CN102155902A - 具有恒定测量力的一维扫描测头机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有恒定测量力的一维扫描测头机构。本发明包括动板和固定板，所述固定板的上部设置有限位座，限位座的中部设置有限摆杆，动杆的下端部与限摆杆的上端部相对设置，限位座上安装有对称于动杆设置的一对复位簧片和一对传感器支架，复位簧片的上端压合于动杆下端部的两侧，一对传感器支架中的一个上设置有传感器的固定部，传感器的运动部设置于动杆上，位于复位簧片的上端和传感器之间的动杆上设置有衔铁，与之对应的一对传感器支架上分别设置有永磁铁，一对传感器支架的上端部内侧相对设置有限位块。本发明通过负刚度弹性支撑机构的设计，以磁力来平衡随位移增加而不断变大的平行簧片和预压簧片的反作用力，实现测量力的基本恒定。

Description

具有恒定测量力的一维扫描测头机构

技术领域

本发明涉及测量仪器技术领域，具体涉及一种具有恒定测量力的一维扫描测头机构。

背景技术

测头是精密量仪的关键部件之一,它作为传感器提供被测工件的几何信息,其发展水平和精密量仪的测量精度、工作性能、使用效率有很大的关系。电感测微仪是最早的精密测头，产生于上世纪20年代。至上世纪50年代末，随着三坐标测量机出现，精密测头得到了快速发展。目前，精密测头可分为接触式测头与非接触式测头两大类，其中接触式测头又可以细分为机械式测头、触发式测头和扫描式测头三种。

机械式测头，也称为接触式硬测头，其工作原理是通过测头测端与被测工件直接接触定位扫描而完成测量，主要用于手动测量。机械式测头结构简单、操作方便，但精度不高，已无法满足当前数控精密量仪的要求。

触发式测头由英国Renishaw公司于1972年研制成功。当测头测端与被测工件接触时，触发式测头机构会发出电平信号，通过量仪的定位系统锁存此时刻测端球心的坐标值。触发式测头具有较高触发精度，是三维测头中应用最为广泛的测头。但触发式测头存在各向异性(三角效应)、预行程等误差，限制了其测量精度的进一步提高，最高精度只能达到亚微米级。

扫描式测头，也称量化测头，是一种精度高、功能强、适应性广的测头。扫描式测头的测量原理是测头测端在接触被测工件后，连续测得接触位移，测头转换装置的输出信号与测杆的微小偏移成正比，该偏移量和精密量仪的相应坐标值叠加可得到被测工件上各个测量点的精确坐标。由于扫描式测头能够连续获得测量位置信息，因而具备了空间坐标点的位置探测和曲线曲面的扫描测量功能。如果不考虑测杆的变形，扫描式测头是各向同性的，故其精度远远高于触发式测头。扫描式测头是结构较为复杂，制造成本高，目前世界上只有少数公司可以生产。

目前，触发式测头和扫描式测头并存于国内市场，触发式测头在加工设备中用的较多，而在精密量仪设备中多采用精度更高的扫描式测头。由于技术条件上的限制，国内还不能自主设计、生产该类精密测头，但相应的研究工作一直在不断深入。西安工业大学的牟新明、王建华、杨密三位老师，运用材料力学理论方法, 对一平行簧片机构进行了精确的受力分析, 建立力学模型。在论文“平行簧片机构力学分析与计算”中，推导了平行簧片机构在外力作用下变形和位移的关系，得到了工作过程中平行簧片机构的各参数对其导向精度的影响程度。通过分析导向误差计算公式，得到两簧片之间的距离、簧片长度和有效长度等因素均会影响其导向精度。通过合理调节以上各因素的大小, 能有效地减小该机构的导向误差。

目前常见的扫描式测头机构，其基本结构均包括动板3、固定板8和传感器，动板3上设置有测针1、测头座2和动杆13，在动板3和固定板8的两端之间垂直设置有一对支撑簧片4，在支撑簧片4上固定有相对设置的加强板5。当测针去接触被测对象时，测针的微位移量会通过传感器11传递给后续的采样系统。在测量各种形面时，为了保证测头能够可靠的连续接触被测形面，通常在测量运动开始前，会使测针带上较大的压入位移量。在测量运动过程中，由于形面的变化以及测量形面误差的存在，测针的受力情况会不断变化。对于不同直径和不同长度的测针，其变形量会随着受力情况的变化而变化。尤其在测量一些小的形面，如小模数的齿轮，要求测针的直径很细，刚度降低，导致测量过程中测针形变较大，测头示值不能准确反映测针的形变值，影响测量精度。在扫描式测头机构中，通常只标注测头的直径值和测针长度，测头的直径与测针长度是成比例，测头直径越小，相应测针越细。表1中以测头直径代替测针直径，枚举了测头直径与测针形变系数的关系值。

表1 测头直径与测杆变形系数的关系

测针长度（mm）	12	20	20	20	20
						测杆直径（mm）	0.4	0.6	0.7	1	1.5
测头直径（mm）	0.5	1	1.5	2	3
						测杆形变系数	0.417	0.517	0.357	0.308	0.3

从表1中可以看出，当测头直径由1mm逐步增加到3mm时，测针长度保持不变为20mm，对应测杆直径由0.6mm增加到1.5mm，此时测针的形变系数是渐小的。既测头、测杆直径越大，测针的形变量越小，测量准确度越高。但在实际应用中，经常要求对小模数齿轮和微小工件进行精密测量，由于工件尺寸或测量位置的限制，大直径测头无法完成测量动作，而只能选用0.5mm甚至更小的小直径测头。由于测头直径小，其测针长度更短、测杆直径更细，如0.5mm直径测头其测针长度为12mm，测杆直径仅为0.4mm，而形变系数达到了0.417。

通过分析可知：测针形变系数的变化主要是由扫描式测头的受力传递方式引起的，测针的受力大小与动板产生位移量成正比。测针形变系数与测杆长度成正比，与测杆直径成反比。随着测针长度的增加或测杆直径的变小，对相同的测量对象和测量过程，测针的形变系数会不断增大。这样会产生如下几个问题：① 测头示值不准确。对于扫描测头来说，其理想状态为测针形变量与动板位移量成线性关系，既动板位移能够准确反映测针的位置变化。对于小直径测针，由于它具有较大的形变系数，将导致测针形变量与动板位移量间成非线性关系，测头受力小的情况下，两者能够保持近似线性比例，而随着测针受力的增加，其非线性化越来越严重，测杆形变系数无法准确标定，引起测头示值存在偏差；② 测头机构安全性降低。所有的测头机构都有其内在的量程限制，扫描式测头机构的量程一般在1.5mm以下，触发式测头机构的量程略大。如果测针的偏移幅度大于规定量程，则会碰断测针甚至损坏测头机构。对于小直径测头，如果形变系数标定不准确，较大的测针形变量只对应较小的动板位移，则当测针形变量已经超过量程时，测头机构也不能正确发出报警信号，从而造成测头机构的损坏。③ 测头机构抗干扰能力下降。测针的形变系数变大，意味着测针上的受力增大，这时测针对于外界振动、干扰会过于敏感。如被测形面上存在凸凹点，测针在接触该点时会发生跳动，且跳动量大小和测针的受力程度成正比。对于测杆过细、形变系数大的小直径测头，其跳动产生的偏移量将远远大于该点处形面的实际位置变化，从而造成测头示值附加了形变产生的随机误差，导致测量结果不可信。因而，研究具有恒定测量力的扫描测头，解决测针变形问题，提高测量准确度，是现阶段精密测量行业的迫切需求，具有显著的工程实用性和较好的市场前景。

发明内容

本发明要提供一种具有恒定测量力的一维扫描测头机构，以克服现有测头机构存在的位移示值不准确，测量结果误差较大，对外界振动及干扰过于敏感，测量过程不安全的问题。

为克服现有技术存在的缺陷，本发明提供的技术解决方案是：一种具有恒定测量力的一维扫描测头机构，包括动板和固定板，动板上设置有测针、测头座、动杆和传感器，在动板和固定板之间相对设置有一对加强板，其特殊之处在于：所述固定板的上部设置有限位座，限位座的中部设置有限摆杆，动杆的下端部与限摆杆的上端部相对设置，限位座上安装有对称于动杆设置的一对复位簧片和一对传感器支架，复位簧片的上端压合于动杆下端部的两侧，一对传感器支架中的一个上设置有传感器的固定部，传感器的运动部设置于动杆上， 位于复位簧片的上端和传感器之间的动杆上设置有衔铁，与之对应的一对传感器支架上分别设置有永磁铁，一对传感器支架的上端部内侧相对设置有限位块。

本发明通过负刚度弹性支撑机构的设计，以磁力来平衡随位移增加而不断变大的平行簧片和预压簧片的反作用力，实现测量力的基本恒定。

在原有簧片式预压机构中，由于弹性元件反作用力的影响，随着测针位移量的增大，弹性元件的反作用力会逐渐变大，从而造成测针变形，导致测头机构输出示值不能正确表示测针位移量的变化，测量结果不准确。本专利在测头机构中加入了磁力元件，测针位移会引起动板、动杆随之移动，同时动杆位移的变化会影响磁力元件之间的位置关系，造成磁力的变化。当动杆位移量增大时，弹性元件的反作用力随之增大，而此时磁力元件之间的间隙会缩小，衔铁10与位移方向的永磁铁6间的磁力增大，磁力方向与弹性元件反作用力方向相反，两者与位移量间具有相同的变化关系，且相互抵消，达到保持测针上的测量力基本恒定，消除了测针变形，保证测量结果更稳定、更精确。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、测量示值更精确：测头机构的位移示值是通过动板带动位移传感器读出的，而动板的位移又是测针位置变化的反应。为了能够连续扫描被测形面，测针通常都会预压在被测形面上，而且在测量过程中，测针都要保证与被测形面稳定接触，既测针是始终受力的。在实际测量时，由于被测形面上存在误差，测针上的受力大小是不断变化的，测针的形变量也会随着受力大小而改变。这就是说测针位移由测量形面误差和测针形变两部分组成，测针形变系数用于消除测针的形变量，而一个测针只能标定一个形变系数。在原测头机构中，如果测针在微位移情况下，当前形变系数能够准确把测针形变量从测针位移中去除。那么，测针在相同形面误差、大位移情况下，测针由于受力增大形变量也会增大，则当前的形变系数就不能完全消除测针形变量对测针位移的影响，测头机构得到的位移示值将大于形面实际误差，导致测量结果不准确。因为改进的测头机构具有恒定的测量力，测量时测针在微位移和大位移情况下，测针上所受的力是基本恒定的，既测量过程中测针形变量是基本恒定的，与测针受力无关，测针位移和动板位移基本保持固定的线性关系。因而，具有恒定测量力的测头机构能够消除测量示值中测针形变的影响，准确的标定出被测形面误差，保证测量示值更为精度、可靠。

2、对外界振动及干扰不敏感：（1）本发明设计了一对复位簧片，当测针处于零位状态时，动杆两侧的复位簧片能够与动杆稳定接触，施加预压力。预压力保证了动杆、动板、测针部分具有平稳的静态、动态零位输出，当测头机构随传动机构进行位置变化时，复位簧片所施加的预压力确保测针、动杆、动板不会因为加减速的变化而发生震颤，使测头机构具有稳定的零位输出；（2）本发明可以有效的改善测针形变系数，使测针上的受力大小不再随位移变化而变化，所以在测量过程中能够保持测针位移量与测头机构位移示值间的具有稳定的线性关系，通过测针形变系数的标定就可以有效去除测量过程中测针的形变量。恒定测量力降低了测针对于外界振动、干扰的敏感度，在微小位移和大位移情况下，测针的形变量基本不变。（3）由于测量力不随形变变化，大大降低了测杆直径对测量精度的影响，提高了测头机构的抗干扰能力。

3、测头机构安全性更高：在原测头机构中，由于施加在测针上的测量力是随着测针位移量的变化而变化的，动板位移与测针位移间还包含了测针形变量。若当前测针形变系数按照微位移状态进行标定，即该形变系数可以基本消除微位移时测量力造成的测针形变量；那么，当测针位移量变大时，测针上的测量力同时增大，此时测针的形变量会大于微位移时的测针形变量。采用当前形变系数进行补偿时，测针的形变量就不能完全被消除。当测针的位移量已经达到测量量程的极限，而测头机构的位移示值取自动板和动杆，既测头机构读到位移示值小于测针实际的位移，不会发出报警信号。在这种情况下，测头机构再向该方向进行移动时，就会发生损坏测针甚至损坏测头机构内部元件的情况；具有恒定测量力的测头机构采用了永磁铁和衔铁机构，保证在微位移和大位移情况下测针的形变量基本不变，通过标定测针形变系数可以有效去除测量过程中测针的形变量，保证了测针位移量而测头机构位移示值的统一性和准确性，消除了大位移测针超量程和微位移测头示值偏小情况的发生，使测头机构更加安全、可靠。

附图说明

图1是现有技术的结构简图；

图2是本发明的结构简图；

图3是预压分机构的结构简图；

图4是恒定力分机构原理图；

图5是扫描测头装置中弹性机构所产生的弹力与测杆位移之间的关系曲线；

图6是扫描测头装置中磁力机构所产生的磁力与测杆位移之间的关系曲线；

图7是原扫描测头机构与本专利恒定测量力扫描测头机构的测量力和位移之间的关系对比曲线；

附图标记说明如下：

1、测针；2、测针座；3、动板；4、支撑簧片；5、加强板；6、永磁铁；7、复位簧片；8、固定板；9、传感器支架；10、衔铁；11、传感器；12、限位块；13、动杆；14、限位座。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行详细地描述。

参见图1，现有技术常见的扫描式测头机构，包括动板3、固定板8和传感器11，动板3上设置有测针1、测头座2和动杆13，在动板3和固定板8的两端之间垂直设置有一对支撑簧片4，在支撑簧片4上固定有相对设置的加强板5。

参见图2，一种具有恒定测量力的一维扫描测头机构，包括动板3和固定板8，在动板3和固定板8的两端之间垂直设置有一对支撑簧片4，在支撑簧片4上固定有相对设置的一对加强板5，动板3上设置有测针1、测头座2、动杆13和传感器11。所说固定板8的上部设置有限位座14，限位座14的中部设置有限摆杆，动杆13的下端部与限摆杆的上端部相对设置，限位座14上安装有对称于动杆13设置的一对复位簧片7和一对传感器支架9，复位簧片7的上端压合于动杆13下端部的两侧，一对传感器支架9中的一个上设置有传感器11的固定部，传感器11的运动部设置于动杆13上， 位于复位簧片7的上端和传感器之间的动杆13上设置有衔铁10，与之对应的一对传感器支架9上分别设置有永磁铁6，一对传感器支架9的上端部内侧相对设置有限位块12。

本发明的工作原理是：复位簧片7对动杆13施加了预压力，保证测针1在零位时能够保证稳定状态，消除由于加减速造成的测针抖动。当测针在偏移状态时，限位座14用以消除位移反方向复位簧片7对动杆的压力，而只保留同侧复位簧片7的复位力。动板3与固定板8之间采用一对支撑簧片4来保证两者之间能够实现微位移，加强板5对支撑簧片4起加强刚性的作用，在动杆13的上部安装衔铁10，并在两侧传感器支架的对应位置安装一对永磁铁6，左右两个限位块12限定了测头机构的测量范围，并对机构内部元件起到保护作用。

本发明的测头机构由导向分机构、预压分机构、恒力分机构以及传感器、测针等五个功能部分组成。

其中：

导向机构通过一对平行设置的支撑簧片4来实现，该机构加工装配简单，易于实现。

预压机构采用了一对复位簧片7来施加预压力，复位簧片压紧在动杆13上，保证测头机构处于零位状态不发生震颤。当测针1偏移，动板、动杆随着向左右移动时，该方向的复位簧片会压紧在该侧的动杆上，为测针提供复位力。在两个复位簧片中间设置了限位座14，当动杆移位时，限位座用于隔断反方向复位簧片对动杆的作用力，减小测针所受的弹性复位力。

恒力机构是本发明的核心部分，参见图4。恒定测量力是通过一对支撑簧片4、一对永磁铁6以及一对向内倾斜设置的预压簧片7组成的负刚度弹性支撑机构来实现的。其基本原理是：当测针1受到力                                               

向左偏移时，引起动板3、动杆13及支撑簧片4同时向左偏移。此时，支撑簧片4必然产生一个向右侧的反作用力，且位移越大反作用力越大，这是目前各种扫描测头的工作方式。为了获得恒定的测量力，本机构设计了一对传感器支架9，在左侧的传感器支架上安装有传感器（本实施例中传感器是电感传感器），在两侧的传感器支架上分别加装了一对永磁铁，而在动杆13上永磁铁对应位置加装了衔铁10。当测针1带动动板3、动杆13向左侧移动时，支撑簧片4必然产生一个向右侧的反作用力

，右侧的复位簧片7由于限位座14的作用而脱离动杆13，左侧的复位簧片对动杆13产生一个复位力。同时动杆13上的衔铁10与左侧永磁铁之间的距离逐渐变小，而与右侧永磁铁之间的距离逐渐变大，既左侧永磁铁所产生的磁力

变大而右侧永磁铁所产生的磁力

变小。弹性机构所产生的反作用力

与左侧磁铁所产生的磁力

方向相反，这样总测量力可以表示为式(1)。

通过调整弹性机构以及磁力机构的参数，使得磁力能够抵消弹性机构所产生的反作用力，则扫描测头可以达到具有恒定测量力的设计要求。

扫描测头中位移量的检测是通过电感传感器来实现的，它具有测量精度高，灵敏度高，结构简单，性能可靠等优点。

1）              动态工作过程

参见图5-图6，通过Matlab仿真软件可以对扫描测头各个部分的受力情况与位移之间的关系进行分析。图5(a)为支撑簧片随位移变化对测针所产生的反弹力，当位移量在0～1.5mm之间变化时，其反弹力在0N～0.2N之间变化。图5(b)为复位簧片随位移变化对测针所产生的复位力，同样，当位移量由0～1.5mm变化时，其复位力在0.63N～1N之间变化，因为复位簧片带有预压功能，故其初始值不为零。图6为左右两侧磁力机构随位移变化对测针所产生的磁力，当测针受到向左侧的压力时，动杆也随之向左侧偏移，此时衔铁距离左侧永磁铁的距离变小，而与右侧永磁铁的距离变大。当位移量在0～1.5mm之间变化时，左侧磁力由0.18N上升至0.6N，如图6(a)所示，同时，右侧磁力由0.18N下降至0.06N，如图6(b)所示。

参见图7，原扫描测头机构的测量力是随着位移变化直线上升的，当位移量由零达到1.5mm时，测量力由0.62N上升至1.18N，变化量达到0.56N；而改进测头结构后，在同样的位移条件下，测量力在0.62N～0.7N的范围内变化，变化量仅有0.08N。

为了进一步验证本测头机构测量力的稳定性，采用山度测量仪对改进后的扫描测头进行测力试验，该测量仪的力分辨率为1mN，最小位移为0.01mm，测试结果如表2所示。测试结果表明本专利设计方案是可行、易于实现的，达到了测量过程中测杆测量力的稳定。

表2 测量力与位移数据

初始力	3.880	初始力	3.882
				位移B/mm	压力F’/N	位移B/mm	压力F’/N
0.14	4.364	0.17	4.354
				0.2	4.424	0.27	4.390
0.27	4.432	0.35	4.466
				0.33	4.474	0.41	4.470
0.39	4.486	0.49	4.512
				0.44	4.496	0.59	4.556
0.51	4.456	0.66	4.562
				0.56	4.544	0.74	4.602
0.64	4.576	0.83	4.582
				0.71	4.596	0.92	4.626
0.80	4.606	0.98	4.618
				0.89	4.652	1.03	4.640
1.00	4.602	1.10	4.590
				1.09	4.684	1.14	4.628
1.19	4.694	1.18	4.608
				1.29	4.682	1.23	4.618
1.41	4.644	1.27	4.614
				1.49	4.626	1.33	4.626

1.57	4.606	1.38	4.592
				1.65	4.570	1.44	4.566
		1.50	4.522
						1.55	4.492

Claims (1)

1.一种具有恒定测量力的一维扫描测头机构，包括动板（3）和固定板（8），动板（3）上设置有测针（1）、测头座（2）、动杆（13）和传感器（11），在动板（3）和固定板（8）之间相对设置有一对加强板（5），其特征在于：所述固定板（8）的上部设置有限位座（14），限位座（14）的中部设置有限摆杆，动杆（13）的下端部与限摆杆的上端部相对设置，限位座（14）上安装有对称于动杆（13）设置的一对复位簧片（7）和一对传感器支架（9），复位簧片（7）的上端压合于动杆（13）下端部的两侧，一对传感器支架（9）中的一个上设置有传感器（11）的固定部，传感器（11）的运动部设置于动杆（13）上， 位于复位簧片（7）的上端和传感器之间的动杆（13）上设置有衔铁（10），与之对应的一对传感器支架（9）上分别设置有永磁铁（6），一对传感器支架（9）的上端部内侧相对设置有限位块（12）。

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