一种十字交叉压缩悬臂梁的变刚度微纳测头论文和设计-刘爱明

全文摘要

本实用新型涉及微型工件表面特征设备技术领域，具体涉及一种十字交叉压缩悬臂梁的变刚度微纳测头；通过设计有“H”型柔顺机构和压电驱动系统，可以调节的测头系统刚度；通过控制压电驱动装置的工作状态，实现测头系统的刚度调节，可以达到测头系统的各项同性刚度；位移传感器对称分布，测头的刚度特性、结构稳定性和解耦性好。

主设计要求

1.一种十字交叉压缩悬臂梁的变刚度微纳测头，其特征在于，基座、“H”型柔顺机构基座、压电驱动装置基座、压电驱动装置、“H”型柔顺机构、位移传感器、弹性梁、支撑梁、测头、测杆、中心体及螺栓和定位结构；所述基座四周均匀开有四个通孔Ⅰ，螺栓Ⅰ穿过通孔Ⅰ与三坐标位移机连接；压电驱动装置基座的四个基座相互成90度夹角分布在基座上面，用胶水连接；压电驱动装置基座表面开有定位槽，用于压电驱动装置的定位，压电驱动装置安放在放在定位槽上面，用胶水连接；“H”型柔顺机构基座的四个底座也是均匀分布在基座上面，此基座上面开有螺纹孔，此基座也是通过胶水与预先留在基座上的定位孔通过胶水连接；位移传感器共四个，均匀分布在基座表面，也是与预先留号的定位孔通过胶水连接；“H”型柔顺机构那放在“H”型柔顺机构基座上方，“H”型柔顺机构的四周开有通孔Ⅱ，螺纹孔与通孔Ⅱ同心配合，螺栓Ⅱ穿过孔与“H”型柔顺机构基座连接，“H”型柔顺机构的外表面与压电驱动装置相互接触，“H”型柔顺机构的内侧的加强横梁部分有定位孔；中心体四周各有四个定位孔，支撑梁连接在定位孔和中心体上的孔之间，支撑梁通过胶水与两处的定位孔连接，四个支撑梁均为这种连接方法；弹性梁与中心体上表面通过胶水连接，因为中心体的外圈轮廓正好与弹性梁的十字交叉处内切，因此定位精度可以达到，连接还是通过胶水连接；弹性梁与位移传感器之间存在1mm到3mm左右的间隙；测杆与中心体通过胶水连接，测头与测杆的连接也是胶水。

设计方案

1.一种十字交叉压缩悬臂梁的变刚度微纳测头，其特征在于，基座、“H”型柔顺机构基座、压电驱动装置基座、压电驱动装置、“H”型柔顺机构、位移传感器、弹性梁、支撑梁、测头、测杆、中心体及螺栓和定位结构；

所述基座四周均匀开有四个通孔Ⅰ，螺栓Ⅰ穿过通孔Ⅰ与三坐标位移机连接；压电驱动装置基座的四个基座相互成90度夹角分布在基座上面，用胶水连接；压电驱动装置基座表面开有定位槽，用于压电驱动装置的定位，压电驱动装置安放在放在定位槽上面，用胶水连接；“H”型柔顺机构基座的四个底座也是均匀分布在基座上面，此基座上面开有螺纹孔，此基座也是通过胶水与预先留在基座上的定位孔通过胶水连接；位移传感器共四个，均匀分布在基座表面，也是与预先留号的定位孔通过胶水连接；“H”型柔顺机构那放在“H”型柔顺机构基座上方，“H”型柔顺机构的四周开有通孔Ⅱ，螺纹孔与通孔Ⅱ同心配合，螺栓Ⅱ穿过孔与“H”型柔顺机构基座连接，“H”型柔顺机构的外表面与压电驱动装置相互接触，“H”型柔顺机构的内侧的加强横梁部分有定位孔；中心体四周各有四个定位孔，支撑梁连接在定位孔和中心体上的孔之间，支撑梁通过胶水与两处的定位孔连接，四个支撑梁均为这种连接方法；弹性梁与中心体上表面通过胶水连接，因为中心体的外圈轮廓正好与弹性梁的十字交叉处内切，因此定位精度可以达到，连接还是通过胶水连接；弹性梁与位移传感器之间存在1mm到3mm左右的间隙；测杆与中心体通过胶水连接，测头与测杆的连接也是胶水。

2.根据权利要求1所述的一种十字交叉压缩悬臂梁的变刚度微纳测头，其特征在于压电驱动装置的厚度比“H”型柔顺机构的略大。

3.根据权利要求1所述的一种十字交叉压缩悬臂梁的变刚度微纳测头，其特征在于，所述位移传感器，与信号放大电路连接，放大电路与数据采集器连接，数据采集器与电脑连接。

4.根据权利要求1所述的一种十字交叉压缩悬臂梁的变刚度微纳测头，其特征在于，除了弹性梁为铍青铜材料；测杆为碳化钨材料；测球为红宝石材料，“H”型柔顺机构、基座、“H”型柔顺机构基座、压电驱动装置基座、支撑梁由铝合金加工而成。

5.根据权利要求1所述的一种十字交叉压缩悬臂梁的变刚度微纳测头，其特征在于，所述测杆包括上层的锥台段和下层的圆柱段，锥台段底端对应连接安装座中心位置，顶端与圆柱段一端连接，测球设计在圆柱段另一端。

6.根据权利要求1所述的一种十字交叉压缩悬臂梁的变刚度微纳测头，其特征在于，压电驱动装置的不同工作中状态改变测头刚度。

7.根据权利要求1所述的一种十字交叉压缩悬臂梁的变刚度微纳测头，其特征在于，连接方式采用胶水连接是可靠的。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及微型工件表面特征设备技术领域，具体涉及一种十字交叉压缩悬臂梁的变刚度微纳测头。

背景技术

工业产品的发展趋向于微型化、精密化，精密测量机被广泛应用于微型元器的精密测量,它对微型器件的三维形貌、质量等的精确控制具有重要作用，微纳测头是精密测量机的关键零部件,其性能直接影响坐标测量设备的整体性能。

十字交叉压缩悬臂梁的变刚度微纳测头在测量工件表明特征时，阶梯测杆顶部的测球与被测工件表面接触，接触力沿测杆作用到中心体，使其发生形变，从而与中心体相连的弹性梁产生微小的变形，触发弹性梁上的位移传感器，并通过相应的转换电路记录此测点的坐标值。

目前微纳测头，存在以下问题：

1、微纳测头的刚度是不可改变的，各项刚度不同性；

2、使用较大刚度测头，在测量过程中需要触发传感器的接触力更大，测球容易划伤被测工件表面；

3、使用较小刚度测头，动态响应变慢，谐振频率低，稳定性差容易出现失稳现象；

4、测头在快速接近被测工件时产生的惯性力会导致中心体及位移传感器位姿改变而造成位移传感器误触发；

5、测头在离开被测工件表面时产生的范德华力会导致测头的悬挂系统产生潜在的破坏；

发明内容

(一)解决的技术问题

本实用新型目的在于基于压杆失稳原理,利用压电装置改变悬臂梁的轴向受力以改变其刚度,进而改变约束支撑机构的整体刚度，考虑测头的刚度特性、结构稳定性和解耦性等因素，克服现有技术存在的不足，而提供一种十字交叉压缩悬臂梁的变刚度微纳测头。

(二)技术方案

一种十字交叉压缩悬臂梁的变刚度微纳测头，包括测球、测杆、中心体、支撑梁、基座、“H”型柔顺机构、“H”型柔顺机构基座、位移传感器及压电驱动装置、压电基座；

基座是整个微纳测头机构的附着主体，基座上表面与三维坐标测量机通过螺栓Ⅰ相连；基座下表面有四个压电基座孔，用于压电基座的定位，四个基座孔均匀分布在基座的下表面；压电基座通过胶水与基座相连接。

压电驱动装置安放在压电基座上方，压电基座上表面也有定位孔，压电驱动装置通过胶水与压电装置连接；四个压电驱动装置对称均匀分布。

采用“H”型柔顺机构，“H”型柔顺机构是外形是正方形，每个角有一个安装孔，用螺栓Ⅱ与“H”型基座连接；“H”型基座与基座上预留的定位孔用胶水连接；“H”型柔顺机构每条边中间的加强结构，此部分与压电驱动装置相互接触，在加强结构内侧开一个矩形孔。“H”型柔顺机构通过慢走丝线切割加工。

中心体是圆柱形，四周开四个孔；支撑梁连接在中心体的孔与“H”型柔顺机构加强部分的孔中间；十字型交叉梁与中心体的一侧表面通过胶水连接，位移传感器与基座上的预留定位孔通过胶水连接；十字型交叉梁上的位移传感器与基座上的位移传感器有一定的距离；十字型交叉梁是柔性梁。

作为优选技术方案，位移传感器采用电容式的，与信号放大电路连接，放大电路与数据采集器连接，数据采集器与电脑连接。

作为优选技术方案，基座、压电基座为铝合金材料；支撑梁和压电驱动装置的厚度相同；支撑梁为铍青铜材料；阶梯测杆为碳化钨材料；测球为红宝石材料。

作为优选技术方案，阶梯测杆包括锥台段和圆柱段，锥台段底端对应连接安装座中心位置，顶端与圆柱段一端连接，测球设置在圆柱段另一端。

(三)有益效果

本实用新型提供了一种十字交叉压缩悬臂梁的变刚度微纳测头，具有以下的优点：

1，通过设计有压电驱动系统和支撑梁的组合，有助于实现可调节的测头系统刚度；

2，采用四根敏感弹性梁与4个电容传感器，使得测头位姿信号能够更容易的被解耦，且只需确保两个相对的驱动器提供的驱动力一致，放松了驱动力的误差的需求；

3，采用“H”型柔顺机构，可以限制敏感弹性梁五个自由度，从而确保压电驱动装置提供单向压力；

4，采用压杆失稳原理，通过对敏感弹性梁两端施加压力，使其侧向刚度急剧减小，从而降低测头整体刚度，并且可以得到各向同性刚度，受力均匀，刚度较大，结构稳定，鲁棒性强

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的，保护一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的组合结构图；

图2为本实用新型的爆炸结构图；

图3为本实用新型H”型柔顺机构的结构图；

图4为本实用新型的基座结构图；

图5为本实用新型的使用原理图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-基座，2-螺栓Ⅰ，3-“H”型柔顺机构基座，4-压电驱动装置基座，5-压电驱动装置，6-“H”型柔顺机构，7-螺栓Ⅱ，8-位移传感器，9-弹性梁，10-支撑梁，11-测头，12-测杆，13-中心体，14-通孔Ⅰ，15-螺纹孔，16-通孔Ⅱ，17-定位孔，18-定位槽；

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参考图1，一种十字交叉压缩悬臂梁的变刚度微纳测头，主体包括；基座1，螺栓Ⅰ2，“H”型柔顺机构基座3，压电驱动装置基座4，压电驱动装置5，“H”型柔顺机构6，螺栓Ⅱ7，位移传感器8，弹性梁9，支撑梁10，测头11，测杆12，中心体13；

基座1四周均匀开有四个通孔Ⅰ14，螺栓Ⅰ2穿过通孔Ⅰ14与三坐标位移机连接(三坐标机未画出)；压电驱动装置基座4的四个基座相互成90度夹角分布在基座1上面，用胶水连接；压电驱动装置基座4表面开有定位槽18，用于压电驱动装置5的定位，压电驱动装置8安放在放在定位槽18上面，用胶水连接；“H”型柔顺机构基座3四个也是均匀分布在基座1上面，此基座3上面开有螺纹孔15，此基座也是通过胶水与预先留在基座1上的定位孔(未画出)通过胶水连接；位移传感器8共四个，均匀分布在基座1表面，也是与预先留号的定位孔(未画出)通过胶水连接；“H”型柔顺机构6那放在“H”型柔顺机构基座3上方，“H”型柔顺机构6的四周个开有通孔Ⅱ16，螺纹孔15与通孔Ⅱ16同心配合，螺栓Ⅱ7穿过孔与“H”型柔顺机构基座3连接，“H”型柔顺机构6的外表面与压电驱动装置5相互接触，“H”型柔顺机构6的内侧的加强横梁部分有定位孔17；中心体13四周各有四个定位孔(未画出)，支撑梁10连接在定位孔17和中心体上的孔之间，支撑梁10通过胶水与两处的定位孔连接，四个支撑梁10均为这种连接方法；弹性梁9与中心体13上表面通过胶水连接，因为中心体13的外圈轮廓正好与弹性梁9的十字交叉处内切，因此定位精度可以达到，连接还是通过胶水连接；弹性梁9与位移传感器8之间有一定的距离；测杆12与中心体13通过胶水连接，测头11与测杆12的连接也是胶水。

作为补充说明，因为此微纳测头质量小，结构紧凑，用胶水连接的强度和持久性可以保证。

在一个实施例里，除了弹性梁9为铍青铜材料；测杆12为碳化钨材料；测球11为红宝石材料，其他结构性材料均为铝合金，压电驱动装置5的厚度比“H”型柔顺机构6的略大。

现场使用时，位移传感器与信号放大电路连接，放大电路与数据采集器连接，数据采集器与电脑连接，电脑分析收集到的数据，测头在工作过程中可以通过压电装置推动“H”型柔顺机构，进而改变支撑梁的刚度达到变刚度的目的。具体的，压电驱动装置未工作，测头系统处于低刚度模式，测头所产生的测量力小，可以有效的保护被测工件表面；压电驱动装置工作时，生较大的额外刚度，测头系统处于高刚度模式，可以防止惯性力带来的误触发和范德华力吸引破坏悬挂机构，并且保证测头系统的稳定性。

参看图5，测头在测量过程中会有两个模式，一个高刚度模式，一个低刚度模式。a表示测头在移动接近工件的过程中采取的是高刚度模式，在该模式下，测头的刚度K_{t<\/sub>＝K_{1<\/sub>+K′，其中K_{1<\/sub>是测量刚度，K′为抗干扰刚度，能够承受较大的惯性力，测头的移动速度相比传统的可以更快，抗干扰能力较大。b表示当测头达到接近工件的预设阀值时采取的是低刚度模式，压电驱动装置不工作，此时K_{t<\/sub>＝K′测头刚度为测量刚度，c表示测头与工件发生接触，测头中心体发生偏转，触发了测头记录下测量点，测头对工件表面的测量力较小，可以保护测量表面。d表示在测头完成触发后离开工件表面时，压电驱动装置挤压“H”型柔顺机构，加强支撑梁刚度，采取高刚度模式，防止范德华力对测头机构带来的损伤。}}}}

上述电控元件的控制方式为现有技术，为了避免叙述累赘，统一在此处说明。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料过着特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本实用新型优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

设计图

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