基于流體力學(xué)原理的三坐標(biāo)測頭系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種基于流體力學(xué)原理的三坐標(biāo)測頭系統(tǒng)，測頭系統(tǒng)包括氣管以及與氣管的一端相連的空氣探針，氣路中設(shè)置有用于檢測所述氣路不同兩點(diǎn)空氣壓力的壓力傳感器，或者氣路中設(shè)置有用于檢測所述氣路空氣流量的流量傳感器，本實(shí)用新型所述三坐標(biāo)測頭系統(tǒng)通過空氣探針吸入或射出空氣進(jìn)行工作，利用空氣探針以及氣管構(gòu)成的氣路管道內(nèi)部的空氣靜壓會隨空氣探針到被探測物體表面距離的變化而變化這一特性進(jìn)行反饋控制，使本實(shí)用新型克服了現(xiàn)有的機(jī)械式、電氣式接觸測頭及光學(xué)非接觸式測頭的缺點(diǎn)，同時還具有結(jié)構(gòu)簡單，測量精度高，掃描速度快、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】基于流體力學(xué)原理的三坐標(biāo)測頭系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于測量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于流體力學(xué)原理的三坐標(biāo)測頭系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]三坐標(biāo)測量機(jī)(CoordinateMeasuring Machining,簡稱 CMM)是 20 世紀(jì) 60 年代發(fā)展起來的一種新型高效的精密測量儀器。它的出現(xiàn)，一方面是由于自動機(jī)床、數(shù)控機(jī)床高效率加工以及越來越多復(fù)雜形狀零件加工需要有快速可靠的測量設(shè)備與之配套；另一方面是由于電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)以及精密加工技術(shù)的發(fā)展為三坐標(biāo)測量機(jī)的產(chǎn)生提供了技術(shù)基礎(chǔ)。I960年，英國FERRANTI公司研制成功世界上第一臺三坐標(biāo)測量機(jī)，到20世紀(jì)60年代末，已有近十個國家的三十多家公司在生產(chǎn)CMM，不過這一時期的CMM尚處于初級階段。進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，以ZEISS、LEITZ、DEA、LK、三豐、SIP、FERRANT1、MOORE等為代表的眾多公司不斷推出新產(chǎn)品，使得CMM的發(fā)展速度加快?，F(xiàn)代CMM不僅能在計算機(jī)控制下完成各種復(fù)雜測量，而且可以通過與數(shù)控機(jī)床交換信息，實(shí)現(xiàn)對加工的控制，并且還可以根據(jù)測量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)反求工程。目前，CMM已廣泛用于機(jī)械制造業(yè)、汽車工業(yè)、電子工業(yè)、航空航天工業(yè)和國防工業(yè)等各部門，成為現(xiàn)代工業(yè)檢測和質(zhì)量控制不可缺少的萬能測量設(shè)備。
[0003]三坐標(biāo)測量機(jī)是用測頭來拾取信號的，因而測頭的性能直接影響測量精度和測量效率，沒有先進(jìn)的測頭就無法充分發(fā)揮測量機(jī)的功能。在三坐標(biāo)測量機(jī)上使用的測頭，按結(jié)構(gòu)原理可分為機(jī)械式、光學(xué)式和電氣式等；而按測量方法又可分為接觸式和非接觸式兩類。
[0004]1.機(jī)械接觸式測頭
[0005]機(jī)械接觸式測頭為剛性測頭，根據(jù)其觸測部位的形狀，可以分為圓錐形測頭、圓柱形測頭、球形測頭、半圓形測頭、點(diǎn)測頭、V型塊測頭等。這類測頭的形狀簡單，制造容易，但是測量力的大小取決于操作者的經(jīng)驗(yàn)和技能，因此測量精度差、效率低。目前除少數(shù)手動測量機(jī)還采用此種測頭外，絕大多數(shù)測量機(jī)已不再使用這類測頭。
[0006]2.電氣接觸式測頭
[0007]電氣接觸式測頭目前已為絕大部分坐標(biāo)測量機(jī)所采用，按其工作原理可分為動態(tài)測頭和靜態(tài)測頭。
[0008]3.光學(xué)非接觸式測頭
[0009]在多數(shù)情況下，光學(xué)測頭與被測物體沒有機(jī)械接觸，這種非接觸式測量具有一些突出優(yōu)點(diǎn)，主要體現(xiàn)在:1)由于不存在測量力，因而適合于測量各種軟的和薄的工件；2)由于是非接觸測量，可以對工件表面進(jìn)行快速掃描測量；3)多數(shù)光學(xué)測頭具有比較大的量程，這是一般接觸式測頭難以達(dá)到的；4)可以探測工件上一般機(jī)械測頭難以探測到的部位。近年來，光學(xué)測頭發(fā)展較快，目前在坐標(biāo)測量機(jī)上應(yīng)用的光學(xué)測頭的種類也較多，如三角法測頭、激光聚集測頭、光纖測頭、體視式三維測頭、接觸式光柵測頭等。
[0010]雖然光學(xué)測頭的出現(xiàn)在一定程度克服了機(jī)械式和電氣式測頭的缺點(diǎn)，但自身仍存在一些不足，特別是在被測物體表面光學(xué)特性不均勻情況下，需要對表面進(jìn)行處理，這就改變了被測物原始表面，使得測量精度降低，而且增加了工作量。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0011]本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于流體力學(xué)原理的三坐標(biāo)測頭系統(tǒng)。
[0012]為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用了以下技術(shù)方案。
[0013]一種基于流體力學(xué)原理的三坐標(biāo)測頭系統(tǒng)，該三坐標(biāo)測頭系統(tǒng)包括氣管以及與氣管的一端相連的空氣探針，所述氣管與空氣探針形成的氣路中設(shè)置有用于檢測所述氣路不同兩點(diǎn)空氣壓力的壓力傳感器，或者所述氣管與空氣探針形成的氣路中設(shè)置有用于檢測所述氣路空氣流量的流量傳感器。
[0014]所述三坐標(biāo)測頭系統(tǒng)還包括計算機(jī)以及壓力室，所述壓力傳感器或者流量傳感器與計算機(jī)相連，所述氣管的另一端以及計算機(jī)分別與壓力室相連。
[0015]所述空氣探針為管狀，空氣探針的一端設(shè)置有用于吸入空氣或排出空氣的微孔，空氣探針的另一端與氣管相連。
[0016]所述空氣探針設(shè)置于三坐標(biāo)空間內(nèi)對應(yīng)的任意一維坐標(biāo)方向上，可在對應(yīng)方向上受控移動，例如在龍門橋式三坐標(biāo)測量儀的Z軸方向上。
[0017]上述基于流體力學(xué)原理的三坐標(biāo)測頭系統(tǒng)的三坐標(biāo)測量方法，包括以下步驟:
[0018]利用壓差作用使空氣探針的尖端從外界不斷吸入空氣或向外界不斷排出空氣，同時，使空氣探針的尖端受控向被測物體表面上一點(diǎn)靠近；在空氣探針的尖端靠近被測物體表面的過程中利用計算機(jī)獲取所述氣路不同兩點(diǎn)空氣壓力的差值Λ P，當(dāng)Λ P由恒定值變小時，使空氣探針的尖端停止靠近被測物體表面，并根據(jù)空氣探針的尖端在停止時刻對應(yīng)的ΛP計算空氣探針的尖端與被測物體表面對應(yīng)點(diǎn)的距離，或者，在空氣探針的尖端靠近被測物體表面的過程中利用計算機(jī)獲取所述氣路的空氣流量，當(dāng)空氣流量由恒定值變小時，使空氣探針的尖端停止靠近被測物體表面，并根據(jù)空氣探針的尖端在停止時刻對應(yīng)的空氣流量計算空氣探針的尖端與被測物體表面對應(yīng)點(diǎn)的距離。
[0019]使空氣探針沿水平方向移動，移動過程中使空氣探針根據(jù)Λ P或者所述空氣流量的變化進(jìn)行高度調(diào)整，當(dāng)Λ P或者空氣流量變小時，使空氣探針向上移動，當(dāng)Λ P或者空氣流量變大時，使空氣探針向下移動，從而實(shí)現(xiàn)空氣探針對被測物體表面連續(xù)的定距掃描。
[0020]本實(shí)用新型的有益效果體現(xiàn)在:
[0021 ] 本實(shí)用新型所述三坐標(biāo)測頭系統(tǒng)通過空氣探針吸入或射出空氣進(jìn)行工作，利用空氣探針以及氣管構(gòu)成的氣路管道內(nèi)部的空氣靜壓會隨空氣探針到被探測物體表面距離的變化而變化這一特性進(jìn)行距離測量和反饋控制，使本實(shí)用新型所述三坐標(biāo)測頭系統(tǒng)克服了現(xiàn)有的機(jī)械式、電氣式接觸測頭及光學(xué)非接觸式測頭的缺點(diǎn)，同時還具有結(jié)構(gòu)簡單，測量精度高，掃描速度快、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例的三坐標(biāo)測量系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2是圖1所示的三坐標(biāo)測量系統(tǒng)的測頭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖3為Λ P-d仿真結(jié)果曲線；[0025]圖4為Λ P-d實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線；
[0026]圖中:1為測量臺，2為龍門立柱，3為橫梁，4為中央滑架，5為Z軸，6為測頭，7為被測物，8為氣管，9為壓力室，10為計算機(jī)，61為空氣探針，62為第一空氣壓力傳感器，63為第二空氣壓力傳感器，64為微孔，91為空氣泵。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作詳細(xì)說明。
[0028]本實(shí)用新型設(shè)計了一種三坐標(biāo)測頭系統(tǒng)，從而能在準(zhǔn)確測量的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)非接觸的快速連續(xù)掃描，且對被測物材料、物理特性以及表面特性沒有特殊要求。采用本實(shí)用新型的測頭系統(tǒng)可用于各種三坐標(biāo)測量儀，為了簡要說明，以龍門橋式三坐標(biāo)測量儀為例進(jìn)行說明。
[0029]三坐標(biāo)測量系統(tǒng)為最為常見的龍門橋式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該三坐標(biāo)測量系統(tǒng)包括測量臺1，龍門立柱2，橫梁3，中央滑架4，Z軸5，測頭6，氣管8以及壓力室9，其中，橫梁3由龍門立柱2支撐，橫梁3下方為測量臺1，被測物7置于測量臺I上，中央滑架4設(shè)置于橫梁3上，Z軸5與中央滑架4相連，測頭6設(shè)置于Z軸5上，壓力室9通過氣管8與測頭6連接，為測頭6提供穩(wěn)定的壓力環(huán)境。壓力室9包含一個空氣泵91，空氣泵91測量控制單元與計算機(jī)10相連進(jìn)行通訊，將壓力室內(nèi)壓力數(shù)據(jù)傳送給計算機(jī)，計算機(jī)同時也發(fā)送控制信號給空氣泵91以控制壓力室9壓力。測頭6以及測量臺I也都與計算機(jī)10相連并進(jìn)行通訊，以采集壓力和坐標(biāo)信息，并控制測頭的運(yùn)動。
[0030]下面重點(diǎn)說明測頭的結(jié)構(gòu)和工作原理，測頭6的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括空氣探針61,第一空氣壓力傳感器62和第二空氣壓力傳感器63?？諝馓结?1通過氣管8與壓力室9連接，為空氣探針61提供穩(wěn)定壓力?？諝馓结?1尖端設(shè)置有微孔64，工作時由于壓差作用會不斷吸入空氣或排出空氣(可根據(jù)被測物的特點(diǎn)選擇工作方式)。第一空氣壓力傳感器62嵌于空氣探針61的內(nèi)壁靠近微孔處，而第二空氣壓力傳感器63則嵌于遠(yuǎn)離微孔處，分別用來采集兩處的空氣靜壓力，并發(fā)送給計算機(jī)10。由流體力學(xué)原理可知兩處的壓差Δ P=fLp V2/2D，其中L為壓力測量點(diǎn)的距離，V為流體的平均流速，D為管道直徑。所以為了能夠在流速和管道直徑一定的情況下增大壓差(有利于提高測量靈敏度)，需要增大L，即將兩個空氣壓力傳感器相互遠(yuǎn)離。
[0031]下面具體說明測頭6的工作原理:測量儀工作時，空氣探針61會逐漸靠近被測物7表面，當(dāng)空氣探針61尖端離被測物7表面的距離遠(yuǎn)大于空氣探針61尖端微孔半徑時，空氣探針61的進(jìn)氣或排氣阻力沒有變化，而第一空氣壓力傳感器62和第二空氣壓力傳感器63處的空氣壓力差值Λ P與空氣探針61尖端距離被測物7表面距離d沒有任何關(guān)系，Λ P始終會穩(wěn)定在一個恒定的數(shù)值；而當(dāng)空氣探針受控向下運(yùn)動，其尖端離被測物7表面距離與其尖端微孔半徑相當(dāng)時，根據(jù)流體力學(xué)原理，空氣探針61的進(jìn)氣或排氣阻力會增大，第一空氣壓力傳感器62和第二空氣壓力傳感器63處的空氣壓力差值Λ P會發(fā)生明顯變化。根據(jù)流體力學(xué)原理及仿真數(shù)據(jù)結(jié)果，當(dāng)空氣探針61尖端離被測物7表面越近，第一空氣壓力傳感器62和第二空氣壓力傳感器63測量的空氣壓力的差值Λ P越小。根據(jù)這一特點(diǎn)，計算機(jī)就可以通過第一空氣壓力傳感器62和第二空氣壓力傳感器63的信號差值變化來取得和控制空氣探針61尖端離被測物7表面的距離，根據(jù)取得的距離數(shù)據(jù)結(jié)合X，Y, Z軸的空間移動距離從而獲得被測物表面對應(yīng)點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，進(jìn)而測量出被測物7的外形數(shù)據(jù)。由于本方法采用非接觸式原理，所以在實(shí)際使用中可以實(shí)現(xiàn)快速掃描式測量，從而克服接觸式測頭跳躍工作模式測量速度慢的缺點(diǎn)。根據(jù)測頭工作原理可知其測量精度與空氣探針61尖端微孔的大小直接相關(guān)，所以可以根據(jù)精度要求及被測物尺寸選擇合適的空氣探針61尺寸，從而實(shí)現(xiàn)測量速度與精度兼顧。
[0032]采用空氣流量傳感器時，測量到的空氣流量與上述Δ P相關(guān)，因此，可以采用流量傳感器替換上述兩個空氣壓力傳感器完成測量。
[0033]本實(shí)用新型所設(shè)計的測頭系統(tǒng)已經(jīng)使用大型計算流體力學(xué)軟件進(jìn)行過嚴(yán)格的仿真計算，并且進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，參見圖3和圖4，在相同條件下(壓力室壓力為-0.7MPa，氣管內(nèi)徑為2.5mm，微孔直徑為0.4mm)，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，當(dāng)d足夠小時，Δ P與d存
在函數(shù)關(guān)系。
[0034]本實(shí)用新型所述測頭系統(tǒng)比傳統(tǒng)測頭系統(tǒng)具有先天的優(yōu)點(diǎn)，不但結(jié)構(gòu)簡單，測量精度_，適應(yīng)性強(qiáng)，而且可以實(shí)現(xiàn)空氣探針在被測物表面的定1?掃描，從而大大提1?測量效率。
【權(quán)利要求】
1.一種基于流體力學(xué)原理的三坐標(biāo)測頭系統(tǒng)，其特征在于:該三坐標(biāo)測頭系統(tǒng)包括氣管(8)以及與氣管(8)的一端相連的空氣探針(61)，所述氣管(8)與空氣探針(61)形成的氣路中設(shè)置有用于檢測所述氣路不同兩點(diǎn)空氣壓力的壓力傳感器，或者所述氣管(8)與空氣探針(61)形成的氣路中設(shè)置有用于檢測所述氣路空氣流量的流量傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于流體力學(xué)原理的三坐標(biāo)測頭系統(tǒng)，其特征在于:所述三坐標(biāo)測頭系統(tǒng)還包括計算機(jī)(10)以及壓力室(9)，所述壓力傳感器或者流量傳感器與計算機(jī)(10)相連，所述氣管(8)的另一端以及計算機(jī)(10)分別與壓力室(9)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于流體力學(xué)原理的三坐標(biāo)測頭系統(tǒng)，其特征在于:所述空氣探針(61)為管狀，空氣探針(61)的一端設(shè)置有用于吸入空氣或排出空氣的微孔(64 )，空氣探針(61)的另一端與氣管(8)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于流體力學(xué)原理的三坐標(biāo)測頭系統(tǒng)，其特征在于:所述空氣探針(61)設(shè)置于三坐標(biāo)空間內(nèi)對應(yīng)的任意一維坐標(biāo)方向上。
【文檔編號】G01B13/00GK203687902SQ201420016998
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年1月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月10日
【發(fā)明者】于德弘, 張旭超, 莊健, 王立忠, 汪翔宇, 張凡 申請人:西安交通大學(xué)