CN105136038B - 一种直接入射式光臂放大型三维扫描测头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直接入射式光臂放大型三维扫描测头，包括：用于发射三条激光束的三个激光源；用于固定测杆与测球的测头基座，测头基座设有激光源或者光电探测器；用于接收三条入射激光束的三个光电探测器；用于使测头基座做直线运动的平移部件；用于将测头基座回复至初始位置的回复部件；计算得到测球的三维位移变化值的处理系统。该新型三维扫描测头通过三个光电探测器能够得到在三个不同直线方向的测头位移量，进而获得被测工件更为准确的测量坐标。该新型三维扫描测头提高了测量精度，简化了结构，降低了生产成本，易于批量加工制造。

Description

一种直接入射式光臂放大型三维扫描测头

技术领域

本发明涉及一种精密测量技术领域，特别涉及一种直接入射式光臂放大型三维扫描测头。

背景技术

测头是精密量仪的关键部件之一，作为传感器提供被测工件的几何位置信息，测头的发展水平直接影响着精密量仪的测量精度与测量效率。精密测头通常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。

机械式测头是精密量仪使用较早的一种测头。该测头通过测头测端与被测工件直接接触进行位置测量，主要用于手动测量。该类测头结构简单、操作方便，其缺点在于精度不高，测量效率低，目前很少用于工业测量领域。当前工业领域广泛使用的精密测头是触发式测头。触发式测头的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，并通过仪器的处理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、及较高触发精度等优点，是三维测头中应用最广泛的测头。但该类测头的缺点在于：存在各向异性(三角效应)，或者接触式测头在接触被测工件时因为阻力而产生微小位移从而导致测头的位移偏差，限制了其测量精度的进一步提高，最高精度只能达零点几微米。另一方面，由于触发式测头测量原理决定了其测量过程为单点测量，测量效率低，限制了其推广使用。

当前应用最广的测头类型为扫描式测头，该类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，同时具备工件单点测量和连续扫描测量的功能。该类测头的测量原理是测头测端在接触被测工件后，测头由于接触力的作用发生位移，测头的转换装置输出与测杆的微小偏移成正比的信号，该信号和精密量仪的相应坐标值叠加便可得到被测工件上点的精确坐标。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。但是该类测头的缺点是结构复杂，制造成本高，目前世界上只有少数公司可以生产。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的机械式测头和触发式测头精度不高，以及扫描式测头结构复杂、成本较高的上述不足，提供一种结构简单、测量精度较高的新型三维扫描测头，该三维扫描测头能够测得测头在三个方向的位移，通过位移叠加，能够补偿测球接触被测工件时位移导致的被测工件位置测量偏差，获得被测工件更为准确的测量坐标。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

技术方案一：

一种直接入射式光臂放大型三维扫描测头，包括：

三个激光源，用于发射三条激光束，即激光源一发射激光束一，激光源二发射激光束二，激光源三发射激光束三；

测头基座，设有所述激光源一、激光源二与激光源三，以及用于检测的测杆和测球；

三个光电探测器，即光电探测器一、光电探测器二和光电探测器三，分别用于接收激光束一、激光束二和激光束三；

平移部件，用于使所述测头基座做直线运动；

回复部件，用于将所述测头基座回复至初始位置；

处理系统，根据所述光电探测器一、光电探测器二和光电探测器三上分别获得的激光束一，激光束二和激光束三入射位置变化值，计算得到所述测球的三维位移变化值。

技术方案二：

一种直接入射式光臂放大型三维扫描测头，包括：

三个激光源，用于发射三条激光束，即激光源一发射激光束一，激光源二发射激光束二，激光源三发射激光束三；

三个光电探测器，即光电探测器一、光电探测器二和光电探测器三，分别用于接收激光束一、激光束二和激光束三；

测头基座，所述测头基座上设有光电探测器一、光电探测器二与光电探测器三，以及用于检测的测杆和测球；

平移部件，用于使所述测头基座做直线运动；

回复部件，用于将所述测头基座回复至初始位置；

处理系统，根据所述光电探测器一、光电探测器二和光电探测器三上分别获得的激光束一，激光束二和激光束三入射位置变化值，计算得到所述测球的三维位移变化值。

该新型光臂放大式三维扫描测头，利用三个激光源分别发射三条激光束，每束激光束均为平行激光束，入射到三个光电探测器上，每个光电探测器能够感应对应激光束的入射位置。当平移部件带动测头基座做直线运动，即平移部件能够沿不同方向平移测头基座，则激光源与对应光电探测器距离发生变化，即三束激光束分别入射到对应光电探测器上的位置也相应发生改变，根据几何关系，处理系统分别对每个激光束入射到对应光电探测器上的入射位置变化值进行计算并分析，能够得到测头基座在位于其直线位移方向的位移变化值，进而能够实现该测头基座在三个方向合成的三维位移测量，测头基座发生位移后通过回复部件能够回复至初始位置，便于下一次的测量。

使用时，将该三维扫描测头安装在精密量仪上，由于测头基座上连接测杆和测球，测球用于与被测工件直接接触进行位置测量，当测球与被测工件直接接触时，受到阻力而产生位移，测球带动测头基座在平移部件上产生位移，通过三个激光源、三个光电探测器、处理系统配合，能够计算得到测球的位移量，以补偿测球接触被测工件时测球位移导致的被测工件位置测量偏差，由于每个光电探测器能够得到一个直线方向的位移量，通过三个光电探测器即能够得到在三个不同直线方向的位移偏移量，以获得被测工件更为准确的位置坐标，最高精度能够达到纳米级别，提高了三维扫描测头的测量精度。该测头简化了结构，降低了生产成本，易于批量加工制造。

优选地，所述技术方案一或技术方案二中三个所述光电探测器的入射面相互垂直设置，所述平移部件用于将所述测头基座分别沿相对所述光电探测器一、光电探测器二、光电探测器三的三个相互垂直的方向移动，实现激光束入射到对应光电探测器上的位置发生变化，以实现测量。

进一步优选地，所述平移部件包括位于水平方向的至少一个导向槽一，所有所述导向槽一之间沿垂直方向水平滑动设有至少一个导向槽二，所有所述导向槽二上沿垂直方向设有至少一个导向槽三，所有所述导向槽三上沿竖直平面上下滑动连接所述测头基座。

该平移部件分别包括导向槽一、导向槽二和导向槽三，其中导向槽二可相对导向槽一滑动，导向槽三可相对导向槽二滑动，导向槽一的滑动方向与导向槽二的滑动方向相互垂直，导向槽二的滑动方向与导向槽三的滑动方向相互垂直，导向槽三通过滑块84连接测头基座，测头基座可在导向槽三上进行滑动，因此能够分别实现测头基座在三维方向即三个相互垂直的方向进行位移。

优选地，所述技术方案一或技术方案二中的回复部件包括弹簧片一、弹簧片二、弹簧片三，其中所述簧片一设于至少一个所述导向槽一上并用于将所述导向槽二回复至初始位置，所述簧片二设于至少一个所述导向槽二上并用于将所述导向槽三回复至初始位置，所述簧片三设于所述导向槽三上并用于将所述测头基座回复至初始位置。

该回复部件包括分别设于导向槽一、导向槽二、导向槽三上的弹簧片一、弹簧片二、弹簧片三，能够分别将导向槽二、导向槽三和测头基座回复至初始位置，即将三个激光束入射至三个光电探测器上位置回复至最初位置，便于测头系统的下一次测量。

进一步优选地，所述技术方案一中所述测头基座为长方体，将三个激光源设于这三个侧面，所述光电探测器一、光电探测器二和光电探测器三两两相互垂直设置。

进一步优选地，所述技术方案一中光电探测器可旋转安装在所述壳体上，激光源安装在所述测头基座上，可旋转的光电探测器能够改变光电探测器与对应激光源的相对位置和夹角，从而改变了光电探测器测量测头位移的放大倍数，三个光电探测器能够改变测量基座在位于不同方向的位移测量放大倍数，以满足实际需要。

优选地，所述技术方案二中所述测头基座为长方体，将三个光电探测器设于这三个侧面，所述光电探测器一、光电探测器二和光电探测器三两两相互垂直设置。

进一步优选地，所述技术方案二中激光源可旋转安装在所述壳体上，光电探测器安装在所述测头基座上，可旋转的激光源能够改变激光源与对应光电探测器的相对位置和夹角，从而改变了光电探测器测量测头位移的放大倍数，三个光电探测器能够改变测量基座在位于不同方向的位移测量放大倍数，以满足实际需要。

优选地，该技术方案一中的三维扫描测头还包括壳体，三个所述光电探测器连接在所述壳体上，所述回复部件为弹簧，其中一端连接在所述壳体上、另一端连接在所述测头基座上。

优选地，该技术方案二中的三维扫描测头还包括壳体，三个所述激光源连接在所述壳体上，所述回复部件为弹簧，其中一端连接在所述壳体上、另一端连接在所述测头基座上。

优选地，该测头包括用于固定在精密量仪上的壳体，该壳体内包括三个激光源、三个光电探测器、测头基座、平移部件以及回复部件，便于安装和拆卸。

优选地，所述技术方案一和技术方案二中的光电探测器一、光电探测器二和光电探测器三为位置敏感探测器。

该位置敏感探测器(英文为Position Sensitive Detector，简称PSD)，属于半导体器件，一般做成PN结构，其工作原理是基于横向光电效应，能够用于位置坐标的精确测量，具有高灵敏度、高分辨率、响应速度快和配置电路简单等优点。

进一步优选地，所述光电探测器一、光电探测器二和光电探测器三均为一维位置敏感探测器。

一维位置敏感探测器(简称一维PSD)，可以探测出一个亮点在它的一个唯一方向上表面的移动。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明所述一种直接入射式光臂放大型三维扫描测头，两种技术方案均利用三个激光源分别发射三束激光束，入射到三个光电探测器上，每个光电探测器能够感应对应激光束的入射位置；当平移部件带动测头基座做直线运动，三束激光束分别入射到对应光电探测器上的位置也相应发生改变；根据几何关系，处理系统分别对每个激光束入射到对应光电探测器上入射位置变化值进行计算并分析，能够得到测头基座在位于其直线位移方向的位移变化值，进而能够获得该测头基座在三个方向合成的三维位移量；测头基座发生位移后通过回复部件回复至初始位置，便于下一次的测量；该三维测头安装在精密量仪上，通过三个激光源、三个光电探测器、处理系统配合，能够计算得到测球的位移量，以补偿测球接触被测工件时位移导致的被测工件定位偏差，由于每个光电探测器能够得到一个直线方向的位移量，通过三个光电探测器即能够得到在三个不同直线方向的位移量，即可获得被测工件在测头基座三维位移方向的更为准确的测量坐标，最高精度能够达到纳米级别，提高了三维扫描测头的测量精度，该测头简化了结构，降低了生产成本，易于批量加工制造；

2、本发明所述的平移部件包括导向槽一、导向槽二和导向槽三，其中导向槽二可相对导向槽一滑动，导向槽三可相对导向槽二滑动，导向槽一的滑动方向与导向槽二的滑动方向相互垂直，导向槽二的滑动方向与导向槽三的滑动方向相互垂直，导向槽三通过滑块竖直滑动连接测头基座，测头基座可在导向槽三上进行滑动，因此能够分别实现测头基座在三维方向即三个相互垂直的方向进行位移，该平移部件结构简单、安装方便、测量精度高；

3、本发明所述的回复部件包括分别设于导向槽一、导向槽二、导向槽三上的弹簧片一、弹簧片二、弹簧片三，能够分别将导向槽二、导向槽三和测头基座回复至初始位置，即将三个激光束的入射至三个光电探测器上的位置回复至最初位置，便于下一次测头的测量；

4、本发明将三个激光源、三个光电探测器、以及平移部件集成在壳体上，便于在精密测量仪上安装和拆卸，在测量过程中稳定性更好；

5、本发明的测头回复部件和平移部件采用层叠平行簧片结构，便于加工与安装，同时采用Z形簧片结构使得测头结构更紧凑。

附图说明：

图1为本发明所述一种直接入射式光臂放大型三维扫描测头的结构示意图；

图2为图1中三个激光源、三条激光束、三个光电探测器与测头基座配合的光路图；

图3为图1中平移部件和回复部件与测头基座配合使用的俯视图；

图4为图3的正视图；

图5为图1中三维扫描测头发生位移后激光源一、激光束一和光电探测器一配合的光路对比图；

图6为图5中光电探测器一旋转一定角度后改变位移放大倍数的示意图。

图7为第二种直接入射式光臂放大型三维扫描测头的结构示意图；

图8为实施例3中采用平行簧片结构的三维扫描测头主体结构示意图；

图9为图8中测头基座安装座正视结构示意图；

图1-7中标记：

11、激光源一，12、激光源二，13、激光源三，21、激光束一，22、激光束二，23、激光束三，31、光电探测器一，32、光电探测器二，33、光电探测器三，4、测头基座，51、弹簧片一，52、弹簧片二，53、弹簧片三，6、测杆，7、测球，8、平移部件，81、导向槽一，82、导向槽二，83、导向槽三，84、滑块，9、壳体；

图8-9中标记：

11、激光源一，12、激光源二，13、激光源三，21、激光束一，22、激光束二，23、激光束三，31、光电探测器一，32、光电探测器二，33、光电探测器三，4、测头基座，51、弹簧片一，52、弹簧片二，53、弹簧片三，6、测杆，7、测球，85、空心簧片，86、簧片，87、Z形簧片，9、壳体，91、测头基座安装座，92、簧片安装座，93、固定安装面板。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

如图1、2所示，一种直接入射式光臂放大型三维扫描测头，包括：

三个激光源，即激光源一11、激光源二12和激光源三13，分别产生三条激光束，即激光束一21、激光束二22和激光束三23；

测头基座4，所述测头基座4上设有激光源一11、激光源二12和激光源三13，以及用于检测的测杆6和测球7；

三个光电探测器，即光电探测器一31、光电探测器二32和光电探测器三33，分别用于接收激光束一21、激光束二22和激光束三23；

平移部件，用于使测头基座4做直线运动；

回复部件，用于将测头基座4回复至初始位置；

处理系统，根据光电探测器一31、光电探测器二32和光电探测器三33上分别接收到的激光束一21、激光束二22和激光束三23入射位置变化值，计算得到测球7的三维位移变化值。

其中，上述的三个光电探测器相互垂直设置，平移部件用于平移测头基座4，以实现激光束入射到对应光电探测器上的位置发生变化，以实现测头位移的测量。

如图3、4所示，该平移部件包括位于水平方向的两个导向槽一81，两导向槽一81之间沿垂直方向水平滑动设有一个导向槽二82，导向槽二82上设有一个导向槽三83，导向槽三83上竖直平面上下滑动连接所述测头基座4。由于该平移部件分别包括导向槽一81、导向槽二82和导向槽三83，其中导向槽二82可相对导向槽一81水平滑动，导向槽三83可相对导向槽二82水平滑动，导向槽一81的滑动方向与导向槽二82的滑动方向相互垂直，导向槽二82的滑动方向与导向槽三83的滑动方向相互垂直，导向槽三83通过滑块84竖直滑动连接测头基座4，测头基座4可在导向槽三83上进行上下滑动，因此能够分别实现测头基座4在三维方向即三个相互垂直的方向进行位移。如图3中双向箭头为位移方向。

如图3、4所示，上述回复部件包括弹簧片一、弹簧片二、弹簧片三，其中簧片一设于至少一个导向槽一81上并用于将导向槽二82回复至初始位置，簧片二设于至少一个导向槽二82上并用于将所述导向槽三83回复至初始位置，簧片三设于导向槽三83上并用于将测头基座4回复至初始位置。该弹簧片一、弹簧片二、弹簧片三能够分别将导向槽二82、导向槽三83和测头基座4回复至初始位置，即将三个激光束的入射至三个光电探测器上的位置回复至最初位置，便于测头系统的下一次测量。

上述测头基座4为长方体，光电探测器一31、光电探测器二32和光电探测器三33两两相互垂直设置。

该三维扫描测头还包括壳体9，三个激光源设置在测头基座4上，三个光电探测器连接在壳体9内，该回复部件5为弹簧，其中回复部件5的一端连接在壳体9上、另一端连接在测头基座4上。该壳体内包括三个激光源、三个光电探测器、测头基座、平移部件以及回复部件，便于安装和拆卸。

该新型三维扫描测头，利用三个激光源分别发射三条激光束，每束激光束均为平行激光束，入射到三个光电探测器上，每个光电探测器能够感应对应激光束的入射位置。当平移部件带动测头基座做直线运动，即平移部件能够沿不同方向平移测头基座，则激光源与对应光电探测器距离发生变化，即三束激光束分别入射到对应光电探测器上的位置也相应发生改变，根据几何关系，处理系统分别对每个激光束入射到对应光电探测器上的入射位置变化值进行计算并分析，能够得到测头基座在位于其直线位移方向的位移变化值，进而能够实现该测头基座在三个方向合成的三维位移测量，测头基座发生位移后通过回复部件能够回复至初始位置，便于下一次的测量。

上述光电探测器一31、光电探测器二32和光电探测器三33均采用一维位置敏感探测器。该位置敏感探测器(英文为Position Sensitive Detector，简称PSD)，属于半导体器件，一般做成PN结构，其工作原理是基于横向光电效应，能够用于位置坐标的精确测量，具有高灵敏度、高分辨率、响应速度快和配置电路简单等优点。

一维位置敏感探测器(简称一维PSD)，可以探测出一个亮点在它的一个唯一方向上表面的移动。

分别将一维PSD安装在壳体9的X轴、Y轴或Z轴，抑或其他方向，以获得其在该方向的位移值，并将其补偿到被测工件的测量值上，以获得该一维方向更准确的测量值。

光电探测器一31、光电探测器二32和光电探测器三33中至少一个可以是旋转连接在壳体9上。因为可旋转的光电探测器能够改变光电探测器与对应激光源的相对位置和夹角，从而能够改变了光电探测器测量测头基座4位移的放大倍数，三个光电探测器能够改变测量基座4在位于不同方向的位移放大倍数，以满足实际需要。

如图5所示，为实现三维测量，在测头基座4的对应位置按照图1分别构建X轴、Y轴、Z轴三维位移测量光路，分别实现X方向位移、Y方向位移和Z方向位移的测量。测头基座4水平移动过程中，激光束入射在对应光电探测器的入射点发生变化，假设激光束一21入射到光电探测器一31上且其入射光与光电探测器一31的夹角为α度，当测头在水平方向平移距离为x时，光电探测器一31测量距离为y，那么，光电探测器一31所测量得到的测头基座4的位移放大倍数为

如图6所示，将光电探测器一31旋转并倾斜一定角度，如旋转θ后，可以再次调整放大倍数，图中明显可以看出在测头基座4平移相同的距离x时，倾斜后的一维位置敏感探测器上激光束的入射位置发生了变化，二者的间距变大，二者的间距为x·tanα·cosθ+x·tanα·sinθ·cot(α-θ)，此时，该一维位置敏感探测器31所测量得到的测头基座4位移放大倍数为tanα·cosθ+tanα·sinθ·cot(α-θ)。可以根据不同的需要进行调整。

使用时，将该三维扫描测头安装在精密量仪上，由于测头基座4上连接测杆6和测球7，测球7用于与被测工件直接接触进行位置测量，当测球7与被测工件直接接触时，受到阻力而产生位移，测球7带动测头基座4在平移部件上产生位移，通过三个激光源、三个光电探测器、处理系统配合，能够计算得到测球7的位移量，以补偿测球7接触被测工件时位移导致的被测工件位置测量偏差，由于每个光电探测器能够得到一个直线方向的位移量，通过三个光电探测器即能够得到在三个不同直线方向的位移量，以获得被测工件在测头基座4的三维方向上的更为准确的测量坐标，最高精度能够达到纳米级别，提高了三维扫描测头的测量精度。该测头简化了结构，降低了生产成本，易于批量加工制造。

实施例2

如图7所示，一种直接入射式光臂放大型三维扫描测头，包括：

三个激光源，即激光源一11、激光源二12和激光源三13，分别产生三条激光束，即激光束一21、激光束二22和激光束三23；

三个光电探测器，即光电探测器一31、光电探测器二32和光电探测器三33，分别用于接收激光束一21、激光束二22和激光束三23；

测头基座4，所述测头基座4上设有光电探测器一31、光电探测器二32和光电探测器三33，以及用于检测的测杆6和测球7；

平移部件，用于使测头基座4做直线运动；

回复部件，用于将测头基座4回复至初始位置；

处理系统，根据光电探测器一31、光电探测器二32和光电探测器三33上分别接收到的激光束一21，激光束二22和激光束三23入射位置变化值，计算得到测球7的三维位移变化值。

其中，上述的三个光电探测器相互垂直设置，平移部件用于平移测头基座4，以实现激光束入射到对应光电探测器上的位置发生变化，以实现测头位移的测量。

如图3、4所示，该平移部件包括位于水平方向的两个导向槽一81，两导向槽一81之间沿垂直方向水平滑动设有一个导向槽二82，导向槽二82上设有一个导向槽三83，导向槽三83上竖直平面上下滑动连接所述测头基座4。由于该平移部件分别包括导向槽一81、导向槽二82和导向槽三83，其中导向槽二82可相对导向槽一81水平滑动，导向槽三83可相对导向槽二82水平滑动，导向槽一81的滑动方向与导向槽二82的滑动方向相互垂直，导向槽二82的滑动方向与导向槽三83的滑动方向相互垂直，导向槽三83通过滑块84竖直滑动连接测头基座4，测头基座4可在导向槽三83上进行上下滑动，因此能够分别实现测头基座4在三维方向即三个相互垂直的方向进行位移。如图3中双向箭头为位移方向。

如图3、4所示，上述回复部件包括弹簧片一、弹簧片二、弹簧片三，其中弹簧片一设于至少一个导向槽一81上并用于将导向槽二82回复至初始位置，弹簧片二设于至少一个导向槽二82上并用于将所述导向槽三83回复至初始位置，弹簧片三设于导向槽三83上并用于将测头基座4回复至初始位置。该弹簧片一、弹簧片二、弹簧片三，能够分别将导向槽二82、导向槽三83和测头基座4回复至初始位置，即将三个激光束的入射至三个光电探测器上的位置回复至最初位置，便于测头系统的下一次测量。

上述测头基座4为长方体，光电探测器一31、光电探测器二32和光电探测器三33两两相互垂直设置。

该三维扫描测头还包括壳体9，三个光电探测器设置在测头基座4上，三个激光源连接在壳体9内，该回复部件5为弹簧，其中回复部件5的一端连接在壳体9上、另一端连接在测头基座4上。该壳体内包括三个激光源、三个光电探测器、测头基座、平移部件以及回复部件，便于安装和拆卸。

该新型三维扫描测头，利用三个激光源分别发射三条激光束，每束激光束均为平行激光束，入射到三个光电探测器上，每个光电探测器能够感应对应激光束的入射位置。当平移部件带动测头基座做直线运动，即平移部件能够沿不同方向平移测头基座，则激光源与对应光电探测器距离发生变化，即三束激光束分别入射到对应光电探测器上的位置也相应发生改变，根据几何关系，处理系统分别对每个激光束入射到对应光电探测器上的入射位置变化值进行计算并分析，能够得到测头基座在位于其直线位移方向的位移变化值，进而能够实现该测头基座在三个方向合成的三维位移测量，测头基座发生位移后通过回复部件能够回复至初始位置，便于下一次的测量。

本实施例与实施例1原理一致，仅将光电探测器安装在测头基座4上，激光源1安装在壳体9上。

实施例3

一种直接入射式光臂放大型三维扫描测头，如同实施例1一样，包括：

如图1-7所示，三个激光源，即激光源一11、激光源二12和激光源三13，分别产生三条激光束，即激光束一21、激光束二22和激光束三23；

测头基座4，包括用于检测的测杆6和测球7；

测头基座4可将三个激光源设置在其上，也可将三个光电探测器设置在其上；

三个光电探测器，即光电探测器一31、光电探测器二32和光电探测器三33，分别用于接收激光束一21、激光束二22和激光束三23；

平移部件与回复部件，用于使测头基座4做直线运动，以改变光电探测器对应的激光束的入射点位置；

回复部件，用于将测头基座4回复至初始位置；

本实施例中采用平行簧片结构实现平移部件与回复部件的功能。

处理系统，根据光电探测器一31、光电探测器二32和光电探测器三33上分别接收到的激光束一21，激光束二22和激光束三23入射位置变化值，计算得到测球7的三维位移变化值。

与实施例1中不同的是，该扫描测头的平移部件和回复部件有所不同，其中两个位移方向的平移部件和回复部件均通过一个的平行簧片结构实现，另一个方向的平移部件和回复部件通过一个Z形簧片结构实现。

如图8、9所示，其主体结构主要由两层平行簧片结构与一个Z字型簧片组成。其中测头基座4安装在4个Z形簧片87上，具体是4个Z形簧片87的一边连接在测头基座安装座91上，4个Z形簧片87的另一边连接在测头基座4上，测头基座4可以相对图9垂直于纸面的方向来回运动。测头基座安装座91与簧片安装座92通过2个相互平行的空心簧片85连接，使测头安装座91可以在空心簧片85的作用下，沿垂直于空心簧片85的方向相对簧片安装座92来回摆动。簧片安装座92通过2个平行的簧片86连接至固定安装面板93上，簧片86与空心簧片85相互垂直设置，使簧片安装座92可以在垂直于簧片86平面的方向相对固定安装面板93来回摆动。从而实现测头基座4在互相垂直的两个空心簧片85和簧片86平面方向的直线运动与回复运动；另外，通过4个Z形簧片87实现测头基座4在另外一个方向的直线运动与回复运动，从而形成测头基座4在三个不同直线方向即XYZ方向直线位移。

光电探测器31、光电探测器32、光电探测器33可以安装在测头壳体上，或安装在测头基座4上。激光源11、激光源12、激光源13安装在固定安装面板93上，或安装在测头壳体上。

将上述的主体结构通过与三个激光束、三个光电探测器配合，方便得到测头基座4在三个不同直线方向即XYZ方向的位移偏差，以获得被测工件更为准确的位置坐标，最高精度能够达到纳米级别，提高了三维扫描测头的测量精度；该测头简化了结构，降低了生产成本，易于批量加工制造。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (12)

1.一种直接入射式光臂放大型三维扫描测头，其特征在于，包括：

三个激光源，用于发射三条激光束，即激光束一(21)、激光束二(22)和激光束三(23)；

三个光电探测器，即光电探测器一(31)、光电探测器二(32)和光电探测器三(33)，所述光电探测器一(31)与激光源一(11)相对设置，且所述光电探测器一(31)用于接收所述激光源一(11)直接入射的所述激光束一(21)；所述光电探测器二(32)与激光源二(12)相对设置，且所述光电探测器二(32)用于接收所述激光源二(12)直接入射的所述激光束二(22)；所述光电探测器三(33)与激光源三(13)相对设置，且所述光电探测器三(33)用于接收所述激光源三(13)直接入射的所述激光束三(23)；

测头基座(4)，所述测头基座上设有所述激光源一(11)、激光源二(12)和激光源三(13)，以及用于检测的测杆(6)和测球(7)；

平移部件，用于使所述测头基座(4)做直线运动，其中所述光电探测器一(31)、光电探测器二(32)、光电探测器三(33)的入射面相互垂直设置，所述平移部件用于将所述测头基座(4)分别沿相对所述光电探测器一(31)、光电探测器二(32)、光电探测器三(33)的三个相互垂直的方向移动；

回复部件，用于将所述测头基座(4)回复至初始位置；

处理系统，根据所述光电探测器一(31)、光电探测器二(32)和光电探测器三(33)上分别获得的激光束一(21)，激光束二(22)和激光束三(23)入射位置变化值，计算得到所述测球(7)的三维位移变化值。

2.根据权利要求1所述的一种直接入射式光臂放大型三维扫描测头，其特征在于，所述平移部件包括至少一个导向槽一(81)，所有所述导向槽一(81)上沿垂直方向设有至少一个导向槽二(82)，所有所述导向槽二(82)上沿垂直方向设有至少一个导向槽三(83)，所有所述导向槽三(83)上滑动连接所述测头基座(4)。

3.根据权利要求1所述的一种直接入射式光臂放大型三维扫描测头，其特征在于，还包括壳体(9)，所述光电探测器一(31)、光电探测器二(32)与光电探测器三(33)连接在所述壳体内，所述回复部件(5)为弹簧，其中一端连接在所述壳体(9)上、另一端连接在所述测头基座(4)上。

4.根据权利要求3所述的一种直接入射式光臂放大型三维扫描测头，其特征在于，至少一个所述光电探测器旋转连接在所述壳体(9)上。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种直接入射式光臂放大型三维扫描测头，其特征在于，所述光电探测器一(31)、光电探测器二(32)与光电探测器三(33)为位置敏感探测器。

6.根据权利要求5所述的一种直接入射式光臂放大型三维扫描测头，其特征在于，所述光电探测器一(31)、光电探测器二(32)与光电探测器三(33)均为一维位置敏感探测器。

7.一种直接入射式光臂放大型三维扫描测头，其特征在于，包括：

三个激光源，用于发射三条激光束，即激光源一(11)发射激光束一(21)，激光源二(12)发射激光束二(22)，激光源三(13)发射激光束三(23)；

三个光电探测器，即光电探测器一(31)、光电探测器二(32)和光电探测器三(33)，所述光电探测器一(31)与激光源一(11)相对设置，且所述光电探测器一(31)用于接收所述激光源一(11)直接入射的所述激光束一(21)；所述光电探测器二(32)与激光源二(12)相对设置，且所述光电探测器二(32)用于接收所述激光源二(12)直接入射的所述激光束二(22)；所述光电探测器三(33)与激光源三(13)相对设置，且所述光电探测器三(33)用于接收所述激光源三(13)直接入射的所述激光束三(23)；

测头基座(4)，所述测头基座上设有所述光电探测器一(31)、光电探测器二(32)与光电探测器三(33)，以及用于检测的测杆(6)和测球(7)；

平移部件，用于使所述测头基座(4)做直线运动，其中所述光电探测器一(31)、光电探测器二(32)、光电探测器三(33)的入射面相互垂直设置，所述平移部件用于将所述测头基座(4)分别沿相对所述光电探测器一(31)、光电探测器二(32)、光电探测器三(33)的三个相互垂直的方向移动；

回复部件(5)，用于将所述测头基座(4)回复至初始位置；

处理系统，根据所述光电探测器一(31)、光电探测器二(32)和光电探测器三(33)上分别获得的激光束一(21)，激光束二(22)和激光束三(23)入射位置变化值，计算得到所述测球(7)的三维位移变化值。

8.根据权利要求7所述的一种直接入射式光臂放大型三维扫描测头，其特征在于，所述平移部件包括至少一个导向槽一(81)，所有所述导向槽一(81)上沿垂直方向设有至少一个导向槽二(82)，所有所述导向槽二(82)上沿垂直方向设有至少一个导向槽三(83)，所有所述导向槽三(83)上滑动连接所述测头基座(4)。

9.根据权利要求7所述的一种直接入射式光臂放大型三维扫描测头，其特征在于，还包括壳体(9)，所述激光源一(11)、激光源二(12)与激光源三(13)固定在所述壳体(9)内，所述回复部件(5)为弹簧，其中一端连接在所述壳体(9)上、另一端连接在所述测头基座(4)上。

10.根据权利要求9所述的一种直接入射式光臂放大型三维扫描测头，其特征在于，至少一个所述激光源旋转连接在所述壳体(9)上。

11.根据权利要求7-10任一所述的一种直接入射式光臂放大型三维扫描测头，其特征在于，所述光电探测器一(31)、光电探测器二(32)与光电探测器三(33)为位置敏感探测器。

12.根据权利要求11所述的一种直接入射式光臂放大型三维扫描测头，其特征在于，所述光电探测器一(31)、光电探测器二(32)与光电探测器三(33)均为一维位置敏感探测器。