CN101339084B - 接触式测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种接触式测量装置，其包括测量端子及至少一个用于驱动该测量端子的驱动气缸，该测量端子接触被测量物表面进行测量，该接触式测量装置还包括偶数个气体导管，其以该驱动气缸轴线为中心对称分布，通过该气体导管给该驱动气缸提供驱动气体，该气体导管的延伸方向与该驱动气缸轴线的夹角大于0度且小于90度，且向该驱动气体作用于该驱动气缸的外侧壁上，从而推动该驱动气缸带动测量端子沿该驱动气缸的轴向运动，并该驱动气缸的外侧壁周围形成气体轴承。
Description
技术领域
本发明关于一种接触式测量装置，特别是关于一种具较小测量压力的接触式测量装置。
背景技术
一种现有接触式测量装置，其与产品表面接触而进行测量，该接触式测量装置广泛应用于光学元件及工业元件等精密元件的形状测量领域。但该接触式测量装置具有一个垂直于水平面的测量压力，而当被测面为倾斜面时，该测量压力会迫使测量端子产生弯曲及压缩，从而导致测量误差的产生。另外，测量压力过大也会使测量端子产生变形。因此，这种接触式测量装置不适于进行高精度测量，例如对镜片的倾斜角等部位的高精度测量。
现有用于减少测量压力的方法有：(1)将设有测量端子的轴倾斜设置，用该轴的重力分力作为测量压力进行测量；(2)使用弹簧对设有测量端子的轴施加压力。但是上述二方法有如下缺点：利用轴重力的分力作为测量压力时，需靠轴的倾斜程度来改变测量压力，会降低测量精度、增加轴的调节难度；利用弹簧的弹力作为测量压力时，测量压力会随着弹簧的压缩而增加，所以会增大测量误差。
目前还有一种接触式测量装置，该接触式测量装置使用后部设有环状受压部的台阶轴，该环状受压部用于接受驱动装置(例如气泵)的气体压力。然而，由于气泵的脉动，所以很难得到较小且稳定的测量压力。
发明内容
鉴于以上内容，有必要提供一种具较小且稳定测量压力的接触式测量装置。
一种接触式测量装置，其包括测量端子及至少一个用于驱动该测量端子的驱动气缸，该测量端子接触被测量物表面进行测量，该接触式测量装置还包括偶数个气体导管，其以该驱动气缸轴线为中心对称分布，通过该气体导管给该驱动气缸提供驱动气体，该气体导管的延伸方向与该驱动气缸轴线的夹角大于0度且小于90度，且向该驱动气体作用于该驱动气缸的外侧壁上，从而推动该驱动气缸带动测量端子沿该驱动气缸的轴向运动，并该驱动气缸的外侧壁周围形成气体轴承。
作为本发明的改进，该接触式测量装置还包括至少一个导引块，导引块上设有导引孔，驱动气缸穿插于该导引孔内。该导引块上均匀设置有用于吹入气体的气体导管，该气体导管与导引孔相通，该气体导管的延伸方向与驱动气缸轴线的夹角大于0度且小于90度，且向气体导管内吹入的气体作用于驱动气缸的外侧壁上，从而推动驱动气缸朝靠近测量端子的方向运动。
作为本发明的改进，该驱动气缸的外侧壁与该导引块之间形成有气体轴承，气体可沿驱动气缸的外侧壁与该导引块之间的间隙排出。上述结构可降低摩擦力，提高随动性，使移动变得顺页畅，使驱动气缸具较小的驱动压力。
作为本发明的改进，将多个驱动气缸在水平面上平行设置，驱动气缸的重力不会对测量端子产生挤压，而且，因为将多个驱动气缸连接成一体，所以可以约束测量端子在非测量方向上的行进，也能提高非测量方向上的刚性，因此可确保测量端子沿正确的方向移动。
作为上述结构的改进，将多个驱动气缸前后平行错开设置，且前后驱动气缸之间设置有固定件。因该结构在测量方向上的导引长度增大，所以可提高测量端子的移动稳定性，同时可进一步提高在非测量方向上的刚性。
如上所述，本发明的接触式测量装置作用在驱动气缸上的流动气体可部分排出，所以能达到较小驱动压力，即该测量端子在较小驱动压力作用下，与被测量物轻轻接触。因此，无论测量位置如何变化，测量端子均具有稳定且较小的测量压力，进而对设有倾斜部的被测量物也能精密测量。且即使被测量物非常脆弱，也能进行精密测量。又因本发明的接触式测量装置由为数不多的元件组成，所以有制造简单、价格低廉、不易损坏、操作简单及故障少等优点。
附图说明
图1是本发明第一实施例的接触式测量装置的横断面图。
图2是图1所示接触式测量装置的纵断面图。
图3是图2所示接触式测量装置的驱动气缸的受力分析图。
图4是本发明接触式测量装置的应用实例的立体图。
图5是本发明第二实施例的接触式测量装置除去盖体后的横断面图。
图6是本发明第三实施例的接触式测量装置除去盖体后的横断面图。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明的接触式测量装置做进一步说明。
如图1所示，本发明的接触式测量装置10包括底座11及固设在该底座11的导引块12。该导引块12内设有多个导引孔14，该导引孔14相互平行且有一定间隔地贯穿该导引块12。每一导引孔14内分别穿插有可移动的多个驱动气缸16，且该导引块12与驱动气缸16的外侧壁之间存在间隙，该间隙里充入气体就构成气体轴承142。在本实施例中，该导引块12内开设有二导引孔14，该二导引孔14内各穿插有一个驱动气缸16。可以理解，该接触式测量装置可仅包括一个驱动气缸16。
驱动气缸16可为端口敞开的管状体、端口封闭的管状体或实心的柱体，其由不锈钢、铝、钛、碳钢中任意一种材料制成。该驱动气缸16的两端伸出导引块12，其前端部固设有一个杆状固定件18。该固定件18的中间部位固设有测量端子20。该测量端子20的头部呈针状以与被测量物体接触，而其根部固定在该固定件18上。
驱动气缸16的后端部固设有另一个杆状固定件22。该固定件18、固定件22可防止驱动气缸16相对该导引块12旋转，其可随驱动气缸16一起沿导引孔14前后移动。该固定件22上固设有向后方伸出的标尺24，底座11上设有与该标尺24对应且用于读取该标尺24刻度的传感器26。在此，该标尺24和传感器26也可互相换位设置。
如图2所示，该底座11及各上述构成物上面覆盖有盖体102。该盖体102前端开设有供测量端子20的前端部伸出的测量端子口(图未标)。盖体102上方设有向导引孔14提供气体的气体导管104，多个气体导管104相互平行且有一定间隔地穿插于导引块12内，并与导引孔14相通。气体导管104的延伸方向与驱动气缸16的轴线夹角大于0度且小于90度。导引块12的下方也设有向导引孔14提供气体的气体导管106，多个气体导管106相互平行且有一定间隔地穿插于导引块12内且位于气体导管104的相对侧，并与导引孔14相通。气体导管106与气体导管104的数量相等，且以驱动气缸16的轴线为对称中心与气体导管104对称设置，即气体导管106的延伸方向与驱动气缸16的轴线夹角等于气体导管104的延伸方向与驱动气缸16的轴线夹角。可以理解，气体导管104并不限于位于驱动气缸16的上、下方，只需其与导引孔14相通，且气体导管104、106的延伸方向与驱动气缸16的轴线夹角为大于0度且小于90度。气体导管104与气体导管106还可以不对称相互错开设置于驱动气缸16的两侧。也可以只设置气体导管104或只设置气体导管106。
当向气体导管104、106内吹入气体时，气体进入导引孔14内。此时，驱动气缸16的受力情况如图3所示，F1、F2分别为自气体导管104、气体导管106内吹入的气体作用在两个驱动气缸16上的力。由于气体导管104与气体导管106的数量相等，所以气体作用在驱动气缸16上的力F1、F2的大小相等，而又因为气体导管104的延伸方向与驱动气缸16的轴线夹角和气体导管106的延伸方向与驱动气缸16的轴线夹角相等，所以F1、F2在垂直于驱动气缸16轴线方向即图示的Y轴方向分力F1Y、F2Y大小相等，但分力F1Y、F2Y方向相反，故驱动气缸16在Y轴方向受到的作用力为零。同时，由于气体进入导引孔14时，于驱动气缸16的外侧壁与导引块12之间形成气体轴承142，故驱动气缸16在运动时受到的摩擦力较小。F1、F2在平行于驱动气缸16轴线方向即图示X轴方向的分力分别为F1X、F2X，F1X、F2X大小相等，方向均指向靠近测量端子20的方向，分力F1X、F2X可推动驱动气缸16运动，从而使得测量端子20始终与被测量物体的表面接触。
在本实施例中，导引块12大体为一个中间开孔的长方体，气体导管104、106均匀分布于导引块12的相对侧面上。导引块12可设计为一个中间开孔的圆柱体，导管104、106均匀分布于导引块12的圆周上并与导引孔14相通。
驱动气缸16的外侧壁与导引块12之间存在间隙，该间隙与外界相通，当向气体导管104、106吹入的气体进入导引孔14时，部分气体沿该间隙排出，所以能实现对驱动气缸16较小且稳定的驱动压力。部分气体的排出使得盖体102的内部压力比外界气压稍高，因此可以防止外部的灰尘等异物侵入盖体102内部。吹入气体导管104、106的气体可为一般空气，也可为其他气体。
请参见图1及图2，下面说明本发明的接触式测量装置10的使用方法及工作原理。使用该接触式测量装置10时，首先将该接触式测量装置10设置在安装有被测量物的加工设备旁边，且将气体导管104、106通过软管与之气体供给源连接。
当气体经过该气体导管104、106进入导引孔14内，气体的推力作用于驱动气缸16的外侧壁上，驱动气缸16在导引块12的导引孔14导引下，向靠近测量端子20的方向徐徐前进。
因为该驱动气缸16的前端设有用于固定该测量端子20的固定件18，所以该测量端子20和驱动气缸16一同移动，当该测量端子20与被测量物体接触时，二者停止移动。又因驱动气缸16的后端部设有标尺24，标尺24也随驱动气缸16一同移动，当标尺24移动时，传感器26感测标尺24的移动距离，亦即测量端子20的移动距离，并将相应数据传送给处理装置(图未标)。处理装置对所得的数据进行计算处理。
因为驱动气缸16的外侧壁与导引块12之间的间隙与外界相通，所以吹入导引孔14内的气体中有一部分气体沿该间隙排出，从而使得导引孔14内的气体压力保持相对稳定。而吹入气体作用于驱动气缸16上的力基本稳定，所以能产生稳定的驱动压力推动测量端子20运动。
当向气体导管104、106吹入气体时，气体的原驱动压力F1、F2的分力F1X、F2X对驱动气缸16起推动作用，所以测量端子20的驱动压力比原驱动压力小。当吹入气体导管104、106的气体压力一定时，气体导管104、106的延伸方向与驱动气缸16的轴线夹角越大，则驱动压力越小。上述结构可使测量端子20具较小且稳定的压力，所以测量物上即使有倾斜面及曲面，也不存在过大的测量压力，因而不会损坏测量端子20及被测量物体表面，因此可以提高测量精度。
另外，驱动气缸16的外侧壁与导引块12之间形成有气体轴承142，驱动气缸16与导引孔14保持非接触式导引状态，所以驱动气缸16可在最小摩擦力状态下向前移动。因而，驱动气缸16可带动测量端子20平滑移动，从而实现高精度测量。
图4是将本发明的接触式测量装置10用于超精密镜片模具加工设备100的立体示意图。该接触式测量装置10的结构和图1及图2所示的第一实施例的结构相同。该接触式测量装置10使用的气体为一般空气。
加工倾斜角度较大的镜片时，可将本发明的接触式测量装置安装在镜片制造设备内，可以在镜片加工过程中实现对镜片倾斜角度的测量。这样不仅可以消除安装、拆卸被测量物时所产生的误差，且可以大幅度缩短测量时间。通过实践证明，在制造超硬合金制的玻璃镜片模具时，加工时间可缩短1/3～1/5。
如图5所示，本发明第二实施例的接触式测量装置30的二驱动气缸36A、36B分别平行且相互错开地前后设置于二导引块32上。
底座31上固设有二圆柱形导引块32，该二导引块32平行且相互错开前后设置，该二导引块32内分别开设有贯通的导引孔34。该二导引孔34内分别插设该驱动气缸36A及36B。向导引孔34内吹入气体，从而在驱动气缸36A、36B的外侧壁与导引块32之间形成气体轴承342，使得驱动气缸36A、36B与导引孔34保持非接触状态。工作时驱动气缸36A、36B在较小摩擦力作用下，可沿导引孔34的轴线方向前后移动。
驱动气缸36A的前端垂直固设有固定件38，该固定件38用于支撑及固定测量端子40。该驱动气缸36A的后端和驱动气缸36B的前端处垂直固设有另一个固定件42。该固定件42上固设有向后方向伸延的标尺44，且底座31上设有与标尺44对应用于读取标尺44刻度的传感器46。
每一个导引块32的圆周上均匀设置有多个用于吹入气体的气体导管304、306，气体导管304、306相互平行且有一定间隔地穿插于导引块32内并与导引孔34相通，气体导管304位于气体导管306的相对侧。与第一实施例相似，气体导管304、306与驱动气缸36A、36B具有一定的夹角，且向气体导管304、306内吹入的气体作用在驱动气缸36A、36B的作用力具有沿驱动气缸36A、36B轴线方向的分力，该分力可以推动驱动气缸36A、36B沿导引孔34的轴线方向运动，从而带动测量端子40运动。自气体导管304、306吹入导引孔34的气体可沿驱动气缸36A、36B与导引块32之间的间隙排出，从而使得导引孔34内的气体压力保持相对稳定，驱动气缸36A、36B受到的推力较为稳定。可以理解，可以根据排气量的需要，可调整驱动气缸36A、36B与导引块32之间的间隙大小，或是在导引块32上开设排气机构，该排气机构贯穿导引块32并与导引孔34相通，还可以增大导引块32上穿插气体导管304、306的孔，从而在导引块32与气体导管304、306之间形成间隙，可用于排气。
在本实施例中，驱动气缸36A及36B、固定件38及42、测量端子40、标尺44构成一个移动体。从气体导管304、306向驱动气缸36A及36B内吹入气体时，一部分气体由驱动气缸36A、36B与导引块32之间的间隙排出，所以可在较小驱动压力条件下进行测量。又因驱动气缸36A及36B前后错开设置，所以会增加测量端子40移动方向上的导引距离，实现稳定的测量。另，本发明之接触式测量装置还可设置三个或三个以上平行错开的驱动气缸。
如图6所示，本发明第三实施例的接触式测量装置50包括底座51及固设在该底座51的导引块52A、52B。该导引块52A、52B为圆柱体且其上均开设有导引孔54，其中一个导引孔54内穿插有可移动的驱动气缸56A，另一个导引孔54内穿插有可移动的驱动气缸56B。驱动气缸56A的前端部固设有测量端子60，且该测量端子60直接或通过固定件固设于驱动气缸56A的前端。驱动气缸56A后端部固设有向后方向伸延的标尺64，并且该底座51上设有与标尺64对应且用于读取标尺64刻度的传感器66。驱动气缸56A的后端与驱动气缸56B的前端垂直固设有固定件62。
导引块52A的圆周上均匀设置有多个用于吹入气体的气体导管503、505，气体导管503、505与导引孔54相通，且气体导管503、505的延伸方向垂直于驱动气缸56A的轴线。向气体导管503、505吹入气体时，气体进入导引孔54，从而在驱动气缸56A的外侧壁与导引块52A之间形成气体轴承542。驱动气缸56A可在较小摩擦力作用下沿导引孔54运动时。
导引块52B的圆周上均匀设置有多个用于吹入气体的气体导管504、506，气体导管504、506均匀分布于驱动气缸56B的两侧。气体导管504、506与驱动气缸56B的轴线呈一定的夹角，且向气体导管504、506内吹入的气体作用在驱动气缸56B的作用力具有沿驱动气缸56B轴线方向的分力，该分力可以推动驱动气缸56A、56B沿导引孔54的轴线方向运动，从而带动测量端子60运动。自气体导管504、506吹入导引孔54的气体可沿驱动气缸56B与导引块52B之间的间隙排出，从而使得导引孔54内的气体压力保持相对稳定，驱动气缸56A、56B受到的推力较为稳定。可以根据排气量的需要，调整驱动气缸56B与导引块52B之间的间隙大小，或是在导引块52B上开设排气机构，该排气机构贯穿导引块52B并与导引孔54相通，还可以增大导引块52B上穿插气体导管504、506的孔，从而在导引块52B与气体导管504、506之间形成间隙，可用于排气。
可以理解，气体导管503、505的延伸方向与驱动气缸56A轴线的夹角大于0度且小于90度，且自气体导管503、505吹入的气体可以驱使驱动气缸56A朝靠近测量端子60的方向运动。或使气体导管503、505的延伸方向与驱动气缸56A轴线的夹角可以大于0度且小于90度，气体导管504、506的延伸方向垂直于驱动气缸56B的轴线。可以理解，还可以平行错开设置三个或三个以上的驱动气缸。
下面说明本发明的接触式测量装置的几种应用例：
(1)将本发明的接触式测量装置设在移动的机台上面，且沿水平方向移动该接触式测量装置，该接触式测量装置即可成为横型测量装置。
(2)如(1)中的机台沿X、Y及Z轴移动，且将进给机构进行数字化控制，本发明的接触式测量装置即可成为一种三维测量装置。这样，就可以精确测量有各种不规则形状的被测量物体。
(3)如果将本发明的接触式测量装置设在沿三轴方向或更多轴方向移动的数控机床上，即可以成连接器式测量装置。这样，较为方便地进行测量及各种补正。
(4)可将本发明的接触式测量装置作为其它各种测量仪器的横型测量端子使用。
Claims (9)
1.一种接触式测量装置，其包括测量端子及至少一个用于驱动该测量端子的驱动气缸，该测量端子接触被测量物表面进行测量，其特征在于：该接触式测量装置还包括偶数个气体导管，其以该驱动气缸轴线为中心对称分布，通过该气体导管给该驱动气缸提供驱动气体，该气体导管的延伸方向与该驱动气缸轴线的夹角大于0度且小于90度，且向该驱动气体作用于该驱动气缸的外侧壁上，从而推动该驱动气缸带动测量端子沿该驱动气缸的轴向运动，并该驱动气缸的外侧壁周围形成气体轴承。
2.如权利要求1所述的接触式测量装置，其特征在于：该接触式测量装置还包括至少一个导引块，导引块上设有导引孔，驱动气缸穿插于该导引孔内，该气体导管设置于导引块上，且于导引孔相通。
3.如权利要求2所述的接触式测量装置，其特征在于：该驱动气缸的外侧壁与该导引块间存在间隙，向气体导管内吹入气体可以使驱动气缸的外侧壁与导引块之间形成气体轴承。
4.如权利要求1所述的接触式测量装置，其特征在于：该接触式测量装置包括至少两个驱动气缸，该至少两个驱动气缸平行并排设置。
5.如权利要求1所述的接触式测量装置，其特征在于：该接触式测量装置包括至少两个驱动气缸，该至少两个驱动气缸前后平行错开设置，其中至少一个驱动气缸受带动测量端子运动的作用力。
6.如权利要求5所述的接触式测量装置，其特征在于：该接触式测量装置的前后驱动气缸之间设置有固定件，该固定件设置于前面驱动气缸的后端并设置于后面的驱动气缸的前端。
7.如权利要求1所述的接触式测量装置，其特征在于：该接触式测量装置还包括标尺和传感器，该标尺和传感器之一可与测量端子一起移动，该传感器用于读取该标尺刻度。
8.如权利要求1至6中任意一项所述的接触式测量装置，其特征在于：该接触式测量装置还包括底座，该底座用于支撑及固定上述构成物。
9.如权利要求1至6中任意一项所述的接触式测量装置，其特征在于：该接触式测量装置还包括盖体，该盖体防止外部的灰尘等异物侵入。
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