精密接觸掃描測頭機械系統關鍵技術研究

李偉偉李雅寧白 偉

精密接觸掃描測頭機械系統關鍵技術研究

李偉偉1李雅寧1白 偉2

（1.西安工業大學，西安 710000；2.長慶油田分公司第三輸油處，西安 710021）

精密測量技術的發展作為現代工業發展的重要標志，其測頭的設計與制造水平直接制約著坐標測量機的發展。接觸掃描式測頭作為一種典型的代表，具有測量精度高、性能穩定、測量效率高的諸多優點，被廣泛應用于精密檢測與在線制造檢測中。因此，掃描測頭的導向機構、位移檢測機構、復位機構等關鍵技術就作為我們今后研究的重點。

精密測量 掃描測頭 導向機構 復位機構 檢測機構

引言

伴隨著科學技術的快速發展，精密測量技術在工業方面得到了越來越廣泛的應用。坐標測量機作為現代測量技術的代表，得到了廣泛的應用，隨著對加工精度的要求越來越高以及加工復雜性的提高，尤其是一些復雜曲面的加工，以及在一些逆向工程中的應用，坐標測量機的作用就顯得尤為突出[1]。

在坐標測量設備中，測頭系統是坐標測量機的重要部件，其性能直接影響著精密測量儀的測量精度、工作性能、使用效率和柔性程度，對提高測量機的整體精度具有關鍵的作用。測頭的發展直接制約著坐標測量機的性能，只有在精密測頭為坐標測量機提供新的測量原理、新的測量精度后，坐標測量機的精度和測量效率才能得到進一步的發展。換言之，精密測頭是限制精密測量儀精度和速度的主要因素，精密量儀能否滿足現代測量要求也依賴于精密測頭的不斷創新與發展[2]。所以，對于測頭的研究已經成為現代測量技術中的專項課題。

1 測頭的技術發展

精密測頭的最早發展可以追溯到上世紀20年代電感測微儀的出現，但其真正的快速發展是隨20世50年代末坐標測量機（Coordinate Measuring Machine CMM）的出現測頭技術得到了快速的發展[1]。

國內的掃描測頭的研究和開發比較晚，也沒有行形成產業化生產，僅是在一些高校和研究機構中對其進行研究，

做的比較好的諸如天津大學、北京工業大學、合肥工業大學、哈爾濱精達測量儀器有限公司等[3-16]。

國外的坐標測量機發展的比較早，技術相對的成熟，也形成了產業化，與之相配套的掃描式坐標測量測頭也得到了飛速的發展。其中，比較知名的公司有英國的Renishaw公司、德國的Klingberg公司、Leitz公司和Carl Zeiss公司、瑞士的Mecartex公司以及美國的EMD公司等[17-31]。

2 掃描測頭的布局形式

目前，國內外的坐標測量機用的掃描測頭主要有并聯與串聯式的兩種，串聯式測頭結構相對簡單，但各個測量方向之間存在著耦合現象，使得測量結果存在較大的誤差；而并聯測頭的各個測量軸的力學特性相同，但其制造、裝配困難；因此，設計一種結構簡單，而又不失測量精度的掃描測頭是研究工作的主要內容。

Delta機構是并聯機構的一種，屬于少自由度的空間并聯機構，1985年首次由洛桑理工學院的（雷蒙克拉韋爾）Reymond Clavel博士提出，由于該機構的上下兩個平臺均呈三角形而得名。Delta機構克服了并聯機構諸多缺點，具有承載能力強、運動耦合弱、力控制容易、安裝驅動簡單等優點，因而備受工業界與學術界的青睞[33]。

利用Delta機構的原理，設計一種完全解耦的并聯測頭是我們今后工作的研究重點，圖1是該測頭的設計的原理圖[34]。

圖1　平動Delta并聯機構原理圖

3 掃描測頭的基本構成單元

3.1 導向機構

測頭的運動導向機構（通常也稱為導軌），其是將測球的位移矢量轉換成沿著空間坐標三個軸向位移，使得傳感器機構能夠較為方便的檢測和識別位移信號。

測頭的導向機構是測頭設計、制造過程中的關鍵技術，是影響測頭性能提高的關鍵因素。常見的測頭導向機構主要都是采用材料的彈性變形來實現的，傳統的滑動導軌和滾動導軌在測頭的設計中極少實用。

應用于測頭設計的導向機構主要有平行簧片導向機構、柔性鉸鏈導向機構、桿組導向機構等類型。這些導向機構都具有結構緊湊，重量輕，加工簡單，運動過程中無機械摩擦，不需潤滑，不產生熱量和噪聲，運動靈敏度較高，它的運動范圍一般能達到幾十微米到幾毫米，分辨率達到亞微米級。

如圖2（a）和圖2（b）所示平行簧片式導向機構，其中圖2（b）采用了帶加強板的形式以提高其穩定性和導向精度。

圖2　平行簧片導向機構

如圖3（a）、圖3（b）是單雙邊柔性鉸鏈導向機構，這類機構通常采用線切割的方式加工，在結構上一體化設計和利用彈性形變產生運動和傳遞能量，運動精度易于保證。圖3（c）為平面柔性鉸鏈導向機構[32]，一般采用普通的片簧加工而成，加工成本低，結構裝配簡單，特別適合于精密機械設計領域。

還有一類測頭的導向機構采用的是桿組類，這類導向機構可以同時實現二維方向運動，結構簡單、靈活。如圖4所示。

圖3　柔性鉸鏈導向機構

圖4　桿類導向機構

3.2 位移傳感器

測頭的位移檢測機構是將測針的位移量變換為易于處理的電信號。一般在測頭測量儀器中，常用的位移檢測結構有電感式位移傳感器、光柵式位移傳感器，電容位移傳感器以及它們之間的組合檢測單元。

3.3 復位機構

測頭的復位機構是在測頭中安裝一個機構，這個機構使得測頭在測量結束后測頭能夠恢復原來的平衡位置，測頭的常用復位機構有，彈簧式復位機構、片簧式復位機構、磁鐵復位機構。

3.4 軸鎖定機構

測頭的鎖緊機構是在測頭需要在只是用某個方向的測量而不需要其他方向的移動，這樣就需要將測頭的其他方向的移動鎖死。常見的鎖緊機構有彈簧V型槽鎖緊機構、氣壓鎖緊機構。

4 結論

通過對國內外技術對比以及對測頭的設計原理、基本組成單元的研究，我們可以看出國外在測頭的研究上比我國起步早，同時測頭的測量精度高、掃描速度快，已經形成了很多專業生產的公司，如英國的Renishaw公司、德國的Carl Zeiss公司、Klingelnberg公司做到了商業化與標準化，而我國只是在一些研究機構和高校才研究與制造此類測頭，無法達到商品化生產，企業坐標測量機上使用的多為進口而來，加大了生產成本，為此，我們需要在不斷提高我國測頭研制的創新能力和自主知識產權，使得測頭研制與生產更加的成熟，最終實現商業化的生產，從而擺脫對國外的依賴。

[1]石照耀，韋志會.精密測頭技術的演變與發展趨勢[J].工具技術，2007，4（2）：3-8.

[2]強懷博.高精度三維模擬測頭的研制[D].西安：西安工業大學，2007.

[3]高翔，張國雄.一體化三坐標測頭的研究[J].天津大學學報，2011，33（4）：420-423.

[4]李平,晉小莉.平行簧片式三維模擬測頭的設計[J].機械加工與自動化，2003，9（15）：14-15.

[5]朱定見.三維整體切割的式測量頭的研究[D].武漢：華中科技大學，2005.

[6]周廣才.新型加轉多維測頭：中國，CN2793683Y[P].2004-4-28.

[7]邵文遠.一種3維接觸測量探頭：中國，CN2854505Y[P].2007-01-03.

[8]強懷博，王建華，吳瓊.基于柔性鉸鏈結構的三維模擬測頭設計[J].現代電子技術，2007，（1）：102-103.

[9]劉芳芳，費業泰，夏豪杰.納米坐標測量機的三維接觸式測頭機構[J].納米技術與精密工程，2011，9（3）：249-252.

[10]祝強，王洪喜，王建華.具有恒定測量力的一維掃描測頭機構：中國，CN102155902[P].2011-10-05.

[11]周廣才.雙杠桿式數字測頭，中國，CN102589436[P].2012-07-08.

[12]陳紅芳，石照耀，鄭智偉.一種掃描式測頭測量裝置：中國，CN102538678[P].2012-07-04.

[13]石照耀，胡洪平.一種接觸式三維掃描測頭：中國，CN103344197[P].2013-10-09.

[14]陳曉懷，陳賀，王珊，李瑞君，高偉.微納測量機測頭彈性結構的參數設計[J].光學精密工程，2013，21（10）：2587-2592.

[15]亢建兵.一種測量力恒定可控的接觸式掃描測頭：中國，CN202780716[P].2013-03-13.

[16]仇谷烽，崔旭東.一種接觸式掃描測頭：中國，CN203929035[P].2014-11-05.

[17]Mc Murtry，David R.Measuring apparatus：England，US4078314[P].1976-05-10.

[18]Roger，Michael J.Position sensing：Germany，US4523383[P].1985-08-16.

[19]Otto klingler，kurt. Sensing Head for a Measuring Machine：Germany，US4660296[P].1987-04-28.

[20]Breyer，Karl-Hermann，Stuttgart.Probe Head for a Coordinate-measuring Instrument：Germany，US4882848[P].1989-11-28.

[21]Fritz Ertrl，Schweinfurt.Multiple-coordinate Measurement Sensor：Germany，US5029398[P].1989-11-28.

[22]Renishaw Electrical Limited.Contact-sensing Probe：England，US5074052[P].1991-12-24.

[23]Mc Murtry，David R，Wright.Measuring Probe：Enland，US5345689[P].1994-09-13.

[24]Ulbrich，Klaus.Probe，Motion Guiding Device，Position Sensing Apparatus，and Position Sensing Method：Belgium，US5353510[P].1994-10-11.

[25]Sheldon，Paul C.Three-axis Probe：America，US5836082[P].1998-11-17.

[26]Mies，Georg.Universal Scanning Head for Gear Measurements：Germany，US6131300[P].2000-10-17.

[27]Jean-PhilippeB.，BottinellS.，Jean-MarcBreguet. Delta3：Design and Control of a Flexure Hinges Mechanism[J].Intelligent Systems & Advanced Manufacturing，2001，（4568）：135-142.

[28]Maurice F.，Breguet J.，Meli F.Touch Probing Device：Switzerland（CH），US6886265B2[P].2004-06-08.

[29]Meli F，Kung A，Thalmann R.Ultra Precision Micro-CMM Using a Low Force 3D Touch Probe[M].Proc.of.SPIE，2005.

[30]Renishaw 領導測頭革命[Z].WMEM展會信息，2007，4（2）.

[31]Renishaw SP80測頭[Z].2008.

[32]薛永紅.基于DELTA機構三自由度并聯數控試驗臺的基礎研究[D].天津：河北工業大學，2010.

[33]Kim H S，Tsai L W.Design Optimization of a Cartesian Parallel Manipulators[J].J.of Mechanical Design，125 （1）：43-51.

[34]郜峰.3-DOF平動正交并聯機器人的性能分析與研究[D].秦皇島：燕山大學，2010.

Key Technology Research of Precision Contact Scanning Probe Mechanical System

L I Weiwei1, LI Yaning1, BAI Wei2
(1.School of Mechano-Electronic Engineering Xi'an Technological University, Xi'an710000;2.At Changqing Oilfield third oil, Xi'an 710021)

The development of precision measurement technology as an important symbol of modern industrial development, designing and manufacturing standards of its probe directly restricts the development of coordinate measuring machine. Contact scanning probe as a typical representative, it has high accuracy, stable performance, high measurement efficiency advantages, is widely used in the manufacture of sophisticated detection and line detection. Therefore, the key technologies to the scanning probe guide mechanism, displacement detection means, resetting institutions are our future research priorities.

precision measurement,scanning probe,guiding mechanism,reset mechanism,detection means