齿轮测量中心专用三维（3D）数字式扫描测头的制作方法

齿轮测量中心专用三维（3d）数字式扫描测头，是一个可以实现单轴扫描或多轴扫描等各种各样的测量工作的新型测头。

背景技术：

目前，绝大多数中国生产的齿轮测量中心采用一种可手动旋转的一维杠杆式模拟测头，都趋于逐渐将被淘汰的低档产品，而德国和美国生产的高端齿轮测量中心以及可以测量齿轮类工件的计量型坐标测量机全部都已经配备了三维扫描测头，以下阐述它们与本发明专利技术相关的信息及不同之处。

德国蔡司的万能三维测头（见附图4），该测头用于德国蔡司公司的带圆转台的坐标测量机上，德国专利号3412302a1，它由垂直串联连接三个平行四边形片簧框架机构组成，三个机构都有同样锁紧装置和模拟式位置传感器，但测力发生机构极为复杂，由顶部电磁铁经杠杆产生可调整方向和大小的测量力。其整体结构庞大、沉重且复杂，根本无法以水平形式安装在当前的齿轮测量中心上，它的加工装配困难，故障率较高且价格昂贵。

英国雷尼绍的sp600型扫描测头（见附图5），该测头由二个套装一个串联连接的三个平行四边形片簧框架机构组成，三个机构都内装有模拟式位置传感器，但都没有锁紧装置，它只能以三轴组合运动这一种工作模式来做扫描测量，虽然早已在各国的坐标测量机上被成功应用，但只是在今年才被应用在齿轮测量中心上。为了克服只需单轴扫描测量时另外的两轴没有锁紧而造成的量值变化，可以用实时数控修正和事后数据处理加以补偿，但与其他有锁紧装置的齿轮测量中心专用三维扫描测头（例如，下面将要提到的德国克林贝格k3d型三维测头和本发明专利的齿轮测量中心专用三维（3d）数字式扫描测头）相比，其是指精度和稳定性还是有一定差距。

德国克林贝格的k3d型三维测头（见附图6），该测头为专用于克林贝格的p系列齿轮测量中心上，它由一个特殊的双平行四边形片簧机构（z向和x向）和另一个单独的平行四边形片簧框架机构（y向）按水平排列分别安装在同一基板上组成。测针的z向和x向运动由第一个机构控制，再通过一个特殊的双坐标组合式光栅位置传感器，而y向的运动则通过二根特殊的连杆推动第二个机构的动板运动而再由另一个光栅传感器读出其位置。另外，该测头还配有一套测力方向控制机构，以控制测针在x-z平面内某个任意角度方向进行测量，这可以起到在x或z方向进行锁紧的作用。在y方向是由一套带有较大启动测力的自动换向测力机构，该启动测力也可以起到在y方向进行锁紧的作用。当需要三维扫描测量时，只要此两个测力机构松开不起作用即可。该测头的发明，强调是为了使测针在空间中运动时的动态和静态特性在三个坐标轴方向相同，以不产生测量偏差，而独创这一整套复杂的结构。因为测量中心的测针运动频率是有一定范围的，我们只要使三个坐标方向内各单元的频率响应都能满足要求（即不产生膨胀或衰减等示值失真）就完全可以了，根本不需要强求三个单元具备同样的动态特性，这也是所有世界各国优秀的三维扫描测头共同遵循的原则。

技术实现要素：

本发明专利的目的是为高端齿轮测量中心配套提供一个全新的三维（3d）数字式扫描测头。它具有任意一维扫描、任意二维组合扫描和全三维组合扫描测量的功能，它应当能满足齿轮测量中心对测头的静态和动态运动特性的要求，还具有很高的测量精度、稳定性和通用性。另外，还要结构简单、制造维修方便、故障率低、价格便宜以适合大多数用户需要。

本发明专利由水平（卧式）布局的三个串联连接的平行四边形片簧框架机构（见附图1）组成。测头上装有一个可快速更换的测针（5），这三个框架机构（6、7、8）分别支撑着测针在三维空间坐标上的三个方向的运动。在相对于齿轮测量中心结构布局而言，从坐标原点开始，其先后顺序为垂直z轴框架（6）、切向x轴框架（7）、和径向y轴框架（8）三个框架单元。每一个单元是由二个夹板（1）、一个动板（2）、一个定板（3）和八套片簧和压板组成（4）。各个框架之间的连接方式也很有特点，由于z轴框架（6）的定板（3）就是x轴框架（7）的动板（2），因此框架之间不需要其它连接，而x轴框架的定板（3）和y轴框架的动板（2）各有一个专门的凸起部分，只需几个小螺钉就可以紧紧的连接在一起。这种连接方式能使装配工作简单容易，还有利于减轻重量以提高测头工作的动态特性。

这三个框架单元的内部机构也是一样的，它装有相同的光栅传感器、专门的锁紧装置、测力装置、阻尼器和其它辅助装置，它们之间的零件也都可以互相通用，这就最大限度地简化了加工和装配调整的难度并降低了成本。

每个框架机构内部的光栅传感器是一种在市场上可以采购到的通用的高精度增量式光栅位置传感器，它要比常见的电感式或差动变压器式模拟传感器的稳定性好、量程大、放大比线性好、漂移小、响应快且抗干扰性好，与前述德国克林贝格k3d型三维测头来用的特殊定制的双坐标组合式光栅位置传感器相比，肯定要便宜得多。

本发明专利采用专门设计的锁紧机构（实用新型专利zl2015200071806精确定位锁紧机构）能使三维测头的各轴能够由程序控制，分别或组合地锁紧或松开，以便测头能实现各种单轴或多轴组合扫描测量。由于采用了专门的先进结构，由微电机、小凸轮、片簧、二个钢球、一个圆柱及压簧组成了精确定位的锁紧机构，不仅锁紧牢固，定位精确，而且其锁紧位置的重复性极高，不但保证了测量中心的测针球心找正定位准确稳定，又可兼做增量光栅读数值的参考零点，可以实现无需任何“过零”动作，开机即用的特点，这是目前世界上所有的采用增量式光栅传感器的三维测头都做不到的。

本发明专利还采用了一种专门的测力机构（实用新型专利zl2015200071793平衡弹簧机构），以产生可随测针接触被测工件的方向和行程大小来自动确定测力方向和大小。该机构有一对同样的并且相互对拉的拉力弹簧，并配有二个微调螺母来保证拉簧之间的平衡点与锁紧机构的零点位置保持一致。

本发明专利在每个坐标轴方向都满足了高端齿轮测量中心对测头的动态和静态运动特性的要求，具有很高的测量精度和稳定性。另外，它还可以通过齿轮测量中心控制系统的程序指令来控制测头各轴的锁紧和松开，以便该测头具有任意一维扫描、任意二维组合扫描和全三维组合扫描测量的功能，更可以用测头的位置示值反馈操控齿轮测量中心的主机各轴，最大限度扩展了齿轮测量中心的适用范围。

附图说明

图1本发明齿轮测量中心专用三维（3d）数字式扫描测头立体图；

图2z轴框架结构主视图；

图3z轴框架结构后视图；

图4现有技术中-德国蔡司万能三维测头剖视图；

图5现有技术中-英国雷尼绍sp600型扫描测头结构图；

图6现有技术中-德国克林贝格k3d型三维测头立体图。

具体实施

图2和3中，本发明的主要零件有：测针1、测针盘2、压板4、片簧5、拉簧6、接近开关支架9、接近开关10、电路板11、凸轮12、锁紧板13、电机14。测针1直接螺纹连接在测针盘2上，测针盘2用6个钢球与3个钢柱定位并且用磁铁吸附在z轴框架上，z轴框架与x轴框架之间是用两组压板片簧机构连接，其机构由两个压板4压紧在同一个片簧5的两端，片簧5分别连接在两个不同框架上，以实现测头只在一个方向上的摆动。该测头可实现坐标x、y、z三个方向的运动，以z轴框架为例，其运动由接近开关10进行限制。该框架配有测头锁紧机构，其机构由凸轮12，锁紧板13，电机14组成。电机14带动凸轮12旋转，当凸轮12的大圆部分旋转至远离压紧板13时，锁紧板13上的钢球与支架上的钢柱脱离，这时可自由运动，当凸轮12的大圆部分旋转至接近压紧板13时，锁紧板13上的钢球与支架上的钢柱接触并定位以实现锁紧。y轴框架和x轴框架与z轴框架的工作原理相同。