[发明专利]光纤测头中光纤的布置方法

说明书

本发明提供了一种光纤测头中光纤的布置方法，所述方法包括反射式光纤测头球面或球内模型的构建及理论计算。本发明通过反射式光纤测头球面或球内模型的构建及理论的计算，不仅能够提高光纤测头对光的灵敏度，还能增加光纤测头的受光面积，且从数值仿真分析可以看出，在所选参数条件下，反射球的位移与接收光纤的受光面积在X,Y,Z方向上都呈现单调变化规律，具备触发条件。

技术领域

本发明涉及精密测量测试技术与仪器领域，尤其涉及一种光纤测头中光纤的布置方法。

背景技术

三坐标测量机(Coordinate Measuring Machine，简称CMM)是20世纪60年代发展起来的一种新型高效精密测量仪器，它的出现，一方面是由于自动机床、数控高效加工以及原来越多复杂形状零件加工需要快速有效的检测设备与之配套；另一方面是由于电子技术、计算机技术、数字控制技术以及精密加工技术的发展为CMM的产生提供了技术基础。1960年，英国FERRANTI公司研制成功世界上第一台CMM，到20世纪60年代末，已有近十个国家的三十多家公司在生产CMM，不过这一时期的CMM尚处于初级阶段。进入20世纪80年代后，以Zeiss，Moore等为代表的公司不断推出新产品，使得CMM的发展速度加快。现代CMM不仅能在计算机控制下完成各种复杂测量，而且可以通过与数控机床交换信息，实现对加工的控制。目前，CMM已广泛应用于机械制造业，汽车工业，电子工业等部门，成为现代工业检测和质量控制不可缺少的万能测量设备。

CMM用测头来拾取信号，测头的性能直接影响测量精度和测量效率。在CMM上使用的测头，可以分为接触式和非接触式两类。非接触式测头基于光反射原理，测量过程中不需要测针，但由于聚焦范围的限制，其高度方向上的量程很小；同时非接触式测头的测量结果受被测件材质和表面粗糙程度的影响较大，使用场合受到较大限制。目前，精度最高，使用范围最广的还是接触式测头。

接触式测头通常需要用测针来触碰被测件，测针受到触碰力的作用会发生弯曲变形。触碰力越大，测针越长则测针的弯曲变形量越大。为了确保接触的可靠性，需要保证一定的触碰力。因此，在现有的测量方案中，都是推荐使用短而粗的测针，以减小测针变形带来的误差。

美国专利US5659969提出了一种光反射式测头，其中发射光纤周围同轴均布3、4或者6根接收光纤；发射光纤的光通过凹面镜反射回接收光纤，通过判断接收到的总的光能来判断末端移动的位置；中国专利CN101586942A公开了一款光纤测头，其与专利US5659969不同的是使用了测端球内反射代替凹面镜，这种结构缩短了尺寸传递链，不存在测针变形引起的误差；然而，上述两个专利却均未考虑光纤的布置问题。

发明内容

本发明针对现有方式的缺点，提出一种光纤测头中光纤的布置方法，用以解决现有技术存在的上述问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种光纤测头中光纤的布置方法，包括如下步骤：

(1)构建反射式光纤测头球面或球内模型，以三维模型中的坐标原点(0,0,0)为起始位置，构建球心坐标点C(x₀,y₀,z₀)及半径为R的测端球，其中测端球也为反射球；

(2)假设发射光纤的半径为r，数值孔径为α，点A(x_A,y_A,0)为发射光纤最外层的坐标；点B(x_B,y_B,z_B)为入射光与测端球的接触点，也是入射光的反射点；在测量过程中，测端球的球心位置会发生变化，若点D(x_D,y_D,z_D)是点A关于法线BE的对称点，点E(x_E,y_E,z_E)为法线BE与AD连线的交点，则入射光纤的截面是直径为r的圆，所以A点满足方程：

反射球半径为R，其方程为：