一種新型光臂放大式三維線性測頭的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種精密測量技術領域，特別涉及一種新型光臂放大式三維掃描測 頭。
【背景技術】
[0002] 測頭是精密量儀的關鍵部件之一，作為傳感器提供被測工件的幾何位置信息，測 頭的發展水平直接影響著精密量儀的測量精度與測量效率。精密測頭通常分為接觸式測頭 與非接觸式測頭兩種，其中接觸式測頭又分為機械式測頭、觸發式測頭和掃描式測頭；非接 觸式測頭分為激光測頭和光學視頻測頭。
[0003] 機械式測頭是精密量儀使用較早的一種測頭。該測頭通過測頭測端與被測工件直 接接觸進行位置測量，主要用于手動測量。該類測頭結構簡單、操作方便，其缺點在于精度 不高，測量效率低，目前很少用于工業測量領域。當前工業領域廣泛使用的精密測頭是觸發 式測頭。觸發式測頭的測量原理是當測頭測端與被測工件接觸時精密量儀發出采樣脈沖信 號，并通過儀器的處理系統鎖存此時測端球心的坐標值，以此來確定測端與被測工件接觸 點的坐標。該類測頭具有結構簡單、使用方便、及較高觸發精度等優點，是三維測頭中應用 最廣泛的測頭。但該類測頭的缺點在于：存在各向異性（三角效應），或者接觸式測頭在接 觸被測工件時因為阻力而產生微小位移從而導致測頭的位移偏差，限制了其測量精度的進 一步提高，最高精度只能達零點幾微米。另一方面，由于觸發式測頭測量原理決定了其測量 過程為單點測量，測量效率低，限制了其推廣使用。
[0004] 當前應用最廣的測頭類型為掃描式測頭，該類測頭輸出量與測頭偏移量成正比， 作為一種精度高、功能強、適應性廣的測頭，同時具備工件單點測量和連續掃描測量的功 能。該類測頭的測量原理是測頭測端在接觸被測工件后，測頭由于接觸力的作用發生位移， 測頭的轉換裝置輸出與測桿的微小偏移成正比的信號，該信號和精密量儀的相應坐標值疊 加便可得到被測工件上點的精確坐標。若不考慮測桿的變形，掃描式測頭是各向同性的，故 其精度遠遠高于觸發式測頭。但是該類測頭的缺點是結構復雜，制造成本高，目前世界上只 有少數公司可以生產。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于克服現有技術中所存在的機械式測頭和觸發式測頭精度不高， 以及掃描式測頭結構復雜、成本較高的上述不足，提供一種結構簡單、測量精度較高的新型 光臂放大式三維掃描測頭，該三維掃描測頭能夠測得測頭在三個方向的位移，通過位移疊 加，能夠補償測球接觸被測工件時測球位移導致的被測工件位置測量偏差，獲得被測工件 更為準確的測量坐標。
[0006] 為了實現上述發明目的，本發明提供了以下技術方案：
[0007] -種新型光臂放大式三維掃描測頭，包括：
[0008] 三條激光束，即激光束一、激光束二和激光束三；
[0009] 測頭基座，包括至少三個反射面，其中三個反射面，即反射面一、反射面二、反射面 三，三個反射面分別用于反射三條所述激光束，所述測頭基座上設有用于檢測的測桿和測 球；
[0010] 三個光電探測器，即光電探測器一、光電探測器二和光電探測器三，分別用于接 收所述測頭基座上所述反射面一、反射面二和反射面三分別反射的所述激光束一、激光束 二和激光束三；
[0011] 平移部件，用于使所述測頭基座做直線運動，以改變所述測頭基座反射面上的所 述激光束一、激光束二和激光束三的反射點位置；
[0012] 回復部件，用于將所述測頭基座回復至初始位置；
[0013] 處理系統，根據所述光電探測器一、光電探測器二和光電探測器三上分別接收到 的激光束一，激光束二和激光束三反射位置變化值，計算得到所述測球的三維位移變化值。
[0014] 該新型光臂放大式三維掃描測頭，利用三條激光束，入射到測頭基座上，通過測頭 基座上的不同反射面反射出去，再分別入射到三個光電探測器上，每個光電探測器能夠感 應對應激光束的反射位置。當平移部件帶動測頭基座做直線運動，即平移部件能夠沿不同 方向平移測頭基座，以改變測頭基座不同反射面上的激光束反射點位置，測頭基座不同反 射面反射出去的三條激光束分別入射到對應光電探測器上的位置也相應發生改變，處理系 統分別對每個激光束入射到對應光電探測器上反射位置變化值進行計算并分析，能夠得到 測頭基座在位于不同方向的直線位移變化值，將不同方向直線位移進行疊加，即可獲得該 測頭基座在三個方向合成的三維位移量，測頭基座發生位移后通過回復部件能夠回復至初 始位置，便于下一次的測量。
[0015] 使用時，將該三維掃描測頭安裝在精密量儀上，由于測頭基座上連接測桿和測球， 測球用于與被測工件直接接觸進行位置測量，當測球與被測工件直接接觸時，受到阻力而 產生位移，測球帶動測頭基座在平移部件上產生位移，通過三條激光束、測頭基座上的三個 相互垂直設置的反射面、三個光電探測器、處理系統配合，能夠計算得到測球的位移量，以 補償測球接觸被測工件時位移導致的被測工件位置測量偏差，由于每個光電探測器能夠得 到一個直線方向的位移量，通過三個光電探測器即能夠得到在三個不同直線方向的位移偏 移量，以獲得被測工件更為準確的位置坐標，最高精度能夠達到納米級別，提高了三維掃描 測頭的測量精度。該測頭簡化了結構，降低了生產成本，易于批量加工制造。
[0016] 優選地，所述反射面一、反射面二、反射面三兩兩相互垂直，所述平移部件用于將 所述測頭基座分別沿三個相互垂直的方向移動。
[0017] 平移部件可以對測頭基座沿不同的方向進行單獨移動，以分別被相應方向的光電 探測器進行測量。
[0018] 優選地，所述平移部件包括位于水平方向的至少一個導向槽一，所有所述導向槽 一之間沿垂直方向水平滑動設有至少一個導向槽二，所有所述導向槽二上沿垂直方向設有 至少一個導向槽三，所有所述導向槽三上沿豎直平面上下滑動連接所述測頭基座。
[0019] 該平移部件分別包括導向槽一、導向槽二和導向槽三，其中導向槽二可相對導向 槽一滑動，導向槽三可相對導向槽二滑動，導向槽一的滑動方向與導向槽二的滑動方向相 互垂直，導向槽二的滑動方向與導向槽三的滑動方向相互垂直，導向槽三通過滑塊連接測 頭基座，測頭基座可在導向槽三上進行滑動，因此該平移部件能夠分別實現測頭基座在三 維方向即三個相互垂直的方向進行位移。
[0020] 優選地，所述回復部件包括彈簧片一、彈簧片二、彈簧片三，其中所述彈簧片一設 于至少一個所述導向槽一上并用于將所述導向槽二回復至初始位置，所述彈簧片二設于 至少一個所述導向槽二上并用于將所述導向槽三回復至初始位置，所述彈簧片三設于所述 導向槽三上并用于將所述測頭基座回復至初始位置。
[0021] 該回復部件包括分別設于導向槽一、導向槽二、導向槽三上的彈簧片一、彈簧片 二、彈簧片三，能夠分別將導向槽二、導向槽三和測頭基座回復至初始位置，即將三個激光 束反射至三個光電探測器上位置回復至最初位置，便于測頭系統的下一次測量。
[0022] 優選地，所述測頭基座為長方體，所述反射面一、反射面二、反射面三分別設于該 長方體兩兩相互垂直的三個面上，所述光電探測器一、光電探測器二和光電探測器三也兩 兩相互垂直設置。
[0023] 長方體形狀的測頭基座便于加工和安裝，三個側面兩兩相互垂直，將三個反射面 設于這三個側面，更容易保證三個反射面相互之間的垂直度精度。
[0024] 優選地，所述激光束一、激光束二和激光束三分別通過三個激光源，即激光源一、 激光源二和激光源三發射。
[0025] 優