一维激光扫描测头的制作方法

本发明涉及精密测量技术领域，尤其涉及一种一维激光扫描测头。

背景技术：

测头是精密量仪的关键部件之一，作为传感器提供被测工件的几何位置信息，测头的发展水平直接影响着精密量仪的测量精度与测量效率。精密测头通常分为接触式测头与非接触式测头两种，其中接触式测头又分为机械式测头、触发式测头和扫描式测头。

机械式测头因为是手动测量，且精度不高，测量效率低，因此目前很少用于工业测量领域。当前工业领域广泛使用的精密测头是触发式测头，其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，并通过仪器的处理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、及较高触发精度等优点，其缺点是存在各向异性(三角效应)，或者接触式测头在接触被测工件时因为阻力而产生微小位移从而导致测头的位移偏差，限制了其测量精度的进一步提高，最高精度只能达零点几微米。当前应用最广的测头类型为扫描式测头，其原理是测头测端在接触被测工件后，测头由于接触力的作用发生位移，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较精确坐标。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。但是，测杆的变形是客观存在的，目前的测头仅考虑了支撑座的直接位移，而未考虑到测杆的变形，因此，即使是扫描式测头的精度也不够高。此外，扫描式测头还具有结构复杂、制造成本高等缺点。

技术实现要素：

本发明的目的在于改善现有技术中所存在的测量精度不高，且无法测量测杆变形的不足，提供一种可提高测量精度的一维激光扫描测头。

为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：

一种一维激光扫描测头，包括用于测量测杆一维位移变化的测量组件，所述测量组件包括所述测杆和测球，

所述测杆为空心测杆，所述测球设置于所述空心测杆的一端，且所述测球与所述空心测杆连接的球面设置有激光反射平面，所述测球的激光反射平面位于所述空心测杆的内部；所述一维激光扫描测头还包括：

第一激光源，用于发射第一激光束；

分光镜，倾斜设置于所述空心测杆的另一端，用于将所述第一激光源发射的第一激光束反射至所述测球的激光反射平面，并将所述测球的激光反射平面反射的激光束透射至第一光电探测器；

所述第一光电探测器，用于接收经所述分光镜透射的所述测球的激光反射平面反射的激光束；

处理系统，根据所述第一光电探测器所接收到的激光束的位置变化值，得到所述测杆的变形量。

根据本发明实施例，所述测量组件还包括：

支撑座，所述空心测杆设置于所述支撑座，所述支撑座的一侧面为激光反射平面；

第二激光源，用于发射第二激光束，且所述第二激光束入射至所述支撑座的激光反射平面；

第二光电探测器，用于接收所述支撑座的激光反射平面反射的激光束；

平移部件，用于使所述支撑座做直线运动；

复位部件，用于将所述支撑座复位至初始位置；

所述处理系统还用于根据所述第二光电探测器所接收到激光束的位置变化值，计算得到所述支撑座的位移变化值。

作为另一种实施方式，所述测量组件还包括：

支撑座，所述空心测杆设置于所述支撑座，所述支撑座还设有第二激光源；

所述第二激光源，用于发射第二激光束；

第二光电探测器，用于接收所述第二激光源入射的所述第二激光束；

平移部件，用于使所述支撑座做直线运动；

复位部件，用于将所述支撑座复位至初始位置；

所述处理系统还用于根据所述第二光电探测器所接收到激光束的位置变化值，计算得到所述测球的位移变化值。

优选的，所述测球为球缺，球缺的底面作为所述测球的激光反射平面。

根据本发明实施例，所述支撑座为空心支撑座，所述空心支撑座设有供所述空心测杆穿过的通孔，所述空心测杆的背离所述测球的一端设置于所述空心支撑座内。

根据本发明实施例，所述一维激光扫描测头还包括壳体，所述第二光电探测器可旋转安装在所述壳体内。

根据本发明实施例，所述平移部件包括位于所述壳体内的导向槽，所述空心支撑座设有与所述导向槽相适配的滑块。

根据本发明实施例，所述复位部件为弹簧，所述弹簧的一端连接于所述空心支撑座，另一端连接于所述壳体。

根据本发明实施例，所述平移部件和所述复位部件为平行簧片结构，所述平行簧片结构包括连接于所述空心支撑座的连接块和固定在所述壳体的座板，所述连接块和所述座板之间连接有两个相互平行的簧片，所述连接块可相对所述座板平行移动和复位。

根据本发明实施例，所述第一光电探测器和所述第二光电探测器均为位置敏感探测器。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明实施例提供的一维激光扫描测头，不仅包括用于测量支撑座的位移变化的测量组件，还包括用于测量测杆变形的第一激光源、分光镜、第一光电探测器等，不仅测量了支撑座的直接位移变化，还测量了测杆的变形，因此与传统的一维测头相比，本发明实施例提供的一维激光扫描测头的测量精度更高，且结构简单，易于批量生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例中用于测量测杆位移变化的测量组件二的结构示意图。

图2为本发明实施例中测量测杆位移变化的光路示意图。

图3为本发明实施例提供的一维激光扫描测头的结构示意图。

图4为本发明实施例中测量测球位移变化的光路示意图。

图5为图4中第二光电探测器旋转一定角度后的光路示意图。

图6为实施例中平移部件和回复部件为平行簧片结构的结构示意图。

图7为本发明实施例提供的另一种一维激光扫描测头的结构示意图。

图8为本发明实施例提供的又一种一维激光扫描测头的结构示意图。

主要元件符号说明

第一激光束100；第一激光源101；空心测杆102；测球103；分光镜104；第一光电探测器105；第二激光源106；第二光电探测器107；空心支撑座108；导向槽109；弹簧110；壳体111；连接块112；簧片113；座板114；测球的激光反射平面200；第二激光束300；空心支撑座的激光反射平面400。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的一维激光扫描测头包括用于测量测杆一维直接位移变化的测量组件一(测量组件一实际为测量支撑座的直接位移变化，由于支撑座的位移是由测球带动的，因此，也可以理解为是测量测球或测杆的一维直接位移变化)，还包括用于测量测杆变形的测量组件二。

作为一种可实施方式，图1示出了本实施例中用于测量测杆位移变化的测量组件二的结构，请参阅图1，本实施例中，用于测量测杆变形的测量组件二包括测杆、测球103、第一激光源101、分光镜104、第一光电探测器105和处理系统；其中，测杆为空心测杆102，测球103设置于空心测杆102的一端，且测球103与空心测杆102连接的球面设置有激光反射平面，测球的激光反射平面200位于空心测杆102的内部。作为一种简便的实施方式，测球103为球缺，球缺的底面作为测球的激光反射平面。第一激光源101，用于发射第一激光束100；

分光镜104，倾斜设置于所述空心测杆102的另一端，用于将所述第一激光源101发射的第一激光束100反射至测球的激光反射平面200，并将测球的激光反射平面200反射的激光束透射至第一光电探测器105；

所述第一光电探测器105，用于接收经所述分光镜104透射的测球的激光反射平面200反射的激光束；

处理系统，根据所述第一光电探测器105所接收到的激光束的位置变化值，得到所述支撑座的位移变化值。

一维激光扫描测头安装在精密测量仪上，当测球103与被测工件直接接触时，测球103受到阻力会产生位移，空心测杆102与测球103连接，空心测杆102也会发生变形。图1示出了空心测杆102变形前的光路，图2示出了空心测杆102变形后的光路。请参阅图1、图2，空心测杆102变形前，第一激光源101发出的第一激光束100(平行光束)入射到分光镜104，分光镜104将该第一激光束100反射至测球的激光反射平面200，分光镜104反射的激光束经测球的激光反射平面200沿原路反方向地反射到分光镜104，分光镜104将测球的激光反射平面200反射的激光束透射至第一光电探测器105。空心测杆102变形后，第一激光源101发出的第一激光束100入射到分光镜104，分光镜104将该第一激光束100反射至测球的激光反射平面200，此时与空心测杆102变形前的光路相比，入射光路未变化，但是分光镜104反射到测球的激光反射平面200的激光束落在测球的激光反射平面200的落点发生位移，且测球的激光反射平面发生角度变化；分光镜104反射的激光束经测球的激光反射平面200反射到分光镜104，分光镜104将测球的激光反射平面200反射的激光束透射至第一光电探测器105，此时与空心测杆102变形前的光路相比，光路发生变化，测球的激光反射平面200反射的激光束落在分光镜104的落点发生位移，相应地，分光镜104透射到第一光电探测器105的激光束的落点发生位移，如图2所示，定义位移为L0；由于第一光电探测器105所接收到的激光束的位置变化是由空心测杆102的变形引起的，因此通过测量空心测杆102变形前后第一光电探测器105所接收到的激光束的位置变化，可以得到空心测杆102的变形量。

根据第一光电探测器105所接收到的激光束的位置变化值，得到空心测杆102的变形量的方式可以有多种，例如测算空心测杆102变形前后的几何关系，得到可以反映空心测杆102变形的数学式，例如可由公式计算空心测杆102的变形量；作为一种简单有效的方式，可以利用统计学(即多次试验测量)建立空心测杆102的位移变化值与第一光电探测器105所接收到的激光束的位置变化值的关系表，实际测量时直接查表即可得到空心测杆102的变形值。

需要说明的是，因为测杆为空心测杆102，因此，分光镜104反射的激光束可以穿过空心测杆102入射到测球的激光反射平面200，测球的激光反射平面200反射的激光束也能穿过空心测杆102入射到分光镜104。由于空心测杆102因测球103与被测工件直接接触引起的变形量也是有限的，因此空心测杆102的孔径足以保障分光镜104反射的激光束可以穿过空心测杆102入射到测球的激光反射平面200，测球的激光反射平面200反射的激光束也能穿过空心测杆102入射到分光镜104。

本实施例中提供的一维激光扫描测头，不仅可以测量支撑座的直接位移变化，还可以测量测杆的变形，可以获得测球103更精确的球心坐标，修正测头由于测杆变形引起的球心变化量，因此与传统的一维激光扫描测头相比，测量精度更高，且结构简单，易于批量生产。

用于测量支撑座一维直接位移变化的测量组件一可以有多种实施方式，例如采用传统的触发式结构、扫描式结构等，作为一种简单的可实施方式的举例，图3示出了本实施例中提供的一种一维激光扫描测头的结构。请参阅图3，本实施例中，用于测量支撑座一维直接位移变化的测量组件包括所述测球103、所述空心测杆102、所述处理系统，还包括：

支撑座，空心测杆102设置于所述支撑座，支撑座的一侧面为激光反射平面；

第二激光源106，用于发射第二激光束300，且所述第二激光束300入射至所述支撑座的激光反射平面；

第二光电探测器107，用于接收所述支撑座的激光反射平面反射的激光束；

平移部件，用于使所述支撑座做直线运动；

复位部件，用于将所述支撑座复位至初始位置；

所述处理系统用于根据所述第二光电探测器107所接收到激光束的位置变化值，计算得到所述测球103的位移变化值。

空心测杆102设置于支撑座，以便于支撑座移动时带动空心测杆102移动，空心测杆102可以设置于支撑座的侧壁(即支撑座的外部)，为了减小整个一维激光扫描测头的体积，较佳地，将空心测杆102设置于支撑座的内部。如图3所示，作为一种可实施方式的举例，支撑座为空心支撑座108，所述空心支撑座108设有供所述空心测杆102穿过(包括空心测杆102变形前后均能穿过)的通孔，所述空心测杆102的背离所述测球103的一端设置于所述空心支撑座108内。另外，将空心支撑座108设计为空心的长方体结构，结构规则，易于生产。

本实施例中，一维激光扫描测头还包括壳体111，第二光电探测器107可旋转安装在壳体111内。平移部件用于平移空心支撑座108，尤其是用于将空心支撑座108沿垂直于第二光电探测器107的方向做直线运动。作为一种可实施方式，具体的，平移部件包括位于壳体111内的导向槽109，空心支撑座108设有与导向槽109适配的滑块(图中未示出)，滑块设于空心支撑座108底部，空心支撑座108通过滑块能够在导向槽109内做直线运动。容易理解的，为了不影响空心测杆102的正常变形，导向槽109的结构可以使得空心测杆102穿过。该壳体111内包括第一激光源101、第一光电探测器105、分光镜104、第二激光源106、空心支撑座108、第二光电探测器107和平移部件，便于安装和拆卸。

作为一种可实施方式的举例，复位部件设于壳体111内，复位部件为弹簧110，测球103受到被测工件阻力而发生位移导致的空心支撑座108发生位移，当测头完成测量后，复位部件能够将空心支撑座108复位至初始位置，便于下一个被测工件测量点的准确测量。

第二激光源106和第二光电探测器107的位置固定不变，平移部件能够使空心支撑座108做直线运动，当空心支撑座108位置发生变化，第二激光源106发射的第二激光束300入射到空心支撑座108的激光反射平面的位置发生变化，经空心支撑座的激光反射平面400反射后的激光束入射到第二光电探测器107上的位置也相应发生改变，通过处理系统对第二光电探测器107对不同激光束入射位置的变化值，进行计算并分析，能够得到空心支撑座108在位于其直线位移方向的位移变化值。

如图4所示，空心支撑座108水平移动过程中，假设第二光电探测器107竖直方向设置，第二激光源106倾斜设置于第二光电探测器107的上方，且第二激光器发射的第二激光束300与竖直线的夹角为α，当一维激光扫描测头在水平方向平移距离为x时，第二光电探测器107测量距离为y，那么，第二光电探测器107所测量得到的空心支撑座108位移放大倍数为

将该一维激光扫描测头安装在精密量仪上，当测球103与被测工件直接接触时，受到阻力而产生位移，测球103带动空心支撑座108在平移部件上发生直线位移，通过第二激光源106、第二光电探测器107、处理系统配合，能够计算得到空心支撑座108的直接位移量，同时由于第一光电探测器105上所获得的空心测杆变形量，即可获得被测工件在空心支撑座108直线位移方向的更为准确的测量坐标，提高了测量的精度。相比于传统的扫描式测头，本实施例中的一维激光扫描测头简化了结构，降低了生产成本，易于批量加工制造。

为了调整第二光电探测器107测量本一维激光扫描测头位移的放大倍数，第二光电探测器107在位于壳体111的侧面上可旋转。

可旋转的第二光电探测器107能够根据实际所需要测量精度改变其旋转位置，改变第二光电探测器107和第二激光源106发射的第二激光束300的相对位置和夹角，从而改变了第二光电探测器107测量该一维激光扫描测头位移的放大倍数，满足实际需要。

如图5所示，将第二光电探测器107旋转并倾斜一定角度，如β后，可以再次调整放大倍数，图中明显可以看出在空心支撑座108平移相同的距离x时，倾斜后的第二光电探测器107上两条入射激光束的入射位置发生了变化，此时，二者的间距为则第二光电探测器107所测量得到的空心支撑座108的位移放大倍数为该角度可以根据不同的需要进行调整。

本实施例中所使用的第一光电探测器105和第二光电探测器107可选用常用的位置敏感探测器(Position Sensitive Detector，简称PSD)，属于半导体器件，一般做成PN结构，其工作原理是基于横向光电效应，能够用于位置坐标的精确测量，具有高灵敏度、高分辨率、响应速度快和配置电路简单等优点。位置敏感探测器分为一维位置敏感探测器和二维位置敏感探测器，为了节约成本，本实施例选用一维位置敏感探测器即可。一维位置敏感探测器，简称一维PSD，可探测出一个亮点在它的一个唯一方向的表面的移动。将一维PSD安装在壳体111的X轴、Y轴或Z轴，抑或其他方向，以获得其在该方向的位移值，并将其补偿到被测工件的测量值上，以获得该一维方向更准确的测量值。

图3所示的结构中，平移部件包括位于壳体111内的导向槽109，复位部件为弹簧110，作为另一种可实施方式，如图6所示，该平移部件和复位部件还可以是平行簧片结构，其中平行簧片的结构包括连接在空心支撑座108上的连接块112和固定在壳体111上的座板114，连接块112和座板114之间连接有两个相互平行的簧片113，连接块112可相对所述座板114平行移动和复位。

具体的，连接块112和座板114分别与两个等长的相互平行的簧片113连接，使连接块112与座板114的相对运动形成一个平行四边形平行簧片结构，由于空心支撑座108受力发生运动，连接块112相对座板114只能做平动，限制空心支撑座108只能在一维方向发生位移，如图6中箭头所示的左右移动。两个簧片113能够提供回复力。该平行簧片结构简单、回复效率高，能够有效实现空心支撑座108在一维方向如X或Y或Z轴方向的平移和复位作用。

请参阅图7，图7示出了本实施例中提供的另一种结构的一维激光扫描测头的结构，与图3所示的一维激光扫描测头的结构相比，在图7所示结构中，空心支撑座108的侧面不是激光反射平面，即该侧面没有设置激光反射膜，第二光电探测器107设置于空心支撑座108的该侧面，第二激光源106发射的第二激光束300直接入射至第二光电探测器107。

空心支撑座108水平移动过程中，假设第二光电探测器107竖直方向设置，第二激光器发射的第二激光束300与竖直线的夹角为α，当一维激光扫描测头在水平方向平移距离为x时，第二光电探测器107测量距离为y，那么，第二光电探测器107所测量得到的空心支撑座108位移放大倍数为若第二光电探测器107旋转并倾斜一定角度，如β后，在空心支撑座108平移相同的距离x时，倾斜后的第二光电探测器107上两条入射激光束的入射位置发生了变化，此时，二者的间距为x·tanα·cosβ+x·tanα·sinβ·cot(α-β)，则第二光电探测器107所测量得到的空心支撑座108的位移放大倍数为tanα·cosβ+tanα·sinβ·cot(α-β)。

第二光电探测器可分别相对于第二激光源旋转设置，同理的，第二激光源也可分别相对于第二光电探测器旋转设置，以满足实际需要。

请参阅图8，图8示出了本实施例中提供的又一种结构的一维激光扫描测头的结构，与图7所示的一维激光扫描测头的结构相比，在图8所示结构中，第二激光源106设置于空心支撑座108的侧面，第二激光源106发射的第二激光束300直接入射至第二光电探测器107。图8所示结构的原理与图7所示结构的原理相同，故不再赘述。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。