[发明专利]一种光纤式三维触发测头装置及测量方法

说明书

一种光纤式三维触发测头装置及测量方法，该装置包括光源、光纤测杆、弹性复位机构、镀有反射膜的测球以及光电检测单元，所述光纤测杆上具有一根中心光纤和在所述中心光纤周围同轴均匀分布的4N根接收光纤，N为正整数，所述弹性复位机构设置在所述光纤测杆与所述测球之间，用于使所述测球复位到初始位置，所述光源发出恒定功率的光通过所述中心光纤传输到所述测球上，经过所述反射膜反射的光通过所述接收光纤传输到所述光电检测单元。该装置可以克服在探测时由于测杆受力变形而带来的测量误差，同时具有较高的分辨力、测量精度。

技术领域

本发明涉及光学精密测量领域，特别是一种光纤式三维触发测头装置及测量方法。

背景技术

近年来，随着汽车工业、电子工业、航空航天工业和国防工业的快速发展，对微型机械、超精密加工、微型装配等技术领域也都提出了越来越高的要求，使得对各部分零件的要求也却来越高，对所加工的精密零件的精度要求也越来越严格，要对这些精密零件进行检测的仪器的要求也越来越高。对于检测测量仪器来讲，其中三坐标测量机(CMM)是一种典型的精密测量仪器。

自从1959年的苏格兰Ferranti公司研发的第一台准三坐标测量机问世之后，意大利DEA公司配置硬测头，研制了第一台真正意义上的三坐标测量机，此后各个研究机构研制了有固定桥式、移动桥式、龙门式、悬臂式等结构类型的三坐标测量机，这几种结构一直沿用到现在，其中三坐标测量机的测头部分是三坐标测量机等精密测量仪器的核心部件，直接关系到测量任务的实现和最终的测量精度，测头的发展水平直接影响着精密测量机的测量精度、工作性能、使用效率等。近年来，各研究机构和公司主要研究方向是不断完善测头的各部分性能，来简化测头整体结构、提高抗干扰性能、提高测量精度以及降低成本等。

测头可分为非接触式和接触式，其中非接触式算法复杂，对于孔、槽等一些竖直方向上的结构没有办法去实现等精度的测量，测量速度较慢，以及对被测物的表面有较高的要求等，这些限制了其使用的广泛性。对于接触式测头又可以分为触发式和扫描式，扫描式测头精度较高，但其结构复杂，体积大，价格较贵；对于触发式测头结构简单，成本低，可以满足大部分的工业要求，所以是当前应用最为广泛的一种测头。自从机械电阻式触发测头(三叉机械式)发明以来，其测量的方式不断进行改进，现有的商用触发式测头原理主要有电子机械开关、压电式、应变片式等触发方式。无论采用哪种方式的传感触发，都是测端接触被测件带动测杆偏移进而一起触发，存在的各向异性以及接触被测件引起的测杆变形等都会带来误差，虽然可以改变测量传感方式以及减小触测力等措施，来减小误差，但不是从本质上来进行消除，这样会导致误触发等因素影响测头的广泛使用。

综上所述，接触式触发测头目前是应用最广泛，但是其结构的受限，制约了其测量精度的提升，所以要从根本上消除各向异性以及测杆受力变形所来带的误差，就要突破传统触发测量模型，这样才能使接触式触发测头的精度能进一步提高。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种光纤式三维触发测头装置及测量方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种光纤式三维触发测头装置，包括光源、光纤测杆、弹性复位机构、镀有反射膜的测球以及光电检测单元，所述光纤测杆上具有一根中心光纤和在所述中心光纤周围同轴均匀分布的4N根接收光纤，N为正整数，所述弹性复位机构设置在所述光纤测杆与所述测球之间，用于使所述测球复位到初始位置，所述光源发出恒定功率的光通过所述中心光纤传输到所述测球上，经过所述反射膜反射的光通过所述接收光纤传输到所述光电检测单元，其中当所述测球与被测件接触受力时，所述测球的位置发生的变化导致球面反射的光域面积及位置发生变化，所述接收光纤所接收的光强值相应地发生变化，基于光强值变化与测球空间位置变化的关系确定所述测球的空间位置变化信息。

进一步地：

所述中心光纤与所述接收光纤的设置满足下式：