一体化三坐标测头的研究

三坐标测量机是一种精度高、量程大、通用性强、效率高的测量仪器,它能对复杂的零件进行精确的三维测量.三坐标测量机是用测头来拾取信号,测头的功能、工作效率、精度与三坐标测量机密切相关.没有先进的测头,就无法发挥测量机的功能.测头的发展使测量机的功能更加完善.

1　现有测微测头

　　现有测微测头基本上采用平行四边形片簧结构,另外加上传感元件、锁紧机构、测力机构等组成.其中平行四边形片簧机构是测头的核心,它相当于弹性导轨,通过平行片簧弯曲变形感受测端的偏移.它的线性范围一般是几十微米到几百微米,分辨力可达亚微米级.这种导轨的运动主要是靠原子间的相互作用,从根本上消除和摩擦力的影响,具有较高的分辨力.但由于原理和结构限制,这种结构加工及装配困难,抗震性差,结构尺寸大,其加工和装配误差将严重影响微位移系统的精度.

2　以柔性铰链为运动机构的新型三坐标测头

　　柔性铰链组可以做为一种新型的弹性导轨形式,它体积小、无机械摩擦、无间隙、不需润滑、不产生热量和噪声、运动灵敏度高,且结构紧凑、重量轻、加工简单,能够高度简化结构提高运动质量,很适合于纳米级分辨力的超微位移技术领域,达到纳米级的精度.但从目前的掌握的资料来看,目前没有发现任何一个研究单位把柔性铰链运用到三坐标测头中,实现一体化结构,所以这是一项探索性的工作,希望通过一些实际的工作能得到理想的结果.

2.1　柔性铰链工作原理

　　如图1所示为一简单一维柔性铰链组运动机构.

　　此机构的运动原理是:当外力F作用时,柔性铰链1、2、3和4发生变形,使块5产生运动Δs.同四连杆机构基本原理相同,所不同之处在于它是靠柔性铰链变形产生运动,因此该运动机构较一般四连杆机构更优越,具有无爬行、无间隙、无轴间噪声、不需润滑、位移分辨力高、机构紧凑等优点.

2.2　铰链尺寸理论计算公式

　　柔性铰链有很多种结构,最普遍的形式是绕一个轴弹性弯曲,这种弹性变形是可逆的.如图2所示,截面形式有圆形和矩形两种.研究的铰链切圆半径远大于铰链的厚度(t R),且用到的都是单轴柔性铰链,因此着重讨论这种条件下的设计公式.单轴柔性铰链的参数结构如图3所示.

　　绕z轴的角度偏转αz是由转矩Mz引起的柔性变形角,查阅相关资料得到它的计算公式为

式中:β=t/2R;γ=h/2R;E为材料的弹性模量.

　　这个公式不常用,对于此项研究的柔性铰链,其最小铰链厚度t比铰链的高度和切圆半径R小得多,即β=t/2R 1和β=t/2R γ=h/2R,因此式(1)可以简化为