新型光臂放大式二維線性測(cè)頭的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種新型光臂放大式二維線測(cè) 頭。
【背景技術(shù)】
[0002] 測(cè)頭是精密量?jī)x的關(guān)鍵部件之一，作為傳感器提供被測(cè)工件的幾何位置信息，測(cè) 頭的發(fā)展水平直接影響著精密量?jī)x的測(cè)量精度與測(cè)量效率。精密測(cè)頭通常分為接觸式測(cè)頭 與非接觸式測(cè)頭兩種，其中接觸式測(cè)頭又分為機(jī)械式測(cè)頭、觸發(fā)式測(cè)頭和掃描式測(cè)頭；非接 觸式測(cè)頭分為激光測(cè)頭和光學(xué)視頻測(cè)頭。
[0003] 機(jī)械式測(cè)頭是精密量?jī)x使用較早的一種測(cè)頭。該測(cè)頭通過(guò)測(cè)頭測(cè)端與被測(cè)工件直 接接觸進(jìn)行位置測(cè)量，主要用于手動(dòng)測(cè)量。該類測(cè)頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，其缺點(diǎn)在于精度 不高，測(cè)量效率低，目前很少用于工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域。當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用的精密測(cè)頭是觸發(fā) 式測(cè)頭。觸發(fā)式測(cè)頭的測(cè)量原理是當(dāng)測(cè)頭測(cè)端與被測(cè)工件接觸時(shí)精密量?jī)x發(fā)出采樣脈沖信 號(hào)，并通過(guò)儀器的處理系統(tǒng)鎖存此時(shí)測(cè)端球心的坐標(biāo)值，以此來(lái)確定測(cè)端與被測(cè)工件接觸 點(diǎn)的坐標(biāo)。該類測(cè)頭具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、及較高觸發(fā)精度等優(yōu)點(diǎn)，是三維測(cè)頭中應(yīng)用 最廣泛的測(cè)頭。但該類測(cè)頭的缺點(diǎn)在于：存在各向異性（三角效應(yīng)），或者接觸式測(cè)頭在接 觸被測(cè)工件時(shí)因?yàn)樽枇Χa(chǎn)生微小位移從而導(dǎo)致測(cè)頭的位移偏差，限制了其測(cè)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(cè)頭測(cè)量原理決定了其測(cè)量 過(guò)程為單點(diǎn)測(cè)量，測(cè)量效率低，限制了其推廣使用。
[0004] 當(dāng)前應(yīng)用最廣的測(cè)頭類型為掃描式測(cè)頭，該類測(cè)頭輸出量與測(cè)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(cè)頭，同時(shí)具備工件單點(diǎn)測(cè)量和連續(xù)掃描測(cè)量的功 能。該類測(cè)頭的測(cè)量原理是測(cè)頭測(cè)端在接觸被測(cè)工件后，測(cè)頭由于接觸力的作用發(fā)生位移， 測(cè)頭的轉(zhuǎn)換裝置輸出與測(cè)桿的微小偏移成正比的信號(hào)，該信號(hào)和精密量?jī)x的相應(yīng)坐標(biāo)值疊 加便可得到被測(cè)工件上點(diǎn)的精確坐標(biāo)。若不考慮測(cè)桿的變形，掃描式測(cè)頭是各向同性的，故 其精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于觸發(fā)式測(cè)頭。但是該類測(cè)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)。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的機(jī)械式測(cè)頭和觸發(fā)式測(cè)頭精度 不高，以及掃描式測(cè)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(jiǎn)單、測(cè)量精度高的 新型光臂放大式二維線性測(cè)頭，該二維線性測(cè)頭能夠在已知平面內(nèi)移動(dòng)，補(bǔ)償測(cè)球接觸被 測(cè)工件時(shí)測(cè)球位移導(dǎo)致的被測(cè)工件定位時(shí)的測(cè)量偏差，獲得被測(cè)工件更為準(zhǔn)確的測(cè)量坐 標(biāo)。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述實(shí)用新型目的，本實(shí)用新型提供了以下技術(shù)方案：
[0007] -種新型光臂放大式二維線性測(cè)頭，包括：
[0008] 兩個(gè)激光源，用于發(fā)射兩條激光束，即激光源一發(fā)射激光束一，激光源二發(fā)射激光 束二；
[0009] 測(cè)頭基座，包括至少兩個(gè)反射面，用于反射每個(gè)所述激光源發(fā)射的激光束，所述測(cè) 頭基座上設(shè)有用于檢測(cè)的測(cè)桿和測(cè)球；
[0010] 兩個(gè)光電探測(cè)器，即光電探測(cè)器一、光電探測(cè)器二，分別用于接收所述測(cè)頭基座上 反射面反射的激光束一、激光束二；
[0011] 平移部件，用于使所述測(cè)頭基座做直線運(yùn)動(dòng)，或用于使所述測(cè)頭基座與光電探測(cè) 器共同做直線運(yùn)動(dòng)，以改變所述測(cè)頭基座反射面上的所述激光束一、激光束二反射點(diǎn)位 置；
[0012] 回復(fù)部件，用于將所述測(cè)頭基座回復(fù)至初始位置，或?qū)⑺鰷y(cè)頭基座與光電探測(cè) 器共同回復(fù)至初始位置；
[0013] 處理系統(tǒng)，根據(jù)所述光電探測(cè)器一、光電探測(cè)器二上所接收到的兩條激光束反射 位置變化值，計(jì)算得到所述測(cè)球的位移變化值。
[0014] 該新型光臂放大式二維線性測(cè)頭，利用兩個(gè)激光源分別發(fā)射兩束激光束，每束激 光束均為平行激光束，入射到測(cè)頭基座上，通過(guò)測(cè)頭基座上的不同反射面反射出去，再分別 入射到兩個(gè)光電探測(cè)器上，每個(gè)光電探測(cè)器能夠感應(yīng)對(duì)應(yīng)激光束的反射位置。當(dāng)平移部件 帶動(dòng)測(cè)頭基座做直線運(yùn)動(dòng)，即平移部件能夠直線平移測(cè)頭基座，或者同時(shí)分別平移測(cè)頭基 座和光電探測(cè)器，以改變測(cè)頭基座反射面上的激光束反射點(diǎn)位置，測(cè)頭基座不同反射面反 射出去的兩束激光束分別入射到對(duì)應(yīng)光電探測(cè)器上的位置也相應(yīng)發(fā)生改變，處理系統(tǒng)分別 對(duì)每個(gè)激光束入射到對(duì)應(yīng)光電探測(cè)器上的反射位置變化值進(jìn)行計(jì)算并分析，能夠得到測(cè)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(cè)頭基座在兩個(gè)方向合成的二 維位移測(cè)量，測(cè)頭基座發(fā)生位移后通過(guò)回復(fù)部件能夠回復(fù)至初始位置，或所述測(cè)頭基座與 光電探測(cè)器共同發(fā)生位移后通過(guò)回復(fù)部件回復(fù)至初始位置，便于下一次的測(cè)量。
[0015] 將該二維線性測(cè)頭安裝在精密量?jī)x上，由于測(cè)頭基座上連接測(cè)桿和測(cè)球，測(cè)球用 于與被測(cè)工件直接接觸進(jìn)行定位而完成精密量?jī)x測(cè)量，當(dāng)測(cè)球與被測(cè)工件直接接觸時(shí)，受 到阻力而產(chǎn)生位移，測(cè)球帶動(dòng)測(cè)頭基座在平移部件上產(chǎn)生位移，通過(guò)激光源、測(cè)頭基座上的 兩個(gè)反射面、兩個(gè)光電探測(cè)器、處理系統(tǒng)配合，能夠計(jì)算得到測(cè)球的位移量，以補(bǔ)償測(cè)球接 觸被測(cè)工件時(shí)測(cè)球位移導(dǎo)致的被測(cè)工件定位時(shí)的測(cè)量偏差，由于每個(gè)光電探測(cè)器能夠得到 一個(gè)直線方向的位移量，通過(guò)兩個(gè)光電探測(cè)器即能夠得到在兩個(gè)不同直線方向的位移量， 以獲得被測(cè)工件在測(cè)頭基座的二維方向上更為準(zhǔn)確的測(cè)量坐標(biāo)，最高精度能夠達(dá)到納米級(jí) 另IJ，該測(cè)頭提高了二維線性測(cè)頭的測(cè)量精度。該測(cè)頭簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，降低了生產(chǎn)成本，易于批 量加工制造。
[0016] 優(yōu)選地，所述平移部件用于平移所述測(cè)頭基座。
[0017] 優(yōu)選地，兩個(gè)所述光電探測(cè)器的反射面相互垂直設(shè)置，所述平移部件用于將所述 測(cè)頭基座沿相對(duì)兩個(gè)所述光電探測(cè)器的垂直平面做運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)激光束入射到測(cè)頭基座反 射面上入射點(diǎn)的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)反射到對(duì)應(yīng)光電探測(cè)器上的位置發(fā)生變化，以實(shí)現(xiàn)測(cè)頭位 移測(cè)量。
[0018] 優(yōu)選地，所述平移部件包括兩個(gè)相互平行的導(dǎo)向槽一，所述導(dǎo)向槽一之間滑動(dòng)設(shè) 有至少一個(gè)導(dǎo)向槽二，所述導(dǎo)向槽一與導(dǎo)向槽二相互垂直，所述導(dǎo)向槽二上滑動(dòng)連接所述 測(cè)頭基座。
[0019] 平移部件通過(guò)相互垂直的導(dǎo)向槽一、導(dǎo)向槽二來(lái)完成不同方向的直線位移，導(dǎo)向 槽二可以沿著導(dǎo)向槽一的垂直方向滑動(dòng)，測(cè)頭基座可以沿著導(dǎo)向槽二滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)二維移動(dòng)。 當(dāng)測(cè)球與被測(cè)工件直接接觸時(shí)，受到阻力，測(cè)頭基座相對(duì)導(dǎo)向槽二產(chǎn)生滑動(dòng)，導(dǎo)向槽二又相 對(duì)導(dǎo)向槽一產(chǎn)生滑動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)測(cè)頭基座在兩個(gè)方向的位移，這兩個(gè)方向構(gòu)成的平面，即為 測(cè)頭基座的二維位移面。
[0020] 優(yōu)選地，該二維線性測(cè)頭還包括殼體，兩個(gè)所述激光源固定在所述殼體內(nèi)，兩個(gè)所 述光電探測(cè)器連接在所述殼體內(nèi)，所述回復(fù)部件為彈簧或簧片，其中一端連接在所述殼體 上、另一端連接在所述測(cè)頭基座上。
[0021] 該測(cè)頭包括用于固定在精密量?jī)x上的殼體，該殼體上集成兩個(gè)激光源、兩個(gè)光電 探測(cè)器、平移部件，便于安裝和拆卸。
[0022] 優(yōu)選地，至少一個(gè)所述光電探測(cè)器旋轉(zhuǎn)連接在所述殼體上，每個(gè)所述光電探測(cè)器 在位于對(duì)應(yīng)所述激光束的入射光、反射光構(gòu)成的平面上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。
[0023] 可旋轉(zhuǎn)的光電探測(cè)器能夠改變光電探測(cè)器和測(cè)頭基座反射面的相對(duì)位置和夾角， 從而改變了光電傳感器測(cè)量測(cè)頭位移的放大倍數(shù)，兩光電探測(cè)器能夠改變測(cè)量基座在位于 兩不同方向的位移測(cè)量放大倍數(shù)，以滿足實(shí)際需要。
[0024] 優(yōu)選地，所述光電探測(cè)器為位置敏感探測(cè)器。
[0025] 該光電探測(cè)器選用為常用的位置敏感探測(cè)器（英文為Position Sensitive Detector，簡(jiǎn)稱PSD)，屬于半導(dǎo)體器件，一般做成PN結(jié)構(gòu)，