[发明专利]一种单轴测量式测头及其测量方法

说明书

本发明涉及一种单轴测量式测头及其方法，包括壳体、传感器、测杆、偏摆测量机构和激光线指示装置；壳体上端设有安装柄；传感器、偏摆测量机构处于壳体内，测杆的上端处于壳体内，其下端向下伸出到壳体的外部并设有与工件接触的测球，并且测杆的上端通过偏摆测量机构连接传感器的动栅，并带动传感器的动栅相对其静栅同步左右摆动；激光线指示装置固定在壳体上，其朝下射出的激光线所处的方向与测杆的测量偏摆方向一致，并用于壳体安装到机床上时校正测量方向及测量时指示测量方向。本发明将原有测杆在二维，三维方向的偏摆测量限制为相对机床主轴中心位置的单方向偏差量测量，并以激光导向技术来加以保证，使得测量精度得以满足要求。

技术领域

本发明涉及先进测量和检测技术领域，具体涉及一种单轴测量式测头及其测量方法。

背景技术

目前在采用机床加工生产的测量技术中主要有两种技术，一是离线式测量，如通过通用量具或三坐标测量机对加工零件进行测量；这种传统的手工测量和离线测量由于存在耗时长，需要二次定位等问题，无法将加工与检测有效的结合起来，已经不能满足日益增长的检测需求。二是在机检测，所谓的在机检测，是指在数控机床上集成测头和专用软件模块实现工件的自动定位，质量评估等功能。这种测量方式可大大节省加工辅助时间，减少工件的报废率，对企业生产具有重要意义。

机床测头是整个在机检测系统的关键组成部分，其精度很大程度影响整个测量系统的精度。在国际上，以英国Renishaw公司为代表，该公司于1977年在汉诺威欧洲机床展览会上展出第一款机床测头，产生了深远的影响。该公司在中国申请专利名称为“接触式传感测头”，专利申请号为：CN86105617。日本株式会社三丰制作所也在中国申请了专利，名称为“接触信号测头”，其中国专利申请号是CN85107033。其他计量公司也有相关产品问世，如意大利Marposs公司的MIDA系列测头，德国mh公司，blum公司等相关企业也有同类产品问世。在国内，哈尔滨先锋机电有限公司为该公司测头申请了专利，专利名称为“触发式三维测头”，其申请号是201020044796.8；华中科技大学的“一种数控机床在机检测测头及检测系统”，其专利申请号是201110303424.1。

对于机床测头，其主要作用是精确判断测针与待测工件表面接触时刻，并通知数控机床及时锁存此时主轴坐标。通过对现有机床接触式测头产品的分析，其工作原理如下：在测头内部有一个闭合的有源电路，该电路与一个触发机构相连接，只要触发机构产生触发动作，就会引起电路状态变化并发出信号，指示测头的工作状态；触发机构产生触发动作的唯一条件是测头的测针产生微小的摆动或向测头内部移动，当测头连接在机床主轴上并随主轴移动时，只要测针上的测头在任意方向与工件表面接触，使测针产生微小的摆动或移动，就会形成触发，其触发信号为开关信号。

在实际使用过程中，此种触发式测头存在一定的弊端。第一，其测量效率不高，在机检测过程中，当测头顶端发出触发信号传递给数控系统，数控系统将其作为优先级较高的中断进行处理，假设数控系统扫描到触发信号到控制机床主轴完全停止运动的时间为t，此时机床的主轴进给速度为v，其运动行程L＝v*t。L也是后期处理时需要补偿的误差。对于目前的触发式测头来讲，为保证精度，其中间预留的安全行程往往较小，当L达到一定值时，测头会被撞坏。所以，目前在机检测中使用触发式测头在测量过程中进给速度往往比较低。严重影响测量效率。第二，测量误差难以补偿。接触式测头的预行程误差是不可避免的，该误差为从测球接触到工件表面到测头发出触发信号时的位移量，也可以表达为测杆为克服现在弹簧预紧力以及测头各部件所产生弹性变形的总和，由于不同的材料，不同的结构，会导致这种误差非规律性。所以目前常用的方法是使用标准球实验对其进行标定。只能减少这种误差却无法消除。

通常接触信号测头技术中，接触装置安装在接触探针支撑部分的三点上，所以测量取决于轴的方向，因此，不能在所有的方向上进行稳定的测量，这类方向性误差在以前的技术中不能修正。与上述接触式测头不同，已经有一种测头利用差动互感器能电测接触测针的角位置或位移。当然，这种差动互感器式测头没有良好的检测灵敏度。特别是其检测灵敏度对接触探针的运动具有方向性。