CN108827137B - 一种电磁控制的接触式变刚度微纳米测头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电磁控制的接触式变刚度微纳米测头，该测头包括敏感弹性梁、伪等边三角形连接体、“C”型框架、圆柱形永磁体、圆柱形线圈，所述敏感弹性梁的内端与伪等边三角形连接体的短边连接，梁的外端与圆环形支架内边连接，梁的上下表面贴合有传感器，所述伪等边三角形连接体的中心与阶梯测杆的尾端固定，连接体的长边与刚性横梁连接，所述“C”型框架内侧对称安装有圆柱形线圈，所述圆柱形永磁体与刚性横直梁连接，圆柱形永磁体和圆柱形线圈组成电磁控制部分。本发明通过设置电磁控制部分，可以实现测头系统的刚度调节，有助于减少测头惯性力带来的误触发和范德华力带来的潜在破坏，该系统结构简单控制方便实用性好。

Description

一种电磁控制的接触式变刚度微纳米测头

技术领域

本发明涉及一种精密测头，具体为一种电磁控制的接触式变刚度微纳米测头。

背景技术

MEMS技术的快速发展，出现了许多微型器件，这些器件的表面特征尺度通常在微米级别，甚至纳米级别。电磁式变刚度微纳米测头在测量工件微型表面形貌时，阶梯测杆顶部的测球与被测工件表面接触，接触力沿测杆作用到中心体，使其位姿改变，从而与中心体相连的敏感梁产生微小的变形，触发敏感梁上的应变传感器，并通过相应的转换电路记录此测点的坐标值。目前接触式微纳米测头采用固定刚度，存在以下的一些已知问题：1、测头的刚度固定，几乎无法达到各项同性；2、若测头刚度较大，在测量过程中容易划伤被测工件表面3、若测头刚度太小，测头的动态响应变慢，谐振频率低，稳定性差；4、测头在快速接近或远离被测工件时产生的惯性力可能会带来误触发；5、测球与工件之间的范德华力会对测头的悬挂系统产生潜在的破坏；6、现有的压杆型变刚度测头，易发生测杆中心偏移。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供了一种电磁控制的接触式变刚度微纳米测头。

为了解决上述问题，本发明提供了一种电磁控制的接触式变刚度微纳米测头，包括敏感弹性梁、伪等边三角形连接体、“C”型框架、圆柱形永磁体、圆柱形线圈、圆环形支架、圆柱形底座、阶梯测杆、应变传感器。所述圆柱形底座上端面通过螺栓安装有圆环形支架，所述“C”型框架围绕圆柱形底座的中心均布，“C”型框架端部内侧对称安装有圆柱形线圈，所述圆柱形永磁体通过刚性横直梁与伪三角形连接体的长边连接，圆柱形永磁体位于两个圆柱形线圈之间对称位置且互不接触，且圆柱形永磁体的两端磁极分别与上下两个线圈同极相对。所述敏感弹性梁的内端固定于伪等边三角形连接体的三个短边，敏感弹性梁的外端固定于圆环形支架内边，所述应变传感器贴合于敏感弹性梁的上下表面，所述伪等边三角形连接体的中心与阶梯测杆的尾端固定，伪等边三角形连接体的长边与刚性横梁连接。

作为本发明的优选技术方案，所述圆柱型底座与圆环形支架通过三个螺栓连接在一起，圆环形支架内边设有三个绕中心点均匀分布的敏感弹性梁。

作为本发明的优选技术方案，所述敏感弹性梁上表面与伪等边三角形连接体上表面重合，在梁的上下表面贴有应变传感器，应变传感器与信号放大电路连接，放大电路与数据采集器连接，数据采集器与电脑连接。

作为本发明的优选技术方案，所述阶梯测杆焊接于伪等边三角形连接体的中心上面，所述测球设于阶梯测杆的上端。

作为本发明的优选技术方案，所述“C”型框架围绕圆柱形底座的中心均布，“C”型框架端部内侧安装的圆柱形线圈可以通电，对称安装且互不接触。

作为本发明的优选技术方案，所述圆柱形永磁体的半径略小于圆柱形线圈的半径，位于两个圆柱形线圈的对称中心面，且留有足够的间隙以保证圆柱形永磁体的位移空间，圆柱形永磁体与刚性横直梁连接，刚性横直梁和伪等边三角形连接体的长边连接，刚性横直梁和伪等边三角形连接体的厚度相同。

本发明具有的有益效果为，通过设计有测头悬挂结构和电磁体结构，有助于实现测头系统的刚度调节和紧凑的空间结构设计，通过控制圆柱形线圈的电流实现测头系统的刚度调节，可以达到各项同性刚度。根据同极排斥原理，当线圈未通电或电流很小时，线圈对永磁体产生很小的附加刚度，测头系统处于低刚度模式，测量过程中不会对工件表面造成明显的破坏；当线圈电流较大时，对永磁体产生较大的附加刚度，测头系统处于高刚度模式，可以有效的防止在快速移动过程中惯性力带来的误触发和在离开工件表面的过程中范德华力带来的潜在破坏，提高测头系统的稳定性。且不存在中心体偏移的潜在误差，并可以通过电磁装置对制造安装误差进行补偿。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。

图1为本发明的正面结构示意图

图2为伪三角形连接体的组合体正面结构示意图

图3为伪三角形连接体的组合体底面结构示意图

图4为本发明的正面结构剖视图

图中：1、圆环形支架；2、圆柱形线圈；3、圆柱形永磁体；4、圆柱形底座；5、螺栓孔；6、“C”型框架；7、敏感弹性梁；8、测球；9、阶梯测杆；10、伪等边三角形连接体；11、刚性横直梁。

具体实施方式

为了使本发明的目的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

请参阅图1、图2、图3、图4。

图1为本发明的正面结构示意图

图2为伪三角形连接体的组合体正面结构示意图

图3为伪三角形连接体的组合体底面结构示意图

图4为本发明的正面结构剖视图

包括伪等边三角形连接体10，阶梯测杆9，敏感弹性梁7，“C”型框架6，所述敏感弹性梁7的内端固定于伪等边三角形连接体10的三个短边，敏感弹性梁7的外端固定于圆环形支架1的内边，敏感弹性梁7上表面和下表面贴有应变片，应变片与信号放大电路连接，信号放大电路与数据采集器连接，所述“C”型框架6端部内侧对称安装有圆柱形线圈2，“C”型框架围绕圆柱形底座4的中心均布。

所述圆柱形永磁体3的半径略小于圆柱形线圈2的半径，两个圆柱形线圈2关于圆柱形永磁体3对称，圆柱形永磁体3悬空于两个圆柱形线圈2之间，并且留有足够的空间供圆柱形永磁体3运动。

所述刚性横直梁11为刚度较大材料制造，刚性横直梁11外端与圆柱形永磁体3连接，三个刚性横直梁11内端分别与伪等边三角形连接体10的三个长边中心处连接。

所述阶梯测杆9焊接于伪等边三角形连接体10的中心，所述测球8设计于阶梯测杆9的上端。

现场使用时，应变传感器通过数据采集器和电脑连接，电脑分析采集到的数据，测头在工作过程中可以通过控制线圈电流来实时调节测头的整体刚度，达到变刚度的目的。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种电磁控制的接触式变刚度微纳米测头，其特征在于：包括圆环形支架(1)，圆柱形线圈(2)，圆柱形永磁体(3)，圆柱形底座(4)，“C”型框架(6)，敏感弹性梁(7)，阶梯测杆(9)，伪等边三角形连接体(10)，刚性横直梁(11)，所述敏感弹性梁(7)的内端对称固定于伪等边三角形连接体(10)的三个短边，敏感弹性梁(7)的外端固定于圆环形支架(1)的内边，敏感弹性梁(7)的厚度比伪等边三角形连接体(10)的厚度小，敏感弹性梁(7)上表面和下表面贴有应变传感器，应变传感器与信号放大电路连接，信号放大电路与数据采集器连接，数据采集器和电脑连接；

所述圆柱形永磁体(3)的半径略小于圆柱形线圈(2)的半径，两个圆柱形线圈(2)关于圆柱形永磁体(3)的中心面对称，圆柱形永磁体(3)悬空于两个圆柱形线圈(2)之间，且圆柱形永磁体(3)的两端磁极分别与上下两个圆柱形线圈(2)同极相对，圆柱形永磁体(3)和圆柱形线圈(2)同轴心安装，圆柱形永磁体(3)和刚性横直梁(11)的外端连接。

2.根据权利要求1所述的一种电磁控制的接触式变刚度微纳米测头，其特征在于：所述“C”型框架(6)的端部内侧对称安装有圆柱形线圈(2)，圆柱形线圈(2)和外部控制电路连接，三个“C”型框架(6)的端部正对圆柱形底座(4)的中心均布并固定。

3.根据权利要求1所述的一种电磁控制的接触式变刚度微纳米测头，其特征在于：所述圆柱形永磁体(3)的两个圆形端面关于刚性横直梁(11)的中心面平行且对称，在实际制造时可以使圆柱形永磁体(3)的两个端面略高于刚性横直梁(11)，以提高圆柱形线圈(2)对圆柱形永磁体(3)的控制灵敏度。

4.根据权利要求1所述的一种电磁控制的接触式变刚度微纳米测头，其特征在于：所述阶梯测杆(9)焊接于伪等边三角形连接体(10)的中心面上，测球(8)设置于阶梯测杆(9)的上端。

5.根据权利要求1所述的一种电磁控制的接触式变刚度微纳米测头，其特征在于：所述刚性横直梁(11)为刚度较大材料制造，刚性横直梁(11)外端与圆柱形永磁体(3)连接，三个刚性横直梁(11)内端分别与伪等边三角形连接体(10)的三个长边中心面处连接，为避免圆柱形线圈(2)产生的磁场磁化刚性横直梁(11)，刚性横直梁(11)需使用不易被磁化的材料。

6.根据权利要求1所述的一种电磁控制的接触式变刚度微纳米测头，其特征在于：所述圆环形支架(1)、圆柱形底座(4)、“C”型框架(6)使用不易磁化的材料制作，避免被圆柱形线圈(2)和圆柱形永磁体(3)磁化。

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