一种测量任意表面形位误差的激光测量测头装置的制作方法

本发明属于精密测试技术领域，涉及一种测量任意表面形位误差的激光测量测头装置。

背景技术：

由于激光的独特特性，如方向性强、亮度高、单色性好、相干性好等优点，因此激光常被用作光电测距的光源。随着激光技术、电子技术、计算技术和集成光学的发展，激光测距正朝着数字化、自动化、低成本、小型轻便化的方向发展，测距的测程、精度也得到了极大提高。激光测距技术在各种测量行业中得到了广泛的应用，无论是在军事领域，还是在科学技术、生产建设方面，都起着重要的作用。与一般的光学测距系统相比，激光测距具有测量精确度高、分辨率高、抗干扰能力强、体积小和重量轻等一系列的优点。

利用波的干涉进行测距是精密测距方法中的经典，干涉法激光测距的原理是激光器发射出的激光经过分束器，分为相互垂直的两束光，其中一束光射向了反射透镜，另一束光则反射到了光电器件，经过反射透镜的光反射出一部分并透过一部分，透过的光又照射到反射镜，该反射镜反射回的光与反射透镜反射的光相叠加。干涉法激光测距系统中采用的激光波长很短，又因激光具有很好的单色性，其波长精度很高，所以此方法的分辨率最高可以达到半个波长，精度可达纳米级。干涉法激光测距的高精度是任何其他激光测距方法都无法比拟的。

激光测量具有测量精度高、非接触测量、集成化程度高等优点，广泛应用于非接触测量系统。但激光测量要求被测量表面具有较高的平面精度和表面粗糙度要求，用于实现光路的反射。待测表面为曲面时，激光若直接照射在样板渐开线齿廓上，易引起较大的漫反射，造成测量精度的下降。故对于曲面及非反光表面的形位公差的测量，激光测量方法一般不能直接使用。

已公开的发明专利一种测量任意表面法向误差的激光测量装置与方法(公开号：cn108007362a)提供了一种通过一种微位移转移杠杆，将测点位置的微位移量等比例转换成发射镜光斑的微位移量，通过光斑位置的变动来表征零件表面测点位置的变动，既适用于反光曲面的精密测量，也适用于非反光表面的曲面精密测量。但该发明专利中的微位移转移杠杆在使用过程中仍存在阿贝误差。

技术实现要素：

为解决现有激光测量方法不适用于曲面及非反光表面的精密测量，本发明提供了一种测量任意表面法向误差的激光测量测头装置，包括：共轴线设置的球形测头、弹簧限位盘、弹簧、导向轴、密珠轴套、衬套、靶镜安装座、靶镜和外壳；弹簧限位盘同轴且沿轴向依次设置a、b、c、d四个凸台，凸台半径依次减小；靶镜安装座同轴且沿轴向依次设置a、b、c三个轴段，轴段半径依次减小；弹簧外套于弹簧限位盘凸台b，通过弹簧限位盘凸台a和外壳的凸台限位弹簧的轴向位置；

弹簧限位盘确定弹簧的安装位置，通过弹簧限位盘凸台a上的螺纹孔与球形测头进行螺纹连接，弹簧限位盘凸台d上加工有螺纹，与导向轴一端进行螺纹连接；弹簧限位盘凸台a和弹簧限位盘凸台c的端面经精密研磨，平面度误差不大于1μm，两端面间的平行度误差不大于1μm；

导向轴经精密研磨，圆柱度误差不大于1μm；导向轴的两端面经精密研磨，平面度误差不大于1μm，两端面间的平行度误差不大于1μm；

导向轴和衬套内孔通过密珠轴套微量过盈配合安装,密珠轴套的钢球与导向轴和衬套保持0～2μm的过盈量；

衬套内孔经精密研磨后与密珠轴套微量过盈配合安装，衬套内孔经精密研磨，圆柱度误差不大于1μm；

衬套与外壳0～2μm过盈配合安装；

靶镜安装座轴段c上加工有螺纹，与导向轴另一端进行螺纹连接；靶镜安装座轴段a、靶镜安装座轴段b的端面经精密研磨，平面度误差不大于1μm，端面间的平行度误差不大于1μm；靶镜安装座内孔的圆柱面部分经精密研磨，圆柱度误差不大于1μm；

靶镜通过胶粘固定于与靶镜安装座上，靶镜的镜面与导向轴轴线的垂直度误差不大于1μm。

进一步地，弹簧选用圆截面压缩弹簧，在测量时提供压紧力。

进一步地，弹簧限位盘凸台c和靶镜安装座轴段b可在衬套中沿导向轴轴线方向自由活动，可通过调节弹簧限位盘凸台c和靶镜安装座轴段b的长度来控制该装置的量程。

进一步地，弹簧限位盘凸台a和靶镜安装座轴段a与外壳间留有0.1～0.2mm微小间隙，既可保证位移传递的流畅，也可有效减少灰尘进入该装置的轴系。

本发明的有益效果在于，该装置可将测点位置的位移量等比例转换成靶镜的位移量，实现曲面和非反光表面的精密测量；通过调节组件的尺寸既可实现微小位移量的测量，也可以实现大位移量的测量。该装置的位移传递组件间刚性连接，位移的传递精度高；该装置的轴线与待测表面的法线在同一条直线上，无测量阿贝误差。该装置具有结构简单、无测量阿贝误差、使用范围广、位移传递精度高等优点，具有良好的市场应用前景与推广价值。

附图说明

图1高精度测头装置测量示意图。

图2高精度测头装置。

图3弹簧限位盘。

图4靶镜安装座。

图中：1球形测头；2弹簧限位盘；2-1弹簧限位盘凸台a；2-2弹簧限位盘凸台b；2-3弹簧限位盘凸台c；2-4弹簧限位盘凸台d；3弹簧；4导向轴；5密珠轴套；6衬套；7靶镜安装座；7-1靶镜安装座轴段a；7-2靶镜安装座轴段b；7-3靶镜安装座轴段c；8靶镜；9外壳；10夹持装置；11激光干涉仪；12待测表面。

具体实施方式

以测量任意曲面为例，阐述本发明的具体实施方法。

1)为保证该装置位移传递的流畅性，弹簧限位盘2和靶镜安装座7的材料为304不锈钢或tc4钛合金；

2)在装配前对弹簧限位盘2、导向轴4、衬套6和靶镜安装座7进行精化，采用经过对研的高精度研磨平板对弹簧限位盘凸台a2-1、弹簧限位盘凸台c2-3、导向轴4的端面和靶镜安装座轴段a7-1、靶镜安装座轴段b7-2的端面进行精化；利用高精度研磨棒对衬套6内孔进行精化；利用高精度研磨环对导向轴4进行精化；精化后，弹簧限位盘凸台a2-1和弹簧限位盘凸台c2-3的端面平面度误差不大于1μm，两端面间的平行度误差不大于1μm；导向轴4的圆柱度误差不大于1μm；导向轴4的两端面平面度误差不大于1μm，两端面间的平行度误差不大于1μm；衬套6内孔的圆柱度误差不大于1μm；靶镜安装座轴段a7-1、靶镜安装座轴段b7-2的端面平面度误差不大于1μm，端面间的平行度误差不大于1μm；靶镜安装座7内孔的圆柱面圆柱度误差不大于1μm；

2)装配时，先将球形测头1安装于弹簧限位盘2上，单独装配导向轴4、密珠轴套5、衬套6和外壳9，然后以导向轴4的端面为基准，移动导向轴4，将弹簧3套置在弹簧限位盘凸台b2-2上，在衬套6内孔中装配弹簧限位盘2和靶镜安装座7，弹簧3的规格根据压紧力的要求选择；通过测量球形测头1的测杆确定球形测头1的安装偏心，偏心角在一度以内时带来的测量误差可忽略；在使用时可使偏心角在一个对测量结果影响较小的位置；在高精度平台上，以靶镜安装座轴段a7-1的端面为基准，将靶镜8通过胶粘固定于与靶镜安装座7上，靶镜8的安装偏心可通过激光干涉仪11补偿；靶镜8的镜面与球形测头1轴线的垂直度误差不大于1μm；

3)该装置在使用时，通过夹持装置10夹持外壳9，调整夹持装置10，使球形测头1处于待测表面12的法向平面上，转动该装置，使该装置的偏心平面与渐待测表面12的法向平面共面。