專利名稱：接觸式光纖測(cè)頭裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種接觸式光纖測(cè)頭裝置，屬于精密測(cè)試技術(shù)與儀器和 光學(xué)精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
測(cè)頭可視為傳感器，只是其結(jié)構(gòu)、功能較一般傳感器更為復(fù)雜。測(cè)頭的 兩大基本功能是測(cè)微(即測(cè)出與給定的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)值的偏差量)和觸發(fā)瞄準(zhǔn)并過(guò)零發(fā)訊。測(cè)頭是精密量?jī)x的關(guān)鍵部件之一，作為傳感器提供被測(cè)工件的幾何信息， 其發(fā)展水平直接影響精密量?jī)x的測(cè)量精度、工作性能、使用效率和柔性程度。 在目前廣泛使用的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中，測(cè)頭的設(shè)計(jì)和制造更決定了測(cè)量機(jī)的整體 性能。其發(fā)展歷史也表明，只有在精密測(cè)頭為其提供新的觸測(cè)原理、新的測(cè) 量精度后，精密量?jī)x才能發(fā)生一次根本的變化。換言之，精密測(cè)頭是限制精 密量?jī)x精度和速度的主要因素，精密量?jī)x能否滿足現(xiàn)代測(cè)量要求也依賴于精 密測(cè)頭裝置的不斷創(chuàng)新與發(fā)展。因此，研制具有高精度、高性能的精密測(cè)頭 是實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量的關(guān)鍵。測(cè)頭的分類，按功能分為瞄準(zhǔn)測(cè)頭和測(cè)微測(cè)頭，按結(jié)構(gòu)原理分為機(jī)械式 測(cè)頭、電氣式測(cè)頭和光學(xué)測(cè)頭，按照測(cè)量方法又分為接觸式測(cè)頭和非接觸式 測(cè)頭，其中接觸式測(cè)頭又分為硬測(cè)頭和軟測(cè)頭。從總體分析，目前的掃描式測(cè)頭精度較高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、價(jià)格 昂貴，影響了其普及應(yīng)用。其發(fā)展方向就是在不影響其精度和掃描速度的同時(shí)， 研制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的新型、高精度掃描式測(cè)頭。非接觸測(cè)頭具有測(cè)量力 為零、測(cè)量效率高的優(yōu)點(diǎn)，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，但是由于受到被測(cè)物體 的形貌特征、輻射特性等影響，測(cè)量精度尚需提高，還無(wú)法取代接觸式測(cè)頭 在精密量?jī)x中的位置。而接觸式測(cè)頭由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作成本低及較高 的觸發(fā)精度等優(yōu)點(diǎn)，仍是三維測(cè)頭中應(yīng)用最廣泛的測(cè)頭。而其發(fā)展方向是尺 寸小、集成度高、精度高、各向異性小。自從1972年實(shí)用新型三叉式觸發(fā)測(cè)頭以來(lái)，其傳感方式不斷改進(jìn)，目前 的觸發(fā)式測(cè)頭主要是通過(guò)判斷電子機(jī)械開(kāi)關(guān)的通斷、壓電晶體的壓電效應(yīng)、 應(yīng)變片的形變等幾種方式觸發(fā)。各種觸發(fā)方式都有其優(yōu)缺點(diǎn)，電子機(jī)械開(kāi)關(guān) 觸發(fā)式測(cè)頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)，但精度有限；壓電觸發(fā)式測(cè)頭靈敏度 高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但易誤觸發(fā)；應(yīng)變片觸發(fā)式測(cè)頭測(cè)量力小、精度高，但易受 外界溫度影響；振動(dòng)觸發(fā)式測(cè)頭測(cè)力小、使用范圍廣，但精度有限。綜合比 較各種觸發(fā)方式，都不能兼顧高精度、抗干擾強(qiáng)、適應(yīng)范圍廣等特點(diǎn)。最為 關(guān)鍵的是，無(wú)論采用哪種傳感方式，其觸發(fā)的本質(zhì)并未改變，仍是測(cè)端接觸 被測(cè)件帶動(dòng)測(cè)桿偏移引起觸發(fā)，其存在的各向異性及測(cè)桿變形帶來(lái)的誤差， 雖可采用一定措施減少，但無(wú)法從根本上消除，成為制約其精度提高的主要 障礙。綜上所述，觸發(fā)式測(cè)頭應(yīng)用最廣，其進(jìn)一步發(fā)展必須突破傳統(tǒng)的觸發(fā)模 式，從根本上消除各向異性和測(cè)桿變形對(duì)測(cè)量精度的影響。實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型就是突破目前傳統(tǒng)的觸發(fā)式測(cè)量原理，將非接觸式測(cè)量中的 光學(xué)原理與接觸式觸發(fā)原理相結(jié)合，產(chǎn)生一種新的觸測(cè)方法，該方法能解決 現(xiàn)有測(cè)頭的的缺陷，將精密測(cè)量帶入到一個(gè)新的高度。本實(shí)用新型針對(duì)目前精密測(cè)量所用的測(cè)頭的原理缺陷，提出一種新的觸 測(cè)原理，其基本思想單色光光源的光通過(guò)單根光纖傳至遠(yuǎn)離光源端的光纖 球，然后通過(guò)光纖球外層的占有超半球面積的反射膜在光纖球內(nèi)部進(jìn)行反射， 然后從接近接收光纖束端面的小半球表面出射，再進(jìn)入外圍的接收光纖束，然后經(jīng)過(guò)光學(xué)裝置后至圖像探測(cè)器(CCD)，再通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)來(lái)識(shí)別接收來(lái)的光斑。如果前端光纖球觸碰到被測(cè)物，則會(huì)導(dǎo)致發(fā)射光纖在接收光纖 束端面處的部位發(fā)生彎曲變形，從而導(dǎo)致反射回來(lái)的光強(qiáng)發(fā)生變化，反映到 光斑圖像信息的變化，然后從光斑圖像變化信息提取被測(cè)物空間幾何量信息。 該方法最大的優(yōu)點(diǎn)是避免了在接觸式測(cè)量中普遍存在的各向異性和測(cè)桿變形 帶來(lái)的測(cè)量誤差，以及非接觸測(cè)量中對(duì)被測(cè)物表面要求高的缺陷。本實(shí)用新型提供了一種接觸式光纖測(cè)頭裝置，其特征在于，該裝置結(jié)構(gòu)如下單色光光源l;在單色光光源一側(cè)，有一單根發(fā)射光纖5，該單根發(fā)射 光纖的遠(yuǎn)離光源端端頭是一個(gè)熔合的透明光纖球7，在光纖球7遠(yuǎn)離光源端的 超半球表面鍍上一層內(nèi)反射膜8，然后在發(fā)射光纖5外套上能使發(fā)射光纖5在管 內(nèi)自由活動(dòng)的光滑套管4，光滑套管外圍是均勻分布且至少一層的多根接收光 纖3，接收光纖外圍是接收光纖束外包層2;在光滑套管接近光纖球端處內(nèi)嵌 一能自由伸縮的彈性復(fù)位裝置6，在彈性復(fù)位裝置外加起到封閉彈性復(fù)位裝置 6和固定發(fā)射光纖5作用的一個(gè)螺紋套管件12;在單色光光源l的另一側(cè)，依次 有透鏡組9，光闌IO，圖像探測(cè)器ll，計(jì)算機(jī)。
更具體的方案如下
1)選用單色光光源l，可見(jiàn)光光源或者不可見(jiàn)光源都可以，主要是視 后端圖像探測(cè)器類型而定。
2) 選用一單根發(fā)射光纖5,將其遠(yuǎn)離光源端熔合成透明光纖球7，然后在 光纖球遠(yuǎn)離光源端的超半球表面鍍上一層內(nèi)反射膜8，反射膜不僅能對(duì)進(jìn)入到 光纖球的光進(jìn)行反射，而且能起保護(hù)作用，保護(hù)光纖測(cè)球表面不被被測(cè)物直 接接觸磨損。
3) 加工接收光纖束結(jié)構(gòu)，接收光纖束中心是一根能使發(fā)射光纖5在其內(nèi) 自由活動(dòng)的光滑套管4，而且在光滑套管接近光纖球端內(nèi)嵌一彈性復(fù)位裝置6， 然后用螺紋管套件12進(jìn)行封閉固定處理。在光滑套管4的周圍均勻分布著接收 光纖3，然后再其最外層是接收光纖束外包層2。
4) 然后選取后端光學(xué)裝置裝置，包括透鏡組9、光闌10和圖像探測(cè)器11。
本實(shí)用新型首次將傳統(tǒng)而且普遍的觸發(fā)原理與光學(xué)間接測(cè)量以及機(jī)器視 覺(jué)技術(shù)相結(jié)合，具有許多創(chuàng)新點(diǎn)，如下
1) 此裝置完全脫離了傳統(tǒng)的三叉式等機(jī)械結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)完全的各向 同性，從而解決了目前普遍存在的各向異性的問(wèn)題。
2) 該裝置無(wú)需傳統(tǒng)測(cè)桿等前端結(jié)構(gòu)，只需要在接受光纖束端面處有一 個(gè)起固定作用的裝置即可，其后端都是可彎曲的光纖束結(jié)構(gòu)，從而解決了受 測(cè)桿彎曲等問(wèn)題帶來(lái)的誤差影響，減少裝置誤差項(xiàng)。3) 由于該裝置使用的是光學(xué)檢測(cè)和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)結(jié)合，通過(guò)圖像變化
判斷其觸碰，大大提高了測(cè)頭測(cè)量靈敏度；同時(shí)也就減小測(cè)頭觸碰測(cè)量力。
4) 該裝置是基于光纖結(jié)構(gòu)，本身尺寸可以做到微米級(jí)，甚至更小，從 而克服了傳統(tǒng)測(cè)量中對(duì)微小結(jié)構(gòu)或者深孔的測(cè)量難度問(wèn)題。
5) 該裝置也簡(jiǎn)化了測(cè)頭的結(jié)構(gòu)，只需要在接受光纖束端面處有一個(gè)起 固定作用的裝置即可，其后端都是可彎曲的光纖束結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)前端與后 端圖像探測(cè)裝置的分開(kāi)，不用像傳統(tǒng)測(cè)頭一定兩者固定連接，從而也給坐標(biāo) 測(cè)量機(jī)的結(jié)構(gòu)帶來(lái)很大的變化空間。


圖l為接觸式光纖測(cè)頭測(cè)量裝置示意圖1、單色光光源，2、接收光纖
束外包層，3、反射光纖，4、光滑套管，5、發(fā)射光纖，6、彈性復(fù)位裝置，7、 光纖球，8、反射膜，9、透鏡組，10、光闌，11、圖像探測(cè)器，A、觸碰的方 向?yàn)閺较颍珺、觸碰的方向?yàn)锳與C之間的任意方向，C、觸碰的方向?yàn)檩S向， D-D、向上看的截面圖圖4， E、光纖式觸發(fā)測(cè)頭測(cè)端局部放大示意圖。
圖2為接觸式光纖測(cè)頭測(cè)端局部放大示意圖E: 12、螺紋管套件，13、發(fā) 射光纖與光纖球連接部位。
圖3為接觸式光纖測(cè)頭接收光纖束截面示意圖D-D。
圖4為接觸式光纖測(cè)頭多層接收光纖束截面示意圖接收光纖3可以按 照多層次的均勻分布。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖l，圖2,圖3、圖4對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明 本實(shí)用新型首次將傳統(tǒng)而且普遍的觸發(fā)裝置與光學(xué)間接測(cè)量以及機(jī)器視 覺(jué)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)一種新的測(cè)頭結(jié)構(gòu)。其裝置示意圖如圖l所示，主要包 括光纖測(cè)頭部分和圖像接收部分。
單色光光源l的選取，可見(jiàn)或者不可見(jiàn)可以根據(jù)后端的圖像探測(cè)器類型 確定，最好選取可見(jiàn)紅色或者綠色單色光，對(duì)單根發(fā)射光纖5 (選取材質(zhì)為石 英或者塑料的多模光纖，直徑在市場(chǎng)現(xiàn)有的都可以，普遍直徑大于10^")進(jìn) 行加工，首先需要將其遠(yuǎn)離光源端熔為一透明光纖球7 (光纖球直徑視選取的 發(fā)射光纖而定， 一般在22^ )，然后需要對(duì)光纖球7的遠(yuǎn)離光源端超半球面積(此面積至少要超過(guò)赤道半球面積)上利用鍍膜的方法(可選真空鍍或
者化學(xué)鍍)鍍上一層金屬反射膜8 (此鍍膜均勻且厚度在1()"^ 25()/^范圍)， 使其球內(nèi)表面達(dá)到鏡面反射。然后還需要在圖3的螺紋管套件12的位置處對(duì) 發(fā)射光纖5加工一個(gè)臺(tái)階(可以采用薄套環(huán)固定在此)，以卡住彈性復(fù)位裝 置6和固定發(fā)射光纖5遠(yuǎn)離光源端伸出接收光纖束的長(zhǎng)度。在接收光纖束中 心選取一根能使發(fā)射光纖5在其內(nèi)自由活動(dòng)的光滑套管4 (長(zhǎng)度一般在 5-20mm,材質(zhì)可以是金屬或者非金屬，視加工難易而定，建議選取毛細(xì)玻璃 管)，而且在光滑套管4接近光纖球端加工形成一個(gè)端口帶有螺紋的內(nèi)臺(tái)階 如圖3所示，使其能內(nèi)嵌一彈性復(fù)位裝置6 (可選塑膠彈簧或者金屬?gòu)椈?， 然后用螺紋管套件12進(jìn)行固定，使彈性復(fù)位裝置6處于彈性勢(shì)能為0的狀態(tài) (即自然伸長(zhǎng)狀態(tài))，此處的加工主要是有利于其在C向的移動(dòng)以及復(fù)位。
進(jìn)行測(cè)頭前端的安裝。先螺紋管套件12倒向串到發(fā)射光纖5上，然后固 定發(fā)射光纖的臺(tái)階，再將選取的彈性復(fù)位裝置6從接受光源端穿過(guò)發(fā)射光纖5 直至臺(tái)階處，再將帶有臺(tái)階的發(fā)射光纖5從接收光纖束的接收端穿入直到毛 細(xì)玻璃管臺(tái)階處，然后旋進(jìn)螺紋管套件12直到使塑膠彈簧處于自然伸長(zhǎng)狀態(tài)。 至此，測(cè)頭前端安裝完畢。
測(cè)量過(guò)程。初始狀態(tài)下，首先將單色光光源1點(diǎn)亮，將光線引入發(fā)射光 纖5，直至光纖球7，然后經(jīng)過(guò)反射膜8反射，通過(guò)光纖球7接近接收光纖束 端面的預(yù)留未鍍膜的部分出射，返回到反射光纖3，出射的反射光經(jīng)透鏡組9 進(jìn)行聚焦和光闌10光學(xué)處理后打到圖像探測(cè)器11上，形成光斑圖像(彩色 或者灰度，根據(jù)選取的圖像探測(cè)器而定)。在測(cè)量過(guò)程中，光纖測(cè)球與被測(cè) 物在不高于光纖球赤道平面各方向進(jìn)行觸碰的瞬間，使具有一定韌性的發(fā)射 光纖5在圖2中的發(fā)射光纖與光纖球連接部位13發(fā)生彎曲變形，以及光纖球 7與接收光纖束端面的距離也會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致從光纖球出射光的光強(qiáng)大 小和分布都會(huì)發(fā)生變化，也就導(dǎo)致外圍接受光纖束接收到的反射光光強(qiáng)大小 和分布發(fā)生變化，同時(shí)后端接收到的光斑圖像也會(huì)產(chǎn)生與初始光斑圖像的差 別，而且這種差別可以通過(guò)標(biāo)定技術(shù)定性且定量的獲取光纖球的空間幾何位 置的變化信息，從而達(dá)到測(cè)頭傳感器傳感測(cè)量的目的。
權(quán)利要求1.一種接觸式光纖測(cè)頭裝置，其特征在于，該裝置結(jié)構(gòu)如下單色光光源(1)；在單色光光源一側(cè)，有一單根發(fā)射光纖(5)，該單根發(fā)射光纖的遠(yuǎn)離光源端端頭是一個(gè)熔合的透明光纖球(7)，在光纖球(7)遠(yuǎn)離光源端的超半球表面鍍上一層內(nèi)反射膜(8)，然后在發(fā)射光纖(5)外套上能使發(fā)射光纖(5)在管內(nèi)自由活動(dòng)的光滑套管(4)，光滑套管外圍是均勻分布且至少一層的多根接收光纖(3)，接收光纖外圍是接收光纖束外包層(2)；在光滑套管接近光纖球端處內(nèi)嵌一能自由伸縮的彈性復(fù)位裝置(6)，在彈性復(fù)位裝置外加起到封閉彈性復(fù)位裝置(6)和固定發(fā)射光纖(5)作用的一個(gè)螺紋套管件(12)；在單色光光源(1)的另一側(cè)，依次有透鏡組(9)，光闌(10)，圖像探測(cè)器(11)，計(jì)算機(jī)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種接觸式光纖測(cè)頭裝置，屬于精密測(cè)試技術(shù)與儀器和光學(xué)精密測(cè)量領(lǐng)域。該裝置有單色光光源，光源一側(cè)有一單根發(fā)射光纖，發(fā)射光纖的遠(yuǎn)離光源端端頭是一個(gè)熔合的透明光纖球，在光纖球遠(yuǎn)離光源端的超半球表面鍍上一層內(nèi)反射膜，然后在發(fā)射光纖外套上能使發(fā)射光纖在管內(nèi)自由活動(dòng)的光滑套管，光滑套管外圍是多根接收光纖；在光滑套管接近光纖球端處內(nèi)嵌一能自由伸縮的彈性復(fù)位裝置，在彈性復(fù)位裝置外加起到封閉彈性復(fù)位裝置和固定發(fā)射光纖作用的一個(gè)螺紋套管件；在單色光光源的另一側(cè)有透鏡組，光闌，圖像探測(cè)器，計(jì)算機(jī)。該裝置克服了接觸式測(cè)量的各向異性和測(cè)桿變形帶來(lái)的測(cè)量誤差，以及非接觸測(cè)量中對(duì)被測(cè)物表面要求高的缺陷。
文檔編號(hào)G01B11/00GK201413124SQ200920109408
公開(kāi)日2010年2月24日 申請(qǐng)日期2009年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日
發(fā)明者向大超, 石照耀, 蔡軼珩 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)