一種新型光臂放大式一維線性測頭的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種精密測量技術領域，特別涉及一種新型光臂放大式一維線性測 頭。
【背景技術】
[0002] 測頭是精密量儀的關鍵部件之一，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視頻測頭。
[0003] 機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 接接觸進行位置測量，主要用于手動測量。該類測頭結構簡單、操作方便，其缺點在于精度 不高，測量效率低，目前很少用于工業(yè)測量領域。當前工業(yè)領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測頭測端與被測工件接觸時精密量儀發(fā)出采樣脈沖信 號，并通過儀器的處理系統鎖存此時測端球心的坐標值，以此來確定測端與被測工件接觸 點的坐標。該類測頭具有結構簡單、使用方便、及較高觸發(fā)精度等優(yōu)點，是三維測頭中應用 最廣泛的測頭。但該類測頭的缺點在于：存在各向異性（三角效應），或者接觸式測頭在接 觸被測工件時因為阻力而產生微小位移從而導致測頭的位移偏差，限制了其測量精度的進 一步提高，最高精度只能達零點幾微米。另一方面，由于觸發(fā)式測頭測量原理決定了其測量 過程為單點測量，測量效率低，限制了其推廣使用。
[0004] 當前應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、適應性廣的測頭，同時具備工件單點測量和連續(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坐標值疊 加便可得到被測工件上點的精確坐標。若不考慮測桿的變形，掃描式測頭是各向同性的，故 其精度遠遠高于觸發(fā)式測頭。但是該類測頭的缺點是結構復雜，制造成本高，目前世界上只 有少數公司可以生產。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現有技術中所存在的機械式測頭和觸發(fā)式測頭精度不高， 以及掃描式測頭結構復雜、成本較高的上述不足，提供一種結構簡單、測量精度高的新型光 臂放大式一維線性測頭。
[0006] 為了實現上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了以下技術方案：
[0007] -種新型光臂放大式一維線性測頭，包括：
[0008] 激光源，用于發(fā)射激光束；
[0009] 測頭基座，包括至少一個反射面，用于反射所述激光源發(fā)射的激光束，所述測頭基 座上設有用于檢測的測桿和測球；
[0010] 光電探測器，用于接收所述測頭基座上反射面反射的激光束；
[0011] 平移部件，用于使所述測頭基座做直線運動，或用于使所述測頭基座與光電探測 器共同做直線運動，以改變所述測頭基座反射面上的激光束反射點位置；
[0012] 回復部件，用于將所述測頭基座回復至初始位置，或將所述測頭基座與光電探測 器共同回復至初始位置；
[0013] 處理系統，根據所述光電探測器上所接收到的激光束反射位置變化值，計算得到 所述測球的位移變化值。
[0014] 該新型光臂放大式一維線性測頭，利用一個激光源發(fā)射激光束，該激光束為平行 激光束，入射到測頭基座上，測頭基座上的反射面將激光束反射出去，并入射到光電探測器 上，光電探測器能夠感應激光束的反射位置。平移部件能夠使測頭基座做直線運動，或所述 測頭基座與光電探測器共同做直線運動，即平移部件能夠直線平移測頭基座，或者同時平 移測頭基座和光電探測器，以改變所述測頭基座反射面上的激光束反射點位置，其反射出 去的激光束入射到光電探測器上的位置也有所改變，通過處理系統對光電探測器對不同激 光束反射位置的變化值，進行計算并分析，能夠得到測頭基座在位于其直線位移方向的位 移變化值，測頭基座發(fā)生位移后通過回復部件回復至初始位置，或所述測頭基座與光電探 測器共同發(fā)生位移后通過回復部件回復至初始位置，便于下一次的測量。
[0015] 將該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 工件直接接觸進行定位而完成精密量儀測量，當測球與被測工件直接接觸時，受到阻力而 產生位移，測球帶動測頭基座在平移部件上發(fā)生直線位移，通過激光源、測頭基座上的反射 面、光電探測器、處理系統配合，能夠計算得到測球的位移量，以補償測球接觸被測工件時 測球位移導致的被測工件定位時的測量偏差，獲得被測工件在測頭基座直線位移方向即一 維方向的更為準確的測量坐標，最高精度能夠達到納米級別，提高了測量的精度。該測頭簡 化了結構，降低了生產成本，易于批量加工制造。
[0016] 優(yōu)選地，所述平移部件用于將所述測頭基座沿垂直于所述光電探測器的方向做直 線運動。
[0017] 優(yōu)選地，該一維線性測頭還包括殼體，所述激光源固定在所述殼體內，所述光電探 測器可旋轉安裝在所述殼體內，所述平移部件包括位于所述殼體內的導向槽，所述測頭基 座設有與所述導向槽適配的滑塊。
[0018] 該測頭包括設于精密量儀上的殼體，該殼體上集成有激光源、光電探測器和平移 部件，便于安裝和拆卸。其中平移部件為導向槽，測頭基座通過滑塊能夠在導向槽內做直線 運動，以改變所述測頭基座反射面上的激光束反射點位置。
[0019] 優(yōu)選地，所述回復部件設于所述殼體內并用于將所述測頭基座回復至初始位置， 或用于將所述測頭基座與光電探測器共同回復至初始位置。
[0020] 優(yōu)選地，回復部件為彈簧，其一端連接在所述測頭基座上，另一端連接在所述殼體 上。測球受到被測工件阻力而發(fā)生位移導致測頭基座相應發(fā)生位移，當測頭完成測量后，回 復部件能夠將測頭基座回復至初始位置（即安裝位置），以便下一個被測工件測量點的準 確測量。
[0021] 優(yōu)選地，該一維線性測頭還包括殼體，所述平移部件和回復部件為平行簧片結構， 其中所述平行簧片結構包括連接在所述測頭基座上的連接塊和固定在殼體上的座板，所述 連接塊和所述座板之間連接有兩個相互平行的簧片，所述連接塊可相對所述座板平行移動 和復位。
[0022] 該平移部件和回復部件可以通過兩個平行的簧片，將連接塊連接在測頭基座上， 測頭基座上位移時，帶動兩個平行的簧片移動，此時連接塊相對座板發(fā)生平行位移，由于簧 片具有回復力，因為可以恢復至原位，即將測頭基座回復至初始位置。
[0023] 優(yōu)選地，所述光電探測器為位置敏感探測器。
[0024] 該光電探測器選用為常用的位置敏感探測器（英文為Position Sensitive Detector，簡稱PSD)，屬于半導體器件，一般做成PN結構，其工作原理是基于橫向光電效 應，能夠用于位置坐標的精確測量，具有高靈敏度、高分辨率、響應速度快和配置電路簡單 等優(yōu)點。
[0025] 優(yōu)選地，所述光電探測器為一維位置敏感探測器。
[0026] 一維位置敏感探測器（簡稱一維PSD)，可以探測出一個亮點在它的一個唯一方向 上表面的移動。分別將一維PSD安裝在殼體的X軸、Y軸或Z軸，抑或其他方向，以獲得其在 該方向的位移值，并將其補償到被測工件的測量值上，以獲得該一維方向更準確的測量值。
[0027] 優(yōu)選地，所述一維位置敏感探測器在位于所述殼體的側面上可旋轉。
[0028] 可旋轉的一維位置敏感探測器能夠根據實際所需要測量精度改變其旋轉位置，能 夠改變一維位置敏感探測器和測頭基座反射面的相對位置和夾角，從而改變了一維位置敏 感探測器測量測頭位移的放大倍數，以滿足實際需要。
[0029] 優(yōu)選地，所述測頭基座為梯形臺體，所述反射面位于梯形臺體側面。
[0030] 梯形臺體的測頭基座側面為平面，便于制造加工反射面，以及安裝測桿和測球，降 低生產成本。
[0031] 優(yōu)選地，所述測頭基座的形狀為長方體，所述反射面位于該長方體一側面上，所述 激光源發(fā)射的激光束傾斜入射到所述反射面上。
[0032] 該測頭基座的形狀為長方體，長方體可通過平移部件進行滑動，該長方體沿豎直 方向的一個側面上設置為反射面，將激光源傾斜放置，使其發(fā)射的激光束能夠傾斜入射到 反射面上，并反射到光電探測器。長方體的測頭基座加工方便，安裝簡單，其側面加工成反 射面與安裝面，精度容易保證。
[0033] 優(yōu)