精密接触式测头研究

2020-06-29

精密接触式测头研究

  随着科学技术的飞速发展,精密测量技术在工业中的应用越来越广泛。作为现代测量技术的代表,三坐标测量机得到了广泛的应用。随着对加工精度要求的提高和加工复杂度的增加,特别是一些复杂曲面的加工,以及它们在一些逆向工程中的应用,三坐标测量机的作用尤为突出。

  在三坐标测量设备中,探头系统是三坐标测量机的重要组成部分,其性能的好坏直接影响到精密测量仪器的测量精度、工作性能、使用效率和灵活性,对提高测量机的整体精度起着关键作用。测头的发展直接制约着三坐标测量机的性能。只有精密探头为三坐标测量机提供了新的测量原理和新的测量精度,才能进一步提高三坐标测量机的精度和测量效率。换言之,精密测量头是制约精密测量仪器精度和速度的主要因素。精密测量仪器能否满足现代测量的要求,还取决于精密测量探头的不断创新和发展。因此,对探针的研究成为现代测量技术中的一个专题。

  一、测头的技术发展

  精密测头的最早发展可以追溯到上世纪20年代电感测微仪的出现,但其真正的快速发展是随20世50年代末坐标测量机(Coordinate Measuring Machine CMM) 的出现测头技术得到了快速的发展。

  国内的扫描测头的研究和开发比较晚,也没有行形成产业化生产,仅是在一些高校和研究机构中对其进行研究,做的比较好的诸如天津大学、北京工业大学、合肥工业大学、哈尔滨精达测量仪器有限公司等。

  国外的坐标测量机发展的比较早,技术相对的成熟,也形成了产业化,与之相配套的扫描式坐标测量测头也得到了飞速的发展。其中,比较知名的公司有英国的Renishaw公司、德国的Klingberg公司、Leitz公司和Carl Zeiss 公司、瑞士的Mecartex公司以及美国的EMD公司等。

  二、扫描测头的布局形式

  目前,国内外的坐标测量机用的扫描测头主要有并联与串联式的两种,串联式测头结构相对简单,但各个测量方向之间存在着耦合现象,使得测量结果存在较大的误差;而并联测头的各个测量轴的力学特性相同,但其制造、装配困难;因此,设计一种结构简单,而又不失测量精度的扫描测头是研究工作的主要内容。

  Delta机构是并联机构的一一种,属于少自由度的空间并联机构,1985 年首次由洛桑理工学院的( 雷蒙克拉韦尔)Reymond Clavel 博士提出,由于该机构的上下两个平台均呈三角形而得名。Delta机构克服了并联机构诸多缺点,具有承载能力强、运动耦合弱、力控制容易、安装驱动简单等优点,因而备受工业界与学术界的青睐。

  利用Delta机构的原理,设计一种完全解耦的并联测头是我们今后工作的研究重点,图1是该测头的设计的原理图。

测头设计

  三、扫描测头的基本构成单元

  3.1导向机构

  测头的运动导向机构(通常也称为导轨),其是将测球的位移矢量转换成沿着空间坐标三个轴向位移,使得传感器机构能够较为方便的检测和识别位移信号。测头的导向机构是测头设计、制造过程中的关键技术,是影响测头性能提高的关键因素。常见的测头导向机构主要都是采用材料的弹性变形来实现的,传统的滑动导轨和滚动导轨在测头的设计中极少实用。

  应用于测头设计的导向机构主要有平行簀片导向机构、柔性铰链导向机构、杆组导向机构等类型。这些导向机构都具有结构紧凑,重量轻,加工简单,运动过程中无机械摩擦,不需润滑,不产生热量和噪声,运动灵敏度较高,它的运动范围一般能达到几十微米到几毫米,分辨率达到亚微米级。

  3.2位移传感器

  测头的位移检测机构是将测针的位移量变换为易于处理的电信号。一般在测头测量仪器中,常用的位移检测结构有电感式位移传感器、光栅式位移传感器,电容位移传感器以及它们之间的组合检测单元。

  3.3复位机构

  测头的复位机构是在测头中安装一个机构,这个机构使得测头在测量结束后测头能够恢复原来的平衡位置,测头的常用复位机构有,弹簧式复位机构、片簧式复位机构、磁铁复位机构。

  3.4轴锁定机构

  测头的锁紧机构是在测头需要在只是用某个方向的测量而不需要其他方向的移动,这样就需要将测头的其他方向的移动锁死。常见的锁紧机构有弹簧V型槽锁紧机构、气压锁紧机构。

 

  四、结论

  通过对国内外技术的比较以及对测头设计原理和基本部件的研究,可以看出国外对探头的研究起步早于我国。同时,探头的测量精度高,扫描速度快。英国的Renishaw、德国的卡尔蔡司、克林伯格等许多专业生产公司已经实现了商业化和标准化,但中国仅在一些研究机构和大学中研究和制造此类探针,无法实现。商业化生产中,企业使用的坐标测量机大多是进口的,增加了生产成本。为此,需要不断提高我国探头研制的创新能力和自主知识产权,使探头研制生产更加成熟,最终实现商业化生产,从而摆脱对国外的依赖。

扫描二维码分享到微信

在线咨询
联系电话

0755-86543225