专利名称：一种用于数控在机测量的密集输入集成块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种数控铣床和加工中心的在机测量装置，用于点阵式金属曲面测量
头，属数控测量设备技术领域。
背景技术：
目前，运用数控机床加工复杂曲面已经应用越来越广泛，但相应的测量手段、测量 装置相对落后，由于已有测量装置的数据采集、矢量运算和坐标转换较为复杂，使有效的连 续测量难以实现，测量精度不高，断续的逐点测量效率很低，不能满足现代化快速生产的要 求。目前占据世界市场份额90%的触发式测头的测量原理是当测头测端与被测工件接触时 精密量仪发出采样脉冲信号，并通过仪器的定位系统锁存此时测端球心的坐标值，以此来 确定测端与被测工件接触点的坐标。该类测头具有结构简单、使用方便、制作成本低及较高 触发精度等优点，是三维测头中应用最广泛的测头。但该类测头也存在各向异性(三角效 应)、预行程等误差，限制了其测量精度的进一步提高，扫描式测头的测量原理是测头测端 在接触被测工件后，连续测得接触位移，测头的转换装置输出与测杆的微小偏移成正比的 信号，该信号和精密量仪的相应坐标值叠加便可得到被测工件上点的精确坐标。若不考虑 测杆的变形，扫描式测头是各向同性的，故其精度远远高于触发式测头。该类测头的缺点是 结构复杂，体积庞大、制造成本高，使应用受到了限制，非接触式测量头由于测头无需接触 被测工件，故不存在测量力，更不会划伤被测工件，同时可以测量软质介质的表面形貌。但 该类测头受外界影响因素较多，如被测物体的形貌特征、辐射特性以及表面反射情况都会 影响测量结果。以上测量头的测量信号多为模拟量，需要进行A/D转换才能被计算机处理。
工业化快速生产和科学研究都需要能够实现高效率连续测量的数字化测量仪器， 而影响测量头数字化的关键技术之一是如何在测量头在运动中将所采集的高位次数据信 号组装、锁存并快速传递给主控计算机。特别是对于测量头球面上采用精细光刻技术和精 细填充技术制作出的多达上百条的十分密集测量数据传输导线，采用目前所具有的单片机 产品难以实现密集并行测量信息的即时储存和传递，采用接口扩展技术已不具有速度优势 和技术经济优势。因此，为满足这种密集传输的需求，设计出一种新的装置将测量头上瞬时 得到的密集并行测量信息储存并输入给上位主控计算机是技术人员面临的新课题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有数据传递密集、精度高、速度快特点
的、能够将金属曲面测量头上所得到的大量并行测量信息输入给上位主控计算机的用于数
控在机测量的密集输入集成块。 解决上述技术问题的技术方案是 —种用于数控在机测量的密集输入集成块，它由下接线板、若干单片机芯片、光刻 电路集成块、上接线板和电源通讯套筒组成，下接线板、光刻电路集成块、上接线板和电源 通讯套筒均套装于与探测球体连接的连接杆上，它们在圆周方向由各自端面对应的定位针
3和定位孔连接定位，光刻电路集成块呈空心正多边形柱体结构，环绕柱体外圈的各平面均 分别粘接一片单片机芯片，下接线板和上接线板的板面均与光刻电路集成块的正多边形柱 体轴线垂直，它们板面的外边缘成多边形，分别与光刻电路集成块的多边形柱体的两侧外 周边缘相连接，下接线板的中心与传输探测球体信息的引线套筒连接，引线套筒上的信息 传输线通过下接线板的线路与光刻电路集成块的单片机芯片的相应数据线相连接，上接线 板的中心与电源通讯套筒连接，光刻电路集成块的单片机芯片的相应接口通过上接线板的 电路与电源通讯套筒的传输电路相连接，电源通讯套筒的传输电路与电源和上位计算机相 连接。 上述用于数控在机测量的密集输入集成块，所述下接线板中心部位与引线套筒端 面接触，下接线板上有光刻涂覆出的与引线套筒传输线位置和数量相同的导电触点，这些 导电触点分别排列为外圆和内圆，外圆和内圆的导电触点分别与引线套筒的外圆周面和内 圆周面上引入的传输导线一一对应，上述各导电触点贯通下接线板，在下接线板上与光刻 电路集成块的单片机芯片的相应数据线相连接。 上述用于数控在机测量的密集输入集成块，所述的光刻电路集成块为正多边形柱
体结构，整个正多边形柱体分别由六个相等的六面体单元块组合而成，每个单元块的外侧
面安装一片单片机芯片，每个单元块的内侧面为圆弧面，圆弧面与引线套筒的外圆周相对
应，单元块的前、后、左、右、内侧面均有光刻引线，光刻引线分别与该单元块外侧面的单片
机芯片的引脚、下接线板、上接线板的电路相连接，相邻的单元块之间贴装有绝缘片。 上述用于数控在机测量的密集输入集成块，所述的组成正六边形柱体的六个单元
块分别为三个经线块和三个纬线块，它们在组成正六边形柱体时为间隔配置，经线块的单
片机芯片各数据线引脚通过下接线板与引线套筒的外圆周面的信息传输线相连接，纬线块
的单片机芯片各数据线引脚通过下接线板与引线套筒的内圆周面的信息传输线相连接，经
线块和纬线块的各单片机芯片的电源、串行口和外部时钟电路引脚线与贴装于电源通讯套
筒的外部时钟集成块引脚和电源通讯插头相连。 本发明的有益效果是 本发明是为数字化金属曲面测量头提供一种由多个单片机组成的密集输入集成 块，该集成块呈正多面体结构，由若干单元块相间组成，每个单元块上粘贴有单片机芯片， 单片机芯片的数据引脚按照一定原则组合由分布于单元块前、后、左、右、下面的光刻导线 通过下接线板与数控测量头的传输信号相连接，单片机芯片的控制线、串行输出口和电源 线等以相同原则由上述单元块各表面通过上接线板与主控计算机连接，实现测量信号向主 控计算机的上传，采用这种结构的本发明能够输入和处理大量数据传输信息，实现了金属 曲面数字测量头为在机连续测量而提出的密集输入要求，解决了长期困扰生产的难题，本 发明构思巧妙，具有相当的新颖性和很强的实用性，值得推广应用。
图1是本发明在金属曲面数字测量头的安装位置示意图；
图2是本发明的整体结构示意图；
图3是下接线板的印刷电路示意图；
图4是上接线板的印刷电路示意4
图5是经线块的单片机芯片和各表面光刻导线示意图；
图6是纬线块的单片机芯片和各表面光刻导线示意图；
图7是经线块的单片机芯片与下接线板连接示意图；
图8是纬线块的单片机芯片与下接线板连接示意图； 图中标记如下下接线板1、单片机芯片2、光刻电路集成块3、上接线板4、引线插 槽5、电源通讯套筒6、短光栅7、探测球体8、连接杆9、引线套筒10、测量体11、光栅支架1具体实施例方式
本发明是一种用于数控在机测量的密集输入集成块，是为一种金属曲面数控测量 头提供所需要的测量信息采集装置。这种金属曲面数控测量头主要由探测球体8、连接杆 9、引线套筒10、测量信息采集装置、测量体11等组成。它采用精密光刻技术在探测球体8 表面刻出密集均布的经线和纬线凹槽，在其内部填充导电材料，形成经线导线和纬线导线。 各经线导线与经线导线之间、纬线导线与纬线导线之间、经线导线和纬线导线之间均以绝 缘材料隔离。各经线导线和纬线导线通过引线套筒10和测量信息采集装置将采集到的信 息输送到主控计算机上。为了解决探测球体8输出的多达上百条(一个实例为144条、其 中经线96条，纬线48条)的并行输入线的数据输入和处理，发明人设计了本发明的用于数 控在机测量的密集输入集成块，作为上述金属曲面数控测量头的配套装置。
本发明由下接线板1、若干单片机芯片2、光刻电路集成块3、上接线板4和电源通 讯套筒6组成。下接线板1 、光刻电路集成块3、上接线板4和电源通讯套筒6均套装于与探 测球体8连接的连接杆9上，它们在圆周方向由各自端面对应的定位针和定位孔连接定位， 光刻电路集成块3呈空心正多边形柱体结构，环绕柱体外圈的各平面均分别粘接一片单片 机芯片2，下接线板1和上接线板4的板面均与光刻电路集成块3的正多边形柱体轴线垂 直，它们板面的外边缘成多边形，分别与光刻电路集成块3的多边形柱体的两侧上边缘相 连接，下接线板1的中心与传输探测球体8信息的引线套筒10连接，引线套筒10上的信息 传输线通过下接线板1的线路与光刻电路集成块3的单片机芯片2的相应数据线相连接， 上接线板4的中心与电源通讯套筒6连接，光刻电路集成块3的单片机芯片2的相应接口 通过上接线板4的电路与电源通讯套筒6的传输电路相连接，电源通讯套筒6的传输电路 与电源和上位计算机相连接。 图1显示的是本发明在金属曲面数字测量头的安装位置示意图。金属曲面数字测 量头主要由探测球体8、连接杆9、引线套筒10、测量信息采集装置、光栅及光栅支架12和测 量体11组成，本发明即为测量信息采集装置。探测球体8球面上制作出密集均布的经线导 线和讳线导线，各导线之间相互绝缘地引向球缺部位，与引线套筒io上的引线对接，引线 套筒10与本发明对接。 图2显示，环绕呈空心正多边形柱体结构的光刻电路集成块3的柱体外圈的各平 面均分别粘接一片单片机芯片2，在光刻电路集成块3的正多边形柱体上下表面分别连接 有上接线板4和下接线板1。下接线板1、单片机芯片2、上接线板4套装在连接杆9上。
图3显示，下接线板1的光刻导线的排列方式是，下接线板1中心有排列成两圆形 的光刻导线触点，外圆光刻导线触点与引线套筒10的外圆周光刻导线一一对应，内圆的光 刻导线触点与引线套筒10的内圆周光刻导线一一对应。在下接线板1上与外圆光刻导线触点相连接的多条光刻导线分为3组，它们分别连接到下接线板1表面六方形的三条半径 上的光刻触点，这三条半径上的光刻触点分别与光刻电路集成块3的三个经线块单元块的 单片机芯片2的数据接口引线相连接。同理，在下接线板1上与内圆光刻导线触点相连接 的多条光刻导线分为3组，它们分别连接到下接线板1表面六方形的三条半径上的光刻触 点，这三条半径上的光刻触点分别与光刻电路集成块3的三个纬线块单元块的单片机芯片 2的数据接口引线相连接。 图4显示，上接线板4的表面有多个光刻导线触点和光刻导线引线，这些光刻导线 触点分别与光刻电路集成块3单元块的单片机芯片2的电源、串行口和外部时钟电路引脚 线相连接。 图5显示的是经线块各表面光刻导线示意图。图中显示经线块的上面、下面为扇
形面，左侧面(B面)、右侧面(C面)为长方形面，内侧面(A面)为圆弧面，在上、A、B、C、下
面上均有光刻导线，单片机芯片2的接口分别与外侧面导线触点相连接。 图6显示的是纬线块的单片机芯片2和各表面光刻导线示意图。其结构与图5相同。 图7显示的是经线块的单片机芯片2的接口与下接线板1连接示意图。它显示经 线块的单片机芯片2的数据线接口由光刻导线连接到下接线板1的外圆光刻导线触点上， 这些光刻触点与引线套筒10外圆周面传输引线对应连接。 图8显示的是纬线块的单片机芯片2与下接线板1连接示意图。它显示纬线块的 单片机芯片2的数据线接口由光刻导线连接到下接线板1的内圆光刻导线触点上，这些光 刻触点与引线套筒内圆周面传输引线对应连接。 在本发明中，所选单片机芯片应依据数据线的条数和测量器件的精度要求来选择 其型号和片数，例如点阵式金属曲面测量头的一个实施例，经线条数初定为96条而纬线条 数为48条，可以选择具有32条数据线的3片STC101F08XE-LQFP44芯片供经线输入用，选 择3片具有24条数据线的89C51芯片或者3片STC101F08XE-LQFP44芯片，多余线可以闲 置不用，为了简化设计，图示为6片STC101F08XE-LQFP44。 本发明的一个实施例中，探测球体通过引线套筒将96条经线和48条纬线分别和 六片单片机的I/O线线连接，每条线都有自己的编号，六片单片机的串行口相连，构成多机 通讯方式的应用系统，其中的一号机作为主控设备，除了和其他单片机一样扫描与其相连 的经、纬线外，还负责与上位机的数据传输。 以1个经线块为例，其控制引脚由3、4、5、7、15、16、38引脚组成，其3、4、5、7引 脚经B面引向上面，靠近外面一侧；15、16引脚依次经下面、内圆弧面引向上面，靠近内圆弧 面一侧；38引脚经上面直接引向上面中部，临近15、16引脚。其数据引脚B10组由30、31、 32、33、34、35、36、37引脚组成，其34、35、36、37引脚依次经上面、内圆弧面引向下面圆弧边 缘处；其30、31、32、33引脚经C面直接引向下面边缘处;Bll组由39、40、41、42、43、44、 1、2 引脚组成，其39、40、41、42、43、44引脚依次经上面、内圆弧面引向下面边缘处，其1、2引脚 经B面直接引向下面边缘处;B12组由18、19、20、21、22、23、24、25引脚组成，其18、19、20、 21、22引脚经下面直接引向下面边缘处，23、24、25引脚经C面直接引向下面边缘处；B13组 由6、8、9、10、11、12、13、17引脚组成，其6、8、9、10、11引脚经B面直接引向下面边缘处，其 12、13、17引脚经下面直接引向下面边缘处。各引线在相交处加绝缘层，各引线终点对应于上下接线板相应的触点。 以l个讳线块为例，其控制引脚由2、4、5、7、8、15、16、38引脚组成，其2、4、5、7、 8引脚经D面直接引向上面边缘处，15、16引脚依次经下面、内圆弧面、上面引向上面中部， 38引脚经上面直接引向上面临近15、16引脚。其数据引脚:AIO组由34、35、36、37引脚组 成，依次经上面、内圆弧面引向下面边缘处；All组由41、42、43、44引脚组成，依次经上面、 内圆弧面引向下面边缘处；A12组由19、20、21、22引脚组成，经下面直接引向下面边缘处； A13组由10、11、12、13引脚组成，其10、11引脚经D面直接引向下面边缘处，其12、13引脚 经下面直接引向下面边缘处。各引线在相交处加绝缘层，各引线终点对应于上下接线板相 应的触点。 本发明的工作原理 启动测量前，本密集输入集成块的数据线由上位机设置为高电平，即探测球体各 经线导线和纬线导线为高电平，测量时，随着测量球和工件接触点的变化，不同接触点附近 的经线导线和纬线导线接地，被拉低为低电平，数据线电平状态的变化将经由探测球体、引 线套筒、本密集输入集成块和通讯插头以串行通讯的方式上传给上位主控计算机，使之转 化为测量点的坐标。 每个单片机时时刻刻扫描自己所连接的经、纬线导线，当某一经线导线或者纬线
导线与地线(被测工件)短路时，原来悬空状态默认的高电平即被拉成低电平，单片机测得
该信号后向一号机发出中断信号，同时开启定时器TO，一号机的中断子程序中首先向上位
机发出触发信号，使上位机把当时的测头中心坐标保存下来，同时开启自身定时器T1，并通
过串行口以多机通讯方式查询是那个单片机发出的中断，使其成为被叫机，被叫机在得到
一号机认可后，停止计时并把对应的线号代码和计时值发给一号机，同时撤销中断申请。一
号机把线号发送给上位机，再把被叫机传来的计时值减去定时器Tl的数值送上位机，上位
机根据时间差和行走的速度把测头坐标进行修正，从而得到被测点的准确实际坐标。 特殊情况下会出现两个单片机都检测到经、纬线导线的低电平，同时发出中断的
问题，这样一号机即必须在处理了一个以后再解决第二个，后处理的就要增加一些滞后时
间，用定时值做补偿的方法，较好的解决了这个问题，经过仿真实验，最大误差时间小于3
个机器周期。同一个单片机上不同的经纬线导线号被查询到会有随机的滞后时间，仿真发
现最大误差是3个机器周期，整个测量过程误差时间小于6个机器周期。 测量过程中经常是经纬线导线的状态不变化，这时各个单片机都不发出信息，上
位机默认为测量接触点相对于球心的经纬坐标与原来一致，以上一次的经纬坐标为依据计
算当前被测点的坐标。
权利要求
一种用于数控在机测量的密集输入集成块，其特征在于它由下接线板[1]、若干单片机芯片[2]、光刻电路集成块、上接线板[3]和电源通讯套筒组成，下接线板[1]、光刻电路集成块、上接线板[3]和电源通讯套筒均套装于与探测球体[8]连接的连接杆[9]上，它们在圆周方向由各自端面对应的定位针和定位孔连接定位，光刻电路集成块[3]呈空心正多边形柱体结构，环绕柱体外圈的各平面均分别粘接一片单片机芯片[2]，下接线板[1]和上接线板[4]的板面均与光刻电路集成块[3]的正多边形柱体轴线垂直，它们板面的外边缘成多边形，分别与光刻电路集成块的多边形柱体的两侧外周边缘相连接，下接线板[1]的中心与传输探测球体[8]信息的引线套筒[10]连接，引线套筒[10]上的信息传输线通过下接线板[1]的线路与光刻电路集成块[3]的单片机芯片[2]的相应数据线相连接，上接线板[4]的中心与电源通讯套筒[6]连接，光刻电路集成块[3]的单片机芯片[2]的相应接口通过上接线板[3]的电路与电源通讯套筒[6]的传输电路相连接，电源通讯套筒[6]的传输电路与电源和上位计算机相连接。
2. 根据权利要求1所述的用于数控在机测量的密集输入集成块，其特征在于所述下 接线板[1]中心部位与引线套筒[10]端面接触，下接线板[1]上有光刻涂覆出的与引线 套筒[10]传输线位置和数量相同的导电触点，这些导电触点分别排列为外圆和内圆，外圆 和内圆的导电触点分别与引线套筒[10]的外圆周面和内圆周面上引入的传输导线一一对 应，上述各导电触点贯通下接线板[l]，在下接线板[1]上与光刻电路集成块的单片机芯片 [2]的相应数据线相连接。
3. 根据权利要求2所述的用于数控在机测量的密集输入集成块，其特征在于所述的 光刻电路集成块[3]为正六边形柱体结构，整个正六边形柱体分别由六个相等的六面体单 元块组合而成，每个单元块的外侧面安装一片单片机芯片[2]，每个单元块的内侧面为圆 弧面，圆弧面与引线套筒[10]的外圆周相对应，单元块的前、后、左、右、内侧面均有光刻引 线，光刻引线分别与该单元块上面的单片机芯片[2]的引脚和下接线板[1]、上接线板[4] 的电路相连接，相邻的单元块之间安装有绝缘片。
4. 根据权利要求3所述的用于数控在机测量的密集输入集成块，其特征在于所述的 组成正六边形柱体的六个单元块分别为三个经线块和三个纬线块，它们在组成正六边形柱 体时为间隔配置，经线块的单片机芯片[2]各数据线引脚通过下接线板[1]与引线套筒 [10]的外圆周面的信息传输线相连接，纬线块的单片机芯片[2]各数据线引脚通过下接线 板[1]与引线套筒[10]的内圆周面的信息传输线相连接，经线块和纬线块的各单片机芯片 [2]的电源、串行口和外部时钟电路引脚线与贴装于电源通讯套筒[6]的外部时钟集成块 引脚和电源通讯插头相连。
全文摘要
一种用于数控在机测量的密集输入集成块，属于数控测量设备技术领域，目的是将金属曲面测量头上的大量并行测量信息输入给主控计算机，其技术方案是该集成块呈正多面体结构，多面体由若干分为经线块和纬线块的单元块相间组成，每个单元块外侧面粘接一片单片机芯片，单片机芯片的数据引脚通过分布于单元块前、后、左、右、内侧面的光刻导线引向下接线板，通过下接线板与数控测量头的经线导线和纬线导线相连，单片机芯片的控制线、串行输出口和电源线通过上述各表面引向连接于主控计算机的上接线板，实现测量信号向主控计算机的上传，本集成块的特点是并行数据位数多、数据处理简单，满足了金属曲面数字测量头为在机连续测量而提出的密集输入要求。
文档编号G01B7/004GK101758425SQ20091022782
公开日2010年6月30日 申请日期2009年12月22日 优先权日2009年12月22日
发明者杨光, 范春起, 魏泽鼎 申请人:河北科技大学