三坐标测量机用压电式触发测头的分析

    三坐标刚量机用测头是三坐标机的关键部件之一，可分为动态测头与静态测头两大类。动态测头也称触发式测头，它是利用测头触球和工件相碰时发出触发脉冲，向三坐标机发出采样信号，锁存此时刚头的三个坐标值来确定其空间位置。对一平面进行三次以上触测即可求得其空间坐标方程。对平面圆进行三次以上触刚即可求得其圆心坐标及半径，同样对任意复杂的空间物体进行多点触测，就可确定其形状。由以上方法可看出，刚头的触发精度直接影响到测量精度。目前使用的机械触发式刚头精度过低，不能满足高精度的三坐标机的使用要求。新型测头种类很多，其中压电式触发测头以其结构简单、工艺性好和成本低廉的独特优点引人注目。本文介绍几种压电式触发测头。

    一、结构原理

    图1所示的测头中，半圆形晶片1和2为激励片。当放大器A输出交变电压时，片1,2振动，片3和片4拾振，经放大器形成正反馈，维持振荡。当测杆与工件相碰时，测杆振荡受到阻尼，检波器输出减小，从而发出信号。这种测头的自振频率随杆长的变化而变化，因此灵敏度、精度等指标将随杆长而发生变化。为了避免上述问题，可采用图2所示的结构，即把传感器部分装在杆的下部。图1和图2所示的结构只适用于测量速度较小的场合。因为杆振动的阻尼有一过程，测量速度过大，则从触球与工件接触到发讯间由于一定的时间延迟而造成较严重的滞后。图3的结构有助于解决这一问题。其在测杆的下方装置了一对压电晶片，当测量速度较小时用前述的振动原理精度已较高，且此时下方晶片的输出较小，故振动部分先发讯，经或门输出。当测量速度较快时，测杆下方压电片的输出信号较强且迅速，故它先发讯，经或门输出。

    图4和图5所示的测头，是利用压电陶瓷受压产生电的效应进行测量的。该测头利用“锥一球”配合，把测杆在x一y平面内的位移成z方向的位移来压迫压电陶瓷产生电信号发讯。由于压电陶瓷受压后变形很小，故该机构采用了簧片支承，无摩擦，性能较好。为了使测杆触测工件时能产生较大位移避免损坏，此测头采用三对“锥一球”超静定支承复位装置。

    图6和图7所介绍的测头采用了识别信号。图6中安装有五片压电片，上面的一片反映士z方向的受力情况，四周的四片分别反映土x、士y方向的测力情况。该测头的复零装置采用多种形式的定位元件，如球一平面，球一V型槽，球一内三棱锥等，可沿士z方向移动。该测头的某一晶片输出电压波形如图8所示。当其电压超过可调的翻转电平时(如在时刻t1 )，即输出一脉冲，用于计算机的采样。在正常触测时，测杆受到一个冲击力，后者逐渐增大;直至支承脱离。在此期间晶片一直有电压输出。而出现干扰信号时，晶片输出干扰脉冲后，电压很快降至零。为了防止误触发，电路部分在输出第一个脉冲后一段时间(如100ms)的t:时刻检查电压是否仍为某一数值。若是，说明是正常触发，则输出一识别脉冲(第二脉冲)说明第一脉冲有效，反之则无效。用此方法可较有效的防止干扰的产生。利用图7所示的光电装置也可产生识别信号。