專利名稱：一種用于數控在機測量的密集輸入集成塊的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種數控銑床和加工中心的在機測量裝置，用于點陣式金屬曲面測量
頭，屬數控測量設備技術領域。
背景技術：
目前，運用數控機床加工復雜曲面已經應用越來越廣泛，但相應的測量手段、測量 裝置相對落后，由于已有測量裝置的數據采集、矢量運算和坐標轉換較為復雜，使有效的連 續測量難以實現，測量精度不高，斷續的逐點測量效率很低，不能滿足現代化快速生產的要 求。目前占據世界市場份額90%的觸發式測頭的測量原理是當測頭測端與被測工件接觸時 精密量儀發出采樣脈沖信號，并通過儀器的定位系統鎖存此時測端球心的坐標值，以此來 確定測端與被測工件接觸點的坐標。該類測頭具有結構簡單、使用方便、制作成本低及較高 觸發精度等優點，是三維測頭中應用最廣泛的測頭。但該類測頭也存在各向異性(三角效 應)、預行程等誤差，限制了其測量精度的進一步提高，掃描式測頭的測量原理是測頭測端 在接觸被測工件后，連續測得接觸位移，測頭的轉換裝置輸出與測桿的微小偏移成正比的 信號，該信號和精密量儀的相應坐標值疊加便可得到被測工件上點的精確坐標。若不考慮 測桿的變形，掃描式測頭是各向同性的，故其精度遠遠高于觸發式測頭。該類測頭的缺點是 結構復雜，體積龐大、制造成本高，使應用受到了限制，非接觸式測量頭由于測頭無需接觸 被測工件，故不存在測量力，更不會劃傷被測工件，同時可以測量軟質介質的表面形貌。但 該類測頭受外界影響因素較多，如被測物體的形貌特征、輻射特性以及表面反射情況都會 影響測量結果。以上測量頭的測量信號多為模擬量，需要進行A/D轉換才能被計算機處理。
工業化快速生產和科學研究都需要能夠實現高效率連續測量的數字化測量儀器， 而影響測量頭數字化的關鍵技術之一是如何在測量頭在運動中將所采集的高位次數據信 號組裝、鎖存并快速傳遞給主控計算機。特別是對于測量頭球面上采用精細光刻技術和精 細填充技術制作出的多達上百條的十分密集測量數據傳輸導線，采用目前所具有的單片機 產品難以實現密集并行測量信息的即時儲存和傳遞，采用接口擴展技術已不具有速度優勢 和技術經濟優勢。因此，為滿足這種密集傳輸的需求，設計出一種新的裝置將測量頭上瞬時 得到的密集并行測量信息儲存并輸入給上位主控計算機是技術人員面臨的新課題。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種具有數據傳遞密集、精度高、速度快特點
的、能夠將金屬曲面測量頭上所得到的大量并行測量信息輸入給上位主控計算機的用于數
控在機測量的密集輸入集成塊。 解決上述技術問題的技術方案是 —種用于數控在機測量的密集輸入集成塊，它由下接線板、若干單片機芯片、光刻 電路集成塊、上接線板和電源通訊套筒組成，下接線板、光刻電路集成塊、上接線板和電源 通訊套筒均套裝于與探測球體連接的連接桿上，它們在圓周方向由各自端面對應的定位針
3和定位孔連接定位，光刻電路集成塊呈空心正多邊形柱體結構，環繞柱體外圈的各平面均 分別粘接一片單片機芯片，下接線板和上接線板的板面均與光刻電路集成塊的正多邊形柱 體軸線垂直，它們板面的外邊緣成多邊形，分別與光刻電路集成塊的多邊形柱體的兩側外 周邊緣相連接，下接線板的中心與傳輸探測球體信息的引線套筒連接，引線套筒上的信息 傳輸線通過下接線板的線路與光刻電路集成塊的單片機芯片的相應數據線相連接，上接線 板的中心與電源通訊套筒連接，光刻電路集成塊的單片機芯片的相應接口通過上接線板的 電路與電源通訊套筒的傳輸電路相連接，電源通訊套筒的傳輸電路與電源和上位計算機相 連接。 上述用于數控在機測量的密集輸入集成塊，所述下接線板中心部位與引線套筒端 面接觸，下接線板上有光刻涂覆出的與引線套筒傳輸線位置和數量相同的導電觸點，這些 導電觸點分別排列為外圓和內圓，外圓和內圓的導電觸點分別與引線套筒的外圓周面和內 圓周面上引入的傳輸導線一一對應，上述各導電觸點貫通下接線板，在下接線板上與光刻 電路集成塊的單片機芯片的相應數據線相連接。 上述用于數控在機測量的密集輸入集成塊，所述的光刻電路集成塊為正多邊形柱
體結構，整個正多邊形柱體分別由六個相等的六面體單元塊組合而成，每個單元塊的外側
面安裝一片單片機芯片，每個單元塊的內側面為圓弧面，圓弧面與引線套筒的外圓周相對
應，單元塊的前、后、左、右、內側面均有光刻引線，光刻引線分別與該單元塊外側面的單片
機芯片的引腳、下接線板、上接線板的電路相連接，相鄰的單元塊之間貼裝有絕緣片。 上述用于數控在機測量的密集輸入集成塊，所述的組成正六邊形柱體的六個單元
塊分別為三個經線塊和三個緯線塊，它們在組成正六邊形柱體時為間隔配置，經線塊的單
片機芯片各數據線引腳通過下接線板與引線套筒的外圓周面的信息傳輸線相連接，緯線塊
的單片機芯片各數據線引腳通過下接線板與引線套筒的內圓周面的信息傳輸線相連接，經
線塊和緯線塊的各單片機芯片的電源、串行口和外部時鐘電路引腳線與貼裝于電源通訊套
筒的外部時鐘集成塊引腳和電源通訊插頭相連。 本發明的有益效果是 本發明是為數字化金屬曲面測量頭提供一種由多個單片機組成的密集輸入集成 塊，該集成塊呈正多面體結構，由若干單元塊相間組成，每個單元塊上粘貼有單片機芯片， 單片機芯片的數據引腳按照一定原則組合由分布于單元塊前、后、左、右、下面的光刻導線 通過下接線板與數控測量頭的傳輸信號相連接，單片機芯片的控制線、串行輸出口和電源 線等以相同原則由上述單元塊各表面通過上接線板與主控計算機連接，實現測量信號向主 控計算機的上傳，采用這種結構的本發明能夠輸入和處理大量數據傳輸信息，實現了金屬 曲面數字測量頭為在機連續測量而提出的密集輸入要求，解決了長期困擾生產的難題，本 發明構思巧妙，具有相當的新穎性和很強的實用性，值得推廣應用。


圖1是本發明在金屬曲面數字測量頭的安裝位置示意圖；
圖2是本發明的整體結構示意圖；
圖3是下接線板的印刷電路示意圖；
圖4是上接線板的印刷電路示意4
圖5是經線塊的單片機芯片和各表面光刻導線示意圖；
圖6是緯線塊的單片機芯片和各表面光刻導線示意圖；
圖7是經線塊的單片機芯片與下接線板連接示意圖；
圖8是緯線塊的單片機芯片與下接線板連接示意圖； 圖中標記如下下接線板1、單片機芯片2、光刻電路集成塊3、上接線板4、引線插 槽5、電源通訊套筒6、短光柵7、探測球體8、連接桿9、引線套筒10、測量體11、光柵支架1具體實施例方式
本發明是一種用于數控在機測量的密集輸入集成塊，是為一種金屬曲面數控測量 頭提供所需要的測量信息采集裝置。這種金屬曲面數控測量頭主要由探測球體8、連接桿 9、引線套筒10、測量信息采集裝置、測量體11等組成。它采用精密光刻技術在探測球體8 表面刻出密集均布的經線和緯線凹槽，在其內部填充導電材料，形成經線導線和緯線導線。 各經線導線與經線導線之間、緯線導線與緯線導線之間、經線導線和緯線導線之間均以絕 緣材料隔離。各經線導線和緯線導線通過引線套筒10和測量信息采集裝置將采集到的信 息輸送到主控計算機上。為了解決探測球體8輸出的多達上百條(一個實例為144條、其 中經線96條，緯線48條)的并行輸入線的數據輸入和處理，發明人設計了本發明的用于數 控在機測量的密集輸入集成塊，作為上述金屬曲面數控測量頭的配套裝置。
本發明由下接線板1、若干單片機芯片2、光刻電路集成塊3、上接線板4和電源通 訊套筒6組成。下接線板1 、光刻電路集成塊3、上接線板4和電源通訊套筒6均套裝于與探 測球體8連接的連接桿9上，它們在圓周方向由各自端面對應的定位針和定位孔連接定位， 光刻電路集成塊3呈空心正多邊形柱體結構，環繞柱體外圈的各平面均分別粘接一片單片 機芯片2，下接線板1和上接線板4的板面均與光刻電路集成塊3的正多邊形柱體軸線垂 直，它們板面的外邊緣成多邊形，分別與光刻電路集成塊3的多邊形柱體的兩側上邊緣相 連接，下接線板1的中心與傳輸探測球體8信息的引線套筒10連接，引線套筒10上的信息 傳輸線通過下接線板1的線路與光刻電路集成塊3的單片機芯片2的相應數據線相連接， 上接線板4的中心與電源通訊套筒6連接，光刻電路集成塊3的單片機芯片2的相應接口 通過上接線板4的電路與電源通訊套筒6的傳輸電路相連接，電源通訊套筒6的傳輸電路 與電源和上位計算機相連接。 圖1顯示的是本發明在金屬曲面數字測量頭的安裝位置示意圖。金屬曲面數字測 量頭主要由探測球體8、連接桿9、引線套筒10、測量信息采集裝置、光柵及光柵支架12和測 量體11組成，本發明即為測量信息采集裝置。探測球體8球面上制作出密集均布的經線導 線和諱線導線，各導線之間相互絕緣地引向球缺部位，與引線套筒io上的引線對接，引線 套筒10與本發明對接。 圖2顯示，環繞呈空心正多邊形柱體結構的光刻電路集成塊3的柱體外圈的各平 面均分別粘接一片單片機芯片2，在光刻電路集成塊3的正多邊形柱體上下表面分別連接 有上接線板4和下接線板1。下接線板1、單片機芯片2、上接線板4套裝在連接桿9上。
圖3顯示，下接線板1的光刻導線的排列方式是，下接線板1中心有排列成兩圓形 的光刻導線觸點，外圓光刻導線觸點與引線套筒10的外圓周光刻導線一一對應，內圓的光 刻導線觸點與引線套筒10的內圓周光刻導線一一對應。在下接線板1上與外圓光刻導線觸點相連接的多條光刻導線分為3組，它們分別連接到下接線板1表面六方形的三條半徑 上的光刻觸點，這三條半徑上的光刻觸點分別與光刻電路集成塊3的三個經線塊單元塊的 單片機芯片2的數據接口引線相連接。同理，在下接線板1上與內圓光刻導線觸點相連接 的多條光刻導線分為3組，它們分別連接到下接線板1表面六方形的三條半徑上的光刻觸 點，這三條半徑上的光刻觸點分別與光刻電路集成塊3的三個緯線塊單元塊的單片機芯片 2的數據接口引線相連接。 圖4顯示，上接線板4的表面有多個光刻導線觸點和光刻導線引線，這些光刻導線 觸點分別與光刻電路集成塊3單元塊的單片機芯片2的電源、串行口和外部時鐘電路引腳 線相連接。 圖5顯示的是經線塊各表面光刻導線示意圖。圖中顯示經線塊的上面、下面為扇
形面，左側面(B面)、右側面(C面)為長方形面，內側面(A面)為圓弧面，在上、A、B、C、下
面上均有光刻導線，單片機芯片2的接口分別與外側面導線觸點相連接。 圖6顯示的是緯線塊的單片機芯片2和各表面光刻導線示意圖。其結構與圖5相同。 圖7顯示的是經線塊的單片機芯片2的接口與下接線板1連接示意圖。它顯示經 線塊的單片機芯片2的數據線接口由光刻導線連接到下接線板1的外圓光刻導線觸點上， 這些光刻觸點與引線套筒10外圓周面傳輸引線對應連接。 圖8顯示的是緯線塊的單片機芯片2與下接線板1連接示意圖。它顯示緯線塊的 單片機芯片2的數據線接口由光刻導線連接到下接線板1的內圓光刻導線觸點上，這些光 刻觸點與引線套筒內圓周面傳輸引線對應連接。 在本發明中，所選單片機芯片應依據數據線的條數和測量器件的精度要求來選擇 其型號和片數，例如點陣式金屬曲面測量頭的一個實施例，經線條數初定為96條而緯線條 數為48條，可以選擇具有32條數據線的3片STC101F08XE-LQFP44芯片供經線輸入用，選 擇3片具有24條數據線的89C51芯片或者3片STC101F08XE-LQFP44芯片，多余線可以閑 置不用，為了簡化設計，圖示為6片STC101F08XE-LQFP44。 本發明的一個實施例中，探測球體通過引線套筒將96條經線和48條緯線分別和 六片單片機的I/O線線連接，每條線都有自己的編號，六片單片機的串行口相連，構成多機 通訊方式的應用系統，其中的一號機作為主控設備，除了和其他單片機一樣掃描與其相連 的經、緯線外，還負責與上位機的數據傳輸。 以1個經線塊為例，其控制引腳由3、4、5、7、15、16、38引腳組成，其3、4、5、7引 腳經B面引向上面，靠近外面一側；15、16引腳依次經下面、內圓弧面引向上面，靠近內圓弧 面一側；38引腳經上面直接引向上面中部，臨近15、16引腳。其數據引腳B10組由30、31、 32、33、34、35、36、37引腳組成，其34、35、36、37引腳依次經上面、內圓弧面引向下面圓弧邊 緣處；其30、31、32、33引腳經C面直接引向下面邊緣處;Bll組由39、40、41、42、43、44、 1、2 引腳組成，其39、40、41、42、43、44引腳依次經上面、內圓弧面引向下面邊緣處，其1、2引腳 經B面直接引向下面邊緣處;B12組由18、19、20、21、22、23、24、25引腳組成，其18、19、20、 21、22引腳經下面直接引向下面邊緣處，23、24、25引腳經C面直接引向下面邊緣處；B13組 由6、8、9、10、11、12、13、17引腳組成，其6、8、9、10、11引腳經B面直接引向下面邊緣處，其 12、13、17引腳經下面直接引向下面邊緣處。各引線在相交處加絕緣層，各引線終點對應于上下接線板相應的觸點。 以l個諱線塊為例，其控制引腳由2、4、5、7、8、15、16、38引腳組成，其2、4、5、7、 8引腳經D面直接引向上面邊緣處，15、16引腳依次經下面、內圓弧面、上面引向上面中部， 38引腳經上面直接引向上面臨近15、16引腳。其數據引腳:AIO組由34、35、36、37引腳組 成，依次經上面、內圓弧面引向下面邊緣處；All組由41、42、43、44引腳組成，依次經上面、 內圓弧面引向下面邊緣處；A12組由19、20、21、22引腳組成，經下面直接引向下面邊緣處； A13組由10、11、12、13引腳組成，其10、11引腳經D面直接引向下面邊緣處，其12、13引腳 經下面直接引向下面邊緣處。各引線在相交處加絕緣層，各引線終點對應于上下接線板相 應的觸點。 本發明的工作原理 啟動測量前，本密集輸入集成塊的數據線由上位機設置為高電平，即探測球體各 經線導線和緯線導線為高電平，測量時，隨著測量球和工件接觸點的變化，不同接觸點附近 的經線導線和緯線導線接地，被拉低為低電平，數據線電平狀態的變化將經由探測球體、引 線套筒、本密集輸入集成塊和通訊插頭以串行通訊的方式上傳給上位主控計算機，使之轉 化為測量點的坐標。 每個單片機時時刻刻掃描自己所連接的經、緯線導線，當某一經線導線或者緯線
導線與地線(被測工件)短路時，原來懸空狀態默認的高電平即被拉成低電平，單片機測得
該信號后向一號機發出中斷信號，同時開啟定時器TO，一號機的中斷子程序中首先向上位
機發出觸發信號，使上位機把當時的測頭中心坐標保存下來，同時開啟自身定時器T1，并通
過串行口以多機通訊方式查詢是那個單片機發出的中斷，使其成為被叫機，被叫機在得到
一號機認可后，停止計時并把對應的線號代碼和計時值發給一號機，同時撤銷中斷申請。一
號機把線號發送給上位機，再把被叫機傳來的計時值減去定時器Tl的數值送上位機，上位
機根據時間差和行走的速度把測頭坐標進行修正，從而得到被測點的準確實際坐標。 特殊情況下會出現兩個單片機都檢測到經、緯線導線的低電平，同時發出中斷的
問題，這樣一號機即必須在處理了一個以后再解決第二個，后處理的就要增加一些滯后時
間，用定時值做補償的方法，較好的解決了這個問題，經過仿真實驗，最大誤差時間小于3
個機器周期。同一個單片機上不同的經緯線導線號被查詢到會有隨機的滯后時間，仿真發
現最大誤差是3個機器周期，整個測量過程誤差時間小于6個機器周期。 測量過程中經常是經緯線導線的狀態不變化，這時各個單片機都不發出信息，上
位機默認為測量接觸點相對于球心的經緯坐標與原來一致，以上一次的經緯坐標為依據計
算當前被測點的坐標。
權利要求
一種用于數控在機測量的密集輸入集成塊，其特征在于它由下接線板[1]、若干單片機芯片[2]、光刻電路集成塊、上接線板[3]和電源通訊套筒組成，下接線板[1]、光刻電路集成塊、上接線板[3]和電源通訊套筒均套裝于與探測球體[8]連接的連接桿[9]上，它們在圓周方向由各自端面對應的定位針和定位孔連接定位，光刻電路集成塊[3]呈空心正多邊形柱體結構，環繞柱體外圈的各平面均分別粘接一片單片機芯片[2]，下接線板[1]和上接線板[4]的板面均與光刻電路集成塊[3]的正多邊形柱體軸線垂直，它們板面的外邊緣成多邊形，分別與光刻電路集成塊的多邊形柱體的兩側外周邊緣相連接，下接線板[1]的中心與傳輸探測球體[8]信息的引線套筒[10]連接，引線套筒[10]上的信息傳輸線通過下接線板[1]的線路與光刻電路集成塊[3]的單片機芯片[2]的相應數據線相連接，上接線板[4]的中心與電源通訊套筒[6]連接，光刻電路集成塊[3]的單片機芯片[2]的相應接口通過上接線板[3]的電路與電源通訊套筒[6]的傳輸電路相連接，電源通訊套筒[6]的傳輸電路與電源和上位計算機相連接。
2. 根據權利要求1所述的用于數控在機測量的密集輸入集成塊，其特征在于所述下 接線板[1]中心部位與引線套筒[10]端面接觸，下接線板[1]上有光刻涂覆出的與引線 套筒[10]傳輸線位置和數量相同的導電觸點，這些導電觸點分別排列為外圓和內圓，外圓 和內圓的導電觸點分別與引線套筒[10]的外圓周面和內圓周面上引入的傳輸導線一一對 應，上述各導電觸點貫通下接線板[l]，在下接線板[1]上與光刻電路集成塊的單片機芯片 [2]的相應數據線相連接。
3. 根據權利要求2所述的用于數控在機測量的密集輸入集成塊，其特征在于所述的 光刻電路集成塊[3]為正六邊形柱體結構，整個正六邊形柱體分別由六個相等的六面體單 元塊組合而成，每個單元塊的外側面安裝一片單片機芯片[2]，每個單元塊的內側面為圓 弧面，圓弧面與引線套筒[10]的外圓周相對應，單元塊的前、后、左、右、內側面均有光刻引 線，光刻引線分別與該單元塊上面的單片機芯片[2]的引腳和下接線板[1]、上接線板[4] 的電路相連接，相鄰的單元塊之間安裝有絕緣片。
4. 根據權利要求3所述的用于數控在機測量的密集輸入集成塊，其特征在于所述的 組成正六邊形柱體的六個單元塊分別為三個經線塊和三個緯線塊，它們在組成正六邊形柱 體時為間隔配置，經線塊的單片機芯片[2]各數據線引腳通過下接線板[1]與引線套筒 [10]的外圓周面的信息傳輸線相連接，緯線塊的單片機芯片[2]各數據線引腳通過下接線 板[1]與引線套筒[10]的內圓周面的信息傳輸線相連接，經線塊和緯線塊的各單片機芯片 [2]的電源、串行口和外部時鐘電路引腳線與貼裝于電源通訊套筒[6]的外部時鐘集成塊 引腳和電源通訊插頭相連。
全文摘要
一種用于數控在機測量的密集輸入集成塊，屬于數控測量設備技術領域，目的是將金屬曲面測量頭上的大量并行測量信息輸入給主控計算機，其技術方案是該集成塊呈正多面體結構，多面體由若干分為經線塊和緯線塊的單元塊相間組成，每個單元塊外側面粘接一片單片機芯片，單片機芯片的數據引腳通過分布于單元塊前、后、左、右、內側面的光刻導線引向下接線板，通過下接線板與數控測量頭的經線導線和緯線導線相連，單片機芯片的控制線、串行輸出口和電源線通過上述各表面引向連接于主控計算機的上接線板，實現測量信號向主控計算機的上傳，本集成塊的特點是并行數據位數多、數據處理簡單，滿足了金屬曲面數字測量頭為在機連續測量而提出的密集輸入要求。
文檔編號G01B7/004GK101758425SQ20091022782
公開日2010年6月30日 申請日期2009年12月22日 優先權日2009年12月22日
發明者楊光, 范春起, 魏澤鼎 申請人:河北科技大學