CN105466339A - 基于标准质量块控制测量力的微形貌检测位移传感器系统 - Google Patents

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许斌
方辉
尹德强
刘乾乾
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Abstract

本发明公开了一种基于标准质量块控制测量力的微形貌检测位移传感器系统，涉及微结构面形质量检测技术领域。所述的传感器系统主要由测头模块、测头支撑模块、位移检测模块、测量力控制模块等组成；所述的测头模块包括探针、探杆、限位机构和轴套，所述的测头支撑模块为磁悬浮轴承，为测头模块提供径向支持力，所述的位移检测模块为一种精密光栅，所述的测量力控制模块主要包括定滑轮机构和标准质量块，通过调节标准质量块的质量来调节测量力。本发明采用标准质量块与定滑轮机构结合的方式提供测量力，能够针对不同被测工件提供不同的测量力，在保证测量力恒定可控的同时，简化了接触式位移传感器的设计结构，提高了对微形貌测量的测量精度。

Description

基于标准质量块控制测量力的微形貌检测位移传感器系统
技术领域
本发明涉及微结构表面形貌测量与质量检测技术领域，特别涉及基于标准质量块控制测量力的微形貌检测位移传感器系统。
背景技术
接触式测量是一种最基本的表面形貌测量方法，以其测量范围大、分辨率高、测量结果稳定、重复性好等特点，在工业在线和离线零件的表面形貌测量检测和表征中具有广泛的应用，并占有极其重要的地位。
对于接触式位移传感器，探针和被测工件之间测量力的大小是影响传感器检测质量高低的重要因素。测量力过大，探针尖端容易磨损和折断，降低测量精度和缩短探针的使用寿命，同时被测工件表面易被探针形成永久性损伤；测量力过小，探针运动无法与被测工件保持良好接触，容易出现探针的跳动、失稳等现象，降低探针对被测工件表面变化的跟随能力和测量精度。
当前接触式位移传感器测量力的产生主要有以下几种：①基于弹性元件的弹力提供测量力。此种方式中，测量力不能保持恒定，会随着被测工件表面形貌的变化而改变，在某些情况下，甚至会对探针和样品造成损伤。②基于音圈电机或其它电磁结构的电磁力变化提供和调节测量力。该方法虽然能够得到较小且相对恒定的测量力，但需要引入实时反馈控制系统，导致系统结构复杂且测量费时。③基于探针及与其连接机构的自重产生测量力。在这种方式中，探针及其连接机构的重力固定不变，所提供的测量力也相应不变，测量力不能按照被测工件材料的变化而改变，影响了传感器的使用范围。
发明内容
为解决以上接触式位移传感器在测量力控制方面存在的技术问题，我们发明了基于标准质量块控制测量力的微形貌检测位移传感器系统。该传感器系统采用的技术方案详见下文描述。
本发明涉及基于标准质量块控制测量力的微形貌检测位移传感器系统，主要包括：测头模块、测头支撑模块、位移检测模块、测量力控制模块、轴承控制模块、位移信号采集模块、信号分析处理模块等。所述的测头模块包括用于接触样品表面并感知其表面形貌变化的探针(1)、探杆(2)、限位机构(3)和轴套(6)，探针(1)固定连接在探杆(2)的左侧端面上，限位机构(3)固定在探杆(2)左侧部位上，所述的探杆(2)上固定套有轴套(6)且设置在测头支撑模块内。
所述的测头支撑模块包括传感器基座(4)和磁悬浮轴承(5)，所述的传感器基座(4)固定在测量设备的工作台(9)上，所述的磁悬浮轴承(5)固定安装在传感器基座(4)上，并通过轴承控制模块(11)与信号分析处理模块(13)连接。
所述的位移检测模块为一种精密光栅，包括标尺光栅(7-1)和读数头(7-2)，所述的标尺光栅(7-1)嵌套在探杆(2)上，可跟随探杆(2)移动；所述的读数头(7-2)与标尺光栅(7-1)对应，固定安装在传感器基座(4)的中间凸起部位上，并通过位移信号采集模块(12)与信号分析处理模块(13)连接，用来读取探杆的位移信息。
所述的测量力调节模块(10)由标准质量块(10-1)和定滑轮机构(10-2)组成；所述的定滑轮机构(10-2)固定在所述的传感器基座(4)内，所述的定滑轮机构(10-2)一端连接轴套(6)另一端连接标准质量块(10-1)。由定滑轮的工作原理可知，所述的标准质量块(10-1)的重力可通过定滑轮机构(10-2)作用于轴套(6)，使测头模块产生沿水平方向的测量力。
如上所述的基于标准质量块控制测量力的微形貌检测位移传感器系统，更近一步说明为：所述的探针(1)与被测工件(8)之间的测量力F如图2所示，由所述的测量力调节模块(10)中的标准质量块(10-1)的重力G提供，根据定滑轮的工作原理可知F＝G，因此只要改变标准质量块的质量就能得到相应大小的恒定测量力。
如上所述的基于标准质量块控制测量力的微形貌检测位移传感器系统，更近一步说明为：所述的测头模块由探针(1)、探杆(2)、限位机构(3)和轴套(6)组成，所述的探针(1)与探杆(2)同轴连接，所述的限位机构(3)固定于探杆(2)的左侧，传感器系统未工作时限位机构(3)与所述的传感器基座(4)的左侧内壁接触，用来调节测头模块的初始位移，防止测头模块在初始条件下滑出传感器，有利于位移检测模块处于测量范围内。
如上所述的基于标准质量块控制测量力的微形貌检测位移传感器系统，更近一步说明为：所述的轴套(6)同轴固定套在探杆(2)上，轴套(6)与所述的磁悬浮轴承(5)对应，沿X轴方向横向设置在磁悬浮轴承(5)的中轴线上，并与磁悬浮轴承(5)之间存在一定间隙，所述的磁悬浮轴承(5)通过与轴套(6)的磁力作用，提供测头模块所需的径向支承力。所述的径向支承力的大小根据实际需要，由所述的信号分析处理模块(13)通过轴承控制模块(11)调节，可减小测头模块的径向扰动引起的测量误差。
本发明的有益效果
本发明采用标准质量块与定滑轮结合的方式提供测量力，其带来的有益效果是：针对不同被测工件对测量力的不同要求，可以通过改变标准质量块的配重改变测量力，在保证测量力恒定可控的同时，简化了接触式位移传感器的设计结构。
另外通过限位机构改变测头模块的初始位置，有利于保持探针始终处于位移检测模块的测量范围内，提高了对微形貌测量的效率和精度。
说明附图
图1是本发明基于标准质量块控制测量力的微形貌检测位移传感器系统整体结构示意图。
图2是本发明基于标准质量块控制测量力的微形貌检测位移传感器系统测量力调节模块示意图和测量力产生示意图。
具体实施方式
本发明涉及基于标准质量块控制测量力的微形貌检测位移传感器系统，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
在图1中所述的基于标准质量块控制测量力的微形貌检测位移传感器系统包括：测头模块、测头支撑模块、位移检测模块、测量力控制模块、轴承控制模块、位移信号采集模块、信号分析处理模块等。所述的测头模块由探针1、探杆2、限位机构3和轴套6构成，可跟随被测样品表面的形貌变化而移动；所述的测头支撑模块包括传感器基座4和磁悬浮轴承5，所述的传感器基座4固定在测量设备的工作台9上；所述的位移检测模块为一种精密光栅，包括标尺光栅7-1和读数头7-2，可读取测头模块的位移信息；所述的测量力控制模块10包括：标准质量块10-1和定滑轮机构10-2；所述的信号分析处理模块13以计算机为例，用来分析处理测头模块的位移信号和调整磁悬浮轴承5的控制方案。
本发明的具体的实施过程为：首先将工件8放置在位移平台上并加以固定，将所述的基于标准质量块控制测量力的微形貌检测位移传感器系统固定在测量设备上保持静止，使所述的测头模块沿X轴方向放置，探针1的尖端与工件8的表面对应。根据被测工件材料特性的不同，可以选择不同配重的标准质量块10-1，得到不同大小的测量力满足测量要求。由于标准质量块10-1的重力作用，测头模块受到水平向左的拉力并产生水平向左的移动趋势，通过限位机构3，可以保证测头模块处于初始静止状态，同时可以使位移检测模块处于测量范围内。
其次通过位移平台的移动调整工件8和探针1的相对位置，让探针1和工件8接触推动测头模块向右移动一定距离，使探针1与工件8之间产生与标准质量块10-1重力大小相等的微小测量力；然后再在位移平台的作用下驱动工件8沿Y轴或Z轴方向移动，由于探针1和工件8之间存在微小接触力，所以工件8表面的微观峰谷起伏将使测头模块沿X轴方向左右移动，磁悬浮轴承5为测头模块提供的径向支承力可保证这种移动的低摩擦性与高顺应性。最后所述的测头模块的位移信号通过所述的位移光栅转换为电信号，再经过位移信号采集模块12传输到计算机13中，所述的计算机13经过计算分析即可重构出工件侧面微观形貌。
所述的测头模块扫描工件表面时，其沿X轴方向的测量力由标准质量块的重力产生，该测量力可通过改变标准质量块的质量进行调节，既可以保证探针和工件良好地接触，又可以保证探针尖端和工件表面不发生损坏。所述的测头模块沿Y轴方向的支承力主要由磁悬浮轴承5提供，所述的计算机13会通过轴承控制模块11实时调整磁悬浮轴承5的控制方案，以保证测头模块稳定悬浮于磁悬浮轴承5中。
以上所述实例性说明中的信号分析处理模块13采用计算机，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明；凡在本发明的思想和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于标准质量块控制测量力的微形貌检测位移传感器系统，主要包括：测头模块、测头支撑模块、位移检测模块、测量力控制模块、轴承控制模块、位移信号采集模块、信号分析处理模块等；其特征是：所述的测头模块包括用于接触样品表面并感知其表面形貌变化的探针(1)、探杆(2)、限位机构(3)和轴套(6)，探针(1)固定连接在探杆(2)的左侧端面上，限位机构(3)固定在探杆(2)左侧部位上，所述的探杆(2)上固定套有轴套(6)且设置在测头支撑模块内；所述的测头支撑模块包括传感器基座(4)和磁悬浮轴承(5)，所述的传感器基座(4)固定在测量设备的工作台(9)上，所述的磁悬浮轴承(5)固定安装在传感器基座(4)上，并通过轴承控制模块(11)与信号分析处理模块(13)连接；所述的位移检测模块为光栅尺，包括标尺光栅(7-1)和读数头(7-2)，所述的标尺光栅(7-1)嵌套在探杆(2)上，可跟随探杆(2)移动，所述的读数头(7-2)与标尺光栅(7-1)相对应，固定在传感器基座(4)的中间凸起部位上，并通过位移信号采集模块(12)与信号分析处理模块(13)连接；所述的测量力控制模块(10)由标准质量块(10-1)和定滑轮机构(10-2)组成。
2.如权利要求1所述的一种用于工件表面微形貌检测的位移传感器系统，其特征是：所述的测头模块的中轴线沿X轴方向水平设置在测头支撑模块的中轴线上，所述的探针(1)与探杆(2)同轴连接；所述的限位机构(3)固定于探杆(2)的左侧，传感器系统未工作时限位机构(3)与所述的传感器基座(4)的左侧内壁接触；所述的轴套(6)同轴固定套在探杆(2)上，轴套(6)与所述的磁悬浮轴承(5)对应，沿X轴方向横向设置在磁悬浮轴承(5)的中轴线上，并与磁悬浮轴承(5)之间存在一定间隙，可与探针(1)、探杆(2)和限位机构(3)一起沿水平方向左右移动。
3.如权利要求1所述的基于标准质量块控制测量力的微形貌检测位移传感器系统，其特征是：所述的轴套(6)为磁性材质，所述的磁悬浮轴承(5)通过与轴套(6)的磁力作用，提供测头模块所需的径向支承力。
4.如权利要求1所述的基于标准质量块控制测量力的微形貌检测位移传感器系统，其特征是：所述的测量力调节模块(10)由标准质量块(10-1)和定滑轮机构(10-2)组成；所述的定滑轮机构固定在传感器基座(4)内，其一端连接轴套(6)另一端连接标准质量块(10-1)，所述的标准质量块的重力通过定滑轮机构(10-2)作用于所述的轴套上。
5.如权利要求1所述的基于标准质量块控制测量力的微形貌检测位移传感器系统，其特征是：所述的位移信号检测模块为一种精密光栅；所述的信号分析处理模块为计算机或一种常用的微处理器。
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