算公式，通過(guò)電容極板的電容輸出值分辨這三種位置：若電容極板的電容輸出值有四個(gè)值相同且都為最大值，則接觸點(diǎn)落在正方形電容極板的頂點(diǎn)上；若電容極板的電容輸出值有兩個(gè)值相同且都為最大值，則接觸點(diǎn)落在正方形電容極板的邊上；若電容極板的電容輸出值只有一個(gè)最大值，則接觸點(diǎn)落在正方形電容極板內(nèi)。

這樣在電容極板有電容值輸出后，根據(jù)產(chǎn)生電容的電容極板位置和產(chǎn)生電容的大小就可以對(duì)接觸點(diǎn)位置進(jìn)行判斷，對(duì)于電容極板的電容輸出值只有一個(gè)最大值的情況可以直接確定接觸點(diǎn)的位置，進(jìn)而自動(dòng)識(shí)別半徑補(bǔ)償方向。

為了分析的方便，在對(duì)接觸點(diǎn)位置進(jìn)行反推的時(shí)候，不用對(duì)每個(gè)有電容輸出值的電容極板都進(jìn)行分析，只需要根據(jù)電容極板的形狀和精度要求，取幾個(gè)電容輸出值較大的電容極板進(jìn)行分析即可。如果需要更高的精度，則輸出電容值最大的電容極板周圍的電容極板輸出的電容值可以用來(lái)精確地反推出接觸點(diǎn)的具體位置。減小電容極板的面積，增加電容極板的數(shù)量也可以用來(lái)提高測(cè)量精度。