一种三维解耦型扫描测头的制作方法

本发明涉及精密测量仪器技术领域，具体涉及一种三维解耦型扫描测头。

背景技术：

三维测头是精密测量仪器中的重要组件，尤其在坐标测量机中必不可少。随着测量技术的快速发展，对三维测头的精度要求越来越高。目前国内外的坐标测量机上使用的三维测头主要有串联式、并联式以及串并联复合式三种；

串联式测头（如德国mauser-werkeoberndorfgmbh公司申请的专利u.s.patno.4660296和比利时ulbrich等人申请的专利u.s.patno.5353510）结构相对简单，但各个测量方向之间存在耦合，在测量时不可避免带来机械耦合误差；

并联式测头（如德国fritzertl等人申请的专利u.s.patno.5029398）的各个测量方向之间相互解耦，但结构复杂、加工装配困难；

串并联复合式测头（如德国klingelnberg公司申请的专利u.s.patno.6131300）结构相对简单，但属于不完全解耦测头，仍存在耦合误差。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出一种三维解耦型扫描测头，其结构简单、精度高，并且具有机械解耦。

为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：

一种三维解耦型扫描测头，其特征在于：包括测杆、xy向测量机构、z向测量机构、测头外壳和弹簧平衡机构；所述的xy向测量机构设置于z向测量机构内，z向测量机构设置于测头外壳内，所述弹簧平衡机构设置于z向测量机构及测头外壳上，所述的测杆与xy向测量机构内的x向膜片安装轴相连接；

所述xy向测量机构包括内层框、x向膜片、y向膜片、x向膜片安装轴(2-4)、两个y向膜片安装轴、x向传感器、y向传感器、x向传感器安装架、y向传感器安装架、x向连接杆和y向连接杆；

所述内层框的相对两个框架内分别对称设置有x向膜片和y向膜片，一对x向膜片的中心通过x向膜片安装轴连接，内层框外的一端x向膜片安装轴上设置有x向电感传感器；每个y向膜片的中心设置有y向膜片安装轴，两个y向膜片安装轴的轴线在一条直线上，其中一个y向膜片安装轴的内侧设置有y向电感传感器，所述的内层框通过y向膜片安装轴设置于外层框上，所述x向膜片安装轴一端设置有螺纹，另一端为光轴端，所述x向连接杆一端连接于x向膜片安装轴光轴端的螺孔内，另一端与x向电感传感器上的铁芯连接；所述y向连接杆一端连接于y向膜片安装轴一端的螺孔内，另一端与y向电感传感器上的铁芯连接；

所述z向测量机构包括外层框、两个z向膜片安装轴、z向膜片、z向传感器、z向传感器安装架和z向连接杆；

所述外层框通过z向膜片安装轴设置于测头外壳上，一对z向膜片分别固定于两个z向膜片安装轴上，两个z向膜片安装轴的轴线在一条直线上，一对z向膜片设置于外层框的z向两端面上，所述z向传感器安装架设置于测头外壳上，所述z向连接杆一端连接在外层框上，另一端与z向电感传感器上的铁芯连接。

所述的弹簧平衡机构包括拉伸弹簧和调整螺钉，所述的拉伸弹簧的一端连接于调整螺钉上，另一端连接于z向测量机构上；调整螺钉设置于测头外壳顶部的螺孔内。

所述的x向电感传感器的线圈设置于x向电感传感器安装架上并通过螺栓进行锁紧；

所述的y向电感传感器的线圈设置于y向电感传感器安装架上并通过螺栓进行锁紧；

所述x向传感器安装架通过螺钉安装在内层框外部；所述y向传感器安装架通过螺钉安装在内层框内部；

所述x向膜片安装轴的螺纹与测杆连接并将该端的x向膜片夹紧，光轴端上的x向膜片通过弹性挡圈固定。

所述z向传感器的线圈设置于z向传感器安装架上并通过螺栓进行锁紧。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1.本发明采用带有弧形槽的双膜片作为导轨代替传统的平行簧片导轨，消除了平行导轨固有的余弦误差，测头x、y、z三个测量方向的导向机构之间相互解耦，不存在耦合误差，提高系统的机械精度；

2.本发明的测头机械结构简单、体积小、重量轻、制造安装维修方便；

3.本发明的测头可以进行一维、二维和三维扫描测量，且在进行一维和二维测量时不需要锁紧机构；

4.本发明的测头具有测量精度高、测量效率高、灵敏度高、稳定性好等特点。

附图说明

图1为本发明三维解耦型测头立体图；

图2为本发明一维（x向）测量机构三维轴侧图；

图3为本发明一维（x向）测量机构俯视图；

图4为本发明二维（xy向）测量机构三维轴侧图；

图5为本发明二维（xy向）测量机构俯视图；

图6为本发明z向测量机构三维轴侧图；

图7为本发明z向测量机构主视图；

图8为本发明三维（xyz向）测量机构三维轴侧图；

图9为本发明三维（xyz向）测量机构主视图；

图10为本发明三维（xyz向）测量机构俯视图；

图11为本发明膜片一种结构示意图；

图12为本发明膜片另一种结构示意图；

图中：1、测杆，2、xy向测量机构，3、z向测量机构，4、测头外壳，5、弹簧平衡机构；

2-1、内层框架，2-2、x向膜片，2-3、y向膜片，2-4、x向膜片安装轴，2-5、y向膜片安装轴，2-6、x向电感传感器，2-7、y向电感传感器，2-8、x向传感器安装架，2-9、y向传感器安装架，2-10、x向连接杆，2-11、y向连接杆；

3-1、外层框架，3-2、z向膜片安装轴，3-3、z向膜片，3-4、z向电感传感器，3-5、z向传感器安装架，3-6、z向连接杆；

5-1、调整螺钉，5-2、拉伸弹簧。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。

本发明的工作原理为：测头实际工作时,被测对象固定在工作台上，移动测头，当测针前端的测杆的测球与被测对象的表面接触时会受到测量力的作用,测量力可以被分解成分别沿着x向、y向和z向的分力。

本实施例提供一种三维解耦型扫描测头（参见图1和图8-图10）,包括xy向测量机构2、z向测量机构3、测头外壳4、测杆1、弹簧平衡机构5；

上述xy向测量机构2安装在z向测量机构3内部，所述z向测量机构3安装在测头外壳4内部，所述弹簧平衡机构5安装在z向测量机构3及测头外壳4上，所述测杆1通过螺纹与xy向测量机构2内的x向膜片安装轴2-3相连接。

上述xy向测量机构2可实现二维测量，也可通过部分零件实现一维测量；

实现一维测量时（参见图2和图3）包括内层框2-1、x向膜片2-2、、x向膜片安装轴2-4、、x向传感器2-6、x向传感器安装架2-8、x向连接杆2-10。一对x向膜片2-2安装在x向膜片安装轴2-4两端再通过螺钉安装在内层框2-1x向两端面上；所述x向传感器2-6的线圈安装在x向传感器安装架2-8上并通过螺栓进行锁紧；所述x向传感器安装架2-8通过螺钉安装在内层框2-1外表面上；所述x向膜片安装轴2-4一端加工有螺纹，另一端为光轴端，加工有螺纹的一端通过螺纹与测杆1连接并将该端的膜片夹紧，光轴端上的膜片通过弹性挡圈固定；所述x向连接杆2-10一端通过螺纹连接在x向膜片安装轴2-4光轴端的螺孔内，另一端通过螺纹与x向电感传感器2-6上的铁芯连接。

实现二维测量时（参见图4和图5）包括内层框2-1、x向膜片2-2、y向膜片2-3、x向膜片安装轴2-4、两个y向膜片安装轴2-5、x向传感器2-6、y向传感器2-7、x向传感器安装架2-8、y向传感器安装架2-9、x向连接杆2-10、y向连接杆2-11；所述内层框2-1通过y向膜片安装轴2-5安装在外层框3-1上；每个y向膜片2-3的中心设置有y向膜片安装轴2-5，两个y向膜片安装轴2-5的轴线在一条直线上，y向膜片安装轴2-5一端再通过螺钉安装在内层框2-1y向两端面上；两个x向膜片2-2安装在x向膜片安装轴2-4两端再通过螺钉安装在内层框2-1x向两端面上；所述x向传感器2-6的线圈安装在x向传感器安装架2-8上并通过螺栓进行锁紧；所述x向传感器安装架2-8通过螺钉安装在内层框2-1外部;所述y向传感器2-7的线圈安装在y向传感器安装架2-9上并通过螺栓进行锁紧；所述y向传感器安装架2-9通过螺钉安装在内层框2-1内部；所述x向膜片安装轴2-4一端加工有螺纹，另一端为光轴端，加工有螺纹的一端通过螺纹与测杆1连接并将该端的膜片夹紧，光轴端上的膜片通过弹性挡圈固定；所述x向连接杆2-10一端通过螺纹连接在x向膜片安装轴2-4光轴端的螺孔内，另一端通过螺纹与x向电感传感器2-6上的铁芯连接；所述y向连接杆2-11一端通过螺纹连接在y向膜片安装轴2-5一端的螺孔内，另一端通过螺纹与y向电感传感器2-7上的铁芯连接。

本发明可以通过xy向测量机构2和z向测量机构3（参见图8、图9和图10）一起实现三维测量。

上述z向测量机构（参见图6、图7）是由外层框3-1、两个z向膜片安装轴3-2、z向膜片组3-3、z向传感器3-4、z向传感器安装架3-5、z向连接杆3-6组成；所述外层框3-1通过z向膜片安装轴3-2安装在测头外壳4上；一对z向膜片3-3通过弹性挡圈固定在一对z向膜片安装轴3-2上并通过螺钉安装在外层框3-1z向两端面上；一对z向膜片安装轴3-2的轴线在一条直线上，所述z向传感器3-4的线圈安装在z向传感器安装架上并通过螺栓进行锁紧；所述z向传感器安装架3-5通过螺钉安装在测头外壳4上;所述z向连接杆3-6一端通过螺纹连接在外层框3-1上，另一端通过螺纹与z向电感传感器3-4上的铁芯连接。

上述弹簧平衡机构5包括拉伸弹簧5-1和调整螺钉5-2，所述的拉伸弹簧5-1的一端连接于调整螺钉5-2上，另一端连接于z向测量机构3上；调整螺钉5-2设置于测头外壳4顶部的螺孔内。

上述x向膜片2-2、y向膜片2-3、z向膜片3-3上可以刻出很多种通槽组成不同的图形，例如：参见图11，可通过在膜片上切出弧形通槽制成，弧形通槽组成若干个同心圆，其几何参数可以包括：弧形槽宽度s、弧形槽跨度角θ、弧形槽数量n对、弧形槽两端孔径d以及膜片导轨厚度t；还可以是刻出参见图12的图形，参见图12。其几何参数为：槽长度h、槽宽度b1、链数量n、中间连接部宽度b2以及膜片导轨厚度t。

本发明的工作过程：

在x方向测量力的作用下,两个x向膜片2-2发生弹性变形导致x向膜片安装轴2-4在x方向运动从而使其一端的x向电感传感器2-6的铁芯在x方向产生位移,而内层框架2-1固定不动导致其上安装的x向电感传感器2-6的线圈固定不动，铁芯相对于线圈的位移即为测针在x方向的微位移。

在y方向测量力的作用下,两个y向膜片2-3发生弹性变形,内层框架2-1在y方向运动从而使其上安装的y向电感传感器2-7的线圈在y方向产生位移,而y向膜片安装轴2-5固定不动导致其上安装的x向电感传感器2-6的铁芯固定不动，线圈相对于铁芯的位移即为测针在y方向的微位移。

在z方向测量力的作用下,两个z向膜片3-2发生弹性变形，内层框架2-1带动外层框架3-1在z方向运动从而使其上安装的的z向电感传感器3-4的铁芯在z方向产生位移,而z向膜片安装轴3-2固定不动导致其上安装的z向电感传感器3-4的线圈固定不动，铁芯相对于线圈的位移即为测针在z方向的微位移。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。