本發(fā)明涉及測(cè)量?jī)x器，具體為一種多向位移測(cè)量測(cè)頭。

背景技術(shù)：

誤差補(bǔ)償法是提高數(shù)控機(jī)床的加工精度常用的一種方法，通常通過(guò)修改機(jī)床的加工指令對(duì)機(jī)床進(jìn)行誤差補(bǔ)償，達(dá)到理想的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)機(jī)床精度的軟升級(jí)。通過(guò)誤差補(bǔ)償不僅可以提高制造數(shù)控機(jī)床的精度等級(jí)，同時(shí)也可以對(duì)現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床的精度進(jìn)行升級(jí)。

機(jī)床誤差的測(cè)量是實(shí)施誤差補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵環(huán)節(jié)，開(kāi)發(fā)新的測(cè)量?jī)x器，對(duì)于實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償具有至關(guān)重要的意義。目前的誤差測(cè)量方法，從誤差值獲得的來(lái)源看，一般分為直接測(cè)量法、間接測(cè)量法和綜合誤差測(cè)量法。已有測(cè)量方法在機(jī)床精度評(píng)定、定期驗(yàn)收過(guò)程中起到相當(dāng)大的作用，可以提供機(jī)床誤差的最大值或平均值，有的方法已作為機(jī)床精度評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)。有些也可用來(lái)進(jìn)行機(jī)床幾何誤差單項(xiàng)的測(cè)量和為部分誤差的分解提供幫助。但仍然缺乏一種高精度，并能夠快速獲得機(jī)床幾何誤差信息，以機(jī)床誤差補(bǔ)償為目的得測(cè)量?jī)x器；所以，開(kāi)發(fā)新的測(cè)量?jī)x器，探討新的獲得機(jī)床誤差的測(cè)量方法，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)床幾何誤差的補(bǔ)償，提高機(jī)床精度，仍是主要任務(wù)，任重而道遠(yuǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種多向位移測(cè)量測(cè)頭，能夠?qū)C(jī)床誤差實(shí)施高精度、高效率的測(cè)量，為機(jī)床的誤差補(bǔ)償環(huán)節(jié)提供可靠的數(shù)據(jù)支持，具有極好的實(shí)用性。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種多向位移測(cè)量測(cè)頭，包括殼體，柔性鉸鏈片體，以殼體軸線為中心均布在安裝面上的n個(gè)電容式傳感器，以及固定在柔性鉸鏈片體上的測(cè)針；其中，n為正整數(shù)，n≥3；

所述的柔性鉸鏈片體呈正n邊形框架設(shè)置，中間設(shè)置有固定連接測(cè)針的連接板；柔性鉸鏈片體通過(guò)n個(gè)頂點(diǎn)位置作為固定端，固定在殼體的安裝面上；柔性鉸鏈片體的每個(gè)邊的中間向外延伸設(shè)置懸空端，懸空端分別與對(duì)應(yīng)邊的兩側(cè)以及連接板連接形成三個(gè)連接點(diǎn)，相鄰連接點(diǎn)之間設(shè)置隔離槽，同一邊上的隔離槽以對(duì)應(yīng)邊的中垂線為對(duì)稱軸呈對(duì)稱設(shè)置；

所述n個(gè)電容式傳感器的測(cè)量面共面設(shè)置，柔性鉸鏈片體與電容式傳感器的測(cè)量面平行；柔性鉸鏈片體上的n個(gè)懸空端分別一一正對(duì)覆蓋電容式傳感器的測(cè)量面，且有間隙的設(shè)置在對(duì)應(yīng)電容式傳感器的測(cè)量范圍內(nèi)；

所述的測(cè)針沿殼體軸線固定在連接板上，柔性鉸鏈片體的側(cè)邊非固定部分和連接板與殼體之間設(shè)置有形變間隙，用于將測(cè)針的位移通過(guò)連接板的形變帶動(dòng)各個(gè)懸空端產(chǎn)生形變。

優(yōu)選的，所述懸空端與正對(duì)覆蓋電容式傳感器的測(cè)量面之間的間隙，為電容式傳感器測(cè)量范圍的1/2。

優(yōu)選的，所述的殼體安裝面上對(duì)應(yīng)電容式傳感器分別設(shè)置有安裝通孔，電容式傳感器通過(guò)傳感器固定座固定在殼體上。

進(jìn)一步，安裝通孔位于安裝面的一側(cè)外圍設(shè)置有凹槽，凹槽的深度為電容式傳感器測(cè)量范圍的1/2，電容式傳感器的測(cè)量面與凹槽底面平齊；凹槽的外輪廓比對(duì)應(yīng)的懸空端外輪廓略大，用于提供懸空端的形變空間。

再進(jìn)一步，柔性鉸鏈片體通過(guò)內(nèi)六角螺釘固定在殼體的安裝面上。

進(jìn)一步，傳感器固定座上設(shè)置有開(kāi)口的加持孔，螺釘設(shè)置在開(kāi)口處用于電容式傳感器在加持孔內(nèi)的加緊固定。

優(yōu)選的，所述的殼體中部設(shè)置有成正n邊形設(shè)置的通孔，通孔外輪廓比柔性鉸鏈片體的框架外輪廓略大，用于提供側(cè)邊非固定部分和連接板的形變空間。

優(yōu)選的，通孔的n個(gè)轉(zhuǎn)角均呈圓弧設(shè)置。

優(yōu)選的，所述的測(cè)針采用紅寶石測(cè)針，通過(guò)精密螺母與連接板上的中心通孔。

優(yōu)選的，連接板呈正n邊形設(shè)置，每個(gè)頂點(diǎn)分別連接一個(gè)懸空端，中間設(shè)置有中心通孔；測(cè)針通過(guò)精密螺母與中心通孔固定連接。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明通過(guò)設(shè)置的柔性鉸鏈片體，由于柔性鉸鏈片體的結(jié)構(gòu)特性，對(duì)測(cè)針上球頭在任意方向發(fā)生位移，經(jīng)過(guò)力的中介作用，被解耦成柔性鉸鏈片體上n個(gè)懸空端各自的微位移，測(cè)針的球頭在任意方向的位移球頭位移與懸空端位移之間的這種映射關(guān)系具有唯一性；再利用對(duì)應(yīng)設(shè)置的電容式位移傳感器為各自的微移動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)時(shí)獲取位移數(shù)據(jù)，則能夠快速的、高效的獲取高精度的誤差數(shù)據(jù)，為誤差補(bǔ)償提供數(shù)據(jù)支持。

進(jìn)一步的，利用懸空端與電容式傳感器測(cè)量面之間的間隙設(shè)置，使其為測(cè)量范圍的1/2，能夠充分保證形變空間和位移方向和大小的測(cè)量準(zhǔn)確度。

進(jìn)一步的，通過(guò)設(shè)置的安裝通孔和凹槽的配合，使得柔性鉸鏈片體能夠直接固定在殼體上，利用凹槽保證間隙距離和變形空間，安裝通孔提供可調(diào)的安裝位置，保證使用方便和測(cè)量精度。

進(jìn)一步的，利用正n邊形的連接板，以及通孔的設(shè)置，保證了清晰、明確的變形和力的解耦傳遞關(guān)系，同時(shí)也利于安裝定位和加工。

附圖說(shuō)明

圖1a為本發(fā)明實(shí)例中所述測(cè)頭結(jié)構(gòu)正視圖。

圖1b為本發(fā)明實(shí)例中所述測(cè)頭結(jié)構(gòu)俯視圖。

圖1c為本發(fā)明實(shí)例中所述測(cè)頭結(jié)構(gòu)仰視圖。

圖1d為本發(fā)明實(shí)例中所述測(cè)頭結(jié)構(gòu)半剖視圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)例中所述殼體的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)例中所述柔性鉸鏈片體的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)例中所述傳感器與固定座裝配的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明實(shí)例中所述測(cè)頭的使用流程圖。

圖中，殼體1，第一傳感器固定座2，第一電容式位移傳感器3，第二電容式位移傳感器4，第二傳感器固定座5，第三傳感器固定座6，第三電容式位移傳感器7，柔性鉸鏈片體8，測(cè)針9；第一凹槽11，第一安裝通孔12，第二凹槽13，第二安裝通孔14，通孔15，第三凹槽16，第三安裝通孔17；第一固定端81，第一懸空端82，第二固定端83，第二懸空端84，第三固定端85，第三懸空端86，中心通孔87。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而不是限定。

本發(fā)明一種多向位移測(cè)量測(cè)頭，以設(shè)置三個(gè)電容式傳感器為例進(jìn)行說(shuō)明。其包括殼體1，第一傳感器固定座2，第二傳感器固定座5，第三傳感器固定座6，第一電容式位移傳感器3，第二電容式位移傳感器4，第三電容式位移傳感器7，以及柔性鉸鏈片體8和測(cè)針9。

柔性鉸鏈片體8固定在殼體1上，測(cè)針9固定在柔性鉸鏈片體8上，固定在殼體1上的第一、二、三傳感器固定座2、5、6，對(duì)應(yīng)安裝到第一、二、三傳感器固定座2、5、6上的第一、二、三電容式位移傳感器3、4、7。

其中，殼體1的安裝面上設(shè)置一個(gè)形狀為等邊三角形且三轉(zhuǎn)角均為圓弧的通孔15，三個(gè)深度為電容式位移傳感器傳感器測(cè)量范圍1/2大小的第一、二、三凹槽11、13、16，以及三個(gè)與電容式位移傳感器形成間隙配合的第一、二、三安裝通孔12、14、17。其中，第一、二、三凹槽11、13、16和第一、二、三安裝通孔12、14、17均以殼體1軸線為中心均布。

柔性鉸鏈片體8結(jié)構(gòu)為三角形架構(gòu)，有第一、二、三固定端81、83、85與殼體1通過(guò)內(nèi)六角螺釘裝配，有第一、二、三懸空端82、84、86在柔性鉸鏈片體8裝配后與殼體1的第一、二、三凹槽11、13、16分別對(duì)應(yīng)，間隙大小為電容式位移傳感器傳感器測(cè)量范圍的1/2，有中心通孔87通過(guò)精密螺母與測(cè)針9裝配。測(cè)針9優(yōu)選采用紅寶石測(cè)針。柔性鉸鏈片體8由一塊鋁合金薄板上經(jīng)電火花慢速切割加工而成，所有結(jié)構(gòu)成一體化設(shè)置，其三固定端三懸空端的三角形架構(gòu)結(jié)合了柔性鉸鏈微形變的特點(diǎn)，力-微位移性能比較突出。

其中，柔性鉸鏈片體8呈正三邊形框架設(shè)置，中間設(shè)置有固定連接測(cè)針9的連接板88；柔性鉸鏈片體8通過(guò)三個(gè)頂點(diǎn)位置作為固定端，固定在殼體1的安裝面上；柔性鉸鏈片體8的每個(gè)邊的中間向外延伸設(shè)置一個(gè)懸空端，懸空端分別與對(duì)應(yīng)邊的兩側(cè)以及連接板88連接形成三個(gè)連接點(diǎn)，相鄰連接點(diǎn)之間設(shè)置隔離槽89，同一邊上的隔離槽89以對(duì)應(yīng)邊的中垂線為對(duì)稱軸呈對(duì)稱設(shè)置，保證了微動(dòng)變形的傳遞。

第一傳感器固定座2通過(guò)螺釘10實(shí)現(xiàn)對(duì)第一電容式位移傳感器3的固定。第一、二、三電容式位移傳感器3、4、7的測(cè)量端面與第一、二、三凹槽11、13、16表面保持齊平，第一、二、三電容式位移傳感器3、4、7測(cè)量端面到柔性鉸鏈片體8的第一、二、三懸空端82、84、86內(nèi)表面距離保持在傳感器測(cè)量范圍的1/2大小。

測(cè)頭的作用原理，測(cè)針球頭在任意方向發(fā)生位移，由于柔性鉸鏈片體的結(jié)構(gòu)特性，測(cè)針球頭在任意方向的位移經(jīng)過(guò)力的中介作用，被解耦成柔性鉸鏈片體三懸空端各自的微位移，球頭位移與懸空端位移之間的這種映射關(guān)系具有唯一性；使用時(shí)，測(cè)針9的球頭以接觸測(cè)量的方式獲得被測(cè)對(duì)象在任意方向的位移，這種位移通過(guò)測(cè)針9球頭與柔性鉸鏈片體8相連的桿，使柔性鉸鏈片體8發(fā)生彈性形變，第一、二、三懸空端82、84、86由于彈性形變，分別發(fā)生相應(yīng)的微位移，同時(shí)傳感器實(shí)時(shí)獲取位移數(shù)據(jù)，并根據(jù)由系統(tǒng)辨識(shí)后得到的數(shù)學(xué)模型建立的算法，將三組位移數(shù)據(jù)作為輸入，實(shí)時(shí)獲得被測(cè)位移量的大小、方向。

具體的，如圖1a、圖1b、圖1c、圖1d所示，測(cè)頭相應(yīng)包括殼體1，柔性鉸鏈片體8通過(guò)內(nèi)六角螺釘固定在殼體1上，測(cè)針9固定在柔性鉸鏈片體8上，第一、二、三電容式位移傳感器3、4、7安裝到第一、二、三傳感器固定座2、5、6上，再固定到殼體1。

在圖2中詳細(xì)顯示了殼體1結(jié)構(gòu)。在測(cè)頭裝配時(shí)，柔性鉸鏈片體8的第一、二、三懸空端82、84、86分別對(duì)應(yīng)殼體1的第一、二、三凹槽11、13、16。三只電容式位移傳感器分別安裝到殼體1的第一、二、三安裝通孔12、14、17中，形成間隙配合，根據(jù)設(shè)計(jì)，傳感器測(cè)量面與凹槽的平面保持齊平。從而傳感器測(cè)量面與柔性鉸鏈片體8懸空端的內(nèi)表面的間距為傳感器測(cè)量范圍1/2大小。

在圖3中顯示了柔性鉸鏈片體8結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是一種特殊的三角架構(gòu)的柔性鉸鏈。材料的彈性模量及整體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的剛度，使結(jié)構(gòu)本身能夠?qū)?lái)自外界的微力/微位移的激勵(lì)產(chǎn)生良好的反應(yīng)，滿足對(duì)微小量測(cè)量的要求。

本發(fā)明在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)柔性鉸鏈片體8分別進(jìn)行力學(xué)建模和仿真驗(yàn)算，得到測(cè)針球頭在任意方向外界激勵(lì)的作用下，柔性鉸鏈片體8三個(gè)懸空端，第一、二、三懸空端82、84、86在傳感器軸線方向上產(chǎn)生的微位移變化量，進(jìn)而獲得測(cè)頭系統(tǒng)激勵(lì)輸入-微位移輸出的一般性數(shù)學(xué)模型。在該數(shù)學(xué)模型的指導(dǎo)下，為獲得測(cè)頭系統(tǒng)的最佳性能，主要對(duì)柔性鉸鏈片體8結(jié)構(gòu)，測(cè)針9測(cè)桿直徑及長(zhǎng)度，測(cè)針9球頭直徑進(jìn)行合理優(yōu)化。

本發(fā)明所述的測(cè)頭在使用時(shí)，在力學(xué)數(shù)學(xué)模型指導(dǎo)下，使用三坐標(biāo)微位移平臺(tái)(分度值1um)在任意方向上對(duì)測(cè)針9球頭施加單位位移量的激勵(lì)，通過(guò)第一、二、三電容式位移傳感器3、4、7實(shí)時(shí)記錄第一、二、三懸空端82、84、86分別沿傳感器軸線的微位移。在力學(xué)數(shù)學(xué)模型指導(dǎo)下建立外界激勵(lì)(單位位移)與三懸空端位移量的函數(shù)關(guān)系，同時(shí)考慮進(jìn)系統(tǒng)無(wú)法消除的誤差，從而建立測(cè)頭實(shí)物的數(shù)學(xué)模型。

在實(shí)現(xiàn)測(cè)頭對(duì)三向位移測(cè)量的環(huán)節(jié)，對(duì)測(cè)頭實(shí)物數(shù)學(xué)模型進(jìn)行處理，整理出輸入量為第一、二、三懸空端82、84、86微位移，即三只傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，輸出量為測(cè)針9球頭位移，包括位移大小和角度方向的算法模型。輸入量為傳感器實(shí)時(shí)讀數(shù)，將其輸入算法模型，在連續(xù)時(shí)間內(nèi)即可獲得測(cè)針9球頭在對(duì)被測(cè)物進(jìn)行接觸測(cè)量過(guò)程中連續(xù)的位移變化，即誤差。