CN103616007B - 一种微小零件平面度精密测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微小零件平面度精密测量装置。该装置主要由底座、立柱、二维柔性导向机构、被测工件调整组件、位移传感器组件和测量驱动组件构成。被测工件由卡盘固定，并放置于四自由度调节平台上面，并将其置于底座上；固定在底座上的立柱支撑导向机构，位移传感器安装在导向机构上，测针与工件接触；由微分头带动钢丝驱动X和Y方向导向机构运动，实现测针在X和Y方向对工件表面的扫描测量，被测工件表面高度（Z方向）的变化可以通过位移传感器测得，并由显示器显示，记录测量数据，可采用最小二乘算法等平面度计算方法评价工件的平面度。本发明装置结构简单、读数方便，能够快速、准确地得到平面度测量结果。

Description

一种微小零件平面度精密测量装置

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，特别涉及一种用于测量微小精密零件平面度的装置。

背景技术

在国内机械制造和机械加工领域中，对一些微小零部件很难进行高精度的平面度测量，例如陀螺仪的动压轴承、小型气浮垫、量块等。目前基本上是使用三坐标测量仪或平晶进行测量，三座标测量仪的精度无法满足精度要求，而当零件平面度精度要求在0.5微米以上时平晶也无法实现定量测量平面度。随着微小零件精密加工技术的进步，对微小零件的检测工具和检测装备的需求越来越急迫。本专利所设计装置就是针对精密小零件的平面度测量而设计的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在之不足，提供了一种微小零件平面度精密测量装置。该装置可对一些微小零件进行平面度精密检测，有效地解决现有测量装置无法满足微小零件平面度精密测量的问题。

本发明设计了一种微小零件平面度测量装置，主要由底座、立柱、工件调整组件、柔性导向机构组件、位移测量组件和测量驱动组件等部分构成。

全部装置位于底座之上，由立柱支撑二维柔性导向机构，在柔性导向机构上安装有位移测量组件；在底座的中间安装有被测工件调整组件，通过该组件可以调节被测工件表面的位置，使之与测针扫面的平面平行；在底座的一侧安装有测量驱动组件，主要是由微分头和钢丝及其固定结构构成，该组件能够实现对二维柔性导向机构的驱动。

该装置的操作过程如下：

（1）将被测工件放置与卡盘上固定，并通过四自由度调节装置调节其被测表面与XY平面平行；

（2）按照测量力的要求，调节测杆高度和测量力调节螺钉，使测量力符合测量要求；

（3）按照一定的进给步长，分别旋转X轴微分头和Y轴微分头（参考图5），在每一个测量点处记录位移显示器的读数；

（4）利用平面度的评价方法（如最小二乘法）计算出工件的平面度。

导向机构通过X轴与Y轴两组柔性机构来实现测针在X、Y两个方向对工件上表面进行扫描。平面度测量对X、Y方向的定位精度要求较低，而对其在Z轴方向的导向精度要求较高，采用柔性导向机构恰能满足这一功能要求。X轴、Y轴微分头固定在微分头固定座上，通过钢丝和轴承与相应的X轴动板、Y轴动板相连接，通过旋转微分头带动钢丝可精确地实现柔性机构的平动。在X、Y方向按照一定的间隔进行扫描，记录每一个扫描点显示器上的数据，应用该数据即可评价工件的平面度误差。

本发明相对于现有技术，具有如下优点：

（1）柔性铰链导向机构取代传统的滑动或滚动导轨机构，可显著提高在测量方向（Z向）的精度；

（2）通过转动微分头实现测量组件X轴、Y轴柔性机构的运动，从而实现测针对被测零件表面的扫描测量，X轴、Y轴的位移可由微分头直接读出，该装置操作方便、直观。

（3）使用微分头带动钢丝可实现柔性机构的平动，避免了采用电机驱动所带来的振动，从而消除振动带来的测量误差，有利于提高平面度测量精度；

（4）通过卡盘固定待测工件，卡盘安装在四自由度调节平台上面，该装置可以调节工件被测平面与导向机构扫描平面平行，方便测量；

（5）测针组件上安装有测量力调节弹簧，通过测量力调节弹簧张力的调整可以调节测针的测量力大小；

（6）本发明结构简单，操作方便，可以实现微小零件平面度的快速、精确检测。

附图说明

图1是本发明微小精密零件平面度测量装置的主视图。

图2是图1的A—A剖视图。

图3是本发明微小精密零件平面度测量装置的右视图。

图4是本发明微小精密零件平面度测量装置的卡盘和四自由度调节装置俯视图。

图5是本发明微分头进给位置示意图。

图6是本发明测针在测量平面上的实际位置示意图。

图中1—位移传感器，2—轴承固定座，3—卡盘，4—四自由度调节平台，5—底座，6—调节丝杠，7—卡爪，8—被测工件，9—测针，10—测杆，11—立柱，12—测杆调节螺钉，13—测量力调节弹簧，14—测量力调节螺钉，15—微分头支架，16—微分头固定座，17—Y轴钢丝，18—X轴微分头，19—Y轴微分头，20—第三轴承，21—Y轴动板，22—X轴固定板，23—Y轴柔性铰链，24—X轴支撑板，25—Y轴固定板，26—杆件，27—Y轴支撑板，28—X轴复位弹簧，29—X轴动板，30—Y轴复位弹簧，31—X轴柔性铰链，32—X轴导向板，33—Y轴导向板，34—X轴钢丝，35—第一轴承，36—第二轴承、37—簧片、38—Z向动板、39—测杆固定板、40—弹簧支架、41—传感器固定板。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进行详细描述。

参见图1～图6，由图中可以看到待测零件是本装置的底座5，在底座5上面安装有四自由度调节平台4和卡盘3，通过卡盘的卡爪7可以对被测工件8进行装夹；通过调节丝杠6可以精确地实现被测工件8的位置调节，立柱11置于底座5上，导向机构安装于立柱11上，导向机构由两组柔性机构组成，通过柔性机构来实现测针9在被测工件8上的测量动作，测针9测量位移变化量由位移传感器1测得，并由位移显示器显示，通过测量力调节弹簧13可以实现测针9对被测工件8的测量力调节；

底座5上安装有微分头支架15，轴承固定座2，微分头支架15通过微分头固定座16将X轴微分头18和Y轴微分头19固定，X轴微分头18通过X轴钢丝34、第一轴承35与X轴动板29连接，X轴动板29与X轴导向板32通过X轴柔性铰链31相连接，X轴导向板32另一端通过柔性铰链与X轴固定板22连接，X轴固定板22通过螺钉固定在X轴支撑板24上，调节X轴微分头18，就可以使整个X轴柔性机构实现平动，从而带动测针9对被测工件8完成X轴方向扫描测量，当完成检测时，X轴复位弹簧28可对X轴方向柔性机构进行复位。

同理Y轴微分头19通过Y轴钢丝17、第三轴承20、第二轴承36、杆件26与Y轴动板21连接，Y轴动板21与Y轴导向板33通过Y轴柔性铰链23相连接，Y轴导向板33另一端通过柔性铰链与Y轴固定板25连接，Y轴固定板25通过螺钉固定在Y轴支撑板27上，此时转动Y轴微分头19，就可以使Y轴方向柔性机构实现平动，从而带动测针9对被测工件8完成Y轴方向的扫描测量，当完成检测时，Y轴复位弹簧30可对Y轴方向柔性机构进行复位。

在Y轴动板21上固定有位移测量组件，测针9通过测杆10固定于测杆固定板39上，测杆固定板39与Z向动板38相连，Z向动板通过簧片37与传感器固定板41相连，传感器1固定在传感器固定板41上。测量时，测针9在被测工件8表面扫描，工件表面高低变化通过测针9、测杆10、测杆固定板39上，测杆固定板39带动Z向动板38沿Z向运动，簧片37变形，由此将被测工件表面的变化通过Z向动板传递给传感器1上，并由位移显示器显示具体数值。

最后将采集的数据利用最小二乘法评定平面度指标，实现微小零件平面度的精密测量。由于采用的柔性导向机构，其测量范围受到一定限制。

采集数据

本发明设计的一种微小精密零件平面度测量装置是通过X轴和Y轴两个方向的柔性机构带动测针实现平面扫描测量，被测工件表面的高度（Z向）变化由位移传感器测量，并由位移显示器显示。

测量前，应先通过四自由度调节工作台使工件待测平面与XOY平面基本保持平行，然后调节测杆和测量力调节弹簧，调节测量力的大小。测量时，如附图5所示，选择一定的X轴进给步长m_x，Y轴进给步长m_y进行测量。

由于X轴与Y轴两个柔性机构之间存在相互作用，当X轴动板29进行平动时，会带动Y轴支撑板27产生Y方向的位移，从而使Y轴动板21的位置产生微小偏移。同理，当Y轴动板21进行平动时，也会产生X轴方向的位移，因此，微分头的进给值与测针的实际位置存在偏差，如附图6所示测针在被测工件表面的实际位置，可以采用如下方法计算测针的实际位置。

已知：X轴导向板长度：l_x；Y轴导向板长度：l_y；X轴进给步长：m_x；Y轴微分头进给步长：m_y；通过下式可以计算测针在工件上的实际位置（x_i，y_j），

其中i表示X方向的测量点，i＝－n，－(n-1),…-1,0,1…n-1，n；j表示Y方向的测量点，j=－n，－(n-1),…-1,0,1…n-1，n。总的测量点数为（2n＋1）（2n＋1）。

实际测量中，根据具体情况确定n的值，n的最小值为1，此时共有9个测量点。计算工件表面各测量点的坐标（x_i，y_j），并记录相应点的z_ij值，将这些数据按照最小二乘等计算平面度误差的算法，就可以确定被测工件表面的平面度。

Claims (4)

1.一种微小零件平面度精密测量装置，包括底座（5）、工件调整组件、柔性导向机构组件、位移测量组件和测量驱动组件；

所述工件调整组件包括安装在底座（5）中部的四自由度调节平台（4），四自由度调节平台（4）上部设置有卡盘（3）和卡爪（7），下部均布有调节丝杠（6），卡爪（7）用来固定被测工件（8）；

所述柔性导向机构组件通过立柱（11）固定到底座（5）的上部，包括X方向柔性导向机构和Y方向柔性导向机构；其中，X方向柔性导向机构包括X轴动板（29），X轴固定板（22），一对平行设置的X轴导向板（32），通过X轴柔性铰链（31）将X轴导向板（32）的一端与X轴动板（29）连接，另一端与X轴固定板（22）相连，X轴支撑板（24）将X轴固定板（22）与立柱（11）相连；Y方向柔性导向机构包括Y轴动板（21），Y轴固定板（25），一对平行设置的Y轴导向板（33），通过Y轴柔性铰链（23）将Y轴导向板（33）的一端与Y轴动板（21）连接，另一端与Y轴固定板（25）相连，Y轴支撑板（27）将Y轴固定板（25）与X轴动板（29）相连；

所述位移测量组件通过传感器固定板（41）连接于Y轴动板（21）上，测针（9）连接于测杆（10）的下端，测杆（10）通过测杆调节螺钉（12）连接于测杆固定板（39）上，测杆固定板（39）与Z向动板（38）连接，Z向动板（38）通过两个平行的簧片（37）固定于传感器固定板（41）上，传感器固定板（41）上设置有位移传感器（1）；被测工件（8）上表面在Z方向的变化由测针（9）传递到Z向动板（38）上，Z向动板（38）与安装在传感器固定板（41）上的位移传感器（1）产生相对运动，簧片（37）产生变形，位移的变化由位移显示器显示；Y轴动板（21）横向延伸设置有弹簧支架（40），在弹簧支架（40）的端部与Z向动板（38）之间设置有测量力调节弹簧（13），弹簧支架（40）与测量力调节弹簧（13）之间通过测量力调节螺钉（14）定位；安装在弹簧支架（40）与Z向动板（38）之间的测量力调节弹簧（13）具有调节测针（9）与被测工件（8）之间的测量力的作用，通过调节测量力调节螺钉（14）来实现测量力调节；

所述测量驱动组件设置于底座（5）上，X轴微分头（18）和Y轴微分头（19）固定于微分头固定座（16）上，微分头固定座（16）通过微分头支架（15）与底座（5）相连，Y轴钢丝（17）一端固定于Y轴微分头（19）上，另一端先后绕过第二轴承（36）和第三轴承（20）后与杆件（26）连接，杆件（26）的一端垂直固联于Y轴动板（21）上，X轴钢丝（34）的一端与X轴微分头（18）相连，另一端绕过第一轴承（35）与X轴动板（29）相连，第三轴承（20）、第二轴承（36）和第一轴承（35）分别通过轴承固定座（2）固定在底座（5）上；分别转动X轴微分头（18）和Y轴微分头（19），通过钢丝的拉动可以实现测针在X、Y两个方向的二维运动。

2.根据权利要求1所述的一种微小零件平面度精密测量装置，其特征在于：立柱（11）的顶端和X轴动板（29）之间设置有X轴复位弹簧（28）；杆件（26）与X轴动板（29）之间设置有Y轴复位弹簧（30）；所述X轴微分头（18）固定在微分头固定座（16）上，通过X轴钢丝（34）和第一轴承（35）与X轴动板（29）相连接，所述Y轴微分头（19）固定在微分头固定座（16）上，通过Y轴钢丝（17）和第二轴承（36）、第三轴承（20）与Y轴动板（21）连接，调整X轴微分头（18）和Y轴微分头（19）分别通过X轴钢丝（34）和Y轴钢丝（17）驱动X轴、Y轴导向机构，从而带动测针（9）在工件表面沿着X和Y方向运动；X轴微分头（18）和Y轴微分头（19）按照一定的步长手动进给，在每个测量点读取位移显示器的数值；进给装置采用X轴钢丝（34）和Y轴钢丝（17）牵引驱动，而不采用电机驱动，可以明显降低振动干扰，有利于提高测量精度。

3.根据权利要求1所述的一种微小零件平面度精密测量装置，其特征在于：导向机构利用X轴方向与Y轴方向两组柔性机构来实现测针（9）测量时在X轴方向与Y轴方向的移动。

4.根据权利要求1所述的一种微小零件平面度精密测量装置，其特征在于：通过测杆调节螺钉（12）来粗调测杆（10）的固定位置，来实现测针（9）与工件（8）的距离，然后通过四自由度调节平台（4）实现精调，使被测工件（8）平行于XOY平面。