CN101358838B - 物体形貌测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种物体形貌测量方法，其包括以下步骤：(1)提供两个测量装置及一个控制器，该两个测量装置均包括可伸缩运动的测量头及感测该测量头位移的传感器，且该两个测量装置的测量头相互对准，该控制器与两个测量装置的传感器分别电连接；(2)将两个测量装置的测量头分别与被测物两相对表面接触；(3)使该两个测量头相对被测物同步运动且与被测物保持接触，两个相应的传感器将感测到的测量头的位移信息传送控制器；(4)控制器根据该位移信息计算出被测物一个截面的形状，该截面由该两个测量头在被测物表面划过的轨迹构成；(5)重复步骤(3)、(4)，测出该被测物的多个截面，该多个截面可叠合出被测物的形貌。
Description
技术领域
本发明是关于一种物体形貌测量方法，尤其是关于一种用于超精密测量的物体形貌测量方法。
背景技术
精密元件在加工完成后，通常需对其整体的形貌进行测量，以确定该精密元件是否合格。
请参阅图1，一种现有测量方法，其采用接触式测量装置进行测量。请参阅图1，该测量装置包括磁芯91、电感线圈92、支点93、杠杆94及触针95。触针95末端始终与工件96表面接触。该测量方法包括以下步骤：驱动工件96沿X轴运动，得到一个测量点的X坐标；触针95因工件96表面轮廓的起伏而沿Z轴上下移动，带动杠杆94绕支点93转动；磁芯91被杠杆94带动在电感线圈92中振动，并产生相应的电感信号；该电感信号经信号处理电路97放大并经A/D(数字/模拟)转换后传送给计算机98；计算机98根据信号值计算出磁芯91的位移，从而计算出触针95的位移，进而得出工件96的整体形貌。
然而，采用该种测量方法得到的测量结果需经过工件形貌、触针95位移、磁芯91位移、电感信号、电感信号放大及转换等多级转换，每一个转换均会产生一定的误差，从而使累积误差增大，故采用该种测量方法的测量精度较低。另外，在对工件96的下表面形貌进行测量时，需将工件96翻转以使触针95与工件96的下表面相接触，但在工件96翻转后，触针923通常不能准确定位于与上表面的初始测量位置相对的下表面的初始测量位置，从而使测得的下表面与上表面的中心不一致，也会导致测量精度降低。
发明内容
鉴于以上内容，有必要提供一种具较高测量精度的物体形貌测量方法。
一种物体形貌测量方法，其包括以下步骤：(1)提供两个测量装置及一个控制器，该两个测量装置均包括可伸缩运动的测量头及感测该测量头位移的传感器，以及至少一个用于驱动该测量头的驱动气缸，该驱动气缸上设有将吹入该驱动气缸内的气体排出一部分而保持该驱动气缸较小驱动压力的气体排出机构，且该两个测量装置的测量头相互对准，该控制器与两个测量装置的传感器分别电连接；(2)将两个测量装置的测量头分别与被测物两相对表面接触；(3)使该两个测量头相对被测物同步运动且在驱动气缸的驱动压力与被测物保持接触，两个相应的传感器将感测到的测量头的位移信息传送控制器；(4)控制器根据该位移信息计算出被测物一个截面的形状，该截面由该两个测量头在被测物表面划过的轨迹构成；(5)重复步骤(3)、(4)，测出该被测物的多个截面，该多个截面可叠合出被测物的形貌。
如上所述，本发明的物体形貌测量方法采用的测量装置均包括测量头及感应该测量头位移的传感器，且传感器可将感测到的测量头的位移信息直接传送给与其相连的控制器进行计算，而没有中间转换过程，故该测量头的位移可被精确测量，即被测物的表面形貌的可被准确测量，另外，该种物体形貌测量方法采用两个测量装置，且该两个测量装置的测量头相互对准，故可对被测物的两相对表面的形貌同时进行测量而无需翻转工件， 因此该种测量方法具有较高的测量精度。
附图说明
图1是一种现有物体形貌测量方法采用的测量装置示意图；
图2是本发明物体形貌测量方法所采用的第一实施例的测量设备的立体示意图；
图3是图2所示的第一接触式测量装置的横断面图；
图4是图2所示的第一接触式测量装置的纵断面图；
图5是图2所示测量设备对被测物进行测量的示意图；
图6是图5所示控制器根据第一接触式测量装置及第二接触式测量装置输出的信息分析出截面S的示意图；
图7是本发明物体形貌测量方法所采用的第二实施例的接触式测量装置的横断面图；
图8是图7所示接触式测量装置的纵断面图；
图9是图7所示接触式测量装置的驱动气缸的受力分析图；
图10本发明物体表面测量方法所采用的第三实施例的接触式测量装置的横断面图。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明的物体形貌测量方法做进一步详细说明。
请参阅图2，本发明第一实施例的物体形貌测量方法采用一种测量设备100，其包括一个第一接触式测量装置10、一个第二接触式测量装置20及一个控制器30。
请同时参阅图3及图4，该第一接触式测长装置10包括一个基座11、一个导引块12、两个驱动气缸13、一个第一固定件14、一一个第二固定件15、一个测量头16、一个光学标尺17、一个传感器18、一个支撑体19及两个吹气管101。该导引块12固设于基座11上，其沿轴向开设有两个相互平行的导引孔121，两个驱动气缸13分别插入该两导引孔121中，且驱动气缸13的两端部分别伸出该导引块12。该导引孔121与驱动气缸13的外周壁之间存在间隙，该间隙里充入气体即可构成空气轴承。
该驱动气缸13的两端部分别固设于第一固定件14和第二固定件15，以使驱动气缸13仅能相对该导引块12平行地前后移动，而不能相对导引块12旋转。其中，该测量头16固设于第一固定件1 4的中部，光学标尺17固设于第二固定件15的中部。该传感器18设置于基座11上且与该光学标尺17相对应以读取该光学标尺17的刻度。由于该光学标尺17与测量头16通过第一固定件14、驱动气缸13及第二固定件15相连，故该光学标尺17可与测量头16一起运动，而测量头16的位移反映的是被测物形貌的变化，则该传感器18感测到的光学标尺17刻度变化即为被测物形貌的变化。在此，该光学标尺17和传感器18也可互相换位设置。
该支撑体19固设于基座11上且与第二固定件15相邻。该支撑体19用于固定多个吹气管101。该吹气管101自驱动气缸13固设有第二固定件15的端部插入该驱动气缸13内，以给该驱动气缸13提供驱动气体。该吹气管101外周壁与驱动气缸13的内周壁之间留有间隙，所以当向驱动气缸13内吹入气体时，吹气管101与该驱动气缸13之间可形成空气轴承。另外，该驱动气缸13固设有第一固定件14的端部设有排气机构131，当吹气管101向驱动气缸13内持续吹入气体时，该排气机构131可将部分气体排出，以使该驱动气缸13内保持较小而稳定的气压，从而使该驱动气缸13获得较小而稳定的驱动压力。
该第一接触式测量装置10还包括一个盖体102，该盖体102扣合于基座11上。该盖体102前端开设有使测量头16的端部伸出的开口(图未标)。该盖体102上还固设有向导引孔121与驱动气缸13之间的空气轴承提供气体的气体导管103。
可以理解，该第一接触式测量装置10也可也可根据情况设置一个或两个以上的驱动气缸13，以获得较佳之测量压力。
该第二接触式测量装置20具有与第一接触式测量装置10相似的结构。
该控制器30与第一接触式测量装置10的传感器18及第二接触式测量装置20的传感器分别相连，以接收传感器输出的测量头的位移信号。
请参阅图5及图6，测量时，先将该测量设备100的第一、第二接触式测量装置10、20分别安装于两个相对的可沿Y轴及Z轴方向运动的平台51、52上，接着使第一接触式测量装置10的测量头16及第二接触式测量装置20的测量头26分别与被测物40的两相对表面401、402接触，并且使该两个测量头16、26相对准。接着在平台51、52的带动下，该第一、第二接触式测量装置10、20的测量头16、26分别沿平行X轴方向移动，移动过程中，该两测量头16、26始终与被测物40保持接触，且相互对准。该两测量头16、26沿平行X轴方向移动一次，控制器30即可根据第一、第二接触式测量装置10、20输出的检测信号，计算出与该两测量头16、26在该被测物40表面滑过路径相对应的被测物40的截面S。
下面详细说明获得该截面S的方法：
(1)将第一、第二接触式测量装置10、20的测量头16、26分别与被测物40的第一、第二表面401、402接触，且将该第一接触式测量装置10的测量头16与被测物40的接触点在控制器30内记录为(0，Y0，Zm0)，第二接触式测量装置20的测量头26与被测物40的接触点在控制器30内记录为(0，Y0，Zn0)。
(2)平台51、52带动第一、第二接触式测量装置10、20平行X轴方向同步移动，在移动过程中，该第一、第二接触式测量装置10、20的测量头16、26在测量压力的作用下与被测物40保持接触(即沿平行于Z轴的方向运动)，且相互对准。故第一接触式测量装置10的测量头16在运动至下一位置时，其内的传感器18可感测其沿Z轴方向的位移Zm1并传至控制器30，控制器30将该坐标位置记录为(X1，Y0，Zm0+Zm1)； 第二接触式测量装置20的测量头26在运动至下一位置时，其内的传感器可感测其沿Z轴方向的位移Zn1并传至控制器30，控制器30将该坐标位置记为(X1，Y0，Zn0+Zn1)。
(3)平台51、52继续带动第一、第二接触式测量装置10、20沿平行X轴方向同步移动，控制器30可根据测量头16的运动记录一系列位置的坐标：(X2，Y0，Zm0+Zm2)、(X3，Y0，Zm0+Zm3)...(Xi，Y0，Zm0+Zmi)；根据测量头26的运动记录一系列位置的坐标：(X2，Y0，Zn0+Zn2)、(X3，Y0，Zn0+Zn3)...(Xi，Y0，Zn0+Zni)。
(4)控制器30根据这一系列坐标可计算出被测物40的第一表面401及第二表面402在平面Y＝Y0内对应的曲线形状，再根据公式di＝|(Zm0+Zmi)-(Zn0+Zni)|计算出该两曲线在Z轴方向的间距d，以得出截面S的形状。
之后，平台51、52带动第一、第二接触式测量装置10、20的测量头16、26至Y坐标为Y1、Y2、Y3...Yi的平面内，重复上述操作，得出该被测物的多个与截面S平行的截面，将该多个截面及截面S相叠加，可得出被测物40的整体形貌。
由于本发明的测量设备100采用的接触式测量装置10、20通过传感器可直接感测出测量头16、26的位移变化，即感测出被测物40形貌的变化，并将相应的位移信息直接传送给与其相连的控制器30进行计算，而没有如现有技术经被测物形貌、触针位移、磁芯位移、电感信号、电感信号放大及转换等多级转换过程，故该测量头16、26的位移可被精确测量，即被测物40的形貌的可被准确测量，因此该测量设备100具有较高的测量精度。另外，该测量设备100的两接触式测量装置10、20的测量头16、26在测量时相互对准，故其每沿平行X轴方向移动一次即可获得被测物40的一个截面，多次移动后即可获得该被测物40的完整形貌，相较于现有测量设备采用单个测量装置测定被测物的一个表面形貌后，再对该被测物的另一个表面形貌进行测量的过程，无需翻转被测物，可避免因被测物翻转而产生的测量误差。
可以理解，平台51、52也可带动第一、第二接触式测量装置10、20沿平行Y轴方向移动，以获得多个与YZ平面平行的截面，该多个截面相叠加也可得出被测物40的整体形貌。另外，也可采用上述测量方法测出多个共轴的截面，再叠加出被测物40的整体形貌。
可以理解，该测量设备100也可采用其它不同结构的接触式测量装置。
请同时参阅图7和图8，本发明第二实施例的物体形貌测量方法采用一种接触式测量装置60，其具有与第一实施例中的第一接触式测量装置10相似的结构，其不同在于：接触式测量装置60的驱动气缸63后端部未设置吹气管，且其导引块62内穿插有倾斜设置的多个气体导管604、606。多个气体导管604相互平行且有一定间隔地穿插于导引块62内，并与导引孔621相通。气体导管604的延伸方向与驱动气缸63的轴线夹角大于0度且小于90度。导引块62的下方也设有向导引孔621提供气体的气体导管606，多个气体导管606相互平行且有一定间隔地穿插于导引块62内且位于气体导管604的相对侧，并与导引孔621相通。气体导管606与气体导管604的数量相等，且以驱动气缸63的轴线为对称中心与气体导管604对称设置，即气体导管606的延伸方向与驱动气缸63的轴线夹角等于气体导管604的延伸方向与驱动气缸63的轴线夹角，从而使驱动气缸63在非测量头66的移动方向受力平衡。可以理解，气体导管604并不限于位于驱动气缸63的上、下方，只需其与导引孔621相通，且气体导管604、606的延伸方向与驱动气缸63的轴线夹角为大于0度且小于90度。气体导管604与气体导管606还可以不对称相互错开设置于驱动气缸63的两侧。也可以只设置气体导管604或只设置气体导管606。
当向气体导管604、606内吹入气体时，气体进入导引孔621内。此时，驱动气缸63的受力情况如图9所示，F1、F2分别为自气体导管604、气体导管606内吹入的气体作用在两个驱动气缸63上的力。由于气体导管604与气体导管606的数量相等，所以气体作用在驱动气缸63上的力F1、F2的大小相等，而又因为气体导管604的延伸方向与驱动气缸63的轴线夹角和气体导管606的延伸方向与驱动气缸63的轴线夹角相等，所以F1、F2在垂直于驱动气缸63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63在Y轴方向受到的作用力为零。同时，由于气体进入导引孔621时，于驱动气缸63的外侧壁与导引块62之间形成空气轴承，故驱动气缸63在运动时受到的摩擦力较小。F1、F2在平行于驱动气缸63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头66的方向，分力F1X、F2X可推动驱动气缸26运动，从而使得测量头66始终与被测量物表面接触。
请参阅图10，本发明第三实施例的物体形貌测量方法采用一种接触式测量装置70，其具有与第一实施例中的第一接触式测量装置10相似的结构，其不同在于二驱动气缸73A、73B平行但相互错开地前后设置。且驱动气缸73A、73B的前端部上设有用于排出一部分气体的气体排出机构715。由于驱动气缸73A及73B前后错开设置，所以会增加测量方向上的导引距离，实现稳定的测量。另外，该接触式测量装置70可仅于驱动气缸73A、73B中的一个后端插入吹气管701，即仅设置一个气体吹入机构，其同样可实现稳定的测量。
Claims (9)
1.一种物体形貌测量方法，其包括以下步骤：(1)提供两个测量装置及一个控制器，该两个测量装置均包括可伸缩运动的测量头及感测该测量头位移的传感器，以及至少一个用于驱动该测量头的驱动气缸，该驱动气缸上设有将吹入该驱动气缸内的气体排出一部分而保持该驱动气缸较小驱动压力的气体排出机构，且该两个测量装置的测量头相互对准，该控制器与两个测量装置的传感器分别电连接；(2)将两个测量装置的测量头分别与被测物两相对表面接触；(3)使该两个测量头相对被测物同步运动且在驱动气缸的驱动压力下与被测物保持接触，两个相应的传感器将感测到的测量头的位移信息传送控制器；(4)控制器根据该位移信息计算出被测物一个截面的形状，该截面由该两个测量头在被测物表面划过的轨迹构成；(5)重复步骤(3)、(4)，测出该被测物的多个截面，该多个截面可叠合出被测物的形貌。
2.如权利要求1所述的物体形貌测量方法，其特征在于：该多个截面相互平行。
3.如权利要求1所述的物体形貌测量方法，其特征在于：该两个测量装置相对被测物的运动方向与该两个测量装置的测量头的伸缩方向相互垂直。
4.如权利要求1所述的物体形貌测量方法，其特征在于：该两个测量装置均还包括一个与测量头相连的光学标尺，传感器读取该光学标尺的刻度以感测该测量头位移。
5.如权利要求1所述的物体形貌测量方法，其特征在于：该两个测量装置的驱动气缸的外侧壁设置有至少一个气体导管，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，向气体导管内吹入的气体作用于驱动气缸的外侧壁上，从而推动驱动气缸带动测量头运动，吹入的气体部分排出从而保持该驱动气缸较小之驱动压力。
6.如权利要求1或5所述的物体形貌测量方法，其特征在于：该两个测量装置均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使驱动气缸的外侧壁与导引块之间形成空气轴承。
7.如权利要求6所述的物体形貌测量方法，其特征在于：该驱动气缸与用于向该驱动气缸内吹入气体的吹气管之间形成有空气轴承。
8.如权利要求6所述的物体形貌测量方法，其特征在于：该导引块上设有两个相互平行的导引孔，两个驱动气缸分别插入该两个导引孔中并排设置。
9.如权利要求1所述的物体形貌测量方法，其特征在于：该两个测量装置均包括两个驱动气缸，该驱动气缸相互平行且错开一定距离设置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Free format text: FORMER OWNER: HONGFUJIN PRECISE INDUSTRY CO., LTD. Effective date: 20150421 Owner name: JIZHUN PRECISION INDUSTRY (HUIZHOU) CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: HONGFUJIN PRECISE INDUSTRY (SHENZHEN) CO., LTD. Effective date: 20150421 |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 518109 SHENZHEN, GUANGDONG PROVINCE TO: 516100 HUIZHOU, GUANGDONG PROVINCE |
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Effective date of registration: 20150421 Address after: 516100 Guangdong County of Boluo Province town of Huizhou city dragon Xia Liao Village Gate Village Group Twelve ditch area Patentee after: Benchmark Precision Industry (Huizhou) Co., Ltd. Address before: 518109 Guangdong city of Shenzhen province Baoan District Longhua Town Industrial Zone tabulaeformis tenth East Ring Road No. 2 two Patentee before: Hongfujin Precise Industry (Shenzhen) Co., Ltd. Patentee before: Hon Hai Precision Industry Co., Ltd. |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20160111 Address after: 048026 No. 1216 orchid Road, Jincheng Economic Development Zone, Shanxi, China Patentee after: JINCHENG HONGREN TECHNOLOGY CO., LTD. Address before: 516100 Guangdong County of Boluo Province town of Huizhou city dragon Xia Liao Village Gate Village Group Twelve ditch area Patentee before: Benchmark Precision Industry (Huizhou) Co., Ltd. |
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| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 048000 No. 1216, Lanhua Road, Jincheng Development Zone, Shanxi Province Patentee after: Jincheng Fulian Hongren Technology Co.,Ltd. Address before: 048026 No. 1216 Lanhua Road, Jincheng Economic Development Zone, Shanxi Province Patentee before: JINCHENG HONGREN TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| CP03 | Change of name, title or address |