本發(fā)明涉及三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的光學(xué)精密測(cè)頭領(lǐng)域，尤其涉及一種光學(xué)觸發(fā)測(cè)頭及測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，隨著汽車工業(yè)、機(jī)器人、航空航天工業(yè)、微型裝配、微電機(jī)系統(tǒng)等技術(shù)快速發(fā)展，對(duì)所加工的精密零件的尺寸公差要求也提出了更高要求，對(duì)這些精密微小零件尺寸進(jìn)行檢測(cè)的儀器精度要求也更加嚴(yán)格，其中三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(cmm)是一種典型的精密測(cè)量?jī)x器。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)主要由三維微納定位平臺(tái)和感測(cè)功能的傳感測(cè)頭等部分構(gòu)成，傳感測(cè)頭部分是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的核心部件，直接關(guān)系測(cè)量機(jī)的測(cè)量精度，傳感測(cè)頭的發(fā)展水平也直接影響著測(cè)量機(jī)的測(cè)量精度、工作性能、使用效率等。

目前商用傳感測(cè)頭分為非接觸式和接觸式，按照測(cè)量模型又可以分為掃描式和觸發(fā)式。非接觸式傳感測(cè)頭利用光學(xué)的方法，通過(guò)被測(cè)件面反射回來(lái)的光信號(hào)，再通過(guò)一定的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量功能，這種測(cè)量方式對(duì)一些復(fù)雜零件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒(méi)有辦法測(cè)量，同時(shí)，對(duì)被測(cè)物的表面的反射系數(shù)要求苛刻，對(duì)于顏色較深的被測(cè)件其測(cè)量精度有所損失。對(duì)于接觸式測(cè)頭，傳感測(cè)頭的末端測(cè)球接觸到被測(cè)件時(shí)，其傳感物理量發(fā)生改變，進(jìn)而引起電信號(hào)的改變，最終來(lái)確定觸碰的空間位置，這種接觸式測(cè)量，對(duì)于被測(cè)件硬度有一定的要求，接觸測(cè)量時(shí)，測(cè)力過(guò)大會(huì)產(chǎn)生較大的變形，同時(shí)也會(huì)磨損接觸測(cè)球，綜合下來(lái)其測(cè)量誤差相對(duì)較大。對(duì)于接觸式測(cè)頭常用的有兩種，一種是接觸式觸發(fā)測(cè)頭，一種是接觸式掃描測(cè)頭。觸發(fā)式測(cè)頭，不具有測(cè)量功能，當(dāng)測(cè)球與被測(cè)件接觸時(shí)，測(cè)頭給出觸發(fā)信號(hào)，來(lái)判斷是否接觸到被測(cè)物，結(jié)合三坐標(biāo)光柵尺給出觸碰點(diǎn)的空間坐標(biāo)，這種觸發(fā)式目前大部分是球柱三點(diǎn)支撐方式，這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，重復(fù)定位精度較高，由于三點(diǎn)支撐的非對(duì)稱，會(huì)引起較大的各向異性；對(duì)于掃描測(cè)頭，具備觸發(fā)式測(cè)頭功能，也具有小量程的測(cè)量功能，相當(dāng)于小量程的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，這種結(jié)構(gòu)測(cè)頭精度較高，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，價(jià)格較貴。接觸式觸發(fā)測(cè)頭的測(cè)量精度能滿足大部分的工業(yè)要求，所以市場(chǎng)上的傳感測(cè)頭大部分還是觸發(fā)式測(cè)頭。

綜上所述，接觸式觸發(fā)測(cè)頭目前是應(yīng)用最廣泛，但是受其結(jié)構(gòu)的限制，其測(cè)頭的各向異性明顯，使得對(duì)其進(jìn)行誤差補(bǔ)償很困難，從而制約了其測(cè)量精度的提升。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種光學(xué)觸發(fā)測(cè)頭及測(cè)量方法，解決了上述現(xiàn)有觸發(fā)測(cè)頭技術(shù)所存在的各向異性較大、觸發(fā)精度不高等問(wèn)題。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種光學(xué)觸發(fā)測(cè)頭，包括測(cè)頭光路模塊和測(cè)頭傳感模塊，所述測(cè)頭光路模塊包括由前往后依次設(shè)置的聚焦透鏡一、四分之一波片、偏振分光棱鏡、準(zhǔn)直透鏡、光源以及設(shè)于所述偏振分光棱鏡側(cè)邊的直角棱鏡、依次設(shè)于所述直角棱鏡后方的聚焦透鏡二和光電探測(cè)器；所述測(cè)頭傳感模塊包括光纖桿、轉(zhuǎn)接外殼、固定外殼、柔性彈簧片、反射件以及測(cè)針，所述光纖桿通過(guò)所述轉(zhuǎn)接外殼套設(shè)于所述固定外殼中并置于所述聚焦透鏡一前方，所述光纖桿和轉(zhuǎn)接外殼與所述固定外殼之間設(shè)有容腔，所述固定外殼前端設(shè)有與所述容腔相通的開口，所述柔性彈簧片設(shè)于所述容腔內(nèi)的開口處，所述反射件與所述測(cè)針通過(guò)連接桿連接并分別固定于所述柔性彈簧片的內(nèi)外側(cè)中間，所述測(cè)針穿過(guò)所述開口置于所述固定外殼前方，所述反射件設(shè)于所述光纖桿前方并置于所述容腔內(nèi)。

優(yōu)選地，所述測(cè)頭光路模塊還包括用于安裝所述測(cè)頭光路模塊的框架，所述轉(zhuǎn)接外殼相對(duì)所述測(cè)頭光路模塊的一端設(shè)有與所述框架配合連接的三個(gè)環(huán)形均布的磁鐵和三個(gè)環(huán)形均布的定位槽，所述測(cè)頭傳感模塊與測(cè)頭光路模塊通過(guò)所述定位槽和磁鐵與框架的配合進(jìn)行連接。

優(yōu)選地，所述光纖桿上具有一根中心光纖棒和設(shè)于所述中心光纖棒周圍同軸均勻分布的六根光纖棒。

優(yōu)選地，所述中心光纖棒及其周圍的六根光纖棒均為2mm的石英多模光纖棒。

優(yōu)選地，所述光纖桿與所述反射件相對(duì)的一面鍍有消光膜；所述反射件與所述光纖桿相對(duì)的一面鍍有高反射膜。

優(yōu)選地，所述光源位于所述準(zhǔn)直透鏡的物方焦面上，所述偏振分光棱鏡位于所述準(zhǔn)直透鏡的像方空間，所述四分之一波片的快軸方向與p型偏振光振動(dòng)方向夾角為45°，所述聚焦透鏡一的像方焦面上設(shè)置所述測(cè)頭傳感模塊，所述直角棱鏡的一直角面與所述偏振分光棱鏡相對(duì)，所述直角棱鏡的另一直角面后方放置所述聚焦透鏡二，所述聚焦透鏡二像方空間一倍焦距以內(nèi)放置所述光電探測(cè)器。

優(yōu)選地，所述光源為激光二極管，所述測(cè)針的前端設(shè)有測(cè)球。

優(yōu)選地，所述光電探測(cè)器是圖像探測(cè)器或光電二極管陣列。

一種光學(xué)觸發(fā)測(cè)量方法，使用上述的光學(xué)觸發(fā)測(cè)頭進(jìn)行觸發(fā)測(cè)量，通過(guò)光源射出激光，激光依次經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡、偏振分光棱鏡、四分之一波片、聚焦透鏡一后聚焦耦合進(jìn)入光纖桿上的中心光纖棒中進(jìn)行傳輸，出射后具有一定發(fā)散角并傳至反射件，通過(guò)反射件的反射進(jìn)入中心光纖棒和其周圍的六根光纖棒中進(jìn)行傳輸，出射后再依次通過(guò)聚焦透鏡一、四分之一波片、偏振分光棱鏡，通過(guò)偏振分光棱鏡反射至直角棱鏡，經(jīng)過(guò)直角棱鏡反射后通過(guò)聚焦透鏡二在光電探測(cè)器上形成七個(gè)光斑，一個(gè)光斑在中心，六個(gè)光斑均布在周圍，光電探測(cè)器接收光強(qiáng)并轉(zhuǎn)為電信號(hào)；當(dāng)前端測(cè)針接觸到被測(cè)件時(shí)，使測(cè)針發(fā)生偏擺，進(jìn)而使反射件發(fā)生偏擺，導(dǎo)致光纖棒所接受的光強(qiáng)發(fā)生變化，進(jìn)而使光電探測(cè)器所接受并轉(zhuǎn)換的電信號(hào)發(fā)生變化，通過(guò)光強(qiáng)與電信號(hào)之間的變化關(guān)系，來(lái)確定電信號(hào)變化與測(cè)針空間位置變化的關(guān)系，最后得到所需的觸發(fā)閾值，最終實(shí)現(xiàn)測(cè)頭觸發(fā)功能。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

本發(fā)明基于光學(xué)傳感特性，通過(guò)光纖棒來(lái)接收光強(qiáng)，通過(guò)光強(qiáng)的變化，進(jìn)而使光電探測(cè)器所接受并轉(zhuǎn)換的電信號(hào)發(fā)生變化，通過(guò)光強(qiáng)與電信號(hào)之間的變化關(guān)系，來(lái)確定電信號(hào)變化與測(cè)針空間位置變化的關(guān)系，最后得到所需設(shè)置的觸發(fā)閾值，實(shí)現(xiàn)觸發(fā)功能；具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)，測(cè)頭可以實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)同性，解決了傳統(tǒng)商用測(cè)頭所存在的各向異性較大的問(wèn)題。

本發(fā)明所研究的光纖觸發(fā)測(cè)頭，是一種光學(xué)測(cè)頭，具有較高的測(cè)量分辨力和較快的感測(cè)速度，其測(cè)頭光路模塊與測(cè)頭傳感模塊，通過(guò)轉(zhuǎn)接座上的定位槽和磁鐵連接起來(lái)，安裝簡(jiǎn)單快捷，這樣方便替換不同測(cè)力和測(cè)量精度的測(cè)頭傳感部位，適用性強(qiáng)，以適用各種不同場(chǎng)合的測(cè)量精度的要求。

附圖說(shuō)明

此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定，在附圖中：

圖1為實(shí)施例光學(xué)觸發(fā)測(cè)頭示意圖；

圖2為實(shí)施例光纖桿示意圖；

圖3為實(shí)施例轉(zhuǎn)接外殼示意圖；

圖4為實(shí)施例反射件示意圖；

圖5為圖4中反射件的其它形狀示意圖；

圖6為圖4中反射件的其它形狀示意圖。

1、激光二極管，2、準(zhǔn)直透鏡，3、偏振分光棱鏡，4、四分之一波片，5、聚焦透鏡一，6、光纖桿，7、轉(zhuǎn)接外殼，8、固定外殼，9、反射件，10、彈簧片，11、轉(zhuǎn)接桿，12、測(cè)針，13、直角棱鏡，14、聚焦透鏡二，15、光電探測(cè)器。

具體實(shí)施方式

為了更充分的理解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，下面將結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步介紹和說(shuō)明。

實(shí)施例

如圖1至圖4所示，本實(shí)施例所示的一種光學(xué)觸發(fā)測(cè)頭，包括測(cè)頭光路模塊和測(cè)頭傳感模塊兩部分，測(cè)頭光路模塊包括由前往后依次設(shè)置的聚焦透鏡一5、四分之一波片4、偏振分光棱鏡3、準(zhǔn)直透鏡2、激光二極管1以及設(shè)于偏振分光棱鏡3側(cè)邊的直角棱鏡13、依次設(shè)于直角棱鏡13后方的聚焦透鏡二14和光電探測(cè)器15；其中激光二極管選波長(zhǎng)為650nm的可見(jiàn)光，其測(cè)頭光路模塊的光學(xué)元件均匹配650nm波段的元件，激光二極管1位于準(zhǔn)直透鏡2的物方焦面上，偏振分光棱鏡3位于準(zhǔn)直透鏡2的像方空間，四分之一波片4的快軸方向與p型偏振光振動(dòng)方向夾角為45°，直角棱鏡13的一直角面與偏振分光棱鏡3相對(duì)，直角棱鏡13的另一直角面后方放置聚焦透鏡二14，聚焦透鏡二14的像方空間一倍焦距以內(nèi)放置光電探測(cè)器15，聚焦透鏡一5的像方焦面上設(shè)置測(cè)頭傳感模塊；測(cè)頭傳感模塊包括光纖桿6、轉(zhuǎn)接外殼7、固定外殼8、反射件9、柔性彈簧片10以及測(cè)針12，光纖桿6通過(guò)轉(zhuǎn)接外殼7套設(shè)于固定外殼8中并置于聚焦透鏡一5前方，光纖桿6通過(guò)膠粘在轉(zhuǎn)接外殼7內(nèi)，轉(zhuǎn)接外殼7前端外側(cè)通過(guò)膠粘于固定外殼8后端內(nèi)，光纖桿6和轉(zhuǎn)接外殼7與固定外殼8之間設(shè)有容腔，固定外殼8前端設(shè)有與容腔相通的開口，柔性彈簧片10固定于容腔內(nèi)的開口處，反射件9與測(cè)針12通過(guò)連接桿11連接并分別固定于柔性彈簧片10內(nèi)外側(cè)的中間，測(cè)針12穿過(guò)開口置于固定外殼8前方，測(cè)針12的前端設(shè)有測(cè)球，反射件9設(shè)于光纖桿6前方并置于容腔內(nèi)。

本實(shí)施例中，測(cè)頭光路模塊還包括用于安裝所述聚焦透鏡一、四分之一波片、偏振分光棱鏡、準(zhǔn)直透鏡、光源、偏振分光棱鏡、直角棱鏡、聚焦透鏡二和光電探測(cè)器的框架或結(jié)構(gòu)體(圖中未畫出)，轉(zhuǎn)接外殼7相對(duì)測(cè)頭光路模塊的一端設(shè)有與框架或結(jié)構(gòu)體配合連接的三個(gè)環(huán)形均布的磁鐵71和三個(gè)環(huán)形均布的定位槽72，框架或結(jié)構(gòu)體上設(shè)有與轉(zhuǎn)接外殼7上的磁鐵相配合的磁性件或磁鐵以及與定位槽相配合的卡合部，測(cè)頭傳感模塊與測(cè)頭光路模塊通過(guò)定位槽和磁鐵與框架或結(jié)構(gòu)體的磁性件和卡合部配合進(jìn)行連接，安裝簡(jiǎn)單快捷，這樣方便替換不同測(cè)力和測(cè)量精度的測(cè)頭傳感模塊。

本實(shí)施例中，光纖桿6中有七根光纖幫，包括一根中心光纖棒和設(shè)于中心光纖棒周圍同軸均勻分布的六根光纖棒，七根光纖棒均為2mm的石英多模光纖棒。

本實(shí)施例中，光纖桿6與反射件9相對(duì)的底面61中除了光纖棒端面外部分均鍍有消光膜，可以有效阻止不需要的光強(qiáng)因?yàn)榻缑娑啻畏瓷渌斐傻母蓴_；反射件9與光纖桿6相對(duì)的表面鍍有高反射膜，其中鍍有高反射膜的反射件表面可以是平面91，也還可以是球面92或凹球面93(如圖5和圖6所示)。

本實(shí)施例中，光電探測(cè)器是圖像探測(cè)器或特殊形狀的光電二極管陣列。

一種光學(xué)觸發(fā)測(cè)量方法，使用上述的光學(xué)觸發(fā)測(cè)頭進(jìn)行觸發(fā)測(cè)量；將整個(gè)測(cè)頭裝調(diào)好之后，激光二極管通恒流電壓，激光二極管射出激光，激光本身的發(fā)散角較大，通過(guò)準(zhǔn)直透鏡之后，變?yōu)橐皇l(fā)散角很小的近似平行光束，光束通過(guò)偏振分光棱鏡之后，透射的光束為p型偏振光，p型偏振光通過(guò)四分之一波片后，變?yōu)閳A偏振光，圓偏振光通過(guò)聚焦透鏡一后，聚焦耦合進(jìn)入光纖桿上的中心光纖棒中進(jìn)行傳輸，光束出射后具有一定發(fā)散角并傳至反射件，通過(guò)反射件表面高反射膜的進(jìn)行反射，反射后在光纖桿的底部端面形成一光域面，由于在光纖桿的底部端面中除了光纖棒端面外部分均鍍有消光膜，這樣可以有效阻止不需要的光強(qiáng)因?yàn)槎嗣娑啻畏瓷渌斐傻母蓴_，中心光纖棒和其周圍的六根光纖棒接受光強(qiáng)進(jìn)行傳輸，出射后再次通過(guò)聚焦透鏡一變?yōu)槠窆?，此時(shí)的聚焦透鏡一起光束準(zhǔn)直的作用，后再次經(jīng)過(guò)四分之一波片，偏振光變?yōu)閟型偏振光，s型偏振光再次經(jīng)過(guò)偏振分光棱鏡時(shí)，s型偏振光被反射至直角棱鏡，經(jīng)過(guò)直角棱鏡反射后通過(guò)聚焦透鏡二在光電探測(cè)器上形成七個(gè)光斑，一個(gè)光斑在中心，六個(gè)光斑均布在周圍，光電探測(cè)器接收光強(qiáng)并轉(zhuǎn)為電信號(hào)；當(dāng)測(cè)針前端測(cè)球接觸到被測(cè)件時(shí)，使測(cè)針發(fā)生偏擺，進(jìn)而使反射件發(fā)生偏擺，導(dǎo)致光纖棒所接受的光強(qiáng)發(fā)生變化，進(jìn)而使光電探測(cè)器所接受光強(qiáng)并轉(zhuǎn)換的電信號(hào)發(fā)生變化，通過(guò)光強(qiáng)與電信號(hào)之間的變化關(guān)系，來(lái)確定電信號(hào)變化與測(cè)針空間位置變化的關(guān)系，最后得到所需的觸發(fā)閾值，最終實(shí)現(xiàn)測(cè)頭觸發(fā)功能。

以上對(duì)本發(fā)明實(shí)施例所提供的技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的原理以及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只適用于幫助理解本發(fā)明實(shí)施例的原理；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，在具體實(shí)施方式以及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說(shuō)明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。