專利名稱：基于差動(dòng)象散離焦檢測(cè)的超精密三維瞄準(zhǔn)與測(cè)量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密儀器與測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于差動(dòng)象散離焦檢測(cè)的超精密三維瞄準(zhǔn)與測(cè)量傳感器。
背景技術(shù)：
高精度測(cè)頭/傳感器是各種精密坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、測(cè)長機(jī)、尺寸與形狀測(cè)量儀的關(guān)鍵部件，近年來，隨著具有大深寬比的狹槽、深盲孔等內(nèi)腔體零件的廣泛應(yīng)用，對(duì)瞄準(zhǔn)與測(cè)量傳感器的可測(cè)深度和測(cè)量精度都提出了更高要求。掃描式傳感器具有精度高、可同時(shí)實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)與測(cè)量等突出優(yōu)點(diǎn)，是超精密測(cè)量儀器與裝備的核心技術(shù)單元，國外嚴(yán)格禁運(yùn)。掃描式瞄準(zhǔn)與測(cè)量傳感器在原理上是采用檢測(cè)機(jī)構(gòu)與柔性位移傳遞機(jī)構(gòu)相結(jié)合的方法，測(cè)量力引起柔性導(dǎo)軌或柔性懸掛機(jī)構(gòu)的變形，測(cè)端的位移以一定的位移傳遞比傳遞到檢測(cè)機(jī)構(gòu)。現(xiàn)有的掃描式瞄準(zhǔn)與測(cè)量傳感器的檢測(cè)原理主要有基于電容檢測(cè)、基于電感檢測(cè)、基于壓阻式檢測(cè)原理等，但成本高、工藝復(fù)雜、加工困難。DVD激光頭是基于象散離焦檢測(cè)原理的光電器件，在PC機(jī)、影碟機(jī)、車載音樂播放器等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。DVD激光頭檢測(cè)線位移分辨力優(yōu)于lnm，可靠性高，將DVD激光頭作為掃描式瞄準(zhǔn)與測(cè)量傳感器的檢測(cè)元件，具有成本低、集成度高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。因此，采用將DVD激光頭作為檢測(cè)元件的瞄準(zhǔn)與測(cè)量傳感器是目前各國科研機(jī)構(gòu)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。匈牙利布達(dá)佩斯技術(shù)大學(xué)的Gyula Hermann與南臺(tái)科技大學(xué)的Chen-Yu Chiu開發(fā)的基于象散離焦檢測(cè)的掃描式傳感器(Gyula Hermann,“Design of Tactile MeasuringProbes for Coordinate Measuring Machines，，，Acta Polytechnica Hungarica, 2009,1,63-77 ；2.Chih-Liang Chu and Chen-Yu Chiu, “Development of a low-cost nanoscaletouch trigger probe based on two commercial DVD pick-up heads，，，Meas.Sc1.Technol，2007，18，1831-1842)測(cè)端在X、Y軸向的位移經(jīng)懸掛機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為懸掛機(jī)構(gòu)上其中一面反射鏡的角位移，由一個(gè)經(jīng)DVD改裝的角位移傳感器同時(shí)檢測(cè)X、Y向的位移變化，測(cè)端在Z向的位移經(jīng)懸掛機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為懸掛機(jī)構(gòu)中心反射鏡的位移，由一個(gè)基于DVD激光頭的線位移傳感器檢測(cè)Z軸向的位移。這種傳感器雖然結(jié)構(gòu)上較為簡單，但存在下列不足:1) 一個(gè)角位移傳感器同時(shí)測(cè)量X、Y向的位移無法抑制共模干擾，因外界環(huán)境干擾引起的機(jī)械變形導(dǎo)致的反射鏡反射面角度的變化引起的誤差無法消除；2)基于象散離焦檢測(cè)原理的傳感器在測(cè)量角度時(shí)，其四象限探測(cè)器與X、Y軸有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)角度傳感器的安裝方向要求非常嚴(yán)格，稍有偏差就會(huì)引起X、Y向的耦合。合肥工業(yè)大學(xué)的王偉麗、陳葉金等開發(fā)的基于象散離焦檢測(cè)的掃描式傳感器(I王偉麗，“納米三坐標(biāo)測(cè)量及機(jī)械結(jié)構(gòu)及接觸式測(cè)頭技術(shù)研究”，合肥工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文，2008，9 ；2.陳葉金，“創(chuàng)新型微納米測(cè)量探頭技術(shù)的研究”，合肥工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文，2007, 2)懸掛機(jī)構(gòu)靠四根鑰線懸掛在外殼上,測(cè)端的位移經(jīng)過懸掛機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為懸掛機(jī)構(gòu)上四根梁上反射鏡的位移。這種結(jié)構(gòu)存在主要局限性在于:1)提高分辨力與減小橫向尺寸相矛盾，不能有效的提高傳感器的可測(cè)深寬比，對(duì)于150_長的測(cè)針，若要獲得1:1的位移傳遞比，即使對(duì)于剛度無窮大的理想測(cè)針，傳感器的橫向尺寸也要至少大于150mm ;2)鑰線裝配困難，四根鑰線裝配稍有差別將直接導(dǎo)致傳感器橫向剛度不同。綜上所述，現(xiàn)有基于象散離焦檢測(cè)的位移傳感器存在分辨力與傳感器橫向尺寸的矛盾，共模干擾難以消除，存在軸間耦合等問題，應(yīng)用受限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種基于差動(dòng)象散離焦檢測(cè)的超精密三維瞄準(zhǔn)與測(cè)量傳感器，達(dá)到解決現(xiàn)有基于象散離焦檢測(cè)的位移傳感器存在的分辨力與傳感器橫向尺寸的矛盾和共模干擾難以消除、存在軸間耦合等問題、提高了傳感器的可測(cè)深度、為各種尺寸、形狀測(cè)量儀器與裝備、尤其是具有大深寬比的深孔、狹槽等內(nèi)腔體零件的高精度測(cè)量提供有效的傳感器的目的。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:基于差動(dòng)象散離焦檢測(cè)的超精密三維瞄準(zhǔn)與測(cè)量傳感器，由上安裝側(cè)板、橫向微動(dòng)調(diào)節(jié)板、支架、下?lián)醢?、下框、下安裝板、柔性懸掛機(jī)構(gòu)、傳感機(jī)構(gòu)組成，其中在支架的上端部上從下而上依次配裝橫向微動(dòng)調(diào)節(jié)板和上安裝側(cè)板，在支架的下端部上從上而下依次安裝下?lián)醢?、下框和下安裝板，傳感機(jī)構(gòu)配裝在支架內(nèi)側(cè)，柔性懸掛機(jī)構(gòu)安裝在傳感機(jī)構(gòu)下端部上，所述傳感機(jī)構(gòu)由差動(dòng)象散離焦檢測(cè)單元和精密調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成，差動(dòng)象散離焦檢測(cè)單元包括第一、二、三、四、五DVD激光頭和第一、二、三、四、五反射鏡，在空間坐標(biāo)系XYZ內(nèi)，X向的第一、二 DVD激光頭對(duì)X向的第一、二反射鏡位移進(jìn)行差動(dòng)檢測(cè)，Y向的第三、四DVD激光頭對(duì)Y向的第三、四反射鏡位移進(jìn)行差動(dòng)檢測(cè)，Z向的第五DVD激光頭對(duì)Z向的第五反射鏡位移進(jìn)行檢測(cè)，第一、二、三、四、五DVD激光頭的出射光垂直于依次相對(duì)應(yīng)的第一、二、三、四、五反射鏡的反射面，第一、二、三、四、五反射鏡安裝在反射鏡支架上，其中X向的第
一、二反射鏡與Y向的第三、四反射鏡安裝在反射鏡支架側(cè)面，Z向的第五反射鏡安裝在反射鏡支架頂端，X向的第一、二反射鏡、Y向的第三、四反射鏡、Z向的第五反射鏡反射鏡的反射面兩兩垂直；精密調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由第一、二、三、四、五可移動(dòng)楔形塊、第一、二、三、四、五從動(dòng)楔形塊、第一、二、三、四、五滑軌、推拉鎖緊機(jī)構(gòu)組成，第一、二、三、四、五可移動(dòng)楔形塊和依次相應(yīng)第一、二、三、四、五從動(dòng)楔形塊的接觸面與相對(duì)應(yīng)第一、二、三、四、五反射鏡的反射面不平行，第一、二、三、四DVD激光頭依次分別安裝在相應(yīng)的第一、二、三、四從動(dòng)楔形塊上，第五DVD激光頭通過軸上DVD銜接件安裝在第五從動(dòng)楔形塊上，第一、二、三、四、五可移動(dòng)楔形塊在相應(yīng)的第一、二、三、四、五滑軌和第一、二、三、四、五從動(dòng)楔形塊之間滑動(dòng)，使第一、二、三、四、五DVD激光頭與第一、二、三、四、五從動(dòng)楔形塊一起產(chǎn)生垂直于各自相應(yīng)軸的運(yùn)動(dòng)；推拉鎖緊機(jī)構(gòu)由推拉元件和鎖緊元件組成，推拉元件依次調(diào)節(jié)第一、二、三、四、五可移動(dòng)楔形塊分別與第一、二、三、四、五從動(dòng)楔形塊之間的接觸配合，鎖緊元件將精密調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)壓緊在相應(yīng)的第一、二、三、四、五滑軌上；第一、二、三、四、五滑軌固定在支架上；所述柔性懸掛機(jī)構(gòu)由剛性連接體、第一、二、三、四彈性膜片、反射鏡支架、測(cè)針組成，第一、二、
三、四彈性膜片分別均布于剛性連接體的四周，X向的第一、二彈性膜片互相平行或共線，Y向的第三、四彈性膜片互相平行或共線，且X向的第一、二彈性膜片與Y向的第三、四彈性膜片互相垂直，第一、二、三、四彈性膜片分別與剛性連接體和支架固接，反射鏡支架與測(cè)針分別安裝在剛性連接體的上、下表面上。
所述第一、二、三、四、五DVD激光頭與相應(yīng)第一、二、三、四、五從動(dòng)楔形塊連接方式為螺紋連接或粘接。所述第一、二、三、四、五反射鏡與反射鏡支架之間采用螺紋連接或粘接。所述第一、二、三、四、五可移動(dòng)楔形塊和相應(yīng)第一、二、三、四、五從動(dòng)楔形塊的接觸面與相應(yīng)第一、二、三、四、五反射鏡的反射面夾角為0.0Olrad 0.05rad。所述推拉鎖緊機(jī)構(gòu)的推拉元件為螺釘與頂絲組成或彈簧與螺釘組成或彈簧與頂絲組成。所述推拉鎖緊機(jī)構(gòu)的鎖緊元件為片簧或彈簧或彈性墊圈。本發(fā)明的技術(shù)創(chuàng)新性及產(chǎn)生的良好效果在于:(I)本發(fā)明提出了一種基于差動(dòng)象散離焦檢測(cè)及DVD激光頭空間差動(dòng)布置的高精度三維位移檢測(cè)方案，解決了傳感器橫向分辨力與橫向尺寸之間的矛盾，測(cè)針長度顯著增力口，大大提高了傳感器的可測(cè)深寬比。采用差動(dòng)檢測(cè)方法可有效抑制共模干擾，分辨力提高一倍。(2)本發(fā)明通過DVD激光頭檢測(cè)一維雙向的線位移，基于柔性懸掛機(jī)構(gòu)的位移傳遞機(jī)構(gòu)，在X、Y、Z向互不耦合，解耦方便，消除了將DVD激光頭作為角度傳感器的技術(shù)解決方案帶來的X、Y向耦合的問題。(3)本發(fā)明通過楔形塊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)DVD激光頭進(jìn)行高精度零位聚焦調(diào)節(jié)，僅僅需要兩個(gè)楔形塊即可使DVD激光頭實(shí)現(xiàn)垂直于反射鏡的納米分辨力的位移調(diào)節(jié)。(4)本發(fā)明通過DVD激光頭檢測(cè)反射鏡的線位移，DVD激光頭已經(jīng)商業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，技術(shù)成熟、成本低廉。


圖1為本發(fā)明的基于差動(dòng)象散離焦檢測(cè)的超精密三維瞄準(zhǔn)與測(cè)量傳感器的三維視圖；圖2為本發(fā)明中支架結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明中橫向精密調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明中精密調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明中懸掛機(jī)構(gòu)中彈性膜片口字形布局的一個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)不意圖；圖6為本發(fā)明中懸掛機(jī)構(gòu)中彈性膜片十字型布局的一個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明中差動(dòng)象散離焦檢測(cè)與懸掛機(jī)構(gòu)原理示意圖；圖8為本發(fā)明中DVD激光頭中四象限探測(cè)器接收離焦誤差信號(hào)原理圖；圖9為本發(fā)明中DVD激光頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖中，Ia第一反射鏡、Ib第二向反射鏡、Ic第三反射鏡、Id第四反射鏡、Ie第五反射鏡、2剛性連接體、3a第一 DVD激光頭、3b第二 DVD激光頭、3c第三DVD激光頭、3d第四DVD激光頭、3e第五DVD激光頭、4a第一可移動(dòng)楔形塊、4b第二可移動(dòng)楔形塊、4c第三可移動(dòng)楔形塊、4d第四可移動(dòng)楔形塊、4e第五可移動(dòng)楔形塊、5a第一從動(dòng)楔形塊、5b第二從動(dòng)楔形塊、5c第三從動(dòng)楔形塊、5d第四從動(dòng)楔形塊、5e第五從動(dòng)楔形塊、6支架、7a第一彈性膜片、7b第二彈性膜片、7c第三彈性膜片、7d第四彈性膜片、8下?lián)醢濉?下框、10下安裝板、11測(cè)針、12反射鏡支架、13橫向微動(dòng)調(diào)節(jié)板、14a第一滑軌、14b第二滑軌、14c第三滑軌、14d第四滑軌、14e第五滑軌、15接觸面、16軸向DVD銜接件、17鎖緊元件、18半導(dǎo)體激光器、19象散離焦檢測(cè)鏡組、20四象限探測(cè)器、21懸掛機(jī)構(gòu)、22線位移傳感器、23反射鏡、24角位移傳感器、25推拉元件、26推拉鎖緊機(jī)構(gòu)、27精密調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、28差動(dòng)象散離焦檢測(cè)單元、29柔性懸掛機(jī)構(gòu)、30上安裝側(cè)板、31傳感機(jī)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行說明，并給出實(shí)施例。基于差動(dòng)象散離焦檢測(cè)的超精密三維瞄準(zhǔn)與測(cè)量傳感器，由上安裝側(cè)板30、橫向微動(dòng)調(diào)節(jié)板13、支架6、下?lián)醢?、下框9、下安裝板10、柔性懸掛機(jī)構(gòu)29、傳感機(jī)構(gòu)31組成，其中在支架6的上端部上從下而上依次配裝橫向微動(dòng)調(diào)節(jié)板13和上安裝側(cè)板30，在支架6的下端部上從上而下依次安裝下?lián)醢?、下框9和下安裝板10，傳感機(jī)構(gòu)31配裝在支架6內(nèi)偵牝柔性懸掛機(jī)構(gòu)29安裝在傳感機(jī)構(gòu)31下端部上，所述傳感機(jī)構(gòu)31由差動(dòng)象散離焦檢測(cè)單元28和精密調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)27組成，差動(dòng)象散離焦檢測(cè)單元28包括第一、二、三、四、五DVD激光頭3a、3b、3c、3d、3e和第一、二、三、四、五反射鏡la、lb、lc、ld、le，在空間坐標(biāo)系XYZ內(nèi)，X向的第一、二 DVD激光頭3a、3b對(duì)X向的第一、二反射鏡la、Ib位移進(jìn)行差動(dòng)檢測(cè)，Y向的第
三、四DVD激光頭3c、3d對(duì)Y向的第三、四反射鏡lc、Id位移進(jìn)行差動(dòng)檢測(cè)，Z向的第五DVD激光頭3e對(duì)Z向的第五反射鏡Ie位移進(jìn)行檢測(cè),第一、二、三、四、五DVD激光頭3a、3b、3c、3d、3e的出射光垂直于依次相對(duì)應(yīng)的第一、二、三、四、五反射鏡la、lb、lc、ld、le的反射面，第一、二、三、四、五反射鏡la、lb、lc、ld、le安裝在反射鏡支架12上,其中X向的第一、二反射鏡la、Ib與Y向的第三、四反射鏡lc、Id安裝在反射鏡支架12側(cè)面，Z向的第五反射鏡Ie安裝在反射鏡支架12頂端，X向的第一、二反射鏡la、lb、Y向的第三、四反射鏡lc、ld、Z向的第五反射鏡Ie反射鏡的反射面兩兩垂直；精密調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)27由第一、二、三、四、五可移動(dòng)楔形塊4a、4b、4c、4d、4e、第一、二、三、四、五從動(dòng)楔形塊5a、5b、5c、5d、5e、第一、二、三、四、五滑軌14a、14b、14c、14d、14e、推拉鎖緊機(jī)構(gòu)26組成，第一、二、三、四、五可移動(dòng)楔形塊4a、4b、4c、4d、4e和依次相應(yīng)第一、二、三、四、五從動(dòng)楔形塊5a、5b、5c、5d、5e的接觸面15與相對(duì)應(yīng)第一、二、三、四、五反射鏡la、lb、lc、Id、Ie的反射面不平行,第一、二、三、四DVD激光頭3a、3b、3c、3d依次分別安裝在相應(yīng)的第一、二、三、四從動(dòng)楔形塊5a、5b、5c、5d、5e上，第五DVD激光頭3e通過軸上DVD銜接件16安裝在第五從動(dòng)楔形塊5e上，第一、二、三、四、五可移動(dòng)楔形塊4a、4b、4c、4d、4e在相應(yīng)的第一、二、三、四、五滑軌14a、14b、14c、14d、14e和第一、二、三、四、五從動(dòng)楔形塊5a、5b、5c、5d、5e之間滑動(dòng),使第一、二、三、四、五DVD激光頭3a、3b、3c、3d、3e與第一、二、三、四、五從動(dòng)模形塊5a、5b、5c、5d、5e —起產(chǎn)生垂直于各自相應(yīng)軸的運(yùn)動(dòng)；推拉鎖緊機(jī)構(gòu)26由推拉元件25和鎖緊元件17組成，推拉元件25依次調(diào)節(jié)第
一、二、三、四、五可移動(dòng)楔形塊4a、4b、4c、4d、4e分別與第一、二、三、四、五從動(dòng)楔形塊5a、5b、5c、5d、5e之間的接觸配合，鎖緊元件17將精密調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)27壓緊在相應(yīng)的第一、二、三、
四、五滑軌14a、14b、14c、14d、14e 上；第一、二、三、四、五滑軌 14a、14b、14c、14d、14e 固定在支架6上；所述柔性懸掛機(jī)構(gòu)29由剛性連接體2、第一、二、三、四彈性膜片7a、7b、7c、7d、反射鏡支架12、測(cè)針11組成，第一、二、三、四彈性膜片7a、7b、7c、7d分別均布于剛性連接體2的四周，X向的第一、二彈性膜片7a、7b互相平行或共線，Y向的第三、四彈性膜片7c、7d互相平行或共線，且X向的第一、二彈性膜片7a、7b與Y向的第三、四彈性膜片7c、7d互相垂直，第一、二、三、四彈性膜片7a、7b、7c、7d分別與剛性連接體2和支架6固接，反射鏡支架12與測(cè)針11分別安裝在剛性連接體2的上、下表面上。所述第一、二、三、四、五DVD激光頭3a、3b、3c、3d、3e與相應(yīng)第一、二、三、四、五從動(dòng)楔形塊5a、5b、5c、5d、5e連接方式為螺紋連接或粘接。所述第一、二、三、四、五反射鏡la、lb、lc、Id、Ie與反射鏡支架12之間采用螺紋連接或粘接。所述第一、二、三、四、五可移動(dòng)楔形塊4a、4b、4c、4d、4e和相應(yīng)第一、二、三、四、五從動(dòng)楔形塊5a、5b、5c、5d、5e的接觸面15與相應(yīng)第一、二、三、四、五反射鏡la、lb、lc、Id、Ie的反射面夾角為0.0Olrad 0.05rad。所述推拉鎖緊機(jī)構(gòu)26的推拉元件25為螺釘與頂絲組成或彈簧與螺釘組成或彈簧與頂絲組成。所述推拉鎖緊機(jī)構(gòu)26的鎖緊元件17為片簧或彈簧或彈性墊圈。圖1為本發(fā)明的基于象散離焦檢測(cè)原理的深小孔傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)三維視圖，圖2為本發(fā)明中支架結(jié)構(gòu)示意圖。下面結(jié)合圖1、圖2給出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例?？臻g坐標(biāo)系中，豎直方向?yàn)閆軸方向，X軸在水平面內(nèi)垂直于第一反射鏡Ia的反射面，Y軸在水平面內(nèi)垂直于第三反射鏡Ic的反射面。在本實(shí)施例中，第一、二、三、四橫向滑軌(14a、14b、14c、14d)與支架6為一體結(jié)構(gòu)，由線切割工藝加工完成，橫向微動(dòng)調(diào)節(jié)板13安裝在支架6上方，縱向第五滑軌14e安裝在橫向微動(dòng)調(diào)節(jié)板13上方。柔性懸掛機(jī)構(gòu)29安裝在支架6的下方突起部位。本發(fā)明在應(yīng)用時(shí)，傳感器通過支架6連接在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上。初始化時(shí)，通過調(diào)節(jié)精密調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)27，使第一、二、三、四、五DVD激光頭(3a、3b、3c、3d、3e)出射光聚焦在相對(duì)應(yīng)的第一、二、三、四、五反射鏡(la、lb、lc、Id、Ie)上；三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)帶動(dòng)傳感器觸碰被測(cè)零件，受測(cè)量力的作用，測(cè)針11的位移經(jīng)柔性懸掛機(jī)構(gòu)傳遞使第一、二、三、四、五反射鏡(IaUbUcUdUe)在X、Y、Z向上產(chǎn)生位移，第一、二、三、四、五反射鏡(la、lb、lc、Id、Ie)的位移由第一、二、三、四、五DVD激光頭(3a、3b、3c、3d、3e)檢測(cè)，根據(jù)位移傳遞比的大小得到測(cè)力為零時(shí)測(cè)針11的位置。圖3為本發(fā)明中橫向上精密調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖，圖4為本發(fā)明中精密調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。下面結(jié)合圖3、圖4給出本發(fā)明中精密調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)27的一個(gè)實(shí)施例。本實(shí)施例中，精密調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)27由第一、二、三、四可移動(dòng)楔形塊(4a、4b、4c、4d)、第一、
二、三、四從動(dòng)楔形塊(5&、513、5(:、5(1)、推拉鎖緊機(jī)構(gòu)26組成，第一、二、三、四可移動(dòng)楔形塊(4a、4b、4c、4d)在相應(yīng)第一、二、三、四滑軌(14a、14b、14c、14d)和第一、二、三、四從動(dòng)楔形塊(5a、5b、5c、5d)之間滑動(dòng),使第一、二、三、四從動(dòng)楔形塊(5a、5b、5c、5d)產(chǎn)生垂直于各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)，第一、二、三、四DVD激光頭(3a、3b、3c、3d)安裝在相應(yīng)的第一、二、三、四從動(dòng)楔形塊(5a、5b、5c、5d)上,并與第一、二、三、四從動(dòng)楔形塊(5a、5b、5c、5d) —起產(chǎn)生垂直于相應(yīng)軸的運(yùn)動(dòng)，推拉鎖緊機(jī)構(gòu)26由推拉元件25和鎖緊元件17組成，推拉元件25的作用是調(diào)節(jié)可移動(dòng)楔形塊(4a、4b、4c、4d、4e)的位置，鎖緊元件17將精密調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)27壓緊在第一、
二、三、四滑軌(14a、14b、14c、14d)上。本實(shí)施例中，第一、二、三、四滑軌(14a、14b、14c、14d)安裝在支架6上，第一、二、三、四可移動(dòng)楔形塊(4a、4b、4c、4d)與相應(yīng)第一、二、三、四從動(dòng)楔形塊(5a、5b、5c、5d)的接觸面15與相應(yīng)第一、二、三、四反射鏡(la、lb、lc、Id)的反射面不平行，夾角為0.0lrad。第一、二、三、四可移動(dòng)楔形塊(14a、14b、14c、14d)的長度為60cm,第一、二、三、四從動(dòng)楔形塊(5a、5b、5c、5d)的長度為80cm,則第一、二、三、四可移動(dòng)楔形塊(14a、14b、14c、14d)的進(jìn)動(dòng)距離為20cm，垂直于軸向的調(diào)節(jié)范圍為200um。圖5為本發(fā)明中懸掛機(jī)構(gòu)中彈性膜片口字形布局的一個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)不意圖。本實(shí)施例中，柔性懸掛機(jī)構(gòu)29由剛性連接體2、第一、二、三、四彈性膜片(7a、7b、7c、7d)、反射鏡支架12、測(cè)針11組成，第一、二、三、四彈性膜片(7a、7b、7c、7d)的中間安裝于剛性連接體2上，兩端安裝在支架6突起部，第一、二、三、四彈性膜片(7a、7b、7c、7d)呈口字型分布均布在剛性連接體2的四周。第一、二、三、四彈性膜片(7a、7b、7c、7d)采用鈹銅合金材料制成，長度為70，厚度為0.6mm,剛性連接體2為十字形結(jié)構(gòu)，材料為不銹鋼。為了提高柔性懸掛機(jī)構(gòu)29的固有頻率，提高傳感器的動(dòng)態(tài)特性，本實(shí)施中反射鏡支架12為中空薄壁結(jié)構(gòu)以減輕其自身質(zhì)量。測(cè)針11為長200mm、直徑3mm的碳纖維測(cè)桿，測(cè)端為直徑4mm的紅寶石測(cè)球。gh圖6為本發(fā)明中懸掛機(jī)構(gòu)中彈性膜片十字型布局的一個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。本實(shí)施例中，柔性懸掛機(jī)構(gòu)29由剛性連接體2、第一、二、三、四彈性膜片(7a、7b、7c、7d)、反射鏡支架12、測(cè)針11組成，第一、二、三、四彈性膜片(7a、7b、7c、7d)的中間安裝于剛性連接體2上，第一、二、三、四彈性膜片(7a、7b、7c、7d)呈十字型分布布置在剛性連接體2的四周。第一、二、三、四彈性膜片(7a、7b、7c、7d)采用65Mn彈簧鋼材料制成，長度為25，厚度為
0.7mm。反射鏡支架12安裝在剛性連接體2上端面，測(cè)針11安裝在剛性連接體2下端面。反射鏡支架12為中空薄壁結(jié)構(gòu)，壁厚為0.3mm，采用溫度系數(shù)小的殷鋼材料制成。測(cè)針11為長150mm、直徑2mm的碳化鶴維測(cè)桿,測(cè)端為直徑3mm的紅寶石測(cè)球。下面就測(cè)針11在X向測(cè)力下作用對(duì)柔性懸掛機(jī)構(gòu)29進(jìn)行分析。在測(cè)力Fx的作用下，測(cè)桿的撓度V。為:
權(quán)利要求
1.一種基于差動(dòng)象散離焦檢測(cè)的超精密三維瞄準(zhǔn)與測(cè)量傳感器，由上安裝側(cè)板(30)、橫向微動(dòng)調(diào)節(jié)板(13)、支架(6)、下?lián)醢澧?、下?9)、下安裝板(10)、柔性懸掛機(jī)構(gòu)(29)、傳感機(jī)構(gòu)(31)組成，其中在支架￠)的上端部上從下而上依次配裝橫向微動(dòng)調(diào)節(jié)板(13)和上安裝側(cè)板(30)，在支架￠)的下端部上從上而下依次安裝下?lián)醢?8)、下框(9)和下安裝板(10)，傳感機(jī)構(gòu)(31)配裝在支架(6)內(nèi)側(cè)，柔性懸掛機(jī)構(gòu)(29)安裝在傳感機(jī)構(gòu)(31)下端部上，其特征在于:所述傳感機(jī)構(gòu)(31)由差動(dòng)象散離焦檢測(cè)單元(28)和精密調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(27)組成，差動(dòng)象散離焦檢測(cè)單元(28)包括第一、二、三、四、五DVD激光頭(3a、3b、3c、3d、3e)和第一、二、三、四、五反射鏡(la、lb、lc、Id、Ie),在空間坐標(biāo)系XYZ內(nèi)，X向的第一、二DVD激光頭(3a、3b)對(duì)X向的第一、二反射鏡(la、lb)位移進(jìn)行差動(dòng)檢測(cè)，Y向的第三、四DVD激光頭(3c、3d)對(duì)Y向的第三、四反射鏡(lc、ld)位移進(jìn)行差動(dòng)檢測(cè)，Z向的第五DVD激光頭(3e)對(duì)Z向的第五反射鏡(Ie)位移進(jìn)行檢測(cè),第一、二、三、四、五DVD激光頭(3a、3b、3c、3d、3e)的出射光垂直于依次相對(duì)應(yīng)的第一、二、三、四、五反射鏡(la、lb、lc、Id、Ie)的反射面，第一、二、三、四、五反射鏡(la、lb、lc、ld、le)安裝在反射鏡支架(12)上，其中X向的第一、二反射鏡(la、lb)與Y向的第三、四反射鏡(lc、ld)安裝在反射鏡支架(12)側(cè)面，Z向的第五反射鏡(Ie)安裝在反射鏡支架(12)頂端，X向的第一、二反射鏡(la、lb)、Y向的第三、四反射鏡(lc、ld)、Z向的第五反射鏡(Ie)反射鏡的反射面兩兩垂直；精密調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(27)由第一、二、三、四、五可移動(dòng)楔形塊(4a、4b、4c、4d、4e)、第一、二、三、四、五從動(dòng)楔形塊(5a、5b、5c、5d、5e)、第一、二、三、四、五滑軌(14a、14b、14c、14d、14e)、推拉鎖緊機(jī)構(gòu)(26)組成，第一、二、三、四、五可移動(dòng)楔形塊(4a、4b、4c、4d、4e)和依次相應(yīng)第一、二、三、四、五從動(dòng)楔形塊(5a、5b、5c、5d、5e)的接觸面(15)與相對(duì)應(yīng)第一、二、三、四、五反射鏡(IaUbUcUdUe)的反射面不平行，第一、二、三、四DVD激光頭(3a、3b、3c、3d)依次分別安裝在相應(yīng)的第一、二、三、四從動(dòng)楔形塊(5a、5b、5c、5d、5e)上，第五DVD激光頭(3e)通過軸上DVD銜接件(16)安裝在第五從動(dòng)楔形塊(5e)上，第一、二、三、四、五可移動(dòng)楔形塊(4a、4b、4c、4d、4e)在相應(yīng)的第一、二、三、四、五滑軌(14a、14b、14c、14d、14e)和第一、二、三、四、五從動(dòng)楔形塊(5a 、5b、5c、5d、5e)之間滑動(dòng)，使第一、二、三、四、五DVD激光頭(3a、3b、3c、3d、3e)與第一、二、三、四、五從動(dòng)楔形塊(5a、5b、5c、5d、5e) —起產(chǎn)生垂直于各自相應(yīng)軸的運(yùn)動(dòng)；推拉鎖緊機(jī)構(gòu)(26)由推拉元件(25)和鎖緊元件(17)組成，推拉元件(25)依次調(diào)節(jié)第一、二、三、四、五可移動(dòng)楔形塊(4a、4b、4c、4d、4e)分別與第一、二、三、四、五從動(dòng)楔形塊(5a、5b、5c、5d、5e)之間的接觸配合，鎖緊元件(17)將精密調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(27)壓緊在相應(yīng)的第一、二、三、四、五滑軌(14a、14b、14c、14d、14e)上；第一、二、三、四、五滑軌(14a、14b、14c、14d、14e)固定在支架(6)上；所述柔性懸掛機(jī)構(gòu)(29)由剛性連接體(2)、第一、二、三、四彈性膜片(7a、7b、7c、7d)、反射鏡支架(12)、測(cè)針(11)組成，第一、二、三、四彈性膜片(7a、7b、7c、7d)分別均布于剛性連接體⑵的四周，X向的第一、二彈性膜片(7a、7b)互相平行或共線，Y向的第三、四彈性膜片(7c、7d)互相平行或共線，且X向的第一、二彈性膜片(7a、7b)與Y向的第三、四彈性膜片(7c、7d)互相垂直，第一、二、三、四彈性膜片(7a、7b、7c、7d)分別與剛性連接體⑵和支架(6)固接，反射鏡支架(12)與測(cè)針(11)分別安裝在剛性連接體(2)的上、下表面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于差動(dòng)象散離焦檢測(cè)的超精密三維瞄準(zhǔn)與測(cè)量傳感器，其特征在于:所述第一、二、三、四、五DVD激光頭(3a、3b、3c、3d、3e)與相應(yīng)第一、二、三、四、五從動(dòng)楔形塊(5a、5b、5c、5d、5e)連接方式為螺紋連接或粘接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于差動(dòng)象散離焦檢測(cè)的超精密三維瞄準(zhǔn)與測(cè)量傳感器，其特征在于:所述第一、二、三、四、五反射鏡(la、lb、lc、ld、le)與反射鏡支架(12)之間采用螺紋連接或粘接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于差動(dòng)象散離焦檢測(cè)的超精密三維瞄準(zhǔn)與測(cè)量傳感器，其特征在于:所述第一、二、三、四、五可移動(dòng)楔形塊(4a、4b、4c、4d、4e)和相應(yīng)第一、二、三、四、五從動(dòng)楔形塊(5a、5b、5c、5d、5e)的接觸面(15)與相應(yīng)第一、二、三、四、五反射鏡(la、lb、lc、Id、Ie)的反射面夾角為 0.0Olrad 0.05rad。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于差動(dòng)象散離焦檢測(cè)的超精密三維瞄準(zhǔn)與測(cè)量傳感器，其特征在于:所述推拉鎖緊機(jī)構(gòu)(26)的推拉元件(25)為螺釘與頂絲組成或彈簧與螺釘組成或彈簧與頂絲組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于差動(dòng)象散離焦檢測(cè)的超精密三維瞄準(zhǔn)與測(cè)量傳感器，其特征在于:所述推拉鎖 緊機(jī)構(gòu)(26)的鎖緊元件(17)為片簧或彈簧或彈性墊圈。
全文摘要
基于差動(dòng)象散離焦檢測(cè)的超精密三維瞄準(zhǔn)與測(cè)量傳感器屬于精密儀器與測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，由差動(dòng)象散離焦檢測(cè)單元、柔性懸掛機(jī)構(gòu)、精密調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和外殼組成，柔性懸掛機(jī)構(gòu)由剛性十字架、彈性膜片、反射鏡支架、測(cè)針組成，將測(cè)針的位移以高位移傳遞率傳遞到反射鏡；差動(dòng)象散離焦檢測(cè)單元由DVD激光頭、反射鏡組成，對(duì)反射鏡的位移進(jìn)行高精度差動(dòng)檢測(cè)；精密調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由可移動(dòng)楔形塊、從動(dòng)楔形塊組成，實(shí)現(xiàn)初始狀態(tài)下DVD激光頭的高精度零位聚焦；本發(fā)明最大可測(cè)深寬比可達(dá)40∶1及以上，分辨力可達(dá)納米級(jí)，解耦方便，抗干擾能力強(qiáng)，為具有大深寬比特征的深孔、狹槽等內(nèi)腔體零件的高精度測(cè)量提供了一種有效的傳感器。
文檔編號(hào)G01B11/00GK103162625SQ201310078588
公開日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2013年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月1日
發(fā)明者譚久彬, 何張強(qiáng), 崔俊寧, 陸葉盛 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)