一种新型光臂放大式三维线性测头的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种精密测量技术领域，特别涉及一种新型光臂放大式三维扫描测 头。
【背景技术】
[0002] 测头是精密量仪的关键部件之一，作为传感器提供被测工件的几何位置信息，测 头的发展水平直接影响着精密量仪的测量精度与测量效率。精密测头通常分为接触式测头 与非接触式测头两种，其中接触式测头又分为机械式测头、触发式测头和扫描式测头；非接 触式测头分为激光测头和光学视频测头。
[0003] 机械式测头是精密量仪使用较早的一种测头。该测头通过测头测端与被测工件直 接接触进行位置测量，主要用于手动测量。该类测头结构简单、操作方便，其缺点在于精度 不高，测量效率低，目前很少用于工业测量领域。当前工业领域广泛使用的精密测头是触发 式测头。触发式测头的测量原理是当测头测端与被测工件接触时精密量仪发出采样脉冲信 号，并通过仪器的处理系统锁存此时测端球心的坐标值，以此来确定测端与被测工件接触 点的坐标。该类测头具有结构简单、使用方便、及较高触发精度等优点，是三维测头中应用 最广泛的测头。但该类测头的缺点在于：存在各向异性（三角效应），或者接触式测头在接 触被测工件时因为阻力而产生微小位移从而导致测头的位移偏差，限制了其测量精度的进 一步提高，最高精度只能达零点几微米。另一方面，由于触发式测头测量原理决定了其测量 过程为单点测量，测量效率低，限制了其推广使用。
[0004] 当前应用最广的测头类型为扫描式测头，该类测头输出量与测头偏移量成正比， 作为一种精度高、功能强、适应性广的测头，同时具备工件单点测量和连续扫描测量的功 能。该类测头的测量原理是测头测端在接触被测工件后，测头由于接触力的作用发生位移， 测头的转换装置输出与测杆的微小偏移成正比的信号，该信号和精密量仪的相应坐标值叠 加便可得到被测工件上点的精确坐标。若不考虑测杆的变形，扫描式测头是各向同性的，故 其精度远远高于触发式测头。但是该类测头的缺点是结构复杂，制造成本高，目前世界上只 有少数公司可以生产。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术中所存在的机械式测头和触发式测头精度不高， 以及扫描式测头结构复杂、成本较高的上述不足，提供一种结构简单、测量精度较高的新型 光臂放大式三维扫描测头，该三维扫描测头能够测得测头在三个方向的位移，通过位移叠 加，能够补偿测球接触被测工件时测球位移导致的被测工件位置测量偏差，获得被测工件 更为准确的测量坐标。
[0006] 为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
[0007] -种新型光臂放大式三维扫描测头，包括：
[0008] 三条激光束，即激光束一、激光束二和激光束三；
[0009] 测头基座，包括至少三个反射面，其中三个反射面，即反射面一、反射面二、反射面 三，三个反射面分别用于反射三条所述激光束，所述测头基座上设有用于检测的测杆和测 球；
[0010] 三个光电探测器，即光电探测器一、光电探测器二和光电探测器三，分别用于接 收所述测头基座上所述反射面一、反射面二和反射面三分别反射的所述激光束一、激光束 二和激光束三；
[0011] 平移部件，用于使所述测头基座做直线运动，以改变所述测头基座反射面上的所 述激光束一、激光束二和激光束三的反射点位置；
[0012] 回复部件，用于将所述测头基座回复至初始位置；
[0013] 处理系统，根据所述光电探测器一、光电探测器二和光电探测器三上分别接收到 的激光束一，激光束二和激光束三反射位置变化值，计算得到所述测球的三维位移变化值。
[0014] 该新型光臂放大式三维扫描测头，利用三条激光束，入射到测头基座上，通过测头 基座上的不同反射面反射出去，再分别入射到三个光电探测器上，每个光电探测器能够感 应对应激光束的反射位置。当平移部件带动测头基座做直线运动，即平移部件能够沿不同 方向平移测头基座，以改变测头基座不同反射面上的激光束反射点位置，测头基座不同反 射面反射出去的三条激光束分别入射到对应光电探测器上的位置也相应发生改变，处理系 统分别对每个激光束入射到对应光电探测器上反射位置变化值进行计算并分析，能够得到 测头基座在位于不同方向的直线位移变化值，将不同方向直线位移进行叠加，即可获得该 测头基座在三个方向合成的三维位移量，测头基座发生位移后通过回复部件能够回复至初 始位置，便于下一次的测量。
[0015] 使用时，将该三维扫描测头安装在精密量仪上，由于测头基座上连接测杆和测球， 测球用于与被测工件直接接触进行位置测量，当测球与被测工件直接接触时，受到阻力而 产生位移，测球带动测头基座在平移部件上产生位移，通过三条激光束、测头基座上的三个 相互垂直设置的反射面、三个光电探测器、处理系统配合，能够计算得到测球的位移量，以 补偿测球接触被测工件时位移导致的被测工件位置测量偏差，由于每个光电探测器能够得 到一个直线方向的位移量，通过三个光电探测器即能够得到在三个不同直线方向的位移偏 移量，以获得被测工件更为准确的位置坐标，最高精度能够达到纳米级别，提高了三维扫描 测头的测量精度。该测头简化了结构，降低了生产成本，易于批量加工制造。
[0016] 优选地，所述反射面一、反射面二、反射面三两两相互垂直，所述平移部件用于将 所述测头基座分别沿三个相互垂直的方向移动。
[0017] 平移部件可以对测头基座沿不同的方向进行单独移动，以分别被相应方向的光电 探测器进行测量。
[0018] 优选地，所述平移部件包括位于水平方向的至少一个导向槽一，所有所述导向槽 一之间沿垂直方向水平滑动设有至少一个导向槽二，所有所述导向槽二上沿垂直方向设有 至少一个导向槽三，所有所述导向槽三上沿竖直平面上下滑动连接所述测头基座。
[0019] 该平移部件分别包括导向槽一、导向槽二和导向槽三，其中导向槽二可相对导向 槽一滑动，导向槽三可相对导向槽二滑动，导向槽一的滑动方向与导向槽二的滑动方向相 互垂直，导向槽二的滑动方向与导向槽三的滑动方向相互垂直，导向槽三通过滑块连接测 头基座，测头基座可在导向槽三上进行滑动，因此该平移部件能够分别实现测头基座在三 维方向即三个相互垂直的方向进行位移。
[0020] 优选地，所述回复部件包括弹簧片一、弹簧片二、弹簧片三，其中所述弹簧片一设 于至少一个所述导向槽一上并用于将所述导向槽二回复至初始位置，所述弹簧片二设于 至少一个所述导向槽二上并用于将所述导向槽三回复至初始位置，所述弹簧片三设于所述 导向槽三上并用于将所述测头基座回复至初始位置。
[0021] 该回复部件包括分别设于导向槽一、导向槽二、导向槽三上的弹簧片一、弹簧片 二、弹簧片三，能够分别将导向槽二、导向槽三和测头基座回复至初始位置，即将三个激光 束反射至三个光电探测器上位置回复至最初位置，便于测头系统的下一次测量。
[0022] 优选地，所述测头基座为长方体，所述反射面一、反射面二、反射面三分别设于该 长方体两两相互垂直的三个面上，所述光电探测器一、光电探测器二和光电探测器三也两 两相互垂直设置。
[0023] 长方体形状的测头基座便于加工和安装，三个侧面两两相互垂直，将三个反射面 设于这三个侧面，更容易保证三个反射面相互之间的垂直度精度。
[0024] 优选地，所述激光束一、激光束二和激光束三分别通过三个激光源，即激光源一、 激光源二和激光源三发射。
[0025] 优