[实用新型]一种高精度接触式三维测头

说明书

本实用新型涉及一种测量传感器测头，特别是用于铣削中心，测量机器人及三座标测量机上的三维测头。

随着加工自动化程度的不断提高，多功能高精度的三座标测量机在自动化生产线上得到了越来越广泛的应用。座标测量机是靠其座标运动距离来实现对零件形状尺寸度量的。为控制测量机的起止点，三坐标测量机上都使用三维测头，在测量机运动时，如果测头的探头与工件接触，则测头发出信号，使控制系统记录存贮该点坐标值，根据计算和处理可得到被测工件的实际测量值。在一些高档次铣削加工中心上也配有同样的三维测头，用以完成对工件尺寸的在线测量以及找定位销、孔的坐标位置等工作，目前在柔性加工系统中还可以看到使用多维探头的测量机器人，它们使用的多维测头以英国产品“雷里肖”测头为代表，该测头具有原理简单、重复定位精度高等优点。

雷里肖测头充分利用了点线接触开关的高分辩率，测头的工作原理是三个接触开关串联并呈等边三角形均匀地分布在一个平面上，平面与测杆垂直，当测杆上的红宝石探头受到任何方向的力时，其中至少有一个开关断开，由此传感器产生一个电平阶跃信号。其工作原理见附图4。

图4A，B，C为三个开关，串联在一起，其中一端接地，另一端P是信号输出端，17，18，19，是开关接合点，它们互相绝缘，在弹簧力作用下，A，B，C导通，P点输出低电平“0”，当测头M受力后，A，B，C必有一个开关断开，则P点输出高电平“1”，P点输出信号可做为坐标运动起止点的控制信号。

为了使测头可靠复位，即使六个接触点全部导通，由弹簧提供一个预紧力。因此，测头工作时需要一个外力作用开启接触点，则该力称为开启力（F_K）。开启力值一般设定在70－100g左右，根据计算，直径φ5mm长100mm的普通材料在该力作用下将产生50μm的静挠度，即要使测头发出信号，则探头先要偏离测头中心50μm，如果各方向开启力相同，则外部力作用产生的挠度偏差可以通过补偿或设偏置量的办法予以消除，否则该误差会带进测量结果。

以“雷里肖”测头的工作原理可知，（在XY平面内）它的开启力值是不均匀的，在园周方向上有三个相同的开启力分布区，其中最大值与最小值之差为1／3F_K因此，由于作用力方向不同，必定会产生相应的测量偏差，而且这种偏差由于其不均匀性，很难通过补偿方法加以消除。实践中为了降低静挠度产生的测量误差，一般采用加粗测杆，缩短测杆长度，选择优质材料增加测杆刚度等减小开启力的办法。但这些办法对由开启力不均匀引起的误差无法消除和补偿，因为它是原理性误差。

本实用新型的目的是提出一种高精度三维测头，该测头从原理上克服了雷里肖测头开启力不均匀的缺点，从而消除由此引起的测量误差。该测头不仅可以用于判断测量机测量过程的起止点，而且可以给出测头在测量过程中位移的定量值。

本实用新型高精度接触式三维测头包括测头1、测杆2、壳体4、弹簧6、和一个将机械位移变化转变成电信号的位移传感器，其要点是测杆2的中部有一个具有光滑表面的半球形滑块3，该半球形滑块3由弹簧6支撑置于一个具有光滑内表面并固定在壳体4上的锥孔基座5内，弹簧6置于半球形滑块3和导向体8之间，测杆2尾部有导向球7，导向球7置于导向体8的导向孔内并受导向孔的限位，导向体8固定在壳体4上，导向球7做为位移传感器的传感器给出位移量，上述结构使得作用在测杆2的测头1上三维空间里任何一个方向的力所产生的位移，经过导向孔对测杆2尾部的导向球7的限位，都将引起测杆2的轴向位移，该位移信号经过上述位移传感器转变成电信号输出。

本实用新型所述的机械位移传感器可以是一个将机械位移转变成开关电信号的传感器，用于判断测量机测量过程的起止点，也可以是一个将机械位移量转变成模拟量电信号的传感器，用以测量测头在测量中相应的位移。

本实用新型提出的三维测头，当测头1受到来自三维空间中任何一个方向的力的作用时（不包括轴向力），都将引起半球形滑块与锥孔基座的相对滑动，经导向后转变成轴向位移，经位移传感器转变成电信号输出，这种测杆结构从原理上克服了雷里肖三点接触式测头开启力不均匀的问题。对于来自轴向的作用力，将直接产生轴向位移作用于位移传感器，因此将由开启力不均匀引起的不可补偿的静挠度偏差转变为均匀的可补偿偏差，从而大大提高测头的测量精度，其测量精度可达0.5um。

附图说明：

图1是本实用新型三维测头一个实例的结构原理图；

图2是本实用新型三维测头又一个实例的结构原理图；