[发明专利]一种单压电并联同步驱动的变刚度测头

说明书

本发明公开了一种单压电并联同步驱动的变刚度测头，三维柔顺支撑机构包括第一连接板，第一连接板上沿周向呈辐条状均布分布有至少三个连接臂，每个连接臂的上端面对应连接有柔性铰链，每个连接臂的下端面对应连接有爪臂，且每个爪臂均向内倾斜；固定板被固定，且第一连接板、固定板和第二连接板依次从上至下平行设置，压电陶瓷连接在第一连接板和固定板之间；每个柔性铰链的上端面被固定，每个爪臂的下端面对应连接有一个约束臂；每个位移臂的上方对应设置有非接触传感器。本发明结构相对简单、测量系统复杂性低，单压电并联驱动模式解决了多压电驱动导致的非线性误差和驱动时滞，并联爪臂末端位姿调整的实时同步保证了测头刚度的各向同性调节。

技术领域

本发明是属于精密测量仪器技术领域，具体涉及一种单压电并联同步驱动的变刚度测头。

背景技术

测头是三坐标测量机的核心部件。随着微纳元器件在航空航天、导弹等高端装备领域和手机等民用领域的应用越来越广泛，具有微纳级测量精度的测头在精密测量领域中的作用越来越重要。

测头通过测针与被测元器件的接触而产生微小的相互作用力，测针变形使测头产生相应的输出信号。在连续的扫描测量中，元器件的形貌特征反映为一段连续变化的输出信号，从而逆向获得元器件形貌。在这一过程中，测头的刚度决定着测量的精度。一方面，测头刚度反映了与被测元件间的作用力大小，作用力越大，则对元器件表面的破坏性越大，而且同时产生的表面阻力越大；另一方面，刚度也决定了测头的固有频率。在大批量件的测量任务中，更高的固频意味着更好的动态响应，从而可以获得更高的扫描速度和测量效率。而低固频下的高速扫描由于引入了由共振引起的测量误差而导致测量精度大幅下降。

现有的测头多为单一刚度的测量形式，从而使测头在测量力调节、高低速匹配等技术应用层面受到极大限制。变刚度测头通过对测头形变机构的刚度调节，解决了这一问题。现有的典型的变刚度测头比如专利《一种三角梁柔性约束变刚度微纳测头》(申请号：201910319094.1)，专利《一种变刚度并联柔性约束微纳测头》(申请号：201610513796.X)所述，其采用二维柔顺机构作为测头支撑机构，利用三组以上独立的压电陶瓷驱动支撑机构产生形变，从而使测头刚度变化。其中的问题在于，压电陶瓷固有的电压-位移非线性特征使得三组以上压电陶瓷之间不可避免地产生位移差异和时滞，从而导致较为严重的测针偏心、刚度各向异性等新的问题。

发明内容

针对现有技术中的技术问题，本发明提供了一种单压电并联同步驱动的变刚度测头，结构相对简单、测量系统复杂性低，单压电并联驱动模式解决了多压电驱动导致的非线性误差、驱动时滞等技术问题，并联爪臂末端位姿调整的实时同步保证了测头刚度的各向同性调节。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种单压电并联同步驱动的变刚度测头，包括三维柔顺支撑机构、固定板、线弹性形变机构、测针、非接触传感器和压电陶瓷；

所述三维柔顺支撑机构包括第一连接板，所述第一连接板上沿周向呈辐条状均布分布有至少三个连接臂，每个所述连接臂的上端面对应连接有柔性铰链，每个所述连接臂的下端面对应连接有爪臂，且每个所述爪臂均向内倾斜；

所述线弹性形变机构包括第二连接板，所述第二连接板上沿周向呈辐条状均布分布有约束臂和位移臂，所述约束臂和所述位移臂交替分布，且所述约束臂和所述位移臂的数量分别与所述连接臂数量相同，所述第二连接板的下端面连接有所述测针；

所述固定板被固定，且所述第一连接板、所述固定板和所述第二连接板依次从上至下平行设置，所述压电陶瓷连接在所述第一连接板和所述固定板之间；每个所述柔性铰链的上端面被固定，每个所述爪臂的下端面对应连接有一个所述约束臂；每个所述位移臂的上方对应设置有所述非接触传感器。

进一步地，每个所述爪臂与其对应连接的所述连接臂之间的夹角为10°～45°。