三坐标测量机测头分类与关键技术三坐标测头有接触式、非接触式;非接触式之中又有光电、非光电之分,详细介绍下这几种分类,尤其是光电式,另外三坐标测量机的关键技术是什么?
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(一)测头 三坐标测量机是用测头来拾取信号的,因而测头的性能直接影响测量精度和测量效率,没有先进的测头就无法充分发挥测量机的功能.在三坐标测量机上使用的测头,按结构原理可分为机械式、光学式和电气式等;而按测量方法又可分为接触式和非接触式两类.
1.机械接触式测头
机械接触式测头为刚性测头,根据其触测部位的形状,可以分为圆锥形测头、圆柱形测头、球形测头、半圆形测头、点测头、V型块测头等(如图9-5所示).这类测头的形状简单,制造容易,但是测量力的大小取决于操作者的经验和技能,因此测量精度差、效率低.目前除少数手动测量机还采用此种测头外,绝大多数测量机已不再使用这类测头.
图9-5 机械接触式测头
(a) 圆锥形测头 (b) 圆柱形测头 (c) 球形测头 (d) 半圆形测头 (e) 点测头 (f) V型块测头
2.电气接触式测头
电气接触式测头目前已为绝大部分坐标测量机所采用,按其工作原理可分为动态测头和静态测头.
(1)动态测头
常用动态测头的结构如图9-6所示.测杆安装在芯体上,而芯体则通过三个沿圆周1200分布的钢球安放在三对触点上,当测杆没有受到测量力时,芯体上的钢球与三对触点均保持接触,当测杆的球状端部与工件接触时,不论受到X、Y、Z哪个方向的接触力,至少会引起一个钢球与触点脱离接触,从而引起电路的断开,产生阶跃信号,直接或通过计算机控制采样电路,将沿三个轴方向的坐标数据送至存储器,供数据处理用.
可见,测头是在触测工件表面的运动过程中,瞬间进行测量采样的,故称为动态测头,也称为触发式测头.动态测头结构简单、成本低,可用于高速测量,但精度稍低,而且动态测头不能以接触状态停留在工件表面,因而只能对工件表面作离散的逐点测量,不能作连续的扫描测量.目前,绝大多数生产厂选用英国RENISHAW公司生产的触发式测头.
图9-6 电气式动态测头
1—弹簧 2—芯体 3—测杆 4—钢球 5—触点
(2)静态测头
静态测头除具备触发式测头的触发采样功能外,还相当于一台超小型三坐标测量机.测头中有三维几何量传感器,在测头与工件表面接触时,在X、Y、Z三个方向均有相应的位移量输出,从而驱动伺服系统进行自动调整,使测头停在规定的位移量上,在测头接近静止的状态下采集三维坐标数据,故称为静态测头.静态测头沿工件表面移动时,可始终保持接触状态,进行扫描测量,因而也称为扫描测头.其主要特点是精度高,可以作连续扫描,但制造技术难度大,采样速度慢,价格昂贵,适合于高精度测量机使用.目前由LEITZ、ZEISS和KERRY等厂家生产的静态测头均采用电感式位移传感器,此时也将静态测头称为三向电感测头.图9-7为ZEISS公司生产的双片簧层叠式三维电感测头的结构.
测头采用三层片簧导轨形式,三个方向共有三层,每层由两个片簧悬吊.转接座17借助两个X向片簧16构成的平行四边形机构可作X向运动.该平行四边形机构固定在由Y向片簧1构成的平行四边形机构的下方,借助片簧1,转接座可作Y向运动.Y向平行四边形机构固定在由Z向片簧3构成的平行四边形机构的下方,依靠它的片簧,转接座可作Z向运动.为了增强片簧的刚度和稳定性,片簧中间为金属夹板.为保证测量灵敏、精确,片簧不能太厚,一般取0.1mm.由于Z向导轨是水平安装,故用三组弹簧2、14、15加以平衡.可调弹簧14的上方有一螺纹调节机构,通过平衡力调节微电机10转动平衡力调节螺杆11,使平衡力调节螺母套13产生升降来自动调整平衡力的大小.为了减小Z向弹簧片受剪切力而产生变位,设置了弹簧2和15,分别用于平衡测头Y向和X向部件的自重.
在每一层导轨中各设置有三个部件:①锁紧机构:如图9-7b所示,在其定位块24上有一凹槽,与锁紧杠杆22上的锁紧钢球23精确配合,以确定导轨的“零位”.在需打开时,可让电机20反转一角度,则此时该向导轨处于自由状态.需锁紧时,再使电机正转一角度即可.②位移传感器:用以测量位移量的大小,如图9-7c所示,在两层导轨上,一面固定磁芯27,另一面固定线圈26和线圈支架25.③阻尼机构:用以减小高分辨率测量时外界振动的影响.如图9-7d所示,在作相对运动的上阻尼支架28和下阻尼支架31上各固定阻尼片29和30,在两阻尼片间形成毛细间隙,中间放入粘性硅油,使两层导轨在运动时,产生阻尼力,避免由于片簧机构过于灵敏而产生振荡.
该测头加力机构工作原理如图9-7a所示,其中X向加力机构和Y向加力机构相同(图中只表示出了X向).X向加力机构是利用电磁铁6推动杠杆5,使其绕十字片簧8的回转中心转动而推动中间传力杆7围绕波纹管4组成的多向回转中心旋转,由于中间传力杆与转接座17用片簧相连,因而推动测头在X方向“预偏置”.Z向加力机构是利用电磁铁9产生的,当电磁铁作用时,在Z向产生的上升或下降会通过顶杆12推动被悬挂的Z向的活动导轨板,从而推动测头在Z方向“预偏置”.
图9-7 加力式三向电感测头
(a)总体结构 (b)锁紧机构 (c)位移传感器 (d)阻尼机构
1—Y向片簧 2—平衡弹簧 3—Z向片簧 4—波纹管 5—杠杆 6—电磁铁 7—中间传力杆
8—十字片簧 9—电磁铁 10—平衡力调节微电机 11—平衡力调节螺杆 12—顶杆
13—平衡力调节螺母套 14—平衡弹簧 15—平衡弹簧 16—X向片簧 17—转接座 18—测杆
19—拔销 20—电机 21—弹簧 22—杠杆 23—锁紧钢球 24—定位块 25—线圈支架