一種直接入射式光臂放大型三維掃描測頭的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種精密測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種直接入射式光臂放大型三維掃 描測頭。
【背景技術(shù)】
[0002] 測頭是精密量儀的關(guān)鍵部件之一，作為傳感器提供被測工件的幾何位置信息，測 頭的發(fā)展水平直接影響著精密量儀的測量精度與測量效率。精密測頭通常分為接觸式測頭 與非接觸式測頭兩種，其中接觸式測頭又分為機(jī)械式測頭、觸發(fā)式測頭和掃描式測頭；非接 觸式測頭分為激光測頭和光學(xué)視頻測頭。
[0003] 機(jī)械式測頭是精密量儀使用較早的一種測頭。該測頭通過測頭測端與被測工件直 接接觸進(jìn)行位置測量，主要用于手動測量。該類測頭結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，其缺點(diǎn)在于精度 不高，測量效率低，目前很少用于工業(yè)測量領(lǐng)域。當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用的精密測頭是觸發(fā) 式測頭。觸發(fā)式測頭的測量原理是當(dāng)測頭測端與被測工件接觸時(shí)精密量儀發(fā)出采樣脈沖信 號，并通過儀器的處理系統(tǒng)鎖存此時(shí)測端球心的坐標(biāo)值，以此來確定測端與被測工件接觸 點(diǎn)的坐標(biāo)。該類測頭具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、及較高觸發(fā)精度等優(yōu)點(diǎn)，是三維測頭中應(yīng)用 最廣泛的測頭。但該類測頭的缺點(diǎn)在于：存在各向異性（三角效應(yīng)），或者接觸式測頭在接 觸被測工件時(shí)因?yàn)樽枇Χa(chǎn)生微小位移從而導(dǎo)致測頭的位移偏差，限制了其測量精度的進(jìn) 一步提高，最高精度只能達(dá)零點(diǎn)幾微米。另一方面，由于觸發(fā)式測頭測量原理決定了其測量 過程為單點(diǎn)測量，測量效率低，限制了其推廣使用。
[0004] 當(dāng)前應(yīng)用最廣的測頭類型為掃描式測頭，該類測頭輸出量與測頭偏移量成正比， 作為一種精度高、功能強(qiáng)、適應(yīng)性廣的測頭，同時(shí)具備工件單點(diǎn)測量和連續(xù)掃描測量的功 能。該類測頭的測量原理是測頭測端在接觸被測工件后，測頭由于接觸力的作用發(fā)生位移， 測頭的轉(zhuǎn)換裝置輸出與測桿的微小偏移成正比的信號，該信號和精密量儀的相應(yīng)坐標(biāo)值疊 加便可得到被測工件上點(diǎn)的精確坐標(biāo)。若不考慮測桿的變形，掃描式測頭是各向同性的，故 其精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于觸發(fā)式測頭。但是該類測頭的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，目前世界上只 有少數(shù)公司可以生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的機(jī)械式測頭和觸發(fā)式測頭精度不高， 以及掃描式測頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高的上述不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、測量精度較高的新型 三維掃描測頭，該三維掃描測頭能夠測得測頭在三個(gè)方向的位移，通過位移疊加，能夠補(bǔ)償 測球接觸被測工件時(shí)位移導(dǎo)致的被測工件位置測量偏差，獲得被測工件更為準(zhǔn)確的測量坐 標(biāo)。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案：
[0007] 技術(shù)方案一：
[0008] -種直接入射式光臂放大型三維掃描測頭，包括：
[0009] 三個(gè)激光源，用于發(fā)射三條激光束，即激光源一發(fā)射激光束一，激光源二發(fā)射激光 束二，激光源三發(fā)射激光束三；
[0010] 測頭基座，設(shè)有所述激光源一、激光源二與激光源三，以及用于檢測的測桿和測 球；
[0011] 三個(gè)光電探測器，即光電探測器一、光電探測器二和光電探測器三，分別用于接收 激光束一、激光束二和激光束三；
[0012] 平移部件，用于使所述測頭基座做直線運(yùn)動；
[0013] 回復(fù)部件，用于將所述測頭基座回復(fù)至初始位置；
[0014] 處理系統(tǒng)，根據(jù)所述光電探測器一、光電探測器二和光電探測器三上分別獲得的 激光束一，激光束二和激光束三入射位置變化值，計(jì)算得到所述測球的三維位移變化值。
[0015] 技術(shù)方案二：
[0016] -種直接入射式光臂放大型三維掃描測頭，包括：
[0017] 三個(gè)激光源，用于發(fā)射三條激光束，即激光源一發(fā)射激光束一，激光源二發(fā)射激光 束二，激光源三發(fā)射激光束三；
[0018] 三個(gè)光電探測器，即光電探測器一、光電探測器二和光電探測器三，分別用于接收 激光束一、激光束二和激光束三；
[0019] 測頭基座，所述測頭基座上設(shè)有光電探測器一、光電探測器二與光電探測器三，以 及用于檢測的測桿和測球；
[0020] 平移部件，用于使所述測頭基座做直線運(yùn)動；
[0021] 回復(fù)部件，用于將所述測頭基座回復(fù)至初始位置；
[0022] 處理系統(tǒng)，根據(jù)所述光電探測器一、光電探測器二和光電探測器三上分別獲得的 激光束一，激光束二和激光束三入射位置變化值，計(jì)算得到所述測球的三維位移變化值。
[0023] 該新型光臂放大式三維掃描測頭，利用三個(gè)激光源分別發(fā)射三條激光束，每束激 光束均為平行激光束，入射到三個(gè)光電探測器上，每個(gè)光電探測器能夠感應(yīng)對應(yīng)激光束的 入射位置。當(dāng)平移部件帶動測頭基座做直線運(yùn)動，即平移部件能夠沿不同方向平移測頭基 座，則激光源與對應(yīng)光電探測器距離發(fā)生變化，即三束激光束分別入射到對應(yīng)光電探測器 上的位置也相應(yīng)發(fā)生改變，根據(jù)幾何關(guān)系，處理系統(tǒng)分別對每個(gè)激光束入射到對應(yīng)光電探 測器上的入射位置變化值進(jìn)行計(jì)算并分析，能夠得到測頭基座在位于其直線位移方向的位 移變化值，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)該測頭基座在三個(gè)方向合成的三維位移測量，測頭基座發(fā)生位移 后通過回復(fù)部件能夠回復(fù)至初始位置，便于下一次的測量。
[0024] 使用時(shí)，將該三維掃描測頭安裝在精密量儀上，由于測頭基座上連接測桿和測球， 測球用于與被測工件直接接觸進(jìn)行位置測量，當(dāng)測球與被測工件直接接觸時(shí)，受到阻力而 產(chǎn)生位移，測球帶動測頭基座在平移部件上產(chǎn)生位移，通過三個(gè)激光源、三個(gè)光電探測器、 處理系統(tǒng)配合，能夠計(jì)算得到測球的位移量，以補(bǔ)償測球接觸被測工件時(shí)測球位移導(dǎo)致的 被測工件位置測量偏差，由于每個(gè)光電探測器能夠得到一個(gè)直線方向的位移量，通過三個(gè) 光電探測器即能夠得到在三個(gè)不同直線方向的位移偏移量，以獲得被測工件更為準(zhǔn)確的位 置坐標(biāo)，最高精度能夠達(dá)到納米級別，提高了三維掃描測頭的測量精度。該測頭簡化了結(jié) 構(gòu)，降低了生產(chǎn)成本，易于批量加工制造。
[0025] 優(yōu)選地，所述技術(shù)方案一或技術(shù)方案二中三個(gè)所述光電探測器的入射面相互垂直 設(shè)置，所述平移部件用于將所述測頭基座分別沿相對所述光電探測器一、光電探測器二、光 電探測器三的三個(gè)相互垂直的方向移動，實(shí)現(xiàn)激光束入射到對應(yīng)光電探測器上的位置發(fā)生 變化，以實(shí)現(xiàn)測量。
[0026] 進(jìn)一步優(yōu)選地，所述平移部件包括位于水平方向的至少一個(gè)導(dǎo)向槽一，所有所述 導(dǎo)向槽一之間沿垂直方向水平滑動設(shè)有至少一個(gè)導(dǎo)向槽二，所有所述導(dǎo)向槽二上沿垂直方 向設(shè)有至少一個(gè)導(dǎo)向槽三，所有所述導(dǎo)向槽三上沿豎直平面上下滑動連接所述測頭基座。
[0027] 該平移部件分別包括導(dǎo)向槽一、導(dǎo)向槽二和導(dǎo)向槽三，其中導(dǎo)向槽二可相對導(dǎo)向 槽一滑動，導(dǎo)向槽三可相對導(dǎo)向槽二滑動，導(dǎo)向槽一的滑動方向與導(dǎo)向槽二的滑動方向相 互垂直，導(dǎo)向槽二的滑動方向與導(dǎo)向槽三的滑動方向相互垂直，導(dǎo)向槽三通過滑塊84連接 測頭基座，測頭基座可在導(dǎo)向槽三上進(jìn)行滑動，因此能夠分別實(shí)現(xiàn)測頭基座在三維方向即 三個(gè)相互垂直的方向進(jìn)行位移。
[0028] 優(yōu)選地，所述技術(shù)方案一或技術(shù)方案二中的回復(fù)部件包括彈簧片一、彈簧片二、彈 簧片三，其中所述簧片一設(shè)于至少一個(gè)所述導(dǎo)向槽一上并用于將所述導(dǎo)向槽二回復(fù)至初始 位置，所述簧片二設(shè)于至少一個(gè)所述導(dǎo)向槽二上并用于將所述導(dǎo)向槽三回復(fù)至初始位置， 所述簧片三設(shè)于所述導(dǎo)向槽三上并用于將所述測頭基座回復(fù)至初始位置。
[0029] 該回復(fù)部件包括分別設(shè)于導(dǎo)向槽一、導(dǎo)向槽二、導(dǎo)向槽三上的彈簧片一、彈簧片 二、彈簧片三，能夠分別將導(dǎo)向槽二、導(dǎo)向槽三和測頭基座回復(fù)至初始位置，即將三個(gè)激光 束入射至三個(gè)光電探測器上位置回復(fù)至最初位置，便于測頭系統(tǒng)的下一次測量。
[0030] 進(jìn)一步優(yōu)選地，所述技術(shù)方案一中所述測頭基座為長方體，將三個(gè)激光源設(shè)于這 三個(gè)側(cè)面，所述光電探測器一、光電探測器二和光電探測器三兩兩相互垂直設(shè)置。
[0031] 進(jìn)一步優(yōu)選地，所述技術(shù)方案一中光電探測器可旋轉(zhuǎn)安裝在所述殼體上，激光源 安裝在所述測頭基座上，可旋轉(zhuǎn)的光電探測器能夠改變光電探測器與對應(yīng)激光源的相對位 置和夾角，從而改變了光電探測器測量測頭位移的放大倍數(shù)，三個(gè)光電探測器能夠改變測 量基座在位于不同方向的位移測量放大倍數(shù)，以滿足實(shí)際需要。
[0032] 優(yōu)選地，所述技術(shù)方案二中所述測頭基座為長方體，將三個(gè)光電探測器設(shè)于這三 個(gè)側(cè)面，所述光電探測器一、光電探測器二和光電探測器三兩兩相互垂直設(shè)置。
[0033] 進(jìn)一步優(yōu)選地，所述技術(shù)方案二中激光