作业帮三坐标测量机测头分类与关键技术
来源：学生作业帮 编辑：拍题作业网作业帮 分类：综合作业 时间：2024/04/27 18:22:01
三坐标测量机测头分类与关键技术
三坐标测头有接触式、非接触式；非接触式之中又有光电、非光电之分,详细介绍下这几种分类,尤其是光电式,另外三坐标测量机的关键技术是什么?
三坐标测头有接触式、非接触式；非接触式之中又有光电、非光电之分,详细介绍下这几种分类,尤其是光电式,另外三坐标测量机的关键技术是什么?
（一）测头
三坐标测量机是用测头来拾取信号的,因而测头的性能直接影响测量精度和测量效率,没有先进的测头就无法充分发挥测量机的功能.在三坐标测量机上使用的测头,按结构原理可分为机械式、光学式和电气式等；而按测量方法又可分为接触式和非接触式两类.
1．机械接触式测头
机械接触式测头为刚性测头,根据其触测部位的形状,可以分为圆锥形测头、圆柱形测头、球形测头、半圆形测头、点测头、V型块测头等（如图9-5所示）.这类测头的形状简单,制造容易,但是测量力的大小取决于操作者的经验和技能,因此测量精度差、效率低.目前除少数手动测量机还采用此种测头外,绝大多数测量机已不再使用这类测头.
图9-5 机械接触式测头
(a) 圆锥形测头 (b) 圆柱形测头 (c) 球形测头 (d) 半圆形测头 (e) 点测头 (f) V型块测头
2．电气接触式测头
电气接触式测头目前已为绝大部分坐标测量机所采用,按其工作原理可分为动态测头和静态测头.
（1）动态测头
常用动态测头的结构如图9-6所示.测杆安装在芯体上,而芯体则通过三个沿圆周1200分布的钢球安放在三对触点上,当测杆没有受到测量力时,芯体上的钢球与三对触点均保持接触,当测杆的球状端部与工件接触时,不论受到X、Y、Z哪个方向的接触力,至少会引起一个钢球与触点脱离接触,从而引起电路的断开,产生阶跃信号,直接或通过计算机控制采样电路,将沿三个轴方向的坐标数据送至存储器,供数据处理用.
可见,测头是在触测工件表面的运动过程中,瞬间进行测量采样的,故称为动态测头,也称为触发式测头.动态测头结构简单、成本低,可用于高速测量,但精度稍低,而且动态测头不能以接触状态停留在工件表面,因而只能对工件表面作离散的逐点测量,不能作连续的扫描测量.目前,绝大多数生产厂选用英国RENISHAW公司生产的触发式测头.
图9-6 电气式动态测头
1—弹簧 2—芯体 3—测杆 4—钢球 5—触点
（2）静态测头
静态测头除具备触发式测头的触发采样功能外,还相当于一台超小型三坐标测量机.测头中有三维几何量传感器,在测头与工件表面接触时,在X、Y、Z三个方向均有相应的位移量输出,从而驱动伺服系统进行自动调整,使测头停在规定的位移量上,在测头接近静止的状态下采集三维坐标数据,故称为静态测头.静态测头沿工件表面移动时,可始终保持接触状态,进行扫描测量,因而也称为扫描测头.其主要特点是精度高,可以作连续扫描,但制造技术难度大,采样速度慢,价格昂贵,适合于高精度测量机使用.目前由LEITZ、ZEISS和KERRY等厂家生产的静态测头均采用电感式位移传感器,此时也将静态测头称为三向电感测头.图9-7为ZEISS公司生产的双片簧层叠式三维电感测头的结构.
测头采用三层片簧导轨形式,三个方向共有三层,每层由两个片簧悬吊.转接座17借助两个X向片簧16构成的平行四边形机构可作X向运动.该平行四边形机构固定在由Y向片簧1构成的平行四边形机构的下方,借助片簧1,转接座可作Y向运动.Y向平行四边形机构固定在由Z向片簧3构成的平行四边形机构的下方,依靠它的片簧,转接座可作Z向运动.为了增强片簧的刚度和稳定性,片簧中间为金属夹板.为保证测量灵敏、精确,片簧不能太厚,一般取0.1mm.由于Z向导轨是水平安装,故用三组弹簧2、14、15加以平衡.可调弹簧14的上方有一螺纹调节机构,通过平衡力调节微电机10转动平衡力调节螺杆11,使平衡力调节螺母套13产生升降来自动调整平衡力的大小.为了减小Z向弹簧片受剪切力而产生变位,设置了弹簧2和15,分别用于平衡测头Y向和X向部件的自重.
在每一层导轨中各设置有三个部件：①锁紧机构：如图9-7b所示,在其定位块24上有一凹槽,与锁紧杠杆22上的锁紧钢球23精确配合,以确定导轨的“零位”.在需打开时,可让电机20反转一角度,则此时该向导轨处于自由状态.需锁紧时,再使电机正转一角度即可.②位移传感器：用以测量位移量的大小,如图9-7c所示,在两层导轨上,一面固定磁芯27,另一面固定线圈26和线圈支架25.③阻尼机构：用以减小高分辨率测量时外界振动的影响.如图9-7d所示,在作相对运动的上阻尼支架28和下阻尼支架31上各固定阻尼片29和30,在两阻尼片间形成毛细间隙,中间放入粘性硅油,使两层导轨在运动时,产生阻尼力,避免由于片簧机构过于灵敏而产生振荡.
该测头加力机构工作原理如图9-7a所示,其中X向加力机构和Y向加力机构相同（图中只表示出了X向）.X向加力机构是利用电磁铁6推动杠杆5,使其绕十字片簧8的回转中心转动而推动中间传力杆7围绕波纹管4组成的多向回转中心旋转,由于中间传力杆与转接座17用片簧相连,因而推动测头在X方向“预偏置”.Z向加力机构是利用电磁铁9产生的,当电磁铁作用时,在Z向产生的上升或下降会通过顶杆12推动被悬挂的Z向的活动导轨板,从而推动测头在Z方向“预偏置”.
图9-7 加力式三向电感测头
(a)总体结构 (b)锁紧机构 (c)位移传感器 (d)阻尼机构
1—Y向片簧 2—平衡弹簧 3—Z向片簧 4—波纹管 5—杠杆 6—电磁铁 7—中间传力杆
8—十字片簧 9—电磁铁 10—平衡力调节微电机 11—平衡力调节螺杆 12—顶杆
13—平衡力调节螺母套 14—平衡弹簧 15—平衡弹簧 16—X向片簧 17—转接座 18—测杆
19—拔销 20—电机 21—弹簧 22—杠杆 23—锁紧钢球 24—定位块 25—线圈支架
26—线圈 27—磁芯 28—上阻尼支架 29—阻尼片 30—阻尼片 31—下阻尼支架
（3）光学测头
在多数情况下,光学测头与被测物体没有机械接触,这种非接触式测量具有一些突出优点,主要体现在：1）由于不存在测量力,因而适合于测量各种软的和薄的工件；2）由于是非接触测量,可以对工件表面进行快速扫描测量；3）多数光学测头具有比较大的量程,这是一般接触式测头难以达到的；4）可以探测工件上一般机械测头难以探测到的部位.近年来,光学测头发展较快,目前在坐标测量机上应用的光学测头的种类也较多,如三角法测头、激光聚集测头、光纤测头、体视式三维测头、接触式光栅测头等.下面简要介绍一下三角法测头的工作原理.
如图9-8所示,由激光器2发出的光,经聚光镜3形成很细的平行光束,照射到被测工件4上（工件表面反射回来的光可能是镜面反射光,也可能是漫反射光,三角法测头是利用漫反射光进行探测的）,其漫反射回来的光经成像镜5在光电检测器1上成像.照明光轴与成像光轴间有一夹角,称为三角成像角.当被测表面处于不同位置时,漫反射光斑按照一定三角关系成像于光电检测器件的不同位置,从而探测出被测表面的位置.这种测头的突出优点是工作距离大,在离工件表面很远的地方（如40mm～100mm）也可对工件进行测量,且测头的测量范围也较大（如±5mm～±10mm）.不过三角法测头的测量精度不是很高,其测量不确定度大致在几十至几百微米左右.
图9-8 激光非接触式测头工作原理
1—光电检测器 2—激光器 3—聚光镜 4—工件 5—成像镜
三坐标测量机是用测头来拾取信号的,因而测头的性能直接影响测量精度和测量效率,没有先进的测头就无法充分发挥测量机的功能.在三坐标测量机上使用的测头,按结构原理可分为机械式、光学式和电气式等；而按测量方法又可分为接触式和非接触式两类.
1．机械接触式测头
机械接触式测头为刚性测头,根据其触测部位的形状,可以分为圆锥形测头、圆柱形测头、球形测头、半圆形测头、点测头、V型块测头等（如图9-5所示）.这类测头的形状简单,制造容易,但是测量力的大小取决于操作者的经验和技能,因此测量精度差、效率低.目前除少数手动测量机还采用此种测头外,绝大多数测量机已不再使用这类测头.
图9-5 机械接触式测头
(a) 圆锥形测头 (b) 圆柱形测头 (c) 球形测头 (d) 半圆形测头 (e) 点测头 (f) V型块测头
2．电气接触式测头
电气接触式测头目前已为绝大部分坐标测量机所采用,按其工作原理可分为动态测头和静态测头.
（1）动态测头
常用动态测头的结构如图9-6所示.测杆安装在芯体上,而芯体则通过三个沿圆周1200分布的钢球安放在三对触点上,当测杆没有受到测量力时,芯体上的钢球与三对触点均保持接触,当测杆的球状端部与工件接触时,不论受到X、Y、Z哪个方向的接触力,至少会引起一个钢球与触点脱离接触,从而引起电路的断开,产生阶跃信号,直接或通过计算机控制采样电路,将沿三个轴方向的坐标数据送至存储器,供数据处理用.
可见,测头是在触测工件表面的运动过程中,瞬间进行测量采样的,故称为动态测头,也称为触发式测头.动态测头结构简单、成本低,可用于高速测量,但精度稍低,而且动态测头不能以接触状态停留在工件表面,因而只能对工件表面作离散的逐点测量,不能作连续的扫描测量.目前,绝大多数生产厂选用英国RENISHAW公司生产的触发式测头.
图9-6 电气式动态测头
1—弹簧 2—芯体 3—测杆 4—钢球 5—触点
（2）静态测头
静态测头除具备触发式测头的触发采样功能外,还相当于一台超小型三坐标测量机.测头中有三维几何量传感器,在测头与工件表面接触时,在X、Y、Z三个方向均有相应的位移量输出,从而驱动伺服系统进行自动调整,使测头停在规定的位移量上,在测头接近静止的状态下采集三维坐标数据,故称为静态测头.静态测头沿工件表面移动时,可始终保持接触状态,进行扫描测量,因而也称为扫描测头.其主要特点是精度高,可以作连续扫描,但制造技术难度大,采样速度慢,价格昂贵,适合于高精度测量机使用.目前由LEITZ、ZEISS和KERRY等厂家生产的静态测头均采用电感式位移传感器,此时也将静态测头称为三向电感测头.图9-7为ZEISS公司生产的双片簧层叠式三维电感测头的结构.
测头采用三层片簧导轨形式,三个方向共有三层,每层由两个片簧悬吊.转接座17借助两个X向片簧16构成的平行四边形机构可作X向运动.该平行四边形机构固定在由Y向片簧1构成的平行四边形机构的下方,借助片簧1,转接座可作Y向运动.Y向平行四边形机构固定在由Z向片簧3构成的平行四边形机构的下方,依靠它的片簧,转接座可作Z向运动.为了增强片簧的刚度和稳定性,片簧中间为金属夹板.为保证测量灵敏、精确,片簧不能太厚,一般取0.1mm.由于Z向导轨是水平安装,故用三组弹簧2、14、15加以平衡.可调弹簧14的上方有一螺纹调节机构,通过平衡力调节微电机10转动平衡力调节螺杆11,使平衡力调节螺母套13产生升降来自动调整平衡力的大小.为了减小Z向弹簧片受剪切力而产生变位,设置了弹簧2和15,分别用于平衡测头Y向和X向部件的自重.
在每一层导轨中各设置有三个部件：①锁紧机构：如图9-7b所示,在其定位块24上有一凹槽,与锁紧杠杆22上的锁紧钢球23精确配合,以确定导轨的“零位”.在需打开时,可让电机20反转一角度,则此时该向导轨处于自由状态.需锁紧时,再使电机正转一角度即可.②位移传感器：用以测量位移量的大小,如图9-7c所示,在两层导轨上,一面固定磁芯27,另一面固定线圈26和线圈支架25.③阻尼机构：用以减小高分辨率测量时外界振动的影响.如图9-7d所示,在作相对运动的上阻尼支架28和下阻尼支架31上各固定阻尼片29和30,在两阻尼片间形成毛细间隙,中间放入粘性硅油,使两层导轨在运动时,产生阻尼力,避免由于片簧机构过于灵敏而产生振荡.
该测头加力机构工作原理如图9-7a所示,其中X向加力机构和Y向加力机构相同（图中只表示出了X向）.X向加力机构是利用电磁铁6推动杠杆5,使其绕十字片簧8的回转中心转动而推动中间传力杆7围绕波纹管4组成的多向回转中心旋转,由于中间传力杆与转接座17用片簧相连,因而推动测头在X方向“预偏置”.Z向加力机构是利用电磁铁9产生的,当电磁铁作用时,在Z向产生的上升或下降会通过顶杆12推动被悬挂的Z向的活动导轨板,从而推动测头在Z方向“预偏置”.
图9-7 加力式三向电感测头
(a)总体结构 (b)锁紧机构 (c)位移传感器 (d)阻尼机构
1—Y向片簧 2—平衡弹簧 3—Z向片簧 4—波纹管 5—杠杆 6—电磁铁 7—中间传力杆
8—十字片簧 9—电磁铁 10—平衡力调节微电机 11—平衡力调节螺杆 12—顶杆
13—平衡力调节螺母套 14—平衡弹簧 15—平衡弹簧 16—X向片簧 17—转接座 18—测杆
19—拔销 20—电机 21—弹簧 22—杠杆 23—锁紧钢球 24—定位块 25—线圈支架
26—线圈 27—磁芯 28—上阻尼支架 29—阻尼片 30—阻尼片 31—下阻尼支架
（3）光学测头
在多数情况下,光学测头与被测物体没有机械接触,这种非接触式测量具有一些突出优点,主要体现在：1）由于不存在测量力,因而适合于测量各种软的和薄的工件；2）由于是非接触测量,可以对工件表面进行快速扫描测量；3）多数光学测头具有比较大的量程,这是一般接触式测头难以达到的；4）可以探测工件上一般机械测头难以探测到的部位.近年来,光学测头发展较快,目前在坐标测量机上应用的光学测头的种类也较多,如三角法测头、激光聚集测头、光纤测头、体视式三维测头、接触式光栅测头等.下面简要介绍一下三角法测头的工作原理.
如图9-8所示,由激光器2发出的光,经聚光镜3形成很细的平行光束,照射到被测工件4上（工件表面反射回来的光可能是镜面反射光,也可能是漫反射光,三角法测头是利用漫反射光进行探测的）,其漫反射回来的光经成像镜5在光电检测器1上成像.照明光轴与成像光轴间有一夹角,称为三角成像角.当被测表面处于不同位置时,漫反射光斑按照一定三角关系成像于光电检测器件的不同位置,从而探测出被测表面的位置.这种测头的突出优点是工作距离大,在离工件表面很远的地方（如40mm～100mm）也可对工件进行测量,且测头的测量范围也较大（如±5mm～±10mm）.不过三角法测头的测量精度不是很高,其测量不确定度大致在几十至几百微米左右.
图9-8 激光非接触式测头工作原理
1—光电检测器 2—激光器 3—聚光镜 4—工件 5—成像镜