一种24簧片的三维等测力扫描测头

本发明涉及一种精密测量领域，特别涉及一种24簧片的三维等测力扫描测头。

背景技术：

1、精密测头作为坐标测量机的关键部件，其发展水平直接影响着坐标测量机的测量精度、工作性能、使用效率和柔性程度。坐标测量机的发展历史也表明，只有在精密测头为坐标测量机提供新的触测原理、新的测量精度后，坐标测量机才能发生一次根本的变化。换言之，精密测头是限制坐标测量机精度和测量速度的主要因素，坐标测量机能否满足现代测量要求也依赖于精密测头系统的不断创新与发展。实现测头的三维等测力测量是保证测头各项同性的关键。

技术实现思路

1、三维测头多采用三个独立导向机构串联的构型。各导向机构内部通过弹性元件连接固定部分和移动部分。当测针受力变形时，测头将力传递到各导向机构，使导向机构中的移动部分产生相对于固定部分的位移量，相对位移量可由内部的电容传感器感知。弹性元件发生形变后产生的弹力与测针所受外力以及相关结构的重力抵消。通过分析测头测针、各导向机构以及弹性元件的受力情况，设计不等尺寸的簧片，最终实现精密扫描测头具有三维等测力能力的目的。

2、上述目的通过以下的技术方案实现：

3、一种24簧片的三维等测力扫描测头，包括测头安装座、电路处理模块、信号放大模块、测头本体、平衡弹簧、触发开关、测针座、测针接头、测针、测球、磁吸结构、x向导向机构、y向导向机构、z向导向机构；x向导向机构包括第一固定板、第二固定板、第一固定板第一上压板、第一固定板第二上压板、差动板、第一移动板第一上压板、第一移动板第二上压板、第二移动板上压板、第一移动板、第二移动板、第一移动板下压板、第二移动板第一下压板、第二移动板第二下压板、第一固定板第一下压板、第一固定板第二下压板、第二固定板第一下压板、第二固定板第一上压板、第二固定板第二上压板、x向导向机构第一组簧片、x向导向机构第二组簧片、不等面积极板电容传感器第一定极板、不等面积极板电容传感器第二定极板、不等面积极板电容传感器第一动极板、不等面积极板电容传感器第二动极板；y向导向机构包括第一固定板、第二固定板、第一固定板第一上压板、第一固定板第二上压板、差动板、第一移动板第一上压板、第一移动板第二上压板、第二移动板上压板、第一移动板、第二移动板、第一移动板下压板、第二移动板第一下压板、第二移动板第二下压板、第一固定板第一下压板、第一固定板第二下压板、第二固定板第一下压板、第二固定板第一上压板、第二固定板第二上压板、y向导向机构第一组簧片、y向导向机构第二组簧片、不等面积极板电容传感器第一定极板、不等面积极板电容传感器第二定极板、不等面积极板电容传感器第一动极板、不等面积极板电容传感器第二动极板；z向导向机构包括垂向连接板、第一固定板、第二固定板、第一固定板第一上压板、第一固定板第二上压板、差动板、第一移动板第一上压板、第一移动板第二上压板、第二移动板上压板、第一移动板、第二移动板、第一移动板下压板、第二移动板第一下压板、第二移动板第二下压板、第一固定板第一下压板、第一固定板第二下压板、第二固定板第一下压板、第二固定板第一上压板、第二固定板第二上压板、z向导向机构第一组簧片、z向导向机构第二组簧片、不等面积极板电容传感器第一定极板、不等面积极板电容传感器第二定极板、不等面积极板电容传感器第一动极板、不等面积极板电容传感器第二动极板。

4、测头本体的上端通过测头安装座安装在坐标测量机的导轨上，下端通过平衡弹簧与测针座连接。平衡弹簧用于抵消测针座和测针的一部分重力；x向导向机构、y向导向机构、z向导向机构自上而下串联连接；x向导向机构的上端与测头安装座固定，下端通过磁吸结构与测针安装座连接；z向导向机构中固定部分与移动部分之间装有触发开关；触发开关和磁吸结构共同实现了测头的防撞针功能；各导向机构中的差动电容传感器和正交布置的两组不等面积极板电容传感器用于实现导向机构6自由度的冗余测量；电路处理模块和信号放大模块完成各导向机构内部传感器的数据采集和预处理。

5、z向导向机构中的z向导向机构第一组簧片和z向导向机构第二组簧片都在切向方向承受z向导向机构的重力，两组簧片尺寸被设计成相同的尺寸；y向导向机构中的y向导向机构第一组簧片和y向导向机构第二组簧片分别在切向方向和轴向方向承受z向导向机构和y向导向机构的重力，两组簧片尺寸被设计成不同的尺寸；x向导向机构中的x向导向机构第一组簧片和x向导向机构第二组簧片分别在轴向方向和切向方向承受z向导向机构、y向导向机构和x向导向机构的重力，两组簧片尺寸被设计成不同的尺寸。

6、本发明具有以下特点及有益效果：

7、1、本发明中3个导向机构共使用了24个弹性簧片，除了z向导向机构中的2组弹性簧片尺寸一致以外，x向导向机构和y向导向机构中各自的2组弹性簧片尺寸均不一致，通过受力分析和优化设计，可实现三维扫描测头的三维等测力测量。

8、2、本发明中3个导向机构都配有差动电容传感器和正交布置的两组不等面积极板电容传感器，可实现各导向机构6自由度的冗余测量。

9、本发明装置用途广泛，尤其适用于高精度扫描测头。

技术特征：

1.一种24簧片的三维等测力扫描测头，其特征在于：包括测头安装座、电路处理模块、信号放大模块、测头本体、平衡弹簧、触发开关、测针座、测针接头、测针、测球、磁吸结构、x向导向机构、y向导向机构、z向导向机构；x向导向机构包括第一固定板、第二固定板、第一固定板第一上压板、第一固定板第二上压板、差动板、第一移动板第一上压板、第一移动板第二上压板、第二移动板上压板、第一移动板、第二移动板、第一移动板下压板、第二移动板第一下压板、第二移动板第二下压板、第一固定板第一下压板、第一固定板第二下压板、第二固定板第一下压板、第二固定板第一上压板、第二固定板第二上压板、x向导向机构第一组簧片、x向导向机构第二组簧片、不等面积极板电容传感器第一定极板、不等面积极板电容传感器第二定极板、不等面积极板电容传感器第一动极板、不等面积极板电容传感器第二动极板；y向导向机构包括第一固定板、第二固定板、第一固定板第一上压板、第一固定板第二上压板、差动板、第一移动板第一上压板、第一移动板第二上压板、第二移动板上压板、第一移动板、第二移动板、第一移动板下压板、第二移动板第一下压板、第二移动板第二下压板、第一固定板第一下压板、第一固定板第二下压板、第二固定板第一下压板、第二固定板第一上压板、第二固定板第二上压板、y向导向机构第一组簧片、y向导向机构第二组簧片、不等面积极板电容传感器第一定极板、不等面积极板电容传感器第二定极板、不等面积极板电容传感器第一动极板、不等面积极板电容传感器第二动极板；z向导向机构包括垂向连接板、第一固定板、第二固定板、第一固定板第一上压板、第一固定板第二上压板、差动板、第一移动板第一上压板、第一移动板第二上压板、第二移动板上压板、第一移动板、第二移动板、第一移动板下压板、第二移动板第一下压板、第二移动板第二下压板、第一固定板第一下压板、第一固定板第二下压板、第二固定板第一下压板、第二固定板第一上压板、第二固定板第二上压板、z向导向机构第一组簧片、z向导向机构第二组簧片、不等面积极板电容传感器第一定极板、不等面积极板电容传感器第二定极板、不等面积极板电容传感器第一动极板、不等面积极板电容传感器第二动极板。

2.根据权利要求1所述的一种24簧片的三维等测力扫描测头，其特征在于：测头本体的上端通过测头安装座安装在坐标测量机的导轨上，下端通过平衡弹簧与测针座连接；平衡弹簧用于抵消测针座和测针的一部分重力；x向导向机构、y向导向机构、z向导向机构自上而下串联连接；x向导向机构的上端与测头安装座固定，下端通过磁吸结构与测针安装座连接；z向导向机构中固定部分与移动部分之间装有触发开关；触发开关和磁吸结构共同实现了测头的防撞针功能；各导向机构中的差动电容传感器和正交布置的两组不等面积极板电容传感器用于实现导向机构6自由度的冗余测量；电路处理模块和信号放大模块完成各导向机构内部传感器的数据采集和预处理。

3.根据权利要求1所述的一种24簧片的三维等测力扫描测头，其特征在于：z向导向机构中的z向导向机构第一组簧片和z向导向机构第二组簧片都在切向方向承受z向导向机构的重力，两组簧片尺寸被设计成相同的尺寸；y向导向机构中的y向导向机构第一组簧片和y向导向机构第二组簧片分别在切向方向和轴向方向承受z向导向机构和y向导向机构的重力，两组簧片尺寸被设计成不同的尺寸；x向导向机构中的x向导向机构第一组簧片和x向导向机构第二组簧片分别在轴向方向和切向方向承受z向导向机构、y向导向机构和x向导向机构的重力，两组簧片尺寸被设计成不同的尺寸。

技术总结
本发明公开了一种24簧片的三维等测力扫描测头，包括测头安装座、电路处理模块、信号放大模块、测头本体、平衡弹簧、触发开关、测针座、测针接头、测针、测球、磁吸结构、x向导向机构、y向导向机构、z向导向机构；本发明中3个导向机构共使用了24个弹性簧片，除了z向导向机构中的2组弹性簧片尺寸一致以外，x向导向机构和y向导向机构中各自的2组弹性簧片尺寸均不一致，通过受力分析和优化设计，可实现三维扫描测头的三维等测力测量。本发明中3个导向机构都配有差动电容传感器和正交布置的两组不等面积极板电容传感器，可实现各导向机构6自由度的冗余测量。本发明装置用途广泛，尤其适用于高精度扫描测头。

技术研发人员：宋辉旭,石照耀,于江豪
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12