[發(fā)明專利]一種螺旋片簧彈性支承的三維納米測頭

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310306571.3
• 申請日: 2013-07-19
• 公開（公告）號: CN103398805A
• 公開（公告）日: 2013-11-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊洪濤;張東速;張煒;孫帥;方傳智;張晶
• 申請（專利權(quán)）人: 安徽理工大學(xué)
• 主分類號: G01L1/04
• 分類號: G01L1/04
• 代理公司: 北京世譽鑫誠專利代理事務(wù)所(普通合伙) 11368
• 代理人: 郭官厚

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及測量儀器技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種螺旋片簧彈性支承的三維納米測頭。?

背景技術(shù)

導(dǎo)軌支承是精密機械和精密測量儀器不可缺少的重要組件，并隨測量儀器的性能和精度不同而對導(dǎo)軌支承的要求也不同。其中對傳遞運動的導(dǎo)軌支承，不僅要求運動位移較大，對承受力和位移精度也有較高要求。而對支承微位移的精密測量儀器導(dǎo)軌支承件，一般皆對其精度要求較高。對于現(xiàn)代精密測量儀器，一般測量精度均為微米級，高測量精度則達(dá)納米級。由于高精度測量儀器對測量部件往往需加載一定的接觸測量力，以保證被測對象和測量儀器的測量元件能夠很好地接觸，但必須保證該接觸力大小適當(dāng)，符合測量要求。對于納米級精度的測量儀器，要求接觸力或測量力較小，以保證儀器總體測量精度。?

三維測頭是坐標(biāo)測量機關(guān)鍵的零部件之一。坐標(biāo)測量機測量精度直接依賴于測頭的精度，而彈性支承是測頭不可缺少的重要組件。精密測量儀器微測頭的彈性支承作用一般有兩方面，即兼有微位移元件支承與接觸式測頭的測力源，常見的有：雙片簧導(dǎo)軌支承、螺旋彈簧支承、懸絲彈性支承以及十字片簧支承等，這些彈性支承的微運動范圍及其產(chǎn)生的測力，隨彈性支承元件的結(jié)構(gòu)尺寸不同而不同，最小測力可達(dá)0.1mN，最大測力則可至幾十牛頓，但其微運動范圍均較小，最小僅幾微米。從上述分析可以看出，具備不同形式的彈性支撐的三維測頭具備不同的性能特點，不同性能和精度的測頭對導(dǎo)軌支承的要求也不同，因此采用不同形式的測量部件支承元件成為三維測頭結(jié)構(gòu)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。針對目前我國高精度三維測頭采用的彈性支撐現(xiàn)狀及其存在的缺點，我們設(shè)計發(fā)明了一種螺旋片簧彈性支承的三維納米測頭。?

現(xiàn)有技術(shù)常見的彈性支承測頭有以下幾種：螺旋彈簧支承測頭、片簧導(dǎo)軌支承測頭、十字懸絲彈性支承測頭、十字梁彈性支承測頭、十字片簧支承測頭。?

其中，螺旋彈簧支承測頭，螺旋復(fù)位彈簧壓緊測頭的三個接觸臂桿，當(dāng)測頭作三維微?動時，克服彈簧的微壓力，使臂桿脫離接觸的V型片而發(fā)生測量信號，否則臂桿復(fù)位。但僅能實現(xiàn)微米級精度的測量及觸發(fā)，測量力較大，一般為15N。?

片簧導(dǎo)軌支承測頭主要用于電動輪廓儀和原子顯微鏡，微懸臂支承觸針，與被測件表面接觸，此時觸針2做垂直上下微動，帶動鐵芯在電感線圈中微動而產(chǎn)生測量信號。缺點是僅能用于很小微納米量級微動范圍的測頭支承。如果微動范圍較大，則將產(chǎn)生由于測頭垂直軸線隨上下微動和軸線左右傾斜引起的測量誤差。?

十字懸絲彈性支承測頭選用剛度較大的金屬絲構(gòu)成十字支承，測頭微動時帶動測量臂微擺動而產(chǎn)生測量信號。缺點是懸絲易產(chǎn)生塑性變形，引起測頭性能的長期穩(wěn)定性差，需經(jīng)常調(diào)整懸絲的張緊力，以保持測頭的原有性能，但該調(diào)整難以實現(xiàn)。?

十字梁彈性支承測頭由測球1、測桿2、外框架3、中心連接體4、十字梁5組成。其彈性支承結(jié)構(gòu)采用十字梁結(jié)構(gòu)，由十字梁作為懸掛系統(tǒng)支承測桿測端，與被測面表面接觸。測力經(jīng)過測球、測桿和十字梁，傳遞到敏感元件即壓敏電阻，實現(xiàn)三維測力的測量。存在著維間耦合、徑向效應(yīng)和標(biāo)定矩陣為近似解等缺點。?

十字片簧彈性支承納米測頭的測頭性能的各向同性較差，具有較大的各向異性差別，影響納米級測量精度。此外，上述幾種測頭在承受圓周測力作用時，在圓周各個方向均存在預(yù)行程的畸變誤差。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種螺旋片簧彈性支承的三維納米測頭。?

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：?

一種螺旋片簧彈性支承的三維納米測頭，包括外殼、聚焦測頭、測量臂和螺旋片簧彈性支承，其特征在于，所述聚焦測頭安裝在外殼的上端部，所述測量臂上設(shè)有三個平面反射鏡，平面反射鏡之間安裝間隔為180度。所述螺旋片簧彈性支承固定在外殼上，處于測頭最前端的測球固定安裝在測桿上，測桿通過螺紋與連接件的下部相連接。?

所述聚焦測頭由固定螺栓安裝在外殼的上端部，數(shù)量為三個，與平面反射鏡一一對應(yīng)，安裝間隔為180度。?

所述螺旋片簧彈性支承通過連接件固定在外殼上。?

所述螺旋片簧彈性支承與固定螺母連接成一體，固定螺母與連接件連接。?

所述測量臂上固定三個平面反射鏡，固定螺母固定在連接件上。?

所述連接件的上部套有調(diào)整彈簧。?

所述的聚焦測頭下方的中間位置設(shè)有上端蓋，所述上端蓋上安裝有調(diào)整螺釘，所述調(diào)整螺釘?shù)南虏颗c調(diào)節(jié)彈簧相接觸，調(diào)整彈簧的上面安裝有墊塊，由調(diào)節(jié)螺釘、墊塊和調(diào)節(jié)彈簧實現(xiàn)對螺旋片簧彈性支撐預(yù)緊力的調(diào)整。?

本發(fā)明的有益效果：?