CN102128594B - 光栅式杠杆结构触针位移传感器及测量方法 - Google Patents

Abstract

<b>光栅式杠杆结构触针位移传感器</b><b>及测量方法</b><b>。</b><b>触针式表面轮廓测量仪和表面形状测量仪是用触针扫描法测量工件表面二维形状的距离、角度、圆弧半径等参数的仪器，触针式传感器是表面轮廓测量仪和表面形状测量仪用来采集被测表面轮廓信息的重要部件。</b><b>本产品其组成包括：传感器基体</b><b>（</b><b>1</b><b>）</b><b>，所述的传感器基体装有回转轴</b><b>（</b><b>2</b><b>）</b><b>、传感器杠杆</b><b>（3）</b><b>、光栅读数头</b><b>（4）</b><b>和抬笔机构</b><b>（5）</b><b>，所述的传感器杠杆前端连接测针架</b><b>（7）</b><b>，所述的传感器杠杆的尾部圆弧面粘贴光栅尺</b><b>（6）</b><b>，所述的传感器杠杆后端通过连接片连接阻尼器</b><b>（8）</b><b>，所述的测针架通过测杆</b><b>（9）</b><b>连接测针</b><b>（10）</b><b>，所述的测杆装有测力调整砝码</b><b>（11）</b><b>。</b><b>本发明用于测量工件。</b>

Description

光栅式杠杆结构触针位移传感器及测量方法

技术领域

本发明涉及一种量仪领域，具体涉及一种光栅式杠杆结构触针位移传感器及测量方法。

背景技术

触针式表面轮廓测量仪和表面形状测量仪是用触针扫描法测量工件表面二维形状的距离、角度、圆弧半径等参数的仪器，触针式传感器是表面轮廓测量仪和表面形状测量仪用来采集被测表面轮廓信息的重要部件。

表面轮廓测量仪的传感器多为杠杆结构，传感器前端的触针感知被测表面被测点几何位置，通过杠杆结构将触针针尖位移传递给传感器中信号转换系统转换为电信号，由仪器的信号处理电路转换为数字量，输入计算机进行数据处理，计算被测表面的轮廓参数。

传统的传感器多采用电感式信号转换系统，即将触针位移经杠杆结构转换为电感传感器的磁芯移动，再由信号处理电路将电感元件由于磁芯位移产生的电感量的变化转换为电信号，最后转换为数字量，由计算机进行数据处理和计算。表面轮廓测量仪在测量工件表面宏观形状参数时，触针位移通常要达到20mm以上，而测量信号的分辨力则应达到0.1μm。采用电感式原理的传感器在大量程范围内将出现线性误差大，信号灵敏度低的问题，使仪器很难在大量程范围内实现对被测表面的高分辨力精密测量。

发明内容

本发明的目的是为了实现表面轮廓测量仪对工件的高精度、高分辨力测量，光栅系统作为传感器的信号转换部件，将触针位移转换为光栅信号输出；本产品能够在几十毫米的全量程测量范围内实现分辨力0.1微米的高精度测量。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种光栅式杠杆结构触针位移传感器，其组成包括：传感器基体，所述的传感器基体装有回转轴、传感器杠杆、光栅读数头和抬笔机构，所述的传感器杠杆前端连接测针架，所述的传感器杠杆的尾部圆弧面粘贴光栅尺，所述的传感器杠杆后端通过连接片连接阻尼器，所述的测针架通过测杆连接测针，所述的测杆装有测力调整砝码。

所述的光栅式杠杆结构触针位移传感器，所述的抬笔机构包括电机，所述的电机连接转轴，所述的转轴连接抬笔架。

所述的光栅式杠杆结构触针位移传感器，所述的光栅读数头与所述的光栅尺组成光栅系统。

所述的光栅式杠杆结构触针位移传感器，所述的测杆架结构为“之”字形，测针的针尖、回转轴的中心、光栅尺的中点在一条直线上，测力大小靠移动测杆上的测力调整砝码调节。

一种利用上述的的传感器进行测量的方法,测针产生位移量变化时，光栅系统的光栅尺与光栅读数头之间产生相对位移，从而将测针位移量转换为光栅读数头发出的电信号；传感器面板上安装有一个自动开关或手动开关，光栅系统发出的电信号决定抬笔动作的控制信号；电机在抬笔信号控制下转动，带动抬笔架绕转轴转动；当开关置于手动状态时，传感器在测量返回过程中不做抬笔动作，且不执行计算机发出的抬笔、落笔命令；当开关置于自动状态时，传感器在计算机的控制下可以完成抬笔、落笔动作，在得到测量返回命令时，自动做出抬笔动作，并在返回过程结束时，自动落笔。

有益效果：

1.本发明全量程线性误差小，可以实现大量程的高分辨力测量；测量示值稳定，无时间漂移和温度漂移现象。

2.本发明的光栅系统发出的信号稳定，电噪声幅度和频率极低；后续电路较电感信号调理电路大大简化，且稳定性极高。

3.本发明的测针扫描被测表面，随被测表面的起伏变化带动测杆和传感器杠杆绕回转中心旋转；光栅系统的金属光栅尺固定在传感器杠杆另一端，随传感器杠杆旋转；光栅系统的读数头固定在传感器主体上，读数窗口与粘贴在传感器杠杆圆弧面上的金属光栅尺保持恒定的距离，使光栅尺的移动可以转换为读数头的电信号输出，信号输出准确。

4.本发明的传感器抬笔功能由直流电机驱动的抬笔架完成，能够实现自动抬笔、落笔的动作。

附图说明：

附图1是本发明结构示意图。

具体实施方式：

实施例1：

一种光栅式杠杆结构触针位移传感器，其组成包括：传感器基体1，所述的传感器基体装有回转轴2、传感器杠杆3、光栅读数头4和抬笔机构5，所述的传感器杠杆前端连接测针架7，所述的传感器杠杆的尾部圆弧面粘贴光栅尺6，所述的传感器杠杆后端通过连接片连接阻尼器8，所述的测针架通过测杆9连接测针10，所述的测杆装有测力调整砝码11。其圆弧面的半径等于传感器杠杆圆弧面在中心线上的一点与回转轴的回转中心的距离。

所述的光栅式杠杆结构触针位移传感器，所述的抬笔机构包括电机，所述的电机连接转轴12，所述的转轴12连接抬笔架13。

所述的光栅式杠杆结构触针位移传感器，所述的光栅读数头与所述的光栅尺组成光栅系统。

所述的光栅式杠杆结构触针位移传感器，所述的测杆架结构为“之”字形，测针的针尖、回转轴的中心、光栅尺的中点在一条直线上，测力大小靠移动测杆上的测力调整砝码调节。

实施例2：

一种利用上述的的传感器进行测量的方法,测针产生位移量变化时，光栅系统的光栅尺与光栅读数头之间产生相对位移，从而将测针位移量转换为光栅读数头发出的电信号；传感器面板上安装有一个自动开关或手动开关，光栅系统发出的电信号决定抬笔动作的控制信号；电机在抬笔信号控制下转动，带动抬笔架绕转轴转动；当开关置于手动状态时，传感器在测量返回过程中不做抬笔动作，且不执行计算机发出的抬笔、落笔命令；当开关置于自动状态时，传感器在计算机的控制下可以完成抬笔、落笔动作，在得到测量返回命令时，自动做出抬笔动作，并在返回过程结束时，自动落笔。

实施例3：

实施例1或2所述的光栅式杠杆结构触针位移传感器，光栅式杠杆结构触针位移传感器，由测针、测杆、测杆架、传感器杠杆、回转轴、光栅尺及读数头、抬笔机构、阻尼器组成，用光栅尺和读数头组成的光栅系统作为信号转换元件。

传感器测针固定在测杆前端，测杆后端通过测杆架与传感器杠杆前端刚性连接；传感器杠杆的后端加工成圆弧型并粘贴光栅尺，光栅读数头固定在传感器基体上，读数头的读数窗口与粘贴在传感器杠杆圆弧面上的金属光栅尺保持恒定的距离；测针产生位移变化时，传感器杠杆以回转轴为中心转动，光栅尺与光栅读数头之间产生相对运动，其位移量与测针的位移量成正比，从而将测针位移量转换为光栅读数头发出的电信号。

由微型电机控制的抬笔机构实现传感器抬笔动作，传感器杠杆的回转运动受到阻尼器的作用，限制其回转速度，从而限制测针上升和下降的速度。传感器测力大小靠移动测杆上的测力调整砝码调节。

实施例4：

实施例1或2所述的光栅式杠杆结构触针位移传感器，由微型电机控制的抬笔机构实现传感器抬笔动作；电机在抬笔信号控制下转动，带动抬笔架绕转轴转动；抬笔架作用在传感器杠杆的后端，使杠杆转动，测针和测杆抬起。

传感器杠杆的回转运动受到阻尼器的作用，限制其回转速度；阻尼器通过连接片与传感器杠杆后端连接，当传感器杠杆发生回转运动时，阻尼器产生一定的阻力，限制测针上升和下降的速度。用光栅尺和读数头组成的光栅系统作为信号转换元件，测针与光栅尺分别固定在传感器杠杆结构的两端，测针产生位移量变化时，光栅尺与光栅读数头之间产生相对位移，从而将测针位移量转换为光栅读数头发出的电信号。

读数头的读数窗口与粘贴在传感器杠杆圆弧面上的金属光栅尺保持恒定的距离；测针产生位移变化时，传感器杠杆以回转轴为中心转动，光栅尺与光栅读数头之间产生相对运动，其位移量与测针的位移量成正比。

Claims (2)

1.一种光栅式杠杆结构触针位移传感器，其组成包括：传感器基体，其特征是：所述的传感器基体装有回转轴、传感器杠杆、光栅读数头和抬笔机构，所述的传感器杠杆前端连接测杆架，所述的传感器杠杆的尾部圆弧面粘贴光栅尺，所述的传感器杠杆后端通过连接片连接阻尼器，所述的测杆架通过测杆连接测针，所述的测杆装有测力调整砝码；

所述的抬笔机构包括电机，所述的电机连接转轴，所述的转轴连接抬笔架；

所述的光栅读数头与所述的光栅尺组成光栅系统；

所述的测杆架结构为“之”字形，测针的针尖、回转轴的中心、光栅尺的中点在一条直线上，测力大小靠移动测杆上的测力调整砝码调节；

测针扫描被测表面，随被测表面的起伏变化带动测杆和传感器杠杆绕回转中心旋转；光栅系统的金属光栅尺固定在传感器杠杆另一端，随传感器杠杆旋转；

光栅系统的读数头固定在传感器主体上，读数窗口与粘贴在传感器杠杆圆弧面上的金属光栅尺保持恒定的距离，使光栅尺的移动转换为读数头的电信号输出，信号输出准确。

2.一种利用权利要求1所述的光栅式杠杆结构触针位移传感器的测量方法,其特征是：测针产生位移量变化时，光栅系统的光栅尺与光栅读数头之间产生相对位移，从而将测针位移量转换为光栅读数头发出的电信号；传感器面板上安装有一个自动手动开关，光栅系统发出的电信号决定抬笔动作的控制信号；电机在抬笔信号控制下转动，带动抬笔架绕转轴转动；当开关置于手动状态时，传感器在测量返回过程中不做抬笔动作，且不执行计算机发出的抬笔、落笔命令；当开关置于自动状态时，传感器在计算机的控制下可以完成抬笔、落笔动作，在得到测量返回命令时，自动做出抬笔动作，并在返回过程结束时，自动落笔。