专利名称：一种金属曲面数控测量头的制作方法
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，用于金属类复杂曲面数控
加工后的连续测量，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，工业生产和科学研究对 测量装置的测量精度、测量效率提出了越来越高的要求，作为测量装置的关键部件——精 密测量头成为世界各国研究的重点。已有的精密测量测量头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。 机械式测头因其原理落后、手工操作、精度差而早已被淘汰。触发式测头目前占据 了世界市场的90%，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，而且测量头只能采用断续的逐点测量。扫描式测头也称量化测 头，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 空间坐标点的位置探测和曲线曲面的扫描测量的功能，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，使实际应用受到了限制。不论是触发式测头还是扫描式测头，都是采用接触式探 针与被测工件接触采集轮廓点，然后进行数据处理，进而得到被测工件的位置或形状信息。 由于接触式探针有一定的大小，实际接触点为探针球部表面一点，而测头定位系统锁存的 是探针测端球心的坐标值，无法直接获得接触点的坐标值，这就不可避免的存在误差。
非接触式测头的激光测头和光学视频测头一般采用光学的方法进行测量，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，到目前为止，非接触式测头的测量精度还不是很高，还无法取代接 触式测头在精密量仪中的位置。 综上所述，目前使用的接触式测头与非接触式测头都有一定的优缺点，不能满足 科学研究和现代化快速生产的需要，使用单位的技术人员和操作人员都希望科研人员能够 研制出一种新型的数字化测量头，以满足相关的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种精度更高、尺寸更小、互换性更好、综合功
能更强的能够快速对金属复杂曲面进行测量的金属曲面数控测量头。 解决上述技术问题的技术方案是
—种金属曲面数控测量头，它由测量部件、连接杆、测量体组成，连接杆的一端与 测量体相连接，其改进之处是，所述的测量部件包括探测球体、引线套筒、下接线板、CPU集 成块、上接口部件，探测球体一端有球缺，球缺平面与连接杆的另一端相连接，探测球体由 耐磨绝缘材料制成，球体表面刻有密集均布的经线凹槽和纬线凹槽，在凹槽中填充导电材 料，形成经线导线和讳线导线，各经线导线与讳线导线之间均以绝缘材料隔离，各经线导线 汇于球缺处，各讳线导线分别由相互绝缘的引线导向球缺处，各经线导线和讳线导线在球 缺处通过引线套筒、下接线板与CPU集成块的输入端相连接，CPU集成块的输出端通过上接 口部件与电源和数控机床的主控计算机相连接。 上述金属曲面数控测量头，所述探测球体由耐磨绝缘材料精确磨制而成，球体表
面密集均布的经线凹槽和纬线凹槽为精密光刻槽体，经线凹槽相对于球体轴线均布，纬线
凹槽沿球体圆弧面均布，经线凹槽之间、纬线凹槽之间的间距为4-10微米。 上述金属曲面数控测量头，所述引线套筒一端与探测球体球缺固定连接，另一端
与下接线板固定连接，引线套筒的内外圆柱面上分别沿轴向刻有经线引线凹槽和纬线引线
凹槽，凹槽内填充导电材料，形成经线引线和纬线引线，这些经线引线和纬线引线的一端分
别与探测球体球缺处汇集的经线导线和纬线导线相连接，另一端连接到下接线板的相应接点上。 上述金属曲面数控测量头，所述下接线板套装在连接杆上，下接线板上有光刻线 路，光刻线路一端与引线套筒的经线引线和纬线引线相连接，另一端与CPU集成块的数据 线引脚相连接。 上述金属曲面数控测量头，所述CPU集成块由多块计算机芯片组成，这些计算机 芯片分别为若干经线块和若干纬线块，它们的相应数据线引脚与下接线板的经过有序分组 的经线或纬线接点相连接，相应所用串行口 、控制线和电源线连接至上接口部件，再与电源 和数控机床的主控计算机相连。 上述金属曲面数控测量头，所述上接口部件套装在连接杆上，上接口部件的下部 沿圆周设置了电源插口和与主控计算机的通讯插口 ，上部贴装有长直线光栅，在测量体上 安装有光栅支架，光栅支架上安装有短直线光栅和光学部件，它们与长直线光栅相匹配。
上述金属曲面数控测量头，所述连接杆的一端安装于测量体的连接孔内，在连接 孔内有弹簧套装在连接杆上。
本发明的有益效果是 本发明的探测球体由耐磨绝缘材料精确磨制而成(如红宝石)，采用精密光刻技 术在球体表面刻出密集均布的经线凹槽和纬线凹槽，在其内部填充导电材料，形成经线导 线和纬线导线，各经线导线之间、各纬线导线之间、经线导线和纬线导线之间均以绝缘材料 隔离，经线导线和纬线导线均在一端由CPU集成块加以正向电压并通过编码器与微机输入 口相连，当探测球体与金属工件接触时，接触点附近的经线导线和纬线导线接地变为低电 平，计算机通过对经、纬导线电平状态的扫描可以测得接触点相对于基准点(球心)的相对 位置；探测球体可以沿轴向做微量移动，在连接杆与探测球体之间安装有直线光栅，可测得 二者之间的移动量；探测球体在连续测量中以再现数控加工程序为手段，通过数据采样和 简单运算可以连续精确确定出已加工空间曲面的密集形值点。这种金属曲面数控测量头的 特点是精度高、数据处理简单、测量效率高、可测量连续。
图1是本发明的整体结构示意图； 图2是探测球体的顶部侧视图； 图3是探测球体的球缺部侧视图； 图4是探测球体的经线导线、讳线导线局部示意图； 图5是探测球体的讳线导线剖视图； 图6是探测球体的经线导线剖视图； 图7是连接杆与测量体的连接示意图； 图8是引线套筒的剖视图； 图9是连接杆示意图。 图中标记如下探测球体1、连接杆2、引线套筒3、、下接线板4、CPU集成块5、上接 口部件6、引线插槽7、光栅支架8、测量体9、弹簧10、经线凹槽11、纬线凹槽12、导向键13、 定位针1具体实施例方式
本发明是一种金属曲面数控测量头，它由测量部件、连接杆2、测量体9组成。连接 杆2的一端与测量体9相连接，测量部件包括探测球体1、引线套筒2、下接线板4、CPU集成 块5、上接口部件6。外加电源均受控于数控机床的主控计算机。 本发明的引线套筒3采用精密光刻技术，引线套筒3的内外圆柱面上分别沿轴向 刻有经线引线凹槽和纬线引线凹槽，内部填充导电材料，形成经线引线和纬线引线，它们的 周向位置分别对应于探测球体1之经线导线和纬线导线，引线套筒3 —端与探测球体1的 球缺相固连，另一端与带有印刷电路的下接线板4相固连，采用定位针14对引线套筒3和 下接线板4进行周向定位以便准确接线， 本发明的下接线板4 一端与引线套筒3相连，另一端与CPU集成块5相连，采用印 刷电路技术将来自引线套筒3连续排号的经线引线和纬线引线引入、并根据多CPU集成块 数据线的排布状况进行有序分组。CPU集成块由多块计算机芯片组成，这些计算机芯片分别 为若干 本发明的探测球体1由耐磨绝缘材料制成，采用精密光刻技术在球体表面刻出密 集均布的经线凹槽11和纬线凹槽12，各凹槽指向球心，在其内部填充导电材料，成为导电 的经线导线和讳线导线。各经线导线与经线导线之间、讳线导线与讳线导线之间、经线导线 和纬线导线之间均以绝缘材料隔离。经线导线关于轴线均布，纬线导线沿圆弧面均布。为 防止经线导线在轴线底部密集聚集，经线导线收于不同的纬度，不必都延伸至底部，可以从 整体上使节点较为均匀，各经线导线和纬线导线均导出于球缺上部，各经线导线收于较大 之外分布圆，讳线导线数量为经线导线数量的一半，沿相应经线导 线相间导向球缺上部，所开之槽渐深而收于较小之内分布圆，通过引线套筒2与 CPU集成块5的输入线相连，同时与具有电位拉高电阻的外加电源相连。
本发明的连接杆2是将其它元件穿为一体的基础件，外表面用绝缘材料涂覆，下 端头部为精密螺纹，上端有轴肩，采用定位针14将有关元器件进行周向定位。为适应加工误差，精确磨削的连接杆2与精确加工的测量体9内孔呈微间隙配合，连接杆2后部安装有 压縮弹簧10，测量体9上安装有光栅支架8，光栅支架8上贴有直线长光栅，上接口部件6 上贴有短光栅，CPU集成块5、光栅和 经线块和若干纬线块，相间排列组成圆周阵列。每一线块由绝缘材料制成，外 (后)面各粘接安装一片CPU，采用精密光刻技术在线块左、右、上、下、前五个面刻出起自 CPU各引脚引线槽并以导电材料填充，将CPU相应数据线引脚下引至下接线板，与经过有序 分组的经线引线或纬线引线相连，将CPU的所用串行口、控制线和电源线上引至上接口部 件以便与电源和数控机床的主控计算机相连。本发明的一个实施例采用六个计算机芯片组 成一个六角型CPU集成块，其纬线块与连接杆连接，并采用定位针14对其进行定位以便准 确接线。 本发明的上接口部件4与连接杆2套装，上接口部件4的下部沿圆周设置了电源 插口和与主控计算机的通讯插口 ，上部贴装有长直线光栅。测量体9上安装有光栅支架8， 光栅支架8上安装有短直线光栅和光学部件。 本发明的测量体9外形结构和大部分内部结构与常用数控测量头相同，在与连接 杆2的连接上采用大、小孔结合，大孔容留弹簧10而小孔起导向作用。所述弹簧10为软弹 簧，安装于测量体9孔内并套装于连接杆2上部，在轴向测量力作用下，上述元器件将随连 接杆2做小量的上下移动。连接杆2和测量体9之间有导向键13连接。
本发明的工作原理是 以本金属曲面数控测量头替代刀具，在考虑适当刀长补的情况下，命令机床仿真 运行被测零件的数控加工程序，开机后，必须要求通过具有电位拉高电阻的外加电源对各 经线和纬线施以高电平，在具体测量中，探测球体与被测金属曲面接触点附近的若干经线 和纬线在击穿电压下短路接地，相应导线被拉低为低电平，远离接触点的经线和纬线保持 高电平，数控机床的主控计算机读取CPU集成块各导线的电平状态，并分别做取中处理，就 可以确定距离被测接触点最近的经线和纬线的节点作为被测接触点，在给定坐标系下，经 过编号的各经线和纬线所形成的各个节点相对球心&、 Yp Z工为固定值，存储于主控计算机 内存之中可供计算机查询，在测量体和连接杆之间安装了直线光栅，短光栅贴附连接杆上 而长光栅贴附于光栅支架上，测量中连接杆相对测量体的上下少量移动Z2可以通过计算机 读取光栅测量装置的正负莫尔条纹数然后做加减运算来得到。在测量时，本金属曲面数控 测量头取代刀具，在调定了测量基点后，按照数控加工时所执行程序的指令位移运动，所给 出的指令位移X3、Y3、Z3只是本测量头作为刚体球心的相对坐标，在每一个采样时间间隔内， 计算机作X = X,X3， Y = Y,l， Z = Z,Z2+Z3，所得到的X、Y、Z即为被测金属加工曲面型值 点的坐标。计算机继而将连续测得的型值点拟合为测量曲面，以便所要求的曲面进行比较。
权利要求
一种金属曲面数控测量头，它由测量部件、连接杆[2]、测量体[9]组成，连接杆[2]的一端与测量体[9]相连接，其特征在于所述的测量部件包括探测球体[1]、引线套筒[3]、下接线板[4]、CPU集成块[5]、上接口部件[6]，探测球体[1]一端有球缺，球缺平面与连接杆[2]的另一端相连接，探测球体[1]由耐磨绝缘材料制成，球体表面有密集均布的经线凹槽[11]和纬线凹槽[12]，在凹槽中填充导有电材料，形成经线导线和纬线导线，各经线导线与纬线导线之间均以绝缘材料隔离，各经线导线汇于球缺处，各纬线导线分别由相互绝缘的引线导向球缺处，各经线导线和纬线导线在球缺处通过引线套筒[3]、下接线板[4]与CPU集成块[5]的输入端相连接，同时与具有电位拉高电阻的外加电源相连接，CPU集成块[5]的输出端通过上接口部件[6]与电源和数控机床的主控计算机相连接。
2. 根据权利要求1所述的金属曲面数控测量头，其特征在于所述探测球体[1]由耐 磨绝缘材料精确磨制而成，球体表面密集均布的经线凹槽[11]和纬线凹槽[12]为精密光 刻槽体，经线凹槽[11]相对于球体轴线均布，纬线凹槽[12]沿球体圆弧面均布，经线凹槽 [11]之间、纬线凹槽[12]之间的间距为4-10微米。
3. 根据权利要求2所述的金属曲面数控测量头，其特征在于所述引线套筒[3] —端 与探测球体[1]球缺固定连接，另一端与下接线板[4]固定连接，引线套筒[3]的内外圆柱 面上分别沿轴向刻有经线引线凹槽和纬线引线凹槽，凹槽内填充导电材料，形成经线引线 和讳线引线，这些经线引线和讳线引线引线的一端分别与探测球体[1]球缺处汇集的经线 导线和纬线导线相连接，另一端连接到下接线板[4]的相应接点上。
4. 根据权利要求3所述的金属曲面数控测量头，其特征在于所述下接线板[4]套装 在连接杆[2]上，下接线板[4]上有光刻线路，光刻线路一端与引线套筒[3]的经线引线和 纬线引线相连接，另一端与CPU集成块[5]的数据线引脚相连接。
5. 根据权利要求4所述的金属曲面数控测量头，其特征在于所述CPU集成块[5]由 多块计算机芯片组成，这些计算机芯片分别为若干经线块和若干纬线块，它们的相应数据 线引脚与下接线板[4]的经过有序分组的经线或纬线接点相连接，相应所用串行口、控制 线和电源线连接至上接口部件[6]，再与电源和数控机床的主控计算机相连。
6. 根据权利要求5所述的金属曲面数控测量头，其特征在于所述上接口部件[6]套 装在连接杆[2]上，上接口部件[6]的下部沿圆周设置了电源插口和与主控计算机的通讯 插口，上部贴装有长直线光栅，在测量体[9]上安装有光栅支架[8]，光栅支架[8]上安装有 短直线光栅和光学部件，它们与长直线光栅相匹配。
7. 根据权利要求6所述的金属曲面数控测量头，其特征在于所述连接杆[2]的一端 安装于测量体[9]的连接孔内，在连接孔内有弹簧[10]套装在连接杆[2]上。
全文摘要
一种金属曲面数控测量头，属数控测量设备技术领域，用于对金属复杂曲面进行快速和高精度的连续测量，其技术方案是它由测量部件、连接杆、测量体组成，测量部件包括探测球体、引线套筒、下接线板、CPU集成块、上接口部件，探测球体由耐磨绝缘材料制成，球体表面密集均布有光刻的经线导线与纬线导线，各经、纬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、下接线板与CPU集成块的输入端相连接，CPU集成块的输出端通过上接口部件与电源和数控机床的主控计算机相连接。当探测球体与金属工件接触时，计算机可以连续精确确定出已加工空间曲面的密集形值点，具有测量精度高、数据处理简单、测量效率高、可测量连续的优点。
文档编号B23Q17/20GK101758424SQ20091022781
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
发明者岳彦芳, 徐柏龙, 范春起 申请人:河北科技大学