单传感器式三维微纳米接触触发测量探头制造技术

本发明专利技术公开了一种单传感器式三维微纳米接触触发测量探头，其特征是在基座中分别设置测头单元和测量单元，其测头单元将簧片支承在圆环座上，在簧片上设置圆形悬浮片，在圆形悬浮片上固定设置分光棱镜和楔形块，测杆与圆形悬浮片呈“T”形固定连接；测量单元是将激光器射出的准直光投射经分光棱镜和楔形块聚焦在四象限探测器上，利用四象限探测器测量探针的偏摆，从而实现单传感器式三维微纳米接触触发式测量。本发明专利技术能够获得高精度、高灵敏度和小测力的探测效果，其稳定性高、成本低且装调方便。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微纳米测试领域，更具体的说是一种应用在纳米三坐标测量机上的接触触发式三维探头，用于感测物体表面的三维形貌。
技术介绍
近年来，微电子技术的快速发展引发了一场微小型化的革命，尤其是微机电系统MEMS器件的加工技术的发展，出现了各种微纳米级的微小器件，如微齿轮、微型孔，微型喷嘴，微型台阶等MEMS产品。这些微器件的加工精度处于微纳米量级，要对这些微器件进行精密测量，就要发展高精度检测方法与技术手段。为此各国相关机构都致力于研究具有纳米级精度的三坐标测量机。三坐标测量机的探头部分是三坐标测量机的核心部件之一，探头的测量精度决定三坐标测量机的总体测量精度。探头有接触式和非接触式之分，接触式探头可以用来测量非接触式探头所不能测量的具有斜面、台阶、深孔、圆弧等特征的工件。现有技术中的接触式探头主要有：原子力探头、电容式探头、光纤探头、DVD探头、微触觉探头、共焦式探头等。现有探头需要集成二至四个高精度传感器，存在着结构复杂、装调难度大、成本高的问题。比如荷兰Eindhoven大学开发的基于应变计的三维微接触式传感测头，是将应变计、电路以及弹性元件通过沉淀、制版、刻蚀等工艺后共同制作成整体结构，测头各个方向的力和位移的变化通过装在敏感粱上的应变计进行检测，其体积较小，但应变片的检测灵敏度和精度都比较低，并且其测头采用三角形拓扑结构，解耦复杂。瑞士联邦计量检定局METAS开发的电磁式微接触式测头，测头具有三个方向的自由度，每个方向的检测都采用电感来实现，三个方向的测力相同，结构主要由铝制成，电磁式测头的测量范围较大，横向检测灵敏度较高且接触力较小，但其结构相当复杂、装调困难，且采用三角形悬挂结构，解耦复杂。
技术实现思路
本专利技术是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种单传感器式三维微纳米接触触发测量探头，以期获得体积小、成本低、稳定性高且装调方便的优势，同时具有高精度、高灵敏度和小测力的探测效果。本专利技术为解决技术问题采用如下技术方案：本专利技术单传感器式三维微纳米接触触发测量探头的结构特点是设置：一基座，用于固定设置所述测量探头；一测头单元，是在所述基座上固定设置圆环座，在所述圆环座上设置簧片，所述簧片是以其远端固定连接在圆环座上，使簧片支承在圆环座的上端面；在所述簧片的上表面、处在簧片的中央固定设置圆形悬浮片；在所述圆形悬浮片的上端面、处在圆形悬浮片的中央固定设置第二分光棱镜，在所述第二分光棱镜的上端面固定设置楔形块；在所述圆形悬浮片的下端面、处在圆形悬浮片的中央、与所述圆形悬浮片呈“T”形固定设置测杆，所述测杆自簧片的中心通孔中贯穿，在所述测杆的前端固定测球；固定设置在基座中的第一分光棱镜处在所述第二分光棱镜的一侧，用于向所述第二分光棱镜投射反射光；所述第一分光棱镜和第二分光棱镜均为消偏振分光棱镜；所述测球为红宝石测球；一测量单元，是在所述基座上固定激光器和四象限探测器，所述激光器射出的准直光投射在第一分光棱镜上，经所述第一分光棱镜反射形成第一反射光，所述第一反射光经所述第二分光棱镜形成第二反射光，所述第二反射光透过楔形块聚焦在所述四象限探测器上，利用所述四象限探测器的激光探测信号获得所述第二分光棱镜的位移量和三维角度。本专利技术单传感器式三维微纳米接触触发测量探头的结构特点也在于：在所述基座中设置一调整块，所述激光器安装在所述调整块上，利用所述调整块调整激光器的激光出射角度，使所述激光探测信号聚焦在所述四象限探测器的探测中心。本专利技术单传感器式三维微纳米接触触发测量探头的结构特点也在于：所述基座设置为空心套筒，并以横隔架将所述空心套筒的内腔分区为处在空心套筒上段的第一腔和处在空心套筒下段的第二腔；所述调整块安装在所述第一腔中；所述圆环座固定设置在空心套筒的底端敞口处，使所述圆形悬浮片、第二分光棱镜、楔形块以及第一分光棱镜均处在所述第二腔中。本专利技术单传感器式三维微纳米接触触发测量探头的结构特点也在于：所述四象限探测器是利用探测器支撑块固定安装在所述横隔架上，在所述探测器支撑块的顶面固定设置侧立支架，所述调整块由可调螺钉安装在所述侧立支架的一侧，激光器套装在圆柱套筒中，所述圆柱套筒固联在调整块的侧部；所述可调螺钉是贯穿所述侧立支架并分处在侧立支架不同位置上的第一螺钉和第二螺钉，按所述可调螺钉的所处位置，在所述基座的套筒侧壁上设有通孔；在所述基座的空心套筒的外部，利用螺丝刀穿过所述通孔能够调整所述可调螺钉在侧立支架中的拧入深度，以此通过调整块调整激光器的激光出射角度。与已有技术相比，本专利技术有益效果体现在：1、本专利技术采用四象限探测器进行光电感测，其灵敏度和位置分辨率高、光谱范围宽、体积小、响应快、动态范围宽；2、本专利技术仅仅使用了一只光学传感器即可同时感测到测球在三维方向上的位移，其结构简单、装调方便、成本较低和时间稳定性好；3、本专利技术采用微调块调整激光器的姿态，其调整精度更高，调整更方便；调整后的稳定性高；附图说明图1为本专利技术总体结构示意图；图2为本专利技术总体结构分解示意图；图3为本专利技术中基座结构示意图图4为本专利技术中调整块结构示意图；图5为本专利技术中探测头朝向筒体内侧结构示意图；图6为本专利技术中探测头朝向筒体外侧结构示意图；图7为本专利技术中测球不受触碰时的主视光路图；图8为本专利技术中测球受到Y方向触碰时的光路图；图9为本专利技术中测球受到Z方向触碰时的光路图；图10为本专利技术中测球不受任何方向触碰时的右视图光路图；图11为本专利技术中测球受到X方向触碰时的右视光路图；图中标号：1顶盖；2基座；2a套筒侧壁；2b通孔；2d第一螺纹孔；2e第二螺纹孔；2c台阶孔；2f竖向槽；2i顶盖螺纹孔；2g第一腔；2h第二腔；3圆柱套筒；4调整块；4a激光器；4b第一螺钉；4c第二螺钉；5探测器支撑块；6四象限探测器；7分光棱镜固定座；8第一分光棱镜；10第二分光棱镜；9楔形块；11测头单元；11a螺纹固定孔；11e圆环座螺纹孔；11d圆形悬浮片；11b簧片；11c圆环座；11g测杆；11f测球。具体实施方式本实施例中单传感器式三维微纳米接触触发测量探头的结构设置包括：如图1、图3、图5和图6所示，基座2用于固定设置测量探头，测头单元11是在基座2上固定设置圆环座11c，在圆环座11c上设置簧片11b，簧片11b是以其远端固定连接在圆环座11c上，图6中所示设置在圆环座11c上的圆环座螺纹孔11e用于在簧片11b和圆环座11c之间进行固定连接，使簧片11b支承在圆环座1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单传感器式三维微纳米接触触发测量探头，其特征是设置：一基座(2)，用于固定设置所述测量探头；一测头单元(11)，是在所述基座(2)上固定设置圆环座(11c)，在所述圆环座(11c)上设置簧片(11b)，所述簧片(11b)是以其远端固定连接在圆环座(11c)上，使簧片(11b)支承在圆环座(11c)的上端面；在所述簧片(11b)的上表面、处在簧片(11b)的中央固定设置圆形悬浮片(11d)；在所述圆形悬浮片(11d)的上端面、处在圆形悬浮片(11d)的中央固定设置第二分光棱镜(10)，在所述第二分光棱镜(10)的上端面固定设置楔形块(9)；在所述圆形悬浮片(11d)的下端面、处在圆形悬浮片(11d)的中央、与所述圆形悬浮片(11d)呈“T”形固定设置测杆(11g)，所述测杆(11g)自簧片(11b)的中心通孔中贯穿，在所述测杆(11g)的前端固定测球(11f)；固定设置在基座(2)中的第一分光棱镜(8)处在所述第二分光棱镜(10)的一侧，用于向所述第二分光棱镜(10)投射反射光；所述第一分光棱镜(8)和第二分光棱镜(10)均为消偏振分光棱镜；所述测球(11f)为红宝石测球；一测量单元，是在所述基座(2)上固定激光器(4a)和四象限探测器(6)，所述激光器(4a)射出的准直光投射在第一分光棱镜(8)上，经所述第一分光棱镜(8)反射形成第一反射光，所述第一反射光经所述第二分光棱镜(10)形成第二反射光，所述第二反射光透过楔形块(9)聚焦在所述四象限探测器(6)上，利用所述四象限探测器(6)的激光探测信号获得所述第二分光棱镜(10)的位移量和三维角度。...

【技术特征摘要】
1.一种单传感器式三维微纳米接触触发测量探头，其特征是设置：
一基座(2)，用于固定设置所述测量探头；
一测头单元(11)，是在所述基座(2)上固定设置圆环座(11c)，在所述圆环座(11c)上设置
簧片(11b)，所述簧片(11b)是以其远端固定连接在圆环座(11c)上，使簧片(11b)支承在圆环
座(11c)的上端面；在所述簧片(11b)的上表面、处在簧片(11b)的中央固定设置圆形悬浮片
(11d)；在所述圆形悬浮片(11d)的上端面、处在圆形悬浮片(11d)的中央固定设置第二分光棱
镜(10)，在所述第二分光棱镜(10)的上端面固定设置楔形块(9)；在所述圆形悬浮片(11d)的
下端面、处在圆形悬浮片(11d)的中央、与所述圆形悬浮片(11d)呈“T”形固定设置测杆(11g)，
所述测杆(11g)自簧片(11b)的中心通孔中贯穿，在所述测杆(11g)的前端固定测球(11f)；固
定设置在基座(2)中的第一分光棱镜(8)处在所述第二分光棱镜(10)的一侧，用于向所述第二
分光棱镜(10)投射反射光；所述第一分光棱镜(8)和第二分光棱镜(10)均为消偏振分光棱镜；
所述测球(11f)为红宝石测球；
一测量单元，是在所述基座(2)上固定激光器(4a)和四象限探测器(6)，所述激光器(4a)
射出的准直光投射在第一分光棱镜(8)上，经所述第一分光棱镜(8)反射形成第一反射光，所
述第一反射光经所述第二分光棱镜(10)形成第二反射光，所述第二反射光透过楔形块(9)聚焦
在所述四象限探测器(6)上，利用所述四象限探测器(6)的激光探测信号获得所述第二分光棱
镜(10)的位移量和三维角...

【专利技术属性】
技术研发人员：李瑞君，陈晨，李丹东，范光照，程真英，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34