一种直接入射式光臂放大型一维线性测头的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种精密测量技术领域，特别涉及一种直接入射式光臂放大型一维线 性测头。
【背景技术】
[0002] 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；非接 触式测头分为激光测头和光学视频测头。
[0003] 机械式测头是精密量仪使用较早的一种测头。该测头通过测头测端与被测工件直 接接触进行位置测量，主要用于手动测量。该类测头结构简单、操作方便，其缺点在于精度 不高，测量效率低，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。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，是三维测头中应用 最广泛的测头。但该类测头的缺点在于：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。另一方面，由于触发式测头测量原理决定了其测量 过程为单点测量，测量效率低，限制了其推广使用。
[0004] 当前应用最广的测头类型为扫描式测头，该类测头输出量与测头偏移量成正比， 作为一种精度高、功能强、适应性广的测头，同时具备工件单点测量和连续扫描测量的功 能。该类测头的测量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。但是该类测头的缺点是结构复杂，制造成本高，目前世界上只 有少数公司可以生产。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术中所存在的机械式测头和触发式测头精度不高， 以及扫描式测头结构复杂、成本较高的上述不足，提供一种结构简单、测量精度高的直接入 射式光臂放大型一维线性测头。
[0006] 为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
[0007] 技术方案一：
[0008] -种直接入射式光臂放大型一维线性测头，包括：
[0009] 激光源，用于发射激光束；
[0010] 测头基座，所述测头基座上设有所述激光源，以及用于检测的测杆和测球；
[0011] 光电探测器，用于接收所述激光源入射的激光束；
[0012] 平移部件，用于使所述测头基座做直线运动；
[0013] 回复部件，用于将所述测头基座回复至初始位置；
[0014] 处理系统，根据所述光电探测器上所接收到的激光束入射位置变化值，计算得到 所述测球的位移变化值。
[0015] 该直接入射式光臂放大型一维线性测头，利用一个激光源发射激光束，该激光束 为平行激光束，入射到光电探测器上，光电探测器能够感应激光束的入射位置。激光源安装 在测头基座上，当测头基座位置发生变化，激光束入射到光电探测器上的位置相应发生改 变，平移部件能够使测头基座做直线运动，进而带动激光源运动，则激光束入射到光电探测 器上的位置也有所改变，通过处理系统对光电探测器对不同激光束入射位置的变化值，进 行计算并分析，能够得到测头基座在位于其直线位移方向的位移变化值，测头基座发生位 移后通过回复部件回复至初始位置，便于下一次的测量。其中，上述方法中，通过测量激光 束的入射点位移变化来实现位移测量。
[0016] 将该测头安装在精密量仪上，由于测头基座上连接测杆和测球，测球用于与被测 工件直接接触进行定位而完成精密量仪测量，当测球与被测工件直接接触时，受到阻力而 产生位移，测球带动测头基座在平移部件上发生直线位移，通过激光源、光电探测器、处理 系统配合，能够计算得到测球的位移量，以补偿测球接触被测工件时测球位移导致的被测 工件定位时的测量偏差，获得被测工件在测头基座直线位移方向即一维方向的更为准确的 测量坐标，最高精度能够达到纳米级别，提高了测量的精度。该测头简化了结构，降低了生 产成本，易于批量加工制造。
[0017] 优选地，所述平移部件用于将所述测头基座沿垂直于所述光电探测器的方向做直 线运动。
[0018] 优选地，还包括壳体，所述光电探测器可旋转安装在所述壳体内，所述平移部件 包括位于所述壳体内的导向槽，所述测头基座设有与所述导向槽适配的滑块。
[0019] 该测头包括设于精密量仪上的壳体，该壳体内有激光源、测头基座、光电探测器和 平移部件，便于安装和拆卸。其中平移部件为导向槽，测头基座通过滑块能够在导向槽内做 直线运动，以改变所述激光束入射点位置。
[0020] 优选地，所述回复部件设于所述壳体内并用于将所述测头基座回复至初始位置。
[0021] 优选地，回复部件为弹簧，其一端连接在所述测头基座上，另一端连接在所述壳体 上。测球受到被测工件阻力而发生位移导致测头基座发生位移，当测头完成测量后，回复部 件能够将测头基座回复至初始位置（即安装位置），以便下一个被测工件测量点的准确测 量。
[0022] 优选地，所述平移部件和回复部件为平行簧片结构，其中所述平行簧片结构包括 连接在所述测头基座上的连接块和固定在壳体上的座板，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。
[0023] 优选地，所述光电探测器为位置敏感探测器。
[0024] 该光电探测器选用为常用的位置敏感探测器（英文为PositionSensitive 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。
[0025] 优选地，所述光电探测器为一维位置敏感探测器。
[0026] 一维位置敏感探测器（简称一维PSD)，可以探测出一个亮点在它的一个唯一方向 上表面的移动。分别将一维PSD安装在壳体的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。
[0027] 优选地，所述一维位置敏感探测器在位于所述壳体的侧面上可旋转。
[0028] 可旋转的一维位置敏感探测器能够根据实际所需要测量精度改变其旋转位置，能 够改变一维位置敏感探测器入射激光的夹角，从而改变了一维位置敏感探测器测量测头位 移的放大倍数，以满足实际需要。
[0029] 优选地，所述测头基座下方连接测杆，所述测杆端部连接测球。
[0030] 本发明还提供了一种技术方案二：
[0031] -种直接入射式光臂放大型一维线性测头，包括：
[0032] 激光源，用于发射激光束；
[0033] 光电探测器，用于接收所述激光源入射的激光束；
[0034] 测头基座，所述测头基座上设有所述光电探测器以及用于检测的测杆和测球；
[0035] 平移部件，用于使所述测头基座做直线运动；
[0036] 回复部件，用于将所述测头基座回复至初始位置；
[0037] 处理系统，根据所述光电探测器上所接收到的激光束入射位置变化值，计算得到 所述测球的位移变化值。
[0038] 该直接入射式光臂放大型一维线性测头，利用一个激光源发射激光束，该激光束 为平行激光束，入射到光电探测器上，光电探测器能够感应激光束的入射位置。光电探测器 安装在测头基座上，当测头基座位置发生变化，激光束入射到光电探测器上的位置相应发 生改变，平移部件能够使测头基座做直线运动，进而带动光电探测器运动，则激光束入射到 光电探测器上的位置也有所改变，通过处理系统对光电探测器对不同激光束入射位置的变 化值，进行计算并分析，能够得到测头基座在位于其直线位移方向的位移变化值，测头基座 发生位移后通过回复部件回复至初始位置，便于下一次的测量。
[0039] 优选地，还包括壳体，所述光电探测器可旋转安装在所述壳体内，所述激光源安装 在测头基座上，所述平移部件包括位于所述壳体内的导向槽，所述测头基座设有与所述导 向槽适配的滑块。
[0040] 该测头包括设于精密量仪上的壳体，该壳体内有激光源、测头基座、光电探测器和 平移部件，便于安装和拆卸。其中平移部件为导向槽，测头基座通过滑块能够在导向槽内做 直线运动，以改变所述激光束入射点位置。
[0041] 优选地，所述回复部件设于所述壳体内并用于将所述测头基座回复至初始位置， 所述回复部件为弹簧，其一端连接在所述测头基座上、另一