一維雷射掃描測頭的製作方法

2023-05-14 23:05:32 1

本發明涉及精密測量技術領域，尤其涉及一種一維雷射掃描測頭。

背景技術：

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、觸髮式測頭和掃描式測頭。

機械式測頭因為是手動測量，且精度不高，測量效率低，因此目前很少用於工業測量領域。當前工業領域廣泛使用的精密測頭是觸髮式測頭，其原理是當測頭測端與被測工件接觸時精密量儀發出採樣脈衝信號，並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，其缺點是存在各向異性(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。當前應用最廣的測頭類型為掃描式測頭，其原理是測頭測端在接觸被測工件後，測頭由於接觸力的作用發生位移，測頭的轉換裝置輸出與測杆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較精確坐標。若不考慮測杆的變形，掃描式測頭是各向同性的，故其精度遠遠高於觸髮式測頭。但是，測杆的變形是客觀存在的，目前的測頭僅考慮了支撐座的直接位移，而未考慮到測杆的變形，因此，即使是掃描式測頭的精度也不夠高。此外，掃描式測頭還具有結構複雜、製造成本高等缺點。

技術實現要素：

本發明的目的在於改善現有技術中所存在的測量精度不高，且無法測量測杆變形的不足，提供一種可提高測量精度的一維雷射掃描測頭。

為了實現上述發明目的，本發明實施例提供了以下技術方案：

一種一維雷射掃描測頭，包括用於測量測杆一維位移變化的測量組件，所述測量組件包括所述測杆和測球，

所述測杆為空心測杆，所述測球設置於所述空心測杆的一端，且所述測球與所述空心測杆連接的球面設置有雷射反射平面，所述測球的雷射反射平面位於所述空心測杆的內部；所述一維雷射掃描測頭還包括：

第一雷射源，用於發射第一雷射束；

分光鏡，傾斜設置於所述空心測杆的另一端，用於將所述第一雷射源發射的第一雷射束反射至所述測球的雷射反射平面，並將所述測球的雷射反射平面反射的雷射束透射至第一光電探測器；

所述第一光電探測器，用於接收經所述分光鏡透射的所述測球的雷射反射平面反射的雷射束；

處理系統，根據所述第一光電探測器所接收到的雷射束的位置變化值，得到所述測杆的變形量。

根據本發明實施例，所述測量組件還包括：

支撐座，所述空心測杆設置於所述支撐座，所述支撐座的一側面為雷射反射平面；

第二雷射源，用於發射第二雷射束，且所述第二雷射束入射至所述支撐座的雷射反射平面；

第二光電探測器，用於接收所述支撐座的雷射反射平面反射的雷射束；

平移部件，用於使所述支撐座做直線運動；

復位部件，用於將所述支撐座復位至初始位置；

所述處理系統還用於根據所述第二光電探測器所接收到雷射束的位置變化值，計算得到所述支撐座的位移變化值。

作為另一種實施方式，所述測量組件還包括：

支撐座，所述空心測杆設置於所述支撐座，所述支撐座還設有第二雷射源；

所述第二雷射源，用於發射第二雷射束；

第二光電探測器，用於接收所述第二雷射源入射的所述第二雷射束；

平移部件，用於使所述支撐座做直線運動；

復位部件，用於將所述支撐座復位至初始位置；

所述處理系統還用於根據所述第二光電探測器所接收到雷射束的位置變化值，計算得到所述測球的位移變化值。

優選的，所述測球為球缺，球缺的底面作為所述測球的雷射反射平面。

根據本發明實施例，所述支撐座為空心支撐座，所述空心支撐座設有供所述空心測杆穿過的通孔，所述空心測杆的背離所述測球的一端設置於所述空心支撐座內。

根據本發明實施例，所述一維雷射掃描測頭還包括殼體，所述第二光電探測器可旋轉安裝在所述殼體內。

根據本發明實施例，所述平移部件包括位於所述殼體內的導向槽，所述空心支撐座設有與所述導向槽相適配的滑塊。

根據本發明實施例，所述復位部件為彈簧，所述彈簧的一端連接於所述空心支撐座，另一端連接於所述殼體。

根據本發明實施例，所述平移部件和所述復位部件為平行簧片結構，所述平行簧片結構包括連接於所述空心支撐座的連接塊和固定在所述殼體的座板，所述連接塊和所述座板之間連接有兩個相互平行的簧片，所述連接塊可相對所述座板平行移動和復位。

根據本發明實施例，所述第一光電探測器和所述第二光電探測器均為位置敏感探測器。

與現有技術相比，本發明的有益效果：本發明實施例提供的一維雷射掃描測頭，不僅包括用於測量支撐座的位移變化的測量組件，還包括用於測量測杆變形的第一雷射源、分光鏡、第一光電探測器等，不僅測量了支撐座的直接位移變化，還測量了測杆的變形，因此與傳統的一維測頭相比，本發明實施例提供的一維雷射掃描測頭的測量精度更高，且結構簡單，易於批量生產。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對範圍的限定，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1為本發明實施例中用於測量測杆位移變化的測量組件二的結構示意圖。

圖2為本發明實施例中測量測杆位移變化的光路示意圖。

圖3為本發明實施例提供的一維雷射掃描測頭的結構示意圖。

圖4為本發明實施例中測量測球位移變化的光路示意圖。

圖5為圖4中第二光電探測器旋轉一定角度後的光路示意圖。

圖6為實施例中平移部件和回復部件為平行簧片結構的結構示意圖。

圖7為本發明實施例提供的另一種一維雷射掃描測頭的結構示意圖。

圖8為本發明實施例提供的又一種一維雷射掃描測頭的結構示意圖。

主要元件符號說明

第一雷射束100；第一雷射源101；空心測杆102；測球103；分光鏡104；第一光電探測器105；第二雷射源106；第二光電探測器107；空心支撐座108；導向槽109；彈簧110；殼體111；連接塊112；簧片113；座板114；測球的雷射反射平面200；第二雷射束300；空心支撐座的雷射反射平面400。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述並非旨在限制要求保護的本發明的範圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基於本發明的實施例，本領域技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

本發明實施例提供的一維雷射掃描測頭包括用於測量測杆一維直接位移變化的測量組件一(測量組件一實際為測量支撐座的直接位移變化，由於支撐座的位移是由測球帶動的，因此，也可以理解為是測量測球或測杆的一維直接位移變化)，還包括用於測量測杆變形的測量組件二。

作為一種可實施方式，圖1示出了本實施例中用於測量測杆位移變化的測量組件二的結構，請參閱圖1，本實施例中，用於測量測杆變形的測量組件二包括測杆、測球103、第一雷射源101、分光鏡104、第一光電探測器105和處理系統；其中，測杆為空心測杆102，測球103設置於空心測杆102的一端，且測球103與空心測杆102連接的球面設置有雷射反射平面，測球的雷射反射平面200位於空心測杆102的內部。作為一種簡便的實施方式，測球103為球缺，球缺的底面作為測球的雷射反射平面。第一雷射源101，用於發射第一雷射束100；

分光鏡104，傾斜設置於所述空心測杆102的另一端，用於將所述第一雷射源101發射的第一雷射束100反射至測球的雷射反射平面200，並將測球的雷射反射平面200反射的雷射束透射至第一光電探測器105；

所述第一光電探測器105，用於接收經所述分光鏡104透射的測球的雷射反射平面200反射的雷射束；

處理系統，根據所述第一光電探測器105所接收到的雷射束的位置變化值，得到所述支撐座的位移變化值。

一維雷射掃描測頭安裝在精密測量儀上，當測球103與被測工件直接接觸時，測球103受到阻力會產生位移，空心測杆102與測球103連接，空心測杆102也會發生變形。圖1示出了空心測杆102變形前的光路，圖2示出了空心測杆102變形後的光路。請參閱圖1、圖2，空心測杆102變形前，第一雷射源101發出的第一雷射束100(平行光束)入射到分光鏡104，分光鏡104將該第一雷射束100反射至測球的雷射反射平面200，分光鏡104反射的雷射束經測球的雷射反射平面200沿原路反方向地反射到分光鏡104，分光鏡104將測球的雷射反射平面200反射的雷射束透射至第一光電探測器105。空心測杆102變形後，第一雷射源101發出的第一雷射束100入射到分光鏡104，分光鏡104將該第一雷射束100反射至測球的雷射反射平面200，此時與空心測杆102變形前的光路相比，入射光路未變化，但是分光鏡104反射到測球的雷射反射平面200的雷射束落在測球的雷射反射平面200的落點發生位移，且測球的雷射反射平面發生角度變化；分光鏡104反射的雷射束經測球的雷射反射平面200反射到分光鏡104，分光鏡104將測球的雷射反射平面200反射的雷射束透射至第一光電探測器105，此時與空心測杆102變形前的光路相比，光路發生變化，測球的雷射反射平面200反射的雷射束落在分光鏡104的落點發生位移，相應地，分光鏡104透射到第一光電探測器105的雷射束的落點發生位移，如圖2所示，定義位移為L0；由於第一光電探測器105所接收到的雷射束的位置變化是由空心測杆102的變形引起的，因此通過測量空心測杆102變形前後第一光電探測器105所接收到的雷射束的位置變化，可以得到空心測杆102的變形量。

根據第一光電探測器105所接收到的雷射束的位置變化值，得到空心測杆102的變形量的方式可以有多種，例如測算空心測杆102變形前後的幾何關係，得到可以反映空心測杆102變形的數學式，例如可由公式計算空心測杆102的變形量；作為一種簡單有效的方式，可以利用統計學(即多次試驗測量)建立空心測杆102的位移變化值與第一光電探測器105所接收到的雷射束的位置變化值的關係表，實際測量時直接查表即可得到空心測杆102的變形值。

需要說明的是，因為測杆為空心測杆102，因此，分光鏡104反射的雷射束可以穿過空心測杆102入射到測球的雷射反射平面200，測球的雷射反射平面200反射的雷射束也能穿過空心測杆102入射到分光鏡104。由於空心測杆102因測球103與被測工件直接接觸引起的變形量也是有限的，因此空心測杆102的孔徑足以保障分光鏡104反射的雷射束可以穿過空心測杆102入射到測球的雷射反射平面200，測球的雷射反射平面200反射的雷射束也能穿過空心測杆102入射到分光鏡104。

本實施例中提供的一維雷射掃描測頭，不僅可以測量支撐座的直接位移變化，還可以測量測杆的變形，可以獲得測球103更精確的球心坐標，修正測頭由於測杆變形引起的球心變化量，因此與傳統的一維雷射掃描測頭相比，測量精度更高，且結構簡單，易於批量生產。

用於測量支撐座一維直接位移變化的測量組件一可以有多種實施方式，例如採用傳統的觸髮式結構、掃描式結構等，作為一種簡單的可實施方式的舉例，圖3示出了本實施例中提供的一種一維雷射掃描測頭的結構。請參閱圖3，本實施例中，用於測量支撐座一維直接位移變化的測量組件包括所述測球103、所述空心測杆102、所述處理系統，還包括：

支撐座，空心測杆102設置於所述支撐座，支撐座的一側面為雷射反射平面；

第二雷射源106，用於發射第二雷射束300，且所述第二雷射束300入射至所述支撐座的雷射反射平面；

第二光電探測器107，用於接收所述支撐座的雷射反射平面反射的雷射束；

平移部件，用於使所述支撐座做直線運動；

復位部件，用於將所述支撐座復位至初始位置；

所述處理系統用於根據所述第二光電探測器107所接收到雷射束的位置變化值，計算得到所述測球103的位移變化值。

空心測杆102設置於支撐座，以便於支撐座移動時帶動空心測杆102移動，空心測杆102可以設置於支撐座的側壁(即支撐座的外部)，為了減小整個一維雷射掃描測頭的體積，較佳地，將空心測杆102設置於支撐座的內部。如圖3所示，作為一種可實施方式的舉例，支撐座為空心支撐座108，所述空心支撐座108設有供所述空心測杆102穿過(包括空心測杆102變形前後均能穿過)的通孔，所述空心測杆102的背離所述測球103的一端設置於所述空心支撐座108內。另外，將空心支撐座108設計為空心的長方體結構，結構規則，易於生產。

本實施例中，一維雷射掃描測頭還包括殼體111，第二光電探測器107可旋轉安裝在殼體111內。平移部件用於平移空心支撐座108，尤其是用於將空心支撐座108沿垂直於第二光電探測器107的方向做直線運動。作為一種可實施方式，具體的，平移部件包括位於殼體111內的導向槽109，空心支撐座108設有與導向槽109適配的滑塊(圖中未示出)，滑塊設於空心支撐座108底部，空心支撐座108通過滑塊能夠在導向槽109內做直線運動。容易理解的，為了不影響空心測杆102的正常變形，導向槽109的結構可以使得空心測杆102穿過。該殼體111內包括第一雷射源101、第一光電探測器105、分光鏡104、第二雷射源106、空心支撐座108、第二光電探測器107和平移部件，便於安裝和拆卸。

作為一種可實施方式的舉例，復位部件設於殼體111內，復位部件為彈簧110，測球103受到被測工件阻力而發生位移導致的空心支撐座108發生位移，當測頭完成測量後，復位部件能夠將空心支撐座108復位至初始位置，便於下一個被測工件測量點的準確測量。

第二雷射源106和第二光電探測器107的位置固定不變，平移部件能夠使空心支撐座108做直線運動，當空心支撐座108位置發生變化，第二雷射源106發射的第二雷射束300入射到空心支撐座108的雷射反射平面的位置發生變化，經空心支撐座的雷射反射平面400反射後的雷射束入射到第二光電探測器107上的位置也相應發生改變，通過處理系統對第二光電探測器107對不同雷射束入射位置的變化值，進行計算並分析，能夠得到空心支撐座108在位於其直線位移方向的位移變化值。

如圖4所示，空心支撐座108水平移動過程中，假設第二光電探測器107豎直方向設置，第二雷射源106傾斜設置於第二光電探測器107的上方，且第二雷射器發射的第二雷射束300與豎直線的夾角為α，當一維雷射掃描測頭在水平方向平移距離為x時，第二光電探測器107測量距離為y，那麼，第二光電探測器107所測量得到的空心支撐座108位移放大倍數為

將該一維雷射掃描測頭安裝在精密量儀上，當測球103與被測工件直接接觸時，受到阻力而產生位移，測球103帶動空心支撐座108在平移部件上發生直線位移，通過第二雷射源106、第二光電探測器107、處理系統配合，能夠計算得到空心支撐座108的直接位移量，同時由於第一光電探測器105上所獲得的空心測杆變形量，即可獲得被測工件在空心支撐座108直線位移方向的更為準確的測量坐標，提高了測量的精度。相比於傳統的掃描式測頭，本實施例中的一維雷射掃描測頭簡化了結構，降低了生產成本，易於批量加工製造。

為了調整第二光電探測器107測量本一維雷射掃描測頭位移的放大倍數，第二光電探測器107在位於殼體111的側面上可旋轉。

可旋轉的第二光電探測器107能夠根據實際所需要測量精度改變其旋轉位置，改變第二光電探測器107和第二雷射源106發射的第二雷射束300的相對位置和夾角，從而改變了第二光電探測器107測量該一維雷射掃描測頭位移的放大倍數，滿足實際需要。

如圖5所示，將第二光電探測器107旋轉並傾斜一定角度，如β後，可以再次調整放大倍數，圖中明顯可以看出在空心支撐座108平移相同的距離x時，傾斜後的第二光電探測器107上兩條入射雷射束的入射位置發生了變化，此時，二者的間距為則第二光電探測器107所測量得到的空心支撐座108的位移放大倍數為該角度可以根據不同的需要進行調整。

本實施例中所使用的第一光電探測器105和第二光電探測器107可選用常用的位置敏感探測器(Position Sensitive Detector，簡稱PSD)，屬於半導體器件，一般做成PN結構，其工作原理是基於橫向光電效應，能夠用於位置坐標的精確測量，具有高靈敏度、高解析度、響應速度快和配置電路簡單等優點。位置敏感探測器分為一維位置敏感探測器和二維位置敏感探測器，為了節約成本，本實施例選用一維位置敏感探測器即可。一維位置敏感探測器，簡稱一維PSD，可探測出一個亮點在它的一個唯一方向的表面的移動。將一維PSD安裝在殼體111的X軸、Y軸或Z軸，抑或其他方向，以獲得其在該方向的位移值，並將其補償到被測工件的測量值上，以獲得該一維方向更準確的測量值。

圖3所示的結構中，平移部件包括位於殼體111內的導向槽109，復位部件為彈簧110，作為另一種可實施方式，如圖6所示，該平移部件和復位部件還可以是平行簧片結構，其中平行簧片的結構包括連接在空心支撐座108上的連接塊112和固定在殼體111上的座板114，連接塊112和座板114之間連接有兩個相互平行的簧片113，連接塊112可相對所述座板114平行移動和復位。

具體的，連接塊112和座板114分別與兩個等長的相互平行的簧片113連接，使連接塊112與座板114的相對運動形成一個平行四邊形平行簧片結構，由於空心支撐座108受力發生運動，連接塊112相對座板114隻能做平動，限制空心支撐座108隻能在一維方向發生位移，如圖6中箭頭所示的左右移動。兩個簧片113能夠提供回復力。該平行簧片結構簡單、回復效率高，能夠有效實現空心支撐座108在一維方向如X或Y或Z軸方向的平移和復位作用。

請參閱圖7，圖7示出了本實施例中提供的另一種結構的一維雷射掃描測頭的結構，與圖3所示的一維雷射掃描測頭的結構相比，在圖7所示結構中，空心支撐座108的側面不是雷射反射平面，即該側面沒有設置雷射反射膜，第二光電探測器107設置於空心支撐座108的該側面，第二雷射源106發射的第二雷射束300直接入射至第二光電探測器107。

空心支撐座108水平移動過程中，假設第二光電探測器107豎直方向設置，第二雷射器發射的第二雷射束300與豎直線的夾角為α，當一維雷射掃描測頭在水平方向平移距離為x時，第二光電探測器107測量距離為y，那麼，第二光電探測器107所測量得到的空心支撐座108位移放大倍數為若第二光電探測器107旋轉並傾斜一定角度，如β後，在空心支撐座108平移相同的距離x時，傾斜後的第二光電探測器107上兩條入射雷射束的入射位置發生了變化，此時，二者的間距為x·tanα·cosβ+x·tanα·sinβ·cot(α-β)，則第二光電探測器107所測量得到的空心支撐座108的位移放大倍數為tanα·cosβ+tanα·sinβ·cot(α-β)。

第二光電探測器可分別相對於第二雷射源旋轉設置，同理的，第二雷射源也可分別相對於第二光電探測器旋轉設置，以滿足實際需要。

請參閱圖8，圖8示出了本實施例中提供的又一種結構的一維雷射掃描測頭的結構，與圖7所示的一維雷射掃描測頭的結構相比，在圖8所示結構中，第二雷射源106設置於空心支撐座108的側面，第二雷射源106發射的第二雷射束300直接入射至第二光電探測器107。圖8所示結構的原理與圖7所示結構的原理相同，故不再贅述。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨後的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。同時，在本發明的描述中，術語「第一」、「第二」等僅用於區分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。

在本發明的描述中，需要說明的是，術語「上」、「下」、「左」、「右」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，或者是該發明產品使用時慣常擺放的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。

在本發明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「設置」、「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。