CN105606014A - 一种电感扫描测头的测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电感扫描测头的测试装置及测试方法，测试装置包括扫描测头和微进给装置，所述微进给装置包括微分头、立柱、底板、平面度调节部件、X方向调节部件和Y方向调节部件，所述立柱固定在所述底板上，所述微分头可转动地固定在所述立柱上，所述微分头可沿所述立柱上下移动，所述平面度调节部件用于调节所述底板的平面度，所述X方向调节部件和Y方向部件分别用于调节所述底板沿X方向运动和沿Y方向运动，所述微分头的头部用于对所述扫描测头的测量球施加不同的进给量。本发明结构简单，可以利用精度很高的微分头对扫描测头的单轴、平面和空间性能进行测试，测试方法简单。

Description

一种电感扫描测头的测试装置及测试方法

【技术领域】

本发明涉及测量领域，具体涉及一种电感扫描测头的测试装置及测试方法。

【背景技术】

三坐标测量机(CoordinateMeasuringMachine，简称CMM)是20世纪60年代发展起来的一种新型高效精密测量仪器。它的出现，一方面是由于自动机床、数控高效加工以及原来越多复杂形状零件加工需要快速有效的检测设备与之配套；另一方面是由于电子技术、计算机技术、数字控制技术以及精密加工技术的发展为CMM的产生提供了技术基础。1960年，英国FERRANTI公司研制成功世界上第一台CMM，到20世纪60年代末，已有近十个国家的三十多家公司在生产CMM，不过这一时期的CMM尚处于初级阶段。进入20世纪80年代后，以Zeiss，Leitz，DEA，LK，Mitutoy，SIP，Ferranti，Moore等为代表的众多公司不断推出新产品，使得CMM的发展速度加快。现代CMM不仅能在计算机控制下完成各种复杂测量，而且可以通过与数控机床交换信息，实现对加工的控制，而且还可以根据测量数据实现返求工程。目前，CMM已广泛应用于机械制造业，汽车工业，电子工业，航空航天工业和国防工业等各部门，成为现代工业检测和质量控制不可缺少的万能测量设备。

三坐标测量机需要用测头来拾取信号，测头的性能直接影响三坐标测量机的测量精度和测量效率，没有先进的测头就无法发挥测量机的功能。在CMM上使用的测头，按照工作方式可以分为触发式和扫描式；触发式测头是一种开关测头，在测量过程中能够获得离散的测量点，由于测得的数据有限，因而很难实现自由曲面的精确测量。

扫描式测头不仅可以作为触发式测头使用，而且能输出与测针位移量成比例的电信号，信号输入计算机与测量机的三轴坐标叠加得到被测点的空间坐标。这种测头的采样频率可以很高，还可以确定被测点所在表面的法向矢量的方向，尤其适合曲面测量。

扫描式测头具有分辨率高、精度高、通用性强和可靠耐用的特点，通常装备在高精度的坐标测量机上。在齿轮、叶片和螺纹等曲面结构的测量上有广泛应用。

扫描测头是将测量力和测量运动分解成三个相互垂直的分力和分运动进行解耦。三个分力和分运动可以用线性传感器进行测量，这种测量原理简单明了，精度较高。但是，目前的三维扫描测头三个方向是相互串联在一起的，而并非相互独立的测量机构，这种结构有一个明显的缺点，即一个方向的测量误差会对其他方向的测量结果产生影响，导致最后综合测量误差比较大。

另外，由于各层都是柔性结构，制造和装配将可能影响各层的精度甚至造成各层之间的耦合。

因此，设计合理的测试装置和测试方法，既可以用于测头制造和装配过程中的质量控制；同时，也是测头标定的重要仪器。总之，对测头的制造和使用具有很重要的价值。

【发明内容】

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种电感扫描测头的测试装置，结构更加简单。

一种电感扫描测头的测试装置，包括扫描测头和微进给装置，其特征是，所述微进给装置包括微分头、立柱、底板、平面度调节部件、X方向调节部件和Y方向调节部件，所述立柱固定在所述底板上，所述微分头可转动地固定在所述立柱上，所述微分头可沿所述立柱上下移动，所述平面度调节部件用于调节所述底板的平面度，所述X方向调节部件和Y方向部件分别用于调节所述底板沿X方向运动和沿Y方向运动，所述微分头的头部用于对所述扫描测头的测量球施加不同的进给量。

在一个实施例中，所述微进给装置还包括微分头支架、第一滑动铰链和第二滑动铰链，所述立柱包括第一立柱和第二立柱，所述微分头固定在所述微分头支架上，所述微分头支架可绕着第一滑动铰链和第二滑动铰链转动，所述第一滑动铰链和第二滑动铰链分别可沿着第一立柱和第二立柱滑动，所述微分头位于所述第一立柱和第二立柱之间。

在一个实施例中，所述平面度调节部件为三个调节螺钉，通过旋转三个调节螺钉来调节所述底板的平面度。

在一个实施例中，所述X方向调节部件为两个调节螺钉，通过旋转两个调节螺钉来调节所述底板沿X方向运动，所述Y方向调节部件为两个调节螺钉，通过旋转两个调节螺钉来调节所述底板沿Y方向运动。

本发明还提供了一种采用所述的电感扫描测头的测试装置的测试方法，包括如下步骤：

S1、调整所述微分头的高度以及转动所述微分头，使所述微分头处于与所述扫描测头的选定坐标轴方向的测量杆的夹角在设定角度范围内的直线上；

S2、调节所述平面度调节部件、X方向调节部件和Y方向调节部件，使得所述扫描测头的选定坐标轴上具有电压输出，而所述选定坐标轴以外的其他坐标轴没有电压输出；

S3、拧动所述微分头，对所述选定坐标轴方向的测量杆的测量球施加进给量，记录所述选定坐标轴对应的输出电压，并根据所述选定坐标轴上的测微传感器已知的输出电压-进给量曲线，计算得到所述测量球的测量进给量；

S4、根据所述进给量和测量进给量评价所述扫描测头的所述选定坐标轴上的测量性能。

在一个实施例中，

所述步骤S3包括如下步骤：

根据所述进给量和测量进给量，判断所述扫描测头的所述选定坐标轴方向上的测量精度；

或者，

使所述微分头对所述测量球施加不同的进给量，并分别记录对应的输出电压，得到相同进给量下的多个不同输出电压，计算在相同的进给量下任意两个输出电压之间的最大差值作为所述选定坐标轴上的重复性精度；

或者，

使所述微分头对所述测量球施加不同的进给量，并分别记录对应的输出电压，得到输出电压-进给量数据组；

根据所述输出电压-进给量数据组绘制输出电压-进给量曲线；

使用最小二乘法计算输出电压-进给量曲线的线性度误差。

本发明还提供了一种采用所述的电感扫描测头的测试装置的测试方法，包括如下步骤：

S1、调节所述平面度调节部件、X方向调节部件和Y方向调节部件，使所述微分头的头部接触选定坐标轴以外的其他任一坐标轴的测量球，并使得所述扫描测头的选定坐标轴上没有电压输出，而所述选定坐标轴以外的其他两个坐标轴具有电压输出；

S2、拧动所述微分头，对所述测量球施加进给量，记录所述其他两个坐标轴的输出电压，并根据已知的两个坐标轴上的测微传感器的输出电压-进给量曲线，计算得到测量进给量；

S3、根据所述进给量和测量进给量，测试所述扫描测头的所述其他两个坐标轴确定的平面上的测量性能。

在一个实施例中，在步骤S3中，

根据所述进给量和测量进给量，判断所述扫描测头在所述其他两个坐标轴确定的平面上的测量精度；

或者，

使所述微分头对所述测量球施加不同的进给量，并分别记录对应的输出电压，得到相同进给量下对应的多个不同测量进给量，计算在相同进给量下任意两个测量进给量的最大差值作为所述确定的平面上的重复测量精度；

或者，

使所述微分头对所述测量球施加不同的进给量，并分别记录对应的输出电压，得到输出电压-进给量数据组；

根据所述输出电压-进给量数据组绘制输出电压-进给量曲线；

使用最小二乘法计算输出电压-进给量曲线的线性度误差。

本发明还提供了一种采用所述的电感扫描测头的测试装置的测试方法，包括如下步骤：

S1、调节所述平面度调节部件、X方向调节部件和Y方向调节部件，使所述微分头的头部接触任一坐标轴的测量球，并使所有坐标轴均具有电压输出；

S2、拧动所述微分头，对所述测量球施加进给量，记录每个坐标轴的输出电压，并根据已知的每个坐标轴上的测微传感器的输出电压-进给量曲线，计算得到测量进给量；

S3、根据所述进给量和测量进给量，测试所述扫描测头的空间上的测量性能。

在一个实施例中，在步骤S3中，

根据所述进给量和测量进给量，判断所述扫描测头在空间上的测量精度；

或者，

使所述微分头对所述测量球施加不同的进给量，并分别记录对应的输出电压，得到相同进给量下对应的多个不同测量进给量，计算在相同进给量下任意两个测量进给量的最大差值作为空间上的重复测量精度；

或者，

使所述微分头对所述测量球施加不同的进给量，并分别记录对应的输出电压，得到输出电压-进给量数据组；

根据所述输出电压-进给量数据组绘制输出电压-进给量曲线；

使用最小二乘法计算输出电压-进给量曲线的线性度误差。

本发明的有益效果是：

本发明结构简单，可以利用精度很高的微分头对扫描测头的单轴、平面和空间性能进行测试，测试方法简单。

【附图说明】

图1是本发明一种实施例的电感扫描测头的测试装置结构示意图；

图2是图1中的微进给装置结构示意图。

【具体实施方式】

以下对发明的较佳实施例作进一步详细说明。

如图1和2所示，一种实施例的电感扫描测头的测试装置，包括底座4、测头支撑架3、扫描测头1和微进给装置2，测头支撑架3固定在底座4上，扫描测头1固定在测头支撑架3上，所述微进给装置2包括微分头21、立柱23、底板25、平面度调节部件26、X方向调节部件29和Y方向调节部件28，所述立柱23固定在所述底板25上，所述微分头21可转动地固定在所述立柱23上，所述微分头21可沿所述立柱23上下移动，所述平面度调节部件26用于调节所述底板25所处的平面，进而可以调节微分头21所处的平面，所述X方向调节部件29和Y方向部件28分别用于调节所述底板25沿X方向运动和沿Y方向运动，进而调节微分头21沿X方向和Y方向运动，所述微分头21的头部211用于对所述扫描测头1的测量球11施加不同的进给量。

可以采用数显微分头，从而可以直接读出微分头的进给量，也可以采用双频激光干涉仪对微分头的进给量进行测量。

在一个实施例中，微进给装置2可以包括微分头支架24、第一滑动铰链22和第二滑动铰链，所述立柱包括第一立柱和第二立柱，所述微分头21固定在所述微分头支架24上，所述微分头支架24可绕着第一滑动铰链22和第二滑动铰链转动，所述第一滑动铰链22和第二滑动铰链分别可沿着第一立柱和第二立柱滑动，所述微分头21位于所述第一立柱21和第二立柱之间。

在一个实施例中，所述平面度调节部件26为三个调节螺钉，通过旋转三个调节螺钉来调节所述底板所处的平面位置。所述X方向调节部件29为两个调节螺钉，通过旋转两个调节螺钉来调节所述底板25沿X方向运动，所述Y方向调节部件28为两个调节螺钉，通过旋转两个调节螺钉来调节所述底板25沿Y方向运动。

在一个实施例中，采用所述的电感扫描测头的测试装置的测试方法，可以进行单轴测试(对单个坐标轴的性能进行测试)，包括如下步骤(以下以对X轴方向进行测试为例)：

S1、调整所述微分头的高度以及转动所述微分头，使所述微分头处于与所述扫描测头的X轴的测量杆的直线的夹角在设定角度范围内的直线上，即使得微分头与X轴的测量杆大致在同一直线上。

S2、调节所述平面度调节部件、X方向调节部件和Y方向调节部件，使得所述扫描测头的X轴上具有电压输出，而所述X轴以外的Y轴和Z轴没有电压输出。

S3、拧动所述微分头，对X轴方向的测量杆的测量球施加进给量，记录所述选定坐标轴对应的输出电压，并根据所述X轴上的微测传感器已知的输出电压-进给量曲线，计算得到所述测量球的测量进给量；

S4、根据所述进给量和测量进给量测试所述扫描测头的X轴上的测量性能。

测量性能可以包括测量精度，可以通过以下方法判断X轴的测量精度：根据所述进给量和测量进给量，判断所述扫描测头的X轴方向上的测量精度。例如，拧动微分头进给1.0μm，读取测头的输出信号(根据输出信号与已知的X轴上的测微传感器，例如LVDT的输出电压-进给量曲线，得到测量进给量)，对照测量进给量与微分头进给量的差异，若测头的读数也为1.0μm，则表明测头的X单轴分辨率至少为1.0μm。

测量性能可以包括重复性精度，可以通过以下方法判断X轴的重复性精度：

使所述微分头对X轴的测量球施加不同的进给量，并分别记录对应的输出电压，得到相同进给量下的多个不同输出电压，计算在相同的进给量下任意两个输出电压之间的最大差值作为X轴上的重复性精度。例如，进给量从0至100μm变化，以10μm为一个步长，得到10组输出电压-进给量数据组；然后，进给量再从0至100μm变化，以10μm为一个步长，得到另外10组输出电压-进给量数据组…重复多次，得到N*10组输出电压-进给量数据组。分别计算每一个进给量下的任意两个输出电压差值，并找到其中最大的一个输出电压差值；然后再计算下一个进给量下的任意两个输出电压差值，并找出其中最大的一个输出电压差值…比较10个进给量对应的哪个输出电压值最大，例如，10μm对应的最大输出电压值为U1，其他进给量对应的最大输出电压值小于U1，则选择U1为X轴的重复性精度。

测量性能还可以包括线性度误差，可以通过以下方法判断X轴的线性度误差：

使所述微分头对X轴的测量球施加不同的进给量，并分别记录对应的输出电压，得到输出电压-进给量数据组；

根据所述输出电压-进给量数据组绘制输出电压-进给量曲线；

使用最小二乘法计算输出电压-进给量曲线的线性度误差。例如，进给量从0至100μm变化，以10μm为一个步长，得到10组输出电压-进给量数据组。

在一个实施例中，采用所述的电感扫描测头的测试装置的测试方法，可以对两个坐标轴确定的平面的性能进行测试，包括如下步骤(以下以对XY平面进行测试为例)：

S1、调节所述平面度调节部件、X方向调节部件和Y方向调节部件，使所述微分头的头部接触X轴(或Y轴)的测量球，并使得所述扫描测头的z轴上没有电压输出，而X轴和Y轴都具有电压输出；

S2、拧动所述微分头，对X轴的测量球施加进给量，记录X轴和Y轴的输出电压，并根据已知的X轴上的测微传感器，例如LVDT的输出电压-进给量曲线和Y轴上的测微传感器，例如LVDT的输出电压-进给量曲线，分别计算X轴的测量进给量和Y轴的测量进给量，然后根据X轴的测量进给量和Y轴的测量进给量计算得到测量进给量；

S3、根据微分头的进给量和测量进给量，测试所述扫描测头的XY平面的测量性能。

与单轴的测量性能类似，XY平面的测量性能也包括：测量精度、重复测量精度和线性度误差。

其中，测试所述扫描测头的平面测量精度包括如下步骤(以XY平面为例)：

根据微分头的进给量和测量进给量(根据X轴的测量进给量和Y轴的测量进给量计算得到)，判断所述扫描测头在XY平面上的测量精度。

测试所述扫描测头的平面重复测量精度包括如下步骤(以XY平面为例)：

使微分头对X轴的测量球施加不同的进给量(例如，进给量从0至100μm变化，以10μm为一个步长)，并分别记录对应的输出电压，得到相同进给量下对应的多个不同测量进给量，计算在相同进给量下任意两个测量进给量的最大差值作为所述确定的平面上的重复测量精度。

测试所述扫描测头的平面重复测量精度包括如下步骤(以XY平面为例)：

使所述微分头对X轴的测量球施加不同的进给量(例如，进给量从0至100μm变化，以10μm为一个步长)，并分别记录对应的输出电压，得到输出电压-进给量数据组；

根据所述输出电压-进给量数据组绘制输出电压-进给量曲线；

使用最小二乘法计算输出电压-进给量曲线的线性度误差。

在一个实施例中，采用所述的电感扫描测头的测试装置的测试方法，可以对扫描测头的空间性能进行测试，包括如下步骤：

S1、调节所述平面度调节部件、X方向调节部件和Y方向调节部件，使所述微分头的头部接触X轴(Y轴或Z轴)的测量球，并使所有坐标轴均具有电压输出；

S2、拧动所述微分头，对X轴的测量球施加进给量，记录每个坐标轴的输出电压，并根据已知的每个坐标轴上的测微传感器，例如LVDT的输出电压-进给量曲线，计算得到测量进给量；

S3、根据所述进给量和测量进给量，测试所述扫描测头的空间上的测量性能。

与单轴的测量性能类似，空间的测量性能也包括：测量精度、重复测量精度和线性度误差。

其中，测试所述扫描测头的空间测量精度包括如下步骤：

根据所述进给量和测量进给量，判断所述扫描测头在空间上的测量精度。

测试所述扫描测头的空间重复测量精度包括如下步骤：

使所述微分头对所述测量球施加不同的进给量，并分别记录对应的输出电压，得到相同进给量下对应的多个不同测量进给量，计算在相同进给量下任意两个测量进给量的最大差值作为空间上的重复测量精度。

测试所述扫描测头的空间线性度误差包括如下步骤：

使所述微分头对所述测量球施加不同的进给量，并分别记录对应的输出电压，得到输出电压-进给量数据组；

根据所述输出电压-进给量数据组绘制输出电压-进给量曲线；

使用最小二乘法计算输出电压-进给量曲线的线性度误差。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种电感扫描测头的测试装置，包括扫描测头和微进给装置，其特征是，所述微进给装置包括微分头、立柱、底板、平面度调节部件、X方向调节部件和Y方向调节部件，所述立柱固定在所述底板上，所述微分头可转动地固定在所述立柱上，所述微分头可沿所述立柱上下移动，所述平面度调节部件用于调节所述底板的平面度，所述X方向调节部件和Y方向部件分别用于调节所述底板沿X方向运动和沿Y方向运动，所述微分头的头部用于对所述扫描测头的测量球施加不同的进给量。

2.如权利要求1所述的电感扫描测头的测试装置，其特征是，所述微进给装置还包括微分头支架、第一滑动铰链和第二滑动铰链，所述立柱包括第一立柱和第二立柱，所述微分头固定在所述微分头支架上，所述微分头支架可绕着第一滑动铰链和第二滑动铰链转动，所述第一滑动铰链和第二滑动铰链分别可沿着第一立柱和第二立柱滑动，所述微分头位于所述第一立柱和第二立柱之间。

3.如权利要求1所述的电感扫描测头的测试装置，其特征是，

所述平面度调节部件为三个调节螺钉，通过旋转三个调节螺钉来调节所述底板的平面度。

4.如权利要求1所述的电感扫描测头的测试装置，其特征是，

所述X方向调节部件为两个调节螺钉，通过旋转两个调节螺钉来调节所述底板沿X方向运动，所述Y方向调节部件为两个调节螺钉，通过旋转两个调节螺钉来调节所述底板沿Y方向运动。

5.一种采用如权利要求1所述的电感扫描测头的测试装置的测试方法，其特征是，包括如下步骤：

S1、调整所述微分头的高度以及转动所述微分头，使所述微分头处于与所述扫描测头的选定坐标轴方向的测量杆的夹角在设定角度范围内的直线上；

S2、调节所述平面度调节部件、X方向调节部件和Y方向调节部件，使得所述扫描测头的选定坐标轴上具有电压输出，而所述选定坐标轴以外的其他坐标轴没有电压输出；

S3、拧动所述微分头，对所述选定坐标轴方向的测量杆的测量球施加进给量，记录所述选定坐标轴对应的输出电压，并根据所述选定坐标轴上的测微传感器已知的输出电压-进给量曲线，计算得到所述测量球的测量进给量；

S4、根据所述进给量和测量进给量评价所述扫描测头的所述选定坐标轴上的测量性能。

6.如权利要求5所述的测试方法，其特征是，

所述步骤S3包括如下步骤：

根据所述进给量和测量进给量，判断所述扫描测头的所述选定坐标轴方向上的测量精度；

或者，

使所述微分头对所述测量球施加不同的进给量，并分别记录对应的输出电压，得到相同进给量下的多个不同输出电压，计算在相同的进给量下任意两个输出电压之间的最大差值作为所述选定坐标轴上的重复性精度；

或者，

使所述微分头对所述测量球施加不同的进给量，并分别记录对应的输出电压，得到输出电压-进给量数据组；

根据所述输出电压-进给量数据组绘制输出电压-进给量曲线；

使用最小二乘法计算输出电压-进给量曲线的线性度误差。

7.一种采用如权利要求1所述的电感扫描测头的测试装置的测试方法，其特征是，包括如下步骤：

S1、调节所述平面度调节部件、X方向调节部件和Y方向调节部件，使所述微分头的头部接触选定坐标轴以外的其他任一坐标轴的测量球，并使得所述扫描测头的选定坐标轴上没有电压输出，而所述选定坐标轴以外的其他两个坐标轴具有电压输出；

S2、拧动所述微分头，对所述测量球施加进给量，记录所述其他两个坐标轴的输出电压，并根据已知的两个坐标轴上的测微传感器的输出电压-进给量曲线，计算得到测量进给量；

S3、根据所述进给量和测量进给量，测试所述扫描测头的所述其他两个坐标轴确定的平面上的测量性能。

8.如权利要求7所述的测试方法，其特征是，

在步骤S3中，

根据所述进给量和测量进给量，判断所述扫描测头在所述其他两个坐标轴确定的平面上的测量精度；

或者，

使所述微分头对所述测量球施加不同的进给量，并分别记录对应的输出电压，得到相同进给量下对应的多个不同测量进给量，计算在相同进给量下任意两个测量进给量的最大差值作为所述确定的平面上的重复测量精度；

或者，

使所述微分头对所述测量球施加不同的进给量，并分别记录对应的输出电压，得到输出电压-进给量数据组；

根据所述输出电压-进给量数据组绘制输出电压-进给量曲线；

使用最小二乘法计算输出电压-进给量曲线的线性度误差。

9.一种采用如权利要求1所述的电感扫描测头的测试装置的测试方法，其特征是，包括如下步骤：

S1、调节所述平面度调节部件、X方向调节部件和Y方向调节部件，使所述微分头的头部接触任一坐标轴的测量球，并使所有坐标轴均具有电压输出；

S2、拧动所述微分头，对所述测量球施加进给量，记录每个坐标轴的输出电压，并根据已知的每个坐标轴上的测微传感器的输出电压-进给量曲线，计算得到测量进给量；

S3、根据所述进给量和测量进给量，测试所述扫描测头的空间上的测量性能。

10.如权利要求9所述的测试方法，其特征是，

在步骤S3中，

根据所述进给量和测量进给量，判断所述扫描测头在空间上的测量精度；

或者，

使所述微分头对所述测量球施加不同的进给量，并分别记录对应的输出电压，得到相同进给量下对应的多个不同测量进给量，计算在相同进给量下任意两个测量进给量的最大差值作为空间上的重复测量精度；

或者，

使所述微分头对所述测量球施加不同的进给量，并分别记录对应的输出电压，得到输出电压-进给量数据组；

根据所述输出电压-进给量数据组绘制输出电压-进给量曲线；

使用最小二乘法计算输出电压-进给量曲线的线性度误差。