（仪器科学与技术专业论文）触发式光纤测头研究.pdf

独创性声明 删 y 17 8 7 9 5 季 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：囱丝嗍邋 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：向夫超 导师签 代 期：。h 纠) r 6i t 摘要 摘要 随着现代精密测量技术朝着精密化、集成化和智能化方向发展，精密量仪的 研究越来越突显其重要性。作为精密量仪的关键部件测头，其精度的高低很 大程度决定了精密量仪的测量精度、工作性能、使用效率和柔性程度。目前，对 表面轮廓、几何尺寸、各种模具及自由曲面的测量工作越来越多，精度要求也越 来越高，而现有的测头，无论是接触式测头还是非接触式测头，都存在一些影响 其自身精度的缺陷，所以急需要新的测量原理或者结构来突破这些缺陷的限制。 本文针对广泛使用的触发式测头测量方法及装置，详细地、系统地介绍和分 析了目前各类测头在国内外研究的现状。纵观国内外研究情况，目前精密触发式 测头总是存在原理或结构上的缺陷，诸如由于普遍的三叉式结构引起各向异性， 从而导致预行程变化和重复性精度低；还有测杆结构会因触碰力而发生变形带来 测量误差；测量灵敏度低或者测量力大；还有抗外界干扰能力差；应用上不具有 普遍性等。因此避免或者减小误差项将成为触发式测头研究的重点和难点。 为了解决这个问题，本文在调研和分析的基础上，提出一种新型触发式光纤 测头测量原理，该原理利用光纤光学和计算机视觉技术，充分结合了接触式测量 的优点和非接触式测量的优点。该测头通过单根发射光纤将光导入带有超半球反 射膜的球透镜，光束经反射后通过外围接收光纤束在图像探测器c c d 上形成光斑 图像，根据光斑图像数据的变化来判断前端触碰的情况。同时本文还研制出一套 触发式光纤测头样机系统，通过实验验证了本文提出的新型测量原理，并对测头 关键性能指标进行了测量。 通过实验验证，本文提出的新型触发式光纤测头测量原理完全可行，而且相 对传统的触发式测头，本原理具有各向同性、无测杆变形影响、使用灵活和高灵 敏性等优点。在测头性能的实验中，通过两种对比实验方案得出，采用视频图像 截取的方法测量更精确，精度上测得该测头的微位移量阈值在x y 平面内小于 o 1 岬，在x z 平面内小于0 i 岬。单向重复性精度可达0 0 4 4 9 岬。 本文最后在实验的基础上，对影响触发式光纤测头精度的因素进行了分析讨 论。总结出本文所做的工作，并对后期的研究工作提出展望。 关键字：光纤测头；接触式测量；触发式光纤测头；光斑图像；图像处理技术 北京工业大学工学硕 ：学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t l lm o d e n lp r e c i s i o nm e a s u r 锄e 1 1 tt e c l l 芏1 0 1 0 9 ) ，d e v e l o p i i l g 删s o p h i s t i c a t e d i 1 1 t e g r a 刷 锄di n t e l l i g e n t ，p r e c i s i o nm e 蛐g 硫t r l l i n 锄t si sn o wb e c o m i i l gm o 豫跹dm o mi n l p o r t a n t m e a n w h i l e ，弱0 n eo ft h em o s ti 力1 p o r t 髓tp a r t so fp r c c i s i o nm e a s 嘶n gi n s e n t s ，p r o b eh 觞 1 a 玛e 】yi i l l p a c t e d 0 nm em e a s u 渤ga c c u r a c 弘p e r f o 册锄c e ，e 儡c i e n c y 翘dn e x i b i l i t ) ，0 ft h e p r e c i s i o ni n s 嘶跚t s c u r r e n t l m 也er e q u m 暑m e n to fs 1 1 r f a c ep r o f i l em e 豁l 锄e n t ，g e o m e 时 m e 勰u r e m 伽电v a r i o 鹏m o d e l sm e 舢m e n t 孤d 丘f 0 珊s 刊囊c em e 嬲u r e m e n tb e c o m e sm o r e 锄dm o r c1 l i g h e 毛b u tc u i t e n tp 渤e ，w h a t c v 盯c o n t a c t e do rn o n c 彻t a c t e d ，a l w a y se x i s t e ds o m e n a w s 砌c ha a e c t e dt l l e 孔c u m c yo fm e a s u r a m e n t s oan e wm e a s u r i n gp 血c i p l e0 rs t r i l c t i l r eo f p r o b ei sn e c 髓s a r n yd e v e l o p e dt 0s o l v ei t f 0 rt h em 铋s 啦! gm e l h o d s 强ds t r u c t i eo ft o u c h t r i g g e rp r o b e 、) l ，i d d yl l s e d ，n l i sp a p e rh d 骼翻b e d 觚d 锄a 1 ) ，z c dm ec u 艄l td e v e l o p m e n ts t a t l l so fv 撕o l l st ) ，p e so fp r o b ea th o m e 锄d a b r o a ds y s 砌c a l l y f i i o m 吐l i s 、张k i l o 、釉t h a tc l l 饿m tt o u c h - t r i g g e rp r o b ea i 舰岬e x i s 包e ds o m e m e 硒u 血gp 由c i p l e0 rs 衄1 c t l l r en a w s ，如c h 鹤枷s o 仃i 叩yc a u s e db yl h et r i g e m i l l a ls 缸1 l c t u r e u i l i v e l l s a l l y ，e r r o rp r o b l 即陷c o m e6 1 0 mb e n dd i s t o n i o no fp r d b es t a 噩1 0 ws e n s i t i 、，i 够a n dl a 玛e f - o r c eo fm e a s u r e i n t ，p o o r 锄t i - i n t 酬f 打c e 柚da p p l i e dn o n 一瑚【i v e 稿a l l yt h 讹f 0 舱，t oa v o i d0 r r e d u c en l ee 虹粥埘l lb et 1 1 ei n l p o r t a n t 锄dd 城c u l to f p r o b er e s 船i i c h f 0 r 他s 0 1 v i n gt h e s ep r o b l e m s ，t h i sp a p 盯h 舔d e v e l o p e dan o v e lm e 嬲u r i i l gp 咖c i p l eo f t o l l c h t r i g g e rf i b 盯p r 曲e ，i nw i l i c hl h es 仇) n g p o i n to fc o n t a c tm e 髂u r e m e n t 锄dn o n c o n t a c t m e a s u i 锄曲tw e r ef h l l yu s e d ，a 1 1 dc 伽叩u t e r 面a g et e c l l i l 0 1 0 影邯u s e dt op 砌c l 鹊si n f l 0 i m a t i 姐 t h e s i l n p l ep 血c i p l e鹊f o l l o w i i l g ，b e 锄、雒t r a n s 衙 i n t ob a l ll e n sw 】1 i c h 、) l ，i t h h y p e r h 锄i s p h 耐c a lr e n e c tf i l mb ys i n 酉e 邱e r ，b e 锄w 勰r c n e c 砌i i lm eb a l ll 饥sa i l de i n e r g e d t h e 删v i l l gs i d eo f r e f l e c t i v ef i b e fb u n d l e ，t h 即w 觞缸弛锄i t t e dt 0i m a g ed 曲e c t o rc c d ，t h e r e 、) i r i ub eas p o ti m a g e a tl a s tt 1 1 et o u c hs t a t u so f p b ew o u l db e j u d g e da c c o r d i n gt ot h es p o ti l n a g e d a t a m e a n 谢h i l e ，m i sp a p 吧fh a l sd e 、，e l o p e dap r o t o t y p eo ft o u c h - t r i g g e rf i b e rp r o b e ，a n dv a l i d a t e d t l l i sn o v e lm e a s u r e m 锄tp 渤c i p l e ，t h e nm e a s m 司出ep e r f o m l a l l c eo fm i s p r o t o t y p e e x p 妇e n t a l 他s u l t si l l d i c a t 髓n l a tm ep r o p o s e dn e wm e a s l l 血gm e t h o do ft o u c h t r i g g c r f l b e rp r o b ei sf e a s i b l e e i l t i r e l mc o m p a r e d 丽t hl h e 乜a d i 6 0 n a lt r i g g e rp r d b e ，m en o v e lp r o b e s 舡1 l c t u r ei si s o 咖i c ，n 0 黜fc a u s e db ys t a f rb 锄d ，丑e x i b l ea n dh i g l ls e n s i t i v i 够bp r o b e ，s c o 玎e l 撕v ep a 埘n e t e fm e a 如r 锄钮te x p e d m 即t ，锕oc o m p 嬲甜e x p 酬血e n t a lp r o g r a m sw e r el l s 咄 龃dt h e 他s u l t ss h o w st h ep r o g r a mo fl l s i n gv i d e oi i i l a g ec a p t u 】m a k em e 勰咖e m tm o r ea c c l l r a t e ， 锄dd i s p l a c e m e n tm i c s h o l dv a l u eo ft i d u c h t r i g g e r6 b e rp d b ei sl e s s 出a no 1 岬i i lx - y p l 锄e 锄d i 北京工业大学丁学硕十学位论文 i nx - zp l a n e ，岫i d 哦d o n a lr 印e 弛i l i 够i su pt o0 0 4 4 9 m b a s e do nt h e 【p 耐m e n t ，s o m ef a c t o 塔t 1 1 a ta f r e c t e dt 1 1 em e 嬲u r 踟l e n t p r e c i s i o no f 坝l c h t r i g g e r 助e rp r o b e 、v 舔弛a l y z c d 趾dd i s c u s s e d ，锄ds 锄ei m p r 0 v e dw a y sp r o p o s e da t1 嬲t k e y w o r d s ： f i b e rp r o b e ，c o n t a c 钯dm e 黜e n t ，t o u c h 仃i g g e r 矗b e rp r o b i e ，s p o ti m a g e ， h a g ep r o c e s s i l l gt e c h n o l o g ) r 目录 目录 摘要荽i a b s t r a c t i i i 目勇匙1 第l 章绪论；“3 1 1 测头的简介3 1 1 1 测头的分类3 1 1 2 接触式测头4 1 1 3 非接触式测头5 1 2 测头的国内外研究现状5 1 2 1 触发式测头研究现状5 1 2 2 扫描式测头研究现状9 1 2 3 非接触式测头研究现状1o 1 2 4 光纤测头研究现状。1 2 1 - 3 本课题的研究内容及意义13 1 3 1 本课题研究的内容1 3 1 3 2 本课题研究的意义1 5 1 4 本文内容安排1 6 第2 章新型触发式光纤测头测量原理研究1 7 2 1 常用触发式测头的触测原理1 7 2 1 1 电触发式测头触测原理1 7 2 1 2 压电式测头触测原理1 8 2 1 3 应变片式测头触测原理1 8 2 1 。4 振动式测头触测原理1 9 2 2 光学方法应用于测头的几种途径1 9 2 2 1 三角法测量原理。1 9 2 2 2 激光聚焦测量原理2 0 2 2 3 视像测量原理2 1 2 2 4 光纤式测量原理2 2 2 3 新型光纤测头的触发测量原理2 3 2 3 1 光纤技术2 3 2 3 2 应用于精密测量的视觉图像处理技术2 6 2 3 3 新型触发式光纤测头实现触发的测量过程2 7 2 3 3 1 光纤实现的测量原理2 7 2 3 3 2 新型光纤触发式测头原理2 9 2 4 本章小结3 2 第3 章新型触发式光纤测头的样机研制3 3 3 1 典型触发式测头的构成3 3 3 2 新型触发式光纤测头的构成3 4 3 3 新型触发式光纤测头样机实现3 6 3 3 1 光源电路3 6 北京工业大学工学硕十学位论文 3 3 2 光纤测头及镀膜工艺3 8 3 3 2 1 光纤测头3 8 3 - 3 2 2 镀膜技术3 8 3 3 2 3 粘胶剂的选取4 1 3 3 2 4 粘接工艺4 1 3 3 3 接收光纤束4 2 3 3 4 镜头组以及图像采集系统。4 4 3 3 4 1 镜头组选型4 4 3 3 4 2c c d 选型4 6 3 3 4 3 图像采集卡的选型4 7 3 3 5 触发式光纤测头测量软件5 0 3 3 5 1 软件功能模块5 0 3 3 5 2 软件开发环境简介5 1 3 3 5 3 s u a lc + + 6 o 简介5 1 3 3 5 4c 恼e n g l 的动画工作原理【8 2 】5 6 3 3 5 5 软件简要界面5 8 3 4 本章小结5 9 第4 章实验系统设计6 1 4 1 评价触发测头性能参数6 1 4 2 实验系统设计方案6 l 4 3 实验系统的搭建6 2 4 3 1 精密电控平移台6 2 4 3 2 步进电机驱动器6 4 4 3 3 光栅位移传感器6 5 4 3 4 实验台架6 6 4 3 5 附加装置。6 6 4 4 本章小结6 7 第5 章实验方案及结果分析6 9 5 1 预研实验6 9 5 1 1 光源的测试。6 9 5 1 2 图像效果的调试7 0 5 1 3 微位移平台的调试。7 3 5 2 测头性能测试7 4 5 2 1 微位移量阈值的检测7 4 5 2 2 单向重复性8 5 5 3 影响测头性能因素分析8 6 5 4 本章小结8 7 总结与展望8 9 总结8 9 展望9 0 参考文献9 3 攻读硕士学位期间所发表的学术论文9 9 致谢1 0 1 2 第一审绪论 第1 章绪论 随着现代精密测量技术朝着精密化、集成化和智能化方向发展，精密量仪的 研究越来越突显其重要性。作为精密量仪的关键部件测头【l 】，其精度的高低 很大程度决定了精密量仪的测量精度、工作性能、使用效率和柔性程度，作为典 型的精密量仪，坐标测量机的发展历史也可看出：每当测量机发生一次根本性的 变化，往往伴随着精密测头新原理、新精度的出现。目前，对表面轮廓、几何尺 寸、各种模具及自由曲面的测量工作越来越多，精度要求也越来越高，就越来越 需要高精度、高速度的精密量仪，而精密测头是限制精密量仪精度和速度的主要 因素，精密量仪能否满足现代测量要求也依赖于精密测头系统的不断发展【2 】 1 1 测头的简介 测头可视为结构较复杂的多功能传感器【3 1 ，测头的两大基本功能是瞄准和测 微，其中瞄准即是触碰被测工件时给出判断触发的讯号，而测微是测出与给定的 标准坐标值的偏差。 1 1 1 测头的分类 测头的种类多样，分类往往是相互关联的，一个实际的测头可同时属于几种 类型。例如电感测头既是电气测头，又是接触式测头、软测头和测微测头。测头 的分类方法有以下常见的几种： ( 1 ) 按结构原理测头可分为机械式、光学式和电气式【4 】等。机械式测头结构 简单、使用方便，但是存在测量力较大的缺陷所以精度不高，该测头主要用于手 动测量；光学式测头测量速度快、灵敏度高，但是由于造价较高以及精度不高因 素难以普及，多用于非接触测量；电气式测头结构精巧、精度与灵敏度均较高， 多用于接触式的自动测量。 ( 2 ) 按功用可将测头分为用于瞄准的测头和用于测微的测头。用于瞄准的测 头有全部的硬测头、电气测头中的开关式测头和光学测头中的光学点位测头等。 用于测微的测头有电气测头中的电感测头、电容测头、光学测头中的三角法测头、 激光聚焦测头、视像测头岭刁】等。 ( 3 ) 按测量方法测头可分为接触式和非接触式两类【8 】。接触式测头便于拾取 三向尺寸信号，应用甚为广泛，种类也很多；非接触式测头由于具有测量力为零、 测量量程大等优点，发展十分迅速。现代以三坐标测量机为典型的精密量仪中， 北京t 业大学t 学硕士学位论文 使用的测头常按照测量方法进行分类，下面就以接触式测头和非接触式测头两方 面进行简要的介绍。 1 1 2 接触式测头 接触式测头，即是需要与待测表面发生实体接触的探测系统。可分为硬测头 和软测头。硬测头大多都是是机械测头，主要用于手动测量，多用在精度不太高 的小型测量机中。机械式测头的种类很多，有圆锥测头、圆柱测头、球形测头、 第一章绪论 1 1 3 非接触式测头 非接触式测头即是不需要与待测表面发生实体接触的探测系统，例如典型光 学测头系统【1 6 】。光学测头利用判断阴影及反射光在光电器件上生成的特征类型 ( 如轮廓的灰度值) ，人工对准或自动发出锁存信号，锁存垂直于光轴方向的两 维坐标值( 测量标尺给出，或光电器件本身坐标给出) 。 光学测头相对于接触式测头有许多好处【1 7 1 ，诸如没有测量力、测量速度快、 测量范围大、无需半径补偿、获取信息丰富等，这些都是接触式测头无法比拟的， 但是需要指出的是，用光学测头测量物体，并不是测量物体本身的几何形状，而 是所看到物体像的光学反差结构，除物体的尺寸特性外，物体的辐射特性对测量 结果也有较大影响。有一系列因素，如照明情况、物质材料的表面反射情况、阴 影、挡光、对谱线吸收情况等，都会引入附加的误差。 可以将目前应用的光学非接触式测头分为如下4 类【l8 】： 一维测头。如三角法测头、激光聚焦测头、光纤测头等； 二维测头。主要是各种视像测头，如利用c c d ( c h 喇箩c o u p l e dd e v i c e ) 摄 像机测量平面轮廓的测头； 二维加一维测头，在二维测头的基础上，再增加聚焦功能，使其能实现三维 测量； 三维测头。如体视式测头，用莫尔条纹技术形成等高线进行条纹计数的测头。 在这些测头中，三角法测头是应用最为广泛的光学测头。 1 2 测头的国内外研究现状 目前，在精密测控领域内，大家为追逐测量精度与测量速度而加强各方面的 研究。三坐标测头的研究更是空前，目前世界公认性能最好的要属英国的 r e m s h a w 测头，此外还有德国z e i s s 公司和k m t z 公司、瑞士m a c e r a t e 公司等。 现在国内外研究生产的测头主要分为触发式测头、扫描式测头、非接触式测头以 及光纤测头，下面就从这四个方面来对它们的研究制造现状做一个简要的综述。 1 2 1 触发式测头研究现状 r e l l i s h a w 公司早期的触发式测头采用弹簧力作用下的三叉式机械定位机构 【1 9 1 ，如图1 2 所示，靠测端与被测工件接触时产生的触发力来克服内部弹簧的预 压力，使测头内部的机械触点脱离接触而发出触发信号。这种测头结构的设计方 式使得测头在不同方向上接触工件时，要使触点开启所用的触发力不同，即 5 北京t 业大学t 学硕十学位论文 厂讨峥气 ；一 图1 3r e i l i s h a wt p 2 0 0 测头啪1 f i g 1 3r e n i s h a w ，r p 2 0 0p r l o b e 各向异性。这就导致了测头预行程的变化、重复性误差等，其量值随测杆长度或 触发力的增加而增加。新型r e i l i s h a wt p 2 0 0 测头【2 0 】采用测量传感器与运动复位 机构相隔离的设计。该设计消除了由振动引起的测量误差，且用灵敏的应变片技 术替代传统的机械触点来感应接触，使测头在精度、工作寿命及柔性方面取得了 显著的进步。r e i l i s h a wt p 8 0 0 测头集电子机械开关、压电传感器和应变片技术 于一体，可以以三种触发方式工作。r e l l i s h a w 公司最近推出一款小型加工中心 使用的全新型应变片测头o m p 4 0 0 【2 1 1 ，此测头就是充分利用高精度m p 7 0 0 测头 创新使用的先进应变片技术将结构紧凑化，同时能够在非常低且均匀一致的触碰 力下触发，减小测针的弯曲度，极大降低了预行程，解决了测头各向异性等问题， 大大提高了其精度。 z e i s ss t 3 测头采用压电传感器和电子机械开关两种触发方式，采用压电传 感器方式触发可以将测量力减小到o 0 1 n ，配合机械触发方式，可以避免灵敏的 压电传感器引起误触发。 譬圉睁 图1 3 微型三坐标测量机触发式测头瞄1 f i g 1 3m i 讹锄oc m ml l s i n gp i e z o 麟i s t i v et a c t i l ep r o b 懿 6 第一章绪论 德国p t b 微型三坐标测量机触发式测头【2 2 1 ，如图1 3 所示采用各向异性腐蚀 的方法制成单晶硅薄膜，然后在四方形薄膜的每个边上安装压阻传感器，以组成 的惠斯通电桥作为传感元，垂直薄膜的中心利用u h u 胶粘上一个测杆，测杆顶 端有一个黏贴的测球。当测球触碰到被测物时，测杆将压力转化为薄膜的张力， 从而导致压电传感器的电阻值发生变化，然后通过有限元分析出薄膜的最大张力 处，在这最大张力处放置压电传感器就会最灵敏，电阻阻值的变化转化为电信号 的变化，从而被检测判断。它的重复性精度：x ：4 4 胁，y 4 4 姗，z ：1 3 n m ，相 对1 1 1 1 i i l 的误差：x ：1 9 眦，y 2 1 1 1 1 1 1 ，z ：3 1 姗。韩国新的弹性三叉结构臂应变 片触发式测头【2 3 】通过一个新的弹性三叉结构臂上各自安装四个应变片，各自形 成惠斯通电桥结构，然后通过中心的测杆部分传递测球的触发力，使应变片发生 形变从而使传感器探测到信号。该结构即是利用空间触发的力矢量来判断测球的 接触点，并且能够对系统的预行程误差进行评定与补偿。通过实验模型的评定与 验证，该系统可以较清楚的判断出接触点的空间位置，而且有利于减小预行程误 差。但是由于应变片受温度影响较大以及电路的引进，从而受到环境温度等影响 会产生新的误差。 f f 7 声嘲穗l 媚s 饼 图1 _ 4 振动式触发测头【2 4 】 f i g 1 - 4e x c i t a t i o no f 访b 托l 血gt o u c hp r o b e 日本新振动式触发测头【2 4 1 ，如图1 - 4 所示，他们利用正弦波作为谐波源，通 过频谱分析技术进行判断。当测头没有触碰被测物时，其功能谱只在它的固定频 率处有冲击响应，当测头触碰到被测物时，正弦波的波峰处就会出现由尖变平滑 的趋势，从而在功能普上就能充分反映出来。通过监测功能谱的变化来判断其触 碰的情况，从而实现触发测头的功能。 马波斯i i l i d a 系列的测头主要也是采用机械式触发，其新颖之处在于采用了 激光红外或者无线电技术传输开关信号，且拥有无线电传输的功能，由此测头系 统能实现同一机床上只用一个接收器便能实现多测头功能。其主要用于加工中 心、铣床、车床，进行工件检测、对刀和机床监控。其测头的单向重复性可达 o 5 微米，三轴方向的测量力都在2 1 2 n 之间。m a r c e l od e lg u e r r a 等人也将电气 式触发测头【2 5 】应用到数控机床上，开发出无线发射的电气式触发测头，其重复 7 北京t 业大学t 学硕十学位论文 性可达到o 0 0 3 m m ，该精度在车床上已经非常适用。 以上是国外的一些主要成熟产品的介绍，而国外对接触式测头的研究方面可 以分为测头误差的分析与性能评价、测头误差的补偿方法研究、新型测头系统的 研制三个方面。 测头误差的分析与性能评价方面，y m l i i ls h e l l 【2 6 】等采用美国国家标准 a n s i b 8 9 规定的方法对测头性能进行评价，并在四纬度4 9 点标准采样的基础上， 提出了两纬度采样方案的合成方法；a w b 撕刈2 7 】等提出了新的不确定度三维模 型，考虑探针长度、直径、接触方向、摩擦等因素的影响，对触发式测头的滞后 进行了理论分析，并进行了仿真和实验验证。 测头误差的补偿方法研究，一般通过消除测杆偏移、传感器等引起的预行程 误差，提高测头的精度。e s t l w t y l e r 【2 8 】等对预行程误差进行建模和修正，并 讨论了不确定度问题，用实际测量数据证明了模型有效性。q y r 觚g 【2 9 】等结合光 纤阵列以及图像处理技术建立了光纤测头系统，但是系统仅局限于边缘检测，还 受到被测物体表面的影响，他们采用人工神经网络误差模型进行误差补偿，结果 表明修正后的剩余误差很小。 在新型测头系统的研制方面，一些新的思路被引入到测头的设计中，如采用 振动传感器、光纤接触传感器等。s h a n ec w b o d 严叫等针对四种共振矢量触觉传 感器测头设计，提出了接触力施加方法、运行性能评价方法。h s c h w e i l l ( e 【3 1 1 等 将光学和机械技术结合，提出了采用光纤测头进行定位、使用光学测头进行位置 测量的光纤接触式传感器测头。m 硼斌od e lg u e n a 【3 2 】等基于简单的电子触发原 理，研制了一种低成本的触发式测头。非接触式测头方面，h j p a l l l ( 【3 3 】等设计了 一种光学测头，应用于晶片表面的测量，可以达到纳米级的垂直分辨率。q m g 等提出了一种非接触光纤测头，采用光纤阵列进行表面定位，并能够补偿表面反 图1 5l e 沱t r a x 扫描测头系统 f i g 1 - 5l e i t zt ra xm 朗s u r i n gp r o b i n gs y s t e m 测球球心 垂直测量表面 x 第一覃绪论 射的影响。 以上是国外触发式测头的研究现状，总体来看，他们的研究进入较早，产品 几乎占据了大部分国内市场。国内关注地相对较晚，主要集中在现有研究上的一 些改进以及对误差的补偿方面的研究。在触发式测头研究方面，研究内容主要为 提高测头测量精度的方法研究。袁琦【3 4 】等对影响测头使用精度的不灵敏域误差 进行了系统的试验分析，提出了换向回位误差的概念，并提出采用两次触测法消除 换向回位误差，从而可显著提高测头的使用精度尤其是重复性精度；韩翠娥【”】等 对接触触发式测头在触测发讯时的触发力进行了理论分析和计算，得出了触发 力的大小与其结构参数之间的关系；盛伯浩【3 6 】等对触发式测头在机检测系统的 误差进行分析，并对误差进行补偿；高翔【3 7 】等将柔性铰链应用到三坐标测头中， 研究了一体化结构的新型测微测头。 1 2 2 扫描式测头研究现状 z e i s s 扫描测头采用三层片簧导轨形式【3 8 】，如图1 5 所示。并在每层导轨中 设有位移传感器，当测端测到工件时自动发出零位信号或偏差信号，经电箱处理 后由计算机接收并存储测量数据。 l e i t z 公司生产的t 黜岖扫描测头系统，如图1 6 所示【3 9 枷】。其弹性导轨结 构原理和z e i s s 公司大体相同，但三个方向的簧片导轨都是放松的，测球始终沿 被测工件表面的法向矢量方向进行触测，这样就避免了余弦误差的存在，大大提 高了测球半径的修正精度。瑞士m e c 砒e x 公司和m e t a s ( 瑞士联邦计量及检验 局) 联合研制了一种三维接触测头，该测头采用了一种新型的机械机构，该机构 使得测球具有完全的三自由度，且限制了机构的旋转运动，使得平移运动分为x ， y ，z 三个方向，每个方向的运动由电感传感器测得。 、妙罗 1 7 鬣盈一磁铁 吆汐 管 “) b ) c ) 图1 6m e c a n e x 觚dm e l a s 三维接触测头 f i g 1 - 6m e c a n 弧纽dm e t a s3 dt o u c hp r o b i n gs ) ，s t 锄 9 北京工业大学工学硕七学位论文 r e i l i s l l a 、公司推出的r e l l i s h a wr e v 一，如图1 7 所示。在坐标测量机上能实 现高精度、超高速五轴扫描测量，测量速度高达5 0 删s 。该技术的特点是让大 部分的检测运动交由测座负责，可以把三坐标测量机移动时因结构本身重量所导 致的动态误差降至最小，基本上消除了现在三轴扫描系统通常具有的测量误差。 图1 7r e n i s h a wr e v o 珈测头系统 f i g 1 7r e n i s h a wr e v o t mp r o b i i l gs y s t 锄 1 2 3 非接触式测头研究现状 目前应用于实践并产品化的非接触式测头已经为数不少。以色列n e x t e c 公司的w i z p r o b e 激光扫描测头4 1 4 5 1 ，如图1 8 所示。采用独特的三角法测量 原理，测量精度受到材料类型、表面加工形式、激光光柱角度和环境条件影响较 小。美国p e r c 印仃0 n 公司的s c a n w o i s 激光扫描测头采用三角法进行三维测量。 当激光投影平面与物体表面相交时，一个 c c d 照像机得到包含该交线的投影图 像，通过准确的标定程序，该交线被转换 到三维空间，从而得到被测物体表面的三 维值。此外，还有德国w r 0 1 f & b e c k 的o t m 系列光学测头，日本三丰公司的图像测头 m i t l n o y oq v p ，比利时m e t s 公司的 l c 系列光学扫描测头，以色列的s c a n d i r e c t 公司的n 觚。等系列激光扫描测头， 以及德国z e i s s 公司的s c a l l 光学扫描 1 0 图1 8w 亿p r o b e 激光扫描测头 f i g 1 8w i z p r o b el a l s e rs c a n n i n gp f ；上 第一章绪论 测头等。 日本三丰m i t i t o y o 的q u i c kv i s i o n 系列中的视像测量系统，采用2 5 x 镜 头，n a 为o 2 1 ，照明光源可选白色、红色、青色或绿色的高亮度的l e d 。采 用物镜和倍率装置的光学系统，可实现程序控制电动变焦，而且带有程序控制的 环形照明结构可以调整照射角度。其利用视像自动聚焦功能来定位被测点的x ， y ，z 轴，其测量范围可达4 0 6 i 衄，单方向精度都在2 微米以下，其重复精度 大约在o 4 微米。c a l lz e i s s 公司的o i n s p e c t ，采用多传感器扫描c m m ，先 进的扫描控制系统和基于c a d 的3 d 测量软件，其线性测量不确定度为 1 9 + l 2 5 0 ( o 0 7 5 + l 2 5 0 ) ，探测不确定度为1 9 + l 2 5 0 ( o 0 7 5 + l ，2 5 0 ) 。o i n s p e c t 的光学探头中采用的传感器是d i s c 0 v e v 1 2 ，测量原理是3 d 聚焦的h d 相机， 测量速度m a ) 【1o m m s ( o 4i 1 1 s ) ，达到5 0e x p o s e u r e s s 。v e n n 爪e3 d 光学三坐 标测量机中采用6 5 ：1 自动变焦镜头，o 1 微米的高分辨率光栅尺，高分辨率的 l 3 彩色c c d 传感器，利用底光和顶光照明提高零件的清晰度，可编程分段控制 l e d 增强光照明系统，以及超高精密重载荷大尺寸玻璃工作台、激光、c c d 三 位轮廓扫描、自动寻边技术等，双l c d 液晶幕分别显示零件图像和软件操作， 支持i 也逆向工程。测量分辨率达0 5 微米，工作速度为1 5 0 同时伽州s 。 t r i m o st r s c a l l 激光全息表面( 粗糙度) 测量仪也采用激光测头，测量系 统分辨率为o 1 微米，z 轴最小分辨率达到o 1 n m 。加拿大n d i 公司便携式光学 三坐标测量仪，接触式测量和扫描式测量于一身，其无线智能测针内置无线传输 模块和p d a 模块，自动采点。测针为星形五角测针，扫描测头等。测量精度在 2 0 6 嘶左右。 以上是国外在非接触式测头产品以及研究方面所取得的丰硕成果，国内起步 也较晚，所以产品以及研究还存在很大差距。相对于接触式测头的研究，国内研 究非接触式测头较多。邹振书【4 1 】等对影响激光三角测量原理测量精度的诸因素 进行了分析，介绍了基于三角测量原理的非接触激光光学探头的设计；高志副4 6 】 等分析了实用光学系统测头设计中各个参数对系统测量精度和测量范围的影响， 提出了一组实用参数，并在此基础上完成了一个高精度激光测微头的设计；赵小 松m 等利用三角法测量原理，基于多目视觉测量，根据偏振特性，开发了由三个 摄像机组成的测头系统；樊玉铭等在动态主动调焦法测量原理的基础上，将位移 量的测量转换成了时间差的测量，从而简化了激光测头的结构，提高了激光测头的 测量精度和稳定性；张宏伟和张国雄【4 8 】等人将视觉形貌测量应用到自由曲面的 测量，通过立体视觉匹配技术的引入以及建立误差评定准则，实现了飞机的发动 机叶片的非接触测量；李智【4 9 】等人通过改进传统的共焦式测头，采用计算时间 差获得被测位移的方法，既可实现旁向测量也可以实现垂直测量；樊玉铭【5 0 】等 在动态主动调焦法测量原理的基础上，提出一种含参考光路的时间差法动态调焦 北京t 业大学t 学硕十学位论文 式光学测头的检测方法。 1 2 4 光纤测头研究现状 无论是接触式还是非接触式测头，国内外研究者们都进行了大量的探讨，而 且也有精度较高的产品面市。随着相关行业技术的进步，技术转接也成为一个热 门话题，其中研究者们就将较成熟的光纤技术应用到了精密测量领域，尤其是在 测头的研制中，光纤测量特性更显其优势。 伊朗的g o h l a b i ，“”】等人设计出双光纤传感器系统，该传感技术能对静止和 移动的物体进行视觉定位。位置传感器和视觉系统能精确地确定被测物的空间位 置和表面形状特征，而且该系统还可以进行远程测量。该系统的结构就是采用激 光光源通过一根发射光纤照射到被测物表面，然后通过另外一根光纤反射回传感 系统，进行计算机处理。虽然原理结构简单，但是仍然受到被测物表面复杂性的 影响。各个被测物的表面发射光的强弱不同，从而也导致其测量有失普遍性。日 本1 狄a a k io i w a 【5 2 】和北京工业大学韦志会【5 3 】等人先后研究了一种三维触发式光 纤测头，此测头如图1 9 所示利用发射光纤发出的光照射在胶粘接的钢球上，通 过外围反射光纤束接收反射回来的光。当钢球触碰被测物时，反射回的光分布就 会发生变化，从而通过光纤传感器模块电路监测其变 化并给出触发讯号。虽然该结构 解决了目前存在的如测杆弯曲 等常见问题，但是该测头的结构 中又引入一些新问题，如光纤束 与钢球的粘接工艺问题、材料问 题、钢球表面的反光效率问题以 及后端电信号检测的电