一種變剛度并聯(lián)柔性約束微納測(cè)頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種變剛度并聯(lián)柔性約束微納測(cè)頭，包括圓環(huán)狀的外殼，外殼的頂部設(shè)有上端蓋，上端蓋的內(nèi)側(cè)中心吊裝一個(gè)載物體，外殼的底部通過外殼承載臺(tái)連接一個(gè)變剛度并聯(lián)柔性約束機(jī)構(gòu)，變剛度并聯(lián)柔性約束機(jī)構(gòu)在遠(yuǎn)離上端蓋的一側(cè)的中心設(shè)有測(cè)桿，測(cè)桿遠(yuǎn)離動(dòng)平臺(tái)的一端端部設(shè)有測(cè)球，本發(fā)明可以根據(jù)測(cè)量物體和工作過程的需求，改變?nèi)嵝约s束機(jī)構(gòu)的橫向剛度，以滿足對(duì)測(cè)量工作的需求。
【專利說明】
一種變剛度并聯(lián)柔性約束微納測(cè)頭
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及測(cè)量?jī)x器技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種變剛度并聯(lián)柔性約束微納測(cè)頭。
【背景技術(shù)】
[0002] 測(cè)頭是精密量?jī)x的關(guān)鍵部件之一，作為傳感器提供被測(cè)工件的幾何信息，其發(fā)展水平直接影響著精密量?jī)x的測(cè)量精度、工作性能、使用效率和柔性程度。目前，接觸觸發(fā)式測(cè)頭的三維測(cè)量技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。相比于非接觸式測(cè)頭，觸發(fā)式測(cè)頭具有足夠的精度，且成本低，可靠性高，易校正等優(yōu)點(diǎn)。
[0003] 三維測(cè)頭是坐標(biāo)測(cè)量機(jī)關(guān)鍵的零部件之一，坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的精度直接依賴于測(cè)頭的精度。接觸觸發(fā)式測(cè)頭主要是通過探針與工件接觸，彼此產(chǎn)生相對(duì)作用力，該力迫使探針發(fā)生微量變形而使測(cè)頭內(nèi)部的觸發(fā)機(jī)構(gòu)觸發(fā)，從而產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，測(cè)量系統(tǒng)讀取該觸發(fā)信號(hào)后及時(shí)記下該點(diǎn)的形位誤差等相關(guān)信息，從而完成測(cè)量。目前，接觸式測(cè)頭還存在一些缺陷，例如:接觸式測(cè)頭的約束支承機(jī)構(gòu)的剛度對(duì)測(cè)量有著很大的影響，剛度較低會(huì)造成諧振頻率低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、測(cè)量碰撞瞬間的“高爾夫球效應(yīng)”、慣性力造成的誤觸發(fā)問題等；剛度過高又會(huì)使得測(cè)量過程靈敏度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度下降，從而導(dǎo)致較大測(cè)量力甚至損壞被測(cè)元件表面。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述缺陷，提供一種變剛度并聯(lián)柔性約束微納測(cè)頭。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供以下的技術(shù)方案:一種變剛度并聯(lián)柔性約束微納測(cè)頭，包括包括圓環(huán)狀的外殼，外殼的頂部設(shè)有上端蓋，上端蓋的內(nèi)側(cè)中心吊裝一個(gè)載物體， 載物體位于由外殼圍成的腔內(nèi)，外殼的底部通過外殼承載臺(tái)連接一個(gè)變剛度并聯(lián)柔性約束機(jī)構(gòu)，變剛度并聯(lián)柔性約束機(jī)構(gòu)包括動(dòng)平臺(tái)和固定平臺(tái)，動(dòng)平臺(tái)中間為圓形，圓形邊緣外接三個(gè)相互間隔120°的矩形伸出端，三個(gè)外接的矩形伸出端靠近上端蓋的一側(cè)表面均貼有移動(dòng)反射鏡，動(dòng)平臺(tái)與固定平臺(tái)之間通過一個(gè)矩形薄壁梁連接，薄壁梁的一端與動(dòng)平臺(tái)呈一整化結(jié)構(gòu)，且薄壁梁與動(dòng)平臺(tái)的矩形伸出端相互垂直，薄壁梁的另一端固接在固定平臺(tái)的變形梁上，變形梁中間位置貼有壓電陶瓷纖維片，固定平臺(tái)呈等邊三角形，固定平臺(tái)三個(gè)邊角位置均設(shè)計(jì)有固定基座，每相鄰兩個(gè)固定基座之間通過一個(gè)變形梁連接，每個(gè)固定基座上都有用于與外殼承載臺(tái)連接的圓孔，所述動(dòng)平臺(tái)位于固定平臺(tái)的中心處;所述載物體側(cè)壁上均勻分布三個(gè)激光干涉儀，相鄰的兩個(gè)激光干涉儀之間的交角為120°，載物體在激光干涉儀的下方分別設(shè)有固定干涉鏡，每個(gè)激光干涉儀對(duì)準(zhǔn)一個(gè)固定干涉鏡，且激光干涉儀與分布在動(dòng)平臺(tái)上的移動(dòng)反射鏡一一對(duì)應(yīng);所述動(dòng)平臺(tái)在遠(yuǎn)離上端蓋的一側(cè)的中心設(shè)有測(cè)桿，測(cè)桿遠(yuǎn)離動(dòng)平臺(tái)的一端端部設(shè)有測(cè)球。
[0006] 優(yōu)選的，測(cè)桿與動(dòng)平臺(tái)連接的端部設(shè)有測(cè)桿基體，測(cè)桿基體通過粘合劑粘帖在動(dòng)平臺(tái)的中心，所述測(cè)桿、測(cè)球、測(cè)桿基體為一體式結(jié)構(gòu)。
[0007] 優(yōu)選的，載物體為空心的正六棱柱，所述激光干涉儀通過夾持器固定于載物體上， 載物體的底部設(shè)有載物體端蓋，載物體安裝有激光干涉儀的側(cè)面上分別焊接一個(gè)固定干涉鏡支架，三個(gè)固定干涉鏡分別通過螺栓連接在固定干涉鏡支架上。
[0008] 優(yōu)選的，上端蓋的邊緣均勻分布四個(gè)用于與外殼連接的螺紋孔I，上端蓋的中心設(shè)有用于吊裝載物體的螺紋孔Π。
[0009] 優(yōu)選的，固定平臺(tái)通過螺栓與外殼承載臺(tái)連接，固定平臺(tái)與外殼承載臺(tái)之間還設(shè)
有墊片。
[0010] 采用上述技術(shù)方案，采用變剛度并聯(lián)柔性約束機(jī)構(gòu)代替常見的彈性支承，通過壓電陶瓷纖維片的壓電效應(yīng)，對(duì)固定平臺(tái)的變形梁產(chǎn)生橫向載荷作用，使變形梁產(chǎn)生彎曲，從而使得薄壁梁受到拉伸或壓縮，改變動(dòng)平臺(tái)上薄壁梁的橫向剛度?；趹?yīng)力剛化原理，通過擠壓減小薄壁梁的橫向剛度，減小了測(cè)量所需的測(cè)量力，提高了測(cè)頭的靈敏度;通過拉伸可以增加柔性約束機(jī)構(gòu)的橫向剛度，改善測(cè)頭的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。本發(fā)明可以根據(jù)測(cè)量物體和工作過程的需求，改變?nèi)嵝约s束機(jī)構(gòu)的橫向剛度，以滿足對(duì)測(cè)量工作的需求。
【附圖說明】
[0011] 圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012] 圖2是本發(fā)明變剛度并聯(lián)柔性約束機(jī)構(gòu)及測(cè)桿組合體、外殼承載臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013] 圖3是本發(fā)明載物體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖4是本發(fā)明外殼與上端蓋的連接示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面結(jié)合附圖，通過對(duì)實(shí)施例的描述，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明:
[0016] 如圖1到4所示，本發(fā)明一種變剛度并聯(lián)柔性約束微納測(cè)頭，包括包括圓環(huán)狀的外殼1，外殼1的頂部設(shè)有上端蓋2,上端蓋2的邊緣均勻分布四個(gè)用于與外殼1連接的螺紋孔I 6,上端蓋2的中心設(shè)有用于吊裝載物體5的螺紋孔Π4,上端蓋2的內(nèi)側(cè)中心通過螺紋孔Π4 吊裝載物體5，載物體5位于由外殼1圍成的腔內(nèi)，載物體5為空心的正六棱柱，使本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)重量減輕。
[0017] 載物體5側(cè)壁上均勻分布三個(gè)激光干涉儀3,三個(gè)激光干涉儀3位于同一個(gè)圓周上， 且每相鄰的兩個(gè)激光干涉儀3之間的交角為120°，激光干涉儀3通過夾持器19固定于載物體 5上，載物體5的底部設(shè)有載物體端蓋14,載物體5安裝有激光干涉儀3的側(cè)面上分別焊接一個(gè)固定干涉鏡支架20,載物體5在激光干涉儀3的下方分別設(shè)有固定干涉鏡15,固定干涉鏡 15螺紋連接在固定干涉鏡支架20上，通過支架的形式安裝固定干涉鏡15以及激光干涉儀3， 使得安裝方便。每個(gè)激光干涉儀3對(duì)準(zhǔn)一個(gè)固定干涉鏡15,外殼1的底部通過外殼承載臺(tái)8連接一個(gè)變剛度并聯(lián)柔性約束機(jī)構(gòu)。
[0018] 變剛度并聯(lián)柔性約束機(jī)構(gòu)包括動(dòng)平臺(tái)18和固定平臺(tái)9,動(dòng)平臺(tái)18中間為圓形，圓形邊緣外接三個(gè)相互間隔120°的矩形伸出端，三個(gè)外接的矩形伸出端靠近上端蓋2的一側(cè)表面均貼有移動(dòng)反射鏡10,激光干涉儀3與分布在動(dòng)平臺(tái)上的移動(dòng)反射鏡10—一對(duì)應(yīng)。
[0019] 動(dòng)平臺(tái)18與固定平臺(tái)9之間通過一個(gè)矩形薄壁梁連接，薄壁梁的一端與動(dòng)平臺(tái)18 呈一整化結(jié)構(gòu)，且薄壁梁與動(dòng)平臺(tái)18的矩形伸出端相互垂直，薄壁梁的另一端固接在固定平臺(tái)9的變形梁21上，固定平臺(tái)9呈等邊三角形，固定平臺(tái)9三個(gè)邊角位置均設(shè)計(jì)有固定基座，每相鄰兩個(gè)固定基座之間通過一個(gè)變形梁21連接，變形梁21中間位置貼有壓電陶瓷纖維片17,每個(gè)固定基座上都有用于與外殼承載臺(tái)8連接的圓孔，動(dòng)平臺(tái)18位于固定平臺(tái)9的中心處，固定平臺(tái)9通過螺栓7穿過固定基座的圓孔與外殼承載臺(tái)8連接，固定平臺(tái)9與外殼承載臺(tái)8之間還設(shè)有墊片16,用于保護(hù)固定基座;動(dòng)平臺(tái)18在遠(yuǎn)離上端蓋2的一側(cè)的中心設(shè)有測(cè)桿11，測(cè)桿11遠(yuǎn)離動(dòng)平臺(tái)18的一端端部設(shè)有測(cè)球12。
[0020] 測(cè)桿11與動(dòng)平臺(tái)18連接的端部設(shè)有測(cè)桿基體13,測(cè)桿基體13通過粘合劑粘帖在動(dòng)平臺(tái)18的中心，所述測(cè)桿11、測(cè)球12、測(cè)桿基體13為一體式結(jié)構(gòu)，這樣可以保證測(cè)球傳遞的
精確度，減小誤差。
[0021] 本發(fā)明變剛度并聯(lián)柔性約束機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)18與固定平臺(tái)9在同一平面，在此奇異位形處，該機(jī)構(gòu)可以沿著動(dòng)平臺(tái)內(nèi)任意直線轉(zhuǎn)動(dòng)和動(dòng)平臺(tái)18的法線方向移動(dòng)，當(dāng)測(cè)頭測(cè)球 12受到力的作用，該作用通過測(cè)桿11與測(cè)桿基體13傳遞給變剛度并聯(lián)柔性約束機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)18，通過動(dòng)平臺(tái)18的薄壁梁的變動(dòng)使平臺(tái)位姿發(fā)生變化，此時(shí)三個(gè)激光干涉儀3發(fā)出的激光可以通過移動(dòng)反射鏡10和固定干涉鏡15的作用反射回激光干涉儀3,從而可以得到三個(gè)點(diǎn)的位移變化，基于這三個(gè)點(diǎn)的位移變化，計(jì)算出動(dòng)平臺(tái)位姿和姿態(tài)的變化，從而完成測(cè)量。
[0022] 本發(fā)明采用變剛度并聯(lián)柔性約束機(jī)構(gòu)代替常見的彈性支承，通過壓電陶瓷纖維片 17的壓電效應(yīng)，對(duì)固定平臺(tái)9的變形梁21產(chǎn)生橫向載荷作用，使變形梁21產(chǎn)生彎曲，從而使得薄壁梁受到拉伸或壓縮，改變動(dòng)平臺(tái)18上薄壁梁的橫向剛度?；趹?yīng)力剛化原理，通過擠壓減小薄壁梁的橫向剛度，減小了測(cè)量所需的測(cè)量力，提高了測(cè)頭的靈敏度;通過拉伸可以增加柔性約束機(jī)構(gòu)的橫向剛度，改善測(cè)頭的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。本發(fā)明可以根據(jù)測(cè)量物體和工作過程的需求，改變?nèi)嵝约s束機(jī)構(gòu)的橫向剛度，以滿足對(duì)測(cè)量工作的需求。
[0023] 以上所述的僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種變剛度并聯(lián)柔性約束微納測(cè)頭，包括包括圓環(huán)狀的外殼(1)，外殼(1)的頂部設(shè) 有上端蓋(2)，上端蓋(2)的內(nèi)側(cè)中心吊裝一個(gè)載物體(5)，載物體(5)位于由外殼(1)圍成的 腔內(nèi)，外殼(1)的底部通過外殼承載臺(tái)(8)連接一個(gè)變剛度并聯(lián)柔性約束機(jī)構(gòu)，其特征在于: 所述變剛度并聯(lián)柔性約束機(jī)構(gòu)包括動(dòng)平臺(tái)(18)和固定平臺(tái)(9)，動(dòng)平臺(tái)(18)中間為圓形，圓 形邊緣外接三個(gè)相互間隔120°的矩形伸出端，三個(gè)外接的矩形伸出端靠近上端蓋(2)的一 側(cè)表面均貼有移動(dòng)反射鏡(10)，動(dòng)平臺(tái)(18)與固定平臺(tái)(9)之間通過一個(gè)矩形薄壁梁連接， 薄壁梁的一端與動(dòng)平臺(tái)(18)呈一整化結(jié)構(gòu)，且薄壁梁與動(dòng)平臺(tái)(18)的矩形伸出端相互垂 直，薄壁梁的另一端固接在固定平臺(tái)(9)的變形梁(21)上，變形梁(21)中間位置貼有壓電陶 瓷纖維片(17)，固定平臺(tái)(9)呈等邊三角形，固定平臺(tái)(9)三個(gè)邊角位置均設(shè)計(jì)有固定基座， 每相鄰兩個(gè)固定基座之間通過一個(gè)變形梁(21)連接，每個(gè)固定基座上都有用于與外殼承載 臺(tái)(8)連接的圓孔，所述動(dòng)平臺(tái)(18)位于固定平臺(tái)(9)的中心處;所述載物體(5)側(cè)壁上均勻 分布三個(gè)激光干涉儀(3)，相鄰的兩個(gè)激光干涉儀(3)之間的交角為120°，載物體(5)在激光 干涉儀(3)的下方分別設(shè)有固定干涉鏡(15 )，每個(gè)激光干涉儀(3)對(duì)準(zhǔn)一個(gè)固定干涉鏡 (15 )，且激光干涉儀(3)與分布在動(dòng)平臺(tái)上的移動(dòng)反射鏡(10) —一對(duì)應(yīng);所述動(dòng)平臺(tái)(18)在 遠(yuǎn)離上端蓋(2)的一側(cè)的中心設(shè)有測(cè)桿(11)，測(cè)桿(11)遠(yuǎn)離動(dòng)平臺(tái)(18)的一端端部設(shè)有測(cè) 球(12)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變剛度并聯(lián)柔性約束微納測(cè)頭，其特征在于:所述測(cè)桿(11)與 動(dòng)平臺(tái)(18)連接的端部設(shè)有測(cè)桿基體(13)，測(cè)桿基體(13)通過粘合劑粘帖在動(dòng)平臺(tái)(18)的 中心，所述測(cè)桿(11)、測(cè)球(12)、測(cè)桿基體(13)為一體式結(jié)構(gòu)。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的變剛度并聯(lián)柔性約束微納測(cè)頭，其特征在于:所述載物體 (5)為空心的正六棱柱，所述激光干涉儀(3)通過夾持器(19)固定于載物體(5)上，載物體 (5)的底部設(shè)有載物體端蓋(14)，載物體(5)安裝有激光干涉儀(3)的側(cè)面上分別焊接一個(gè) 固定干涉鏡支架(20 )，三個(gè)固定干涉鏡(15)分別通過螺栓連接在固定干涉鏡支架(20)上。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變剛度并聯(lián)柔性約束微納測(cè)頭，其特征在于:所述上端蓋(2) 的邊緣均勻分布四個(gè)用于與外殼(1)連接的螺紋孔1(6)，上端蓋(2)的中心設(shè)有用于吊裝載 物體(5)的螺紋孔Π( 4)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的變剛度并聯(lián)柔性約束微納測(cè)頭，其特征在于:所述固定平臺(tái) (9)通過螺栓(7)與外殼承載臺(tái)(8)連接，固定平臺(tái)(9)與外殼承載臺(tái)(8)之間還設(shè)有墊片 (16)〇
【文檔編號(hào)】G01B7/016GK105953714SQ201610513796
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年6月30日
【發(fā)明人】李保坤, 王康, 劉素梅, 韓迎鴿, 王開松, 馬天兵, 楊洪濤, 王成軍, 陳清華, 張國(guó)榮, 程勇
【申請(qǐng)人】安徽理工大學(xué)