一种磁浮气浮综合作用二维扫描测头的制作方法

本发明属于精密测量领域，具体涉及一种磁浮气浮综合作用二维扫描测头

背景技术：

目前，在测量仪器上比较常用的测头为电感式扫描测头，其是利用线圈的自感互感的变化来实现测量的一种装置，在测量过程中测针接触被测件时会受到测量力使测针发生偏移，并且测针会发生挠曲变形。该类测头虽然结构简单可靠，对工作环境要求不高，分辨力较高，但是它的缺点是测针发生挠曲变形会带来较大的测量误差，响应频率低，不宜用于快速动态测量，输出信号为模拟量信号，易受到干扰。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种磁浮气浮综合作用二维扫描测头。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种磁浮气浮综合作用二维扫描测头，包括测针、测针座以及具有中空腔体且一端开口的测头座；其中，

测头座内的底部安装有镜头组和ccd组件，测头座内的开口端处由内向外依次套装有轴套和悬浮板，轴套与测头座内壁构成测头的右端气路，测头座外壁的周向上安装有与右端气路进气口连通的右端气路接头，轴套的左端面周向上安装有若干与右端气路出气口连通的大径喷嘴，经过滤的纯净空气能够由右端气路接头进入轴套，由大径喷嘴喷出，给悬浮板提供一个向下的推力；悬浮板的右端面上安装有测量靶标，ccd组件用于实时采集测量靶标的图像，并分析其图形位置坐标；悬浮板的外壁周向上与测头座内壁之间设置有磁浮组；

测头座的开口端端面上安装有套装在悬浮板上的前压板，前压板与悬浮板之间还依次套装有密封垫和后压板，前压板内开设有左端气路，前压板的周向上安装有与左端气路进气口连通的左端气路接头，后压板的右端面周向上安装有若干与左端气路出气口连通的小径喷嘴，经过滤的纯净空气能够由左端气路接头进入前压板，经过密封垫，由后压板上安装的小径喷嘴喷出，给悬浮板提供一个向上的推力；

测针安装在测针座上，测针座与悬浮板的左端面之间配备有安装磁片和定位钢球组。

本发明进一步的改进在于，轴套与测头座内壁之间设置有密封圈，前压板与测头座的开口端端面之间安装有外部密封圈。

本发明进一步的改进在于，磁浮组由测头座左端内壁周向上内嵌的一圈磁铁，与悬浮板外壁周向上镶嵌的一圈磁铁构成，各组磁铁中的每一颗磁铁的磁性沿测头径向方向一致，内外两圈磁铁相邻面磁性相斥，通过相斥的磁力使得悬浮板与测头座轴线对中，而且两者不相接触。

本发明进一步的改进在于，定位钢球组以十字交接形式的三点定位方式实现测针座与悬浮板之间的精确定位安装；其中，在悬浮板的安装面上安装有三对均匀分布的第二钢球，每对第二钢球沿均布线对称排列，且与径向方向垂直，在测针座对应面上安装有三对均匀分布的第一钢球，每对第一钢球沿均布线与径向方向一致。

本发明进一步的改进在于，安装磁片由测针座与悬浮板之间的安装面上嵌入的第一磁片和第二磁片构成，通过第一磁片和第二磁片提供测针座与悬浮板之间的吸力。

本发明进一步的改进在于，测量靶标由涂有荧光物质的可识别图形组组成，且图形组为可识别位置特征的任意图形。

本发明进一步的改进在于，镜头组和ccd组件用于采集测量靶标上的图形组图像，处理软件子系统分析该图像，提起图形组的特征点位置信息，与测头零位信息比较，从而分析测头测球对应的位置坐标。

本发明进一步的改进在于，在测头工作过程中，悬浮板上方的大径喷嘴喷出气流的向下推力、悬浮板以及与之相连接的零件向下的重力、悬浮板下方的小径喷嘴喷出气流的向上推力形成一个受力平衡状态，使得悬浮板位于轴套下端面与后压板上端面的中间位置，处于悬空状态。

本发明进一步的改进在于，当测头横置安装使用时，大径喷嘴喷出气流的推力与小径喷嘴喷出气流的推力形成一个受力平衡状态；磁浮组的相斥磁力的合力与悬浮板以及与之相连接的零件向下的重力形成一个受力平衡状态。

本发明进一步的改进在于，当测头竖直向下安装使用时，大径喷嘴喷出气流的向下推力、悬浮板以及与之相连接的零件向下的重力、小径喷嘴喷出气流的向上推力形成一个受力平衡状态；

当测头竖直向上安装使用时，大径喷嘴喷出气流的向上推力、悬浮板以及与之相连接的零件向下的重力、小径喷嘴喷出气流的向下推力形成一个受力平衡状态；

当测头竖直安装使用时，磁浮组的相斥磁力沿圆周均匀分布。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种磁浮气浮综合作用二维扫描测头，该测头通过气浮原理实现轴向方向的悬浮，通过磁浮原理实现径向对中，而测量变化量则由图像采集及分析处理得到，可实现测头径向平面内的二维扫描测量。具体来说，该测头通过其测头座安装于运动平台系统。镜头组及ccd组件安装于测头座底部，在测头座的另一端安装轴套。轴套与测头座内壁构成测头的右端气路，大径喷嘴安装于轴套的左端面。经过滤的纯净空气由气路接头进入轴套，由大径喷嘴喷出。测头座左端面安装前压板。前压板、密封垫、小径喷嘴与后压板组成左端气路。经过滤的纯净空气由气路接头进入前压板，经过密封垫，由后压板上安装的小径喷嘴喷出。测针安装于测针座上，测针座与悬浮板的左端面之间配备有安装磁片和定位钢球组。悬浮板右端面安装有测量靶标，ccd组件实时采集测量靶标的图像，并分析其图形位置坐标。

进一步，定位钢球组以十字交接形式的三点定位方式实现测针座与悬浮板之间的精确定位安装；其中，在悬浮板的安装面上安装有三对均匀分布的第二钢球，每对第二钢球沿均布线对称排列，且与径向方向垂直，在测针座对应面上安装有三对均匀分布的第一钢球，每对第一钢球沿均布线与径向方向一致。

进一步，安装磁片由测针座与悬浮板之间的安装面上嵌入的第一磁片和第二磁片构成，通过第一磁片和第二磁片提供测针座与悬浮板之间的吸力。

进一步，测量靶标由涂有荧光物质的可识别图形组组成，且图形组为可识别位置特征的任意图形；镜头组和ccd组件用于采集测量靶标上的图形组图像，处理软件子系统分析该图像，提起图形组的特征点位置信息，与测头零位信息比较，从而分析测头测球对应的位置坐标。

进一步，该测头可横置安装使用(测头轴向水平)。当测头横置安装使用时，大径喷嘴喷出气流的推力与小径喷嘴喷出气流的推力形成一个受力平衡状态。磁浮组的相斥磁力的合力与悬浮板以及与之相连接的零件向下的重力形成一个受力平衡状态。

进一步，该测头可竖直安装使用(测头轴向竖直)。当测头竖直向下(测针在下)安装使用时，大径喷嘴喷出气流的向下推力、悬浮板以及与之相连接的零件向下的重力、小径喷嘴喷出气流的向上推力形成一个受力平衡状态。当测头竖直向上(测针在上)安装使用时，大径喷嘴喷出气流的向上推力、悬浮板以及与之相连接的零件向下的重力、小径喷嘴喷出气流的向下推力形成一个受力平衡状态。当测头竖直安装使用时，磁浮组的相斥磁力沿圆周均匀分布。

综上所述，本发明提供的一种磁浮气浮综合作用二维扫描测头，可实现连续的二维扫描测量，运动平稳、测量精确。本发明的装置在测量过程中，不依赖于自感互感的检测原理，而是依靠机械传动原理以及影像测量完成检测，不仅检测灵敏度高而且抗干扰能力强，结构简单，容易实现，可以实现较大范围内测头位置变化量的测量并减小测针挠曲变形带来的测量误差。

附图说明

图1为磁浮气浮综合作用二维扫描测头示意图。

图2为磁浮气浮综合作用二维扫描测头内部结构示意图。

图3为磁浮气浮综合作用二维扫描测头气浮作用力方向示意图。

图4为磁浮气浮综合作用二维扫描测头磁浮作用示意图。

图5为测针快速更换定位结构示意图。

图6为悬浮板十字交接结构示意图。

图7为测针座十字交接结构示意图。

图8为十字交接结构安装分析示意图，其中，图8(a)为剖面图，图8(b)为侧视图，图8(c)为图8(a)中的ⅰ处放大图，图8(d)为图8(b)中的ⅱ处放大图。

图9为测量靶标示意图。

图10为测头横置安装示意图。

图11为小径喷嘴分布示意图。

附图标记说明：1-测头座，2-镜头组，3-ccd组件，4-测量靶标，5-轴套，6-右端气路接头，7-大径喷嘴，8-磁浮组，9-外部密封圈，10-左端气路接头，11-堵头，12-安装磁片，12-1-第一磁片，12-2-第二磁片，13-测针，14-测针座，15-定位钢球组，15-1-第一钢球，15-2-第二钢球，16-前压板，17-密封垫，18-小径喷嘴，19-后压板，20-密封圈，21-悬浮板。

具体实施方式

下面结合附图对发明做详细说明

如图1至图10所示，本发明提供的一种磁浮气浮综合作用二维扫描测头，由测头座1、镜头组2、ccd组件3、测量靶标4、轴套5、右端气路接头6、大径喷嘴7、磁浮组8、外部密封圈9、左端气路接头10、堵头11、安装磁片12、测针13、测针座14、定位钢球组15、前压板16、密封垫17、小径喷嘴18、后压板19、密封圈20及悬浮板21等零部件组成。镜头组2及ccd组件3安装于测头座1底部，在测头座1的另一端安装轴套5。轴套5与测头座1内壁构成测头的右端气路，密封圈20起到边缘密封作用，大径喷嘴7安装于轴套5的左端面。经过滤的纯净空气由右端气路接头6进入轴套5，由大径喷嘴7喷出，给悬浮板21提供一个向下的推力。测头座1左端面依次安装后压板19和前压板16，通过外部密封圈9密封。左端气路接头10安装在前压板16的周向上。小径喷嘴18在后压板19上端面周向上均匀分布安装。前压板16、密封垫17、小径喷嘴18与后压板19组成左端气路。经过滤的纯净空气由左端气路接头10进入前压板16，堵头11改变气体流路方向，使气体进入前压板16环形槽，经过密封垫17，由后压板19上安装的小径喷嘴18喷出，给悬浮板21提供一个向上的推力。测头座1左端内壁沿圆周内嵌的一圈磁铁，与悬浮板21圆周外壁上镶嵌的一圈磁铁构成磁浮组8，为悬浮板21提供沿径向的悬浮力。测针13安装于测针座14上。测针座14与悬浮板21之间配备安装磁片12和定位钢球组15，实现测针13的快速更换和精确安装定位。悬浮板21右端面安装有测量靶标4，ccd组件3实时采集测量靶标4的图像，并分析其图形位置坐标，从而判断测球所在的位置。

悬浮板21上下分别有两组气路接头，其进气路线如图3所示。在测头工作过程中，悬浮板21上方的大径喷嘴7喷出气流的向下推力、悬浮板21以及与之相连接的零件的重力、悬浮板21下方的小径喷嘴18喷出气流的向上推力形成一个受力平衡状态，使得悬浮板21位于轴套5下端面与后压板19上端面的中间位置，处于悬空状态。由于气浮状态是形成一个很薄的气体薄膜，故在该状态下，悬浮板21沿测头轴向的移动量非常小，在测量应用过程可忽略不计，而且气体薄膜带来的极低摩擦力使得测球在径向平面中进行测量运动时，悬浮板21上下端面几乎不受任何阻力。

如图4所示，磁浮组8由分别安装在测头座1下端部内圆周面、以及悬浮板21外圆周面的内外两圈均匀分布的磁铁组成，各组磁铁中的每一颗磁铁的磁性沿测头径向方向一致，内外两圈磁铁相邻面磁性相斥，通过相斥的磁力使得悬浮板21与测头座1轴线对中，而且两者不相接触。磁场的空间作用范围较大，在测头径向平面内，可为悬浮板提供较大的活动范围，该活动范围即为该测头的量程范围。

定位钢球组15以十字交接形式的三点定位方式实现测针座14与悬浮板21之间的精确定位安装，如图5所示。在悬浮板21的安装面上三对第二钢球15-2均匀分布，每对第二钢球15-2沿均布线对称排列，且与径向方向垂直，如图6所示。在测针座14对应面上三对第一钢球15-1同样均匀分布，每对第一钢球15-1沿均布线与径向方向一致，如图7所示。测针座14与悬浮板21之间的安装力由分别嵌入两零件安装面的第一磁片12-1和第二磁片12-2之间的吸力提供。具体结构图如图8所示。

悬浮板21底面安装有测量靶标4。测量靶标4是由涂有荧光物质的图形组组成，如图9所示。图形组为可识别位置特征的任意图形。镜头组2和ccd组件3实时采集测量靶标4上的图形组图像。处理软件子系统分析该图像，提起图形组的特征点位置信息，与测头零位信息比较，从而分析测头测球对应的位置坐标。

该测头通过上下气浮推力，以及磁浮组对中的磁力实现悬浮板的悬浮状态。测头工作过程中，由于测针扫描表面的凹凸变化，带动悬浮板21在浮动空间内移动，测量靶标4跟随移动。图8所示为图形组示例，该示例为直径不等的圆形。成像系统采集图像后，处理软件子系统提取该图像中的圆形边缘要素，拟合三个圆的圆心及直径，得到不同时刻测量靶标4在测头径向平面内的位置变化，即实现测头测球位置的采集。

该测头可竖直安装使用(测头轴向竖直)，也可横置安装使用(测头轴向水平)。当测头竖直向下(测针在下)安装使用时，大径喷嘴7喷出气流的向下推力、悬浮板21以及与之相连接的零件向下的重力、小径喷嘴18喷出气流的向上推力形成一个受力平衡状态。当测头竖直向上(测针在上)安装使用时，大径喷嘴7喷出气流的向上推力、悬浮板21以及与之相连接的零件向下的重力、小径喷嘴18喷出气流的向下推力形成一个受力平衡状态。当测头竖直安装使用时，磁浮组8的相斥磁力沿圆周均匀分布。当测头横置安装使用时，大径喷嘴7喷出气流的推力、小径喷嘴18喷出气流的推力形成一个受力平衡状态。磁浮组8的相斥磁力的合力与悬浮板21以及与之相连接的零件向下的重力形成一个受力平衡状态。

工作时，将测头安装于运动平台支臂零件上，运动平台带动测头移动，测头测球与被测表面接触，测球与被测表面之间的作用力，使得测针13带动悬浮板偏离磁浮平衡位置，测量靶标4位置在测头径向平面内变化，图形采集系统实时采集、记录、分析、计算所采集到的测量靶标4图形组图像，从而得到测球在测头径向平面内变化量，实现测头测量的目的。