克林贝格三维线性测头的结构分析.docx

克林贝格三维线性测头的结构分析胡洪平，石照耀北京工业大学北京市精密测控技术与仪器工程技术研究中心摘要:详细分析了克林贝格三维线性测头(K3D)结构具有三个轴向运动质量、偏转力和偏转刚度相等，且动态特性一致的结构特点，并对其三个方向的偏转结构、“共平面”结构以及主动测量结构着重进行了结构分析，其“共平面”结构极大地减小了在XZ－平面的阿贝误差，并通过一对梯形双轴铰链杆将沿探针轴向的偏转位移转移到测头后部进行测量，设计非常巧妙，克服了三层嵌套式结构三轴向偏转运动质量不相等的缺点，另外在直角双轴杆处设计了一个可分离的主动测量机构使得测头具备主动向任意方向偏转测量的主动测量功能。关键词:三维测头;共平面结构;阿贝原则中图分类号:文献标志码:ATG806StructuralCharacteristicsAnalysisofKlingelnberg3DScanningProbeHuHongping，ShiZhaoyaoAbstract:ThispaperanalyzesKlingelnbergK3Dprobesystemarchitecturehasthreeaxiallymovingmass，equaltothedeflectionforceandadeflectionstiffnessanddynamiccharacteristicsconsistentwiththestructuralcharacteristics，andthedeflectionofthethreedirectionsofitsbody，coplanarmechanism，andactivemeasuringmechanismforastructuralanalysisfocusedon，thecoplanarinstitutionalgreatlyreducestheAbbeerrorintheXZ－plane，andpassedthroughabiaxialhingetrapezoidalleverdeflectionalongtheaxialdisplacementoftheprobetransferredtotherearoftheprobeprobedesignisveryclever，toovercomethedisadvantageofthethreenestedstructurethatthreeaxialdeflectionmovingmassdoesnotequal，anotherinthecartesianaxisrodanddesignedadetachablebodymakesactivemeasurementprobedeflectedinanydirectionwiththeinitiativetomeasureactivemeasurementfunction．Keywords:3Dprobe;coplanarstructures;Abbeprinciple“共平面”结构减小了阿贝误差对测量精度的影响。K3D的设计亮点包括:(1)最主要的优点在于由于其独特的“共平面”结构设计和巧妙地将沿测针轴向的运动转移到探测头后部，使得其运动连接构件相对于所有坐标方向都有相同的运动质量，并且探测头在任意方向的动态特性一致。这是采用三层嵌套结构三个轴向质量不能做到的。(2)三个轴向的测量力均匀，线性变形特性较好，三个轴向之间的运动刚度相同，误差非常小。(3)三个光栅传感器的读数头相对静止不动，对可动部件无影响，也防止传感器出现振动负载测量误差。(4)具有主动测量功能，当运动方向转动时，扫描探针并不随之转动。(5)探测头具有抗扭转、整体系统低摩擦和能通过一个附属装置转换为一个二维探测头的功能。1引言测头是精密量仪(如坐标测量机、齿轮测量中心等)的核心部件，在一定意义上代表了该仪器的技术水平。三维线性测头本质上是微型化的三坐标测量机，是各类测头中技术复杂性最大的一类，实质上代表了一个国家的量仪水平。世界上已产品化的几款三维线性测头中，基本采用了三层簧片嵌套式结构。这种结构存在三个方向的运动质量不一致、各个方向动态特性不一致的缺点。德国克林贝格(KLINGELNBEＲG)公司为其P系列齿轮测量中心研制的三维线性测头(K3D)以其独特设计克服了上述缺点。该测头已成为该类仪器最核心的技术，国内外众多研究者都在探询其原理，但苦于公开的资料有限而不得其果。K3D测头的关键之处是其解耦任意方向测量运动的方法:将测量运动分解为一个平面运动和一个沿测针轴向运动。这种方式不仅很好地克服了各轴运动质量不相等、动态特性不一致的缺点，而其2测量运动解耦原理通常三维线性测头是将一个任意方向的测量运动解耦成三个相互垂直的测量运动，使得可以用线收稿日期:2014年3月692014年