CN109471253B - 一种显微硬度计的自动聚焦系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种显微硬度计的自动聚焦系统，属于计量领域。本发明包括工作台、调焦升降组、调焦齿轮组、自动升降组、手轮，以及驱动箱、自动聚焦模块。自动聚焦模块用于实现自动聚焦控制。根据实际使用情况分为手动模式或自动聚焦模式，手动模式：手轮带动调焦齿轮组进行转动，调焦齿轮组经过齿轮转向使调焦升降组进行上下作用，从而带动调焦升降组上方的工作台上下运动完成对焦。自动模式：自动聚焦模块控制驱动箱，驱动箱驱动调焦齿轮组进行转动，调焦齿轮组经过齿轮转向使调焦升降组进行上下作用，从而带动调焦升降组上方的工作台上下运动完成对焦。本发明能够提高聚焦控制精度，保障升降垂直度，并避免失焦现象。

Description

一种显微硬度计的自动聚焦系统
技术领域
本发明属于计量领域，尤其涉及一种显微硬度计的自动聚焦系统。
背景技术
显微硬度计在测量过程中聚焦的好坏直接影响测量结果的准确性，聚焦像面与真正焦面的偏离超过1/2景深压痕就变得不清晰，通常在±1μm时，对压痕测量值的误差就会超过±1％的显微硬度值。由于加工局限性，目前市场上常用丝杠螺距为1.5mm，手动聚焦很难精确控制丝杠的位移量。且由于重力问题，丝杠松动导致压痕成像超出景深范围，造成失焦现象。另外，由于市场上常用丝杠间隙为(5～10)μm，导致丝杠升降垂直度不好，造成工作面不平从而影响测量结果的准确性。且经调研查阅相关专利及论文，并无对应方法来解决此问题。故研制一种显微硬度计自动聚焦结构以解决手动聚焦控制精度差，失焦现象明显及升降垂直度难以保证的问题是十分迫切的。
发明内容
为解决手动聚焦控制精度差，失焦现象及升降垂直度难以保证的问题，本发明公开的一种显微硬度计的自动聚焦系统要解决的技术问题是：提高聚焦控制精度，保障升降垂直度，并避免失焦现象。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种显微硬度计的自动聚焦系统包括工作台、调焦升降组、调焦齿轮组、自动升降组、手轮，以及驱动箱、自动聚焦模块。工作台、调焦升降组、调焦齿轮组、自动升降组、手轮依次连接。
根据实际使用情况分为手动聚焦模式或自动聚焦模式，手动聚焦模式：手轮带动调焦齿轮组进行转动，调焦齿轮组经过齿轮转向使调焦升降组进行上下作用，从而带动调焦升降组上方的工作台上下运动完成对焦。自动模式：自动聚焦模块控制驱动箱，驱动箱驱动调焦齿轮组进行转动，调焦齿轮组经过齿轮转向使调焦升降组进行上下作用，从而带动调焦升降组上方的工作台上下运动完成对焦。
工作台用于承载显微硬度试样，并用于实现XY方向运动。
进一步地，调焦升降组用于带动工作台上下移动从而完成聚焦，包括调焦基座，调焦基座内包含滚珠轴承，滚珠轴承上方设有45°螺旋齿轮，45°螺旋齿轮齿数为52，45°螺旋齿轮上方设有螺旋齿轮，螺旋齿轮上方设有调焦轴套，调焦轴套内包含调焦轴，调焦轴为螺距1.5mm的螺杆，调焦轴上附有方向导轨，方向导轨左右各设有一个固定方向轴承。
进一步地，调焦齿轮组包含调焦齿轮，调焦齿轮与45°螺旋齿轮相连接进行传动，调焦齿轮齿数为13。
进一步地，自动升降组的升降电机座上有步进电机，步进电机接有连接轴，连接轴上固定有小带轮，小带轮与大带轮通过传送带连接，大带轮与小带轮的传动比为1:5，大带轮与调焦齿轮连接传动。
进一步地，手轮与调焦齿轮连接，用于手动调焦。
进一步地，驱动箱为驱动步进电机旋转。
进一步地，自动聚焦模块用于实现自动聚焦控制，实现方法包括如下步骤：
第一步，对打压后的压痕进行初次压痕图像聚焦采集，通过计算找到下一个更为准确的聚焦范围；所述初次压痕步距为(±10～±400)μm。
第二步，在初次聚焦后得到的更为准确的聚焦范围内，进行的二次压痕图像聚焦采集，得到准确的聚焦范围；所述二次压痕步距为(±1～±9)μm。
第三步，在二次聚焦后得到的准确聚焦范围内焦平面，进行最终压痕图像的聚焦采集，以得到最终精确清晰可测量的压痕图像。所述最终压痕步距为(±0.4～±0.9)μm。
第四步，找到第三步所得焦平面，得到精确清晰可测量的压痕图像后，将状态调至欠焦状态，后调回齐焦状态，即工作台先向下方移动第三步所设步距的距离，后向上方移动，保证上下移动的调焦轴的螺纹下沿始终在调焦轴套的螺纹上沿之上，以消除随着试验力的增加及重力的影响出现的失焦现象。
作为优选，为消除对焦换向过程中的螺距间隙，空行程，便于控制，换向后步进电机需先进行预设步进的对焦操作。预设步进的方法如下：螺距为αμm，电机控制对焦时的放大倍数为x倍，马达一圈360°的脉冲数为β，故马达每一个脉冲对应的距离δ为δ＝α/(x·β)，螺距导致的空行程间隙为γμm，为消除该间隙，需要γ/δ＝A个脉冲。
有益效果：
1、本发明公开的一种显微硬度计的自动聚焦系统，增加自动聚焦模块解决手动聚焦控制精度差，以及因操作人员带来的误差。
2、本发明公开的一种显微硬度计的自动聚焦系统，使用自动聚焦模块避免失焦现象。
3、本发明公开的一种显微硬度计的自动聚焦系统，得到精确清晰可测量的压痕图像后，将状态调至欠焦状态，后调回齐焦状态，工作台先向下方移动第三步所设步距的距离，后向上方移动，保证上下移动的调焦轴的螺纹下沿始终在调焦轴套的螺纹上沿之上，以消除随着试验力的增加及重力的影响出现的失焦现象。
4、本发明公开的一种显微硬度计的自动聚焦系统，在聚焦轴上增加方向导轨及固定方向轴承以确保聚焦机构的垂直度。
附图说明
图1为本发明的一种显微硬度计的自动聚焦系统的结构示意图。
图2本发明的一种显微硬度计的自动聚焦系统中调焦升降组的结构示意图。
图3为本发明的一种显微硬度计的自动聚焦系统中调焦升降组的剖面结构示意图。
图4为本发明的一种显微硬度计的自动聚焦系统的剖视图。
图5为本发明的一种显微硬度计的自动聚焦系统的应用示意图。
其中：1-工作台、2-调焦升降组、3—调焦齿轮组、4—自动升降组、5—手轮、6—调焦基座、7—滚珠轴承、8—45°螺旋齿轮、9—螺旋齿轮、10—调焦轴套、11—调焦轴、12—方向导轨、13—固定方向轴承、14—调焦齿轮、15—升降电机座、16—步进电机、17—连接轴、18—小带轮、19—大带轮、20—传送带。
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，以结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，本实施例公开的一种显微硬度计的自动聚焦系统，能够作为显微硬度计的自动聚焦系统使用，包括工作台1、调焦升降组2、调焦齿轮组3、自动升降组4、手轮5、驱动箱、自动聚焦模块。工作台1、调焦升降组2、调焦齿轮组3、自动升降组4、手轮5依次连接。
工作台1用于承载显微硬度试样，并用于实现XY方向运动。
如图2所示，调焦升降组2包括调焦基座6，调焦基座6内包含滚珠轴承7，滚珠轴承7上方设有45°螺旋齿轮8，45°螺旋齿轮8齿数为52，45°螺旋齿轮8上方设有螺旋齿轮9，螺旋齿轮9上方设有调焦轴套10，调焦轴套10内包含调焦轴11，调焦轴11为螺距1.5mm的螺杆，调焦轴11附有方向导轨12，如图3所示，方向导轨12左右各设有一个固定方向轴承13，用于带动工作台1上下移动从而完成聚焦过程。
调焦齿轮组3包含调焦齿轮14，调焦齿轮14与45°螺旋齿轮8相连接进行传动，调焦齿轮14齿数为13。
如图4所示自动升降组4包括升降电机座15，上有步进电机16，步进电机16接有连接轴17，连接轴17上固定有小带轮18，小带轮18与大带轮19通过传送带20连接，大带轮19与小带轮18的传动比为1:5，大带轮19与调焦齿轮14连接传动。
手轮5与调焦齿轮14链接，用于手动调焦。
驱动箱为驱动步进电机16旋转。
如图5所示，自动聚焦模块用于实现自动聚焦控制，实现方法为：
第一步，对打压后的压痕进行步距为±10μm的初次压痕图像聚焦采集，通过计算找到下一个较为准确的聚焦范围。
第二步，在初次聚焦后得到的较为准确的聚焦范围内，进行步距为±1μm的二次压痕图像聚焦采集，得到准确的聚焦范围。
第三步，在二次聚焦后得到的准确聚焦范围内，进行步距为±0.4μm的最终压痕图像的聚焦采集，以得到精确清晰可测量的压痕图像。
第四步，找到第三步所得焦平面，得到精确清晰可测量的压痕图像后，先将状态调至欠焦状态，后调回至第三步所找到的齐焦状态，工作台1先向下方移动第三步所设步距的距离，后向上方移动，此步骤保证上下移动的调焦轴11的螺纹下沿始终在调焦轴套10的螺纹上沿之上，以消除随着试验力的增加及重力的影响出现的失焦现象，得到最终不会出现失焦现象的精确清晰可测量的压痕图像。
为消除对焦换向过程中的螺距间隙，换向后电机都要先进行27个脉冲步进后对焦，以减小由于换向后螺距间隙导致的空行程对后续对焦的影响。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，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 (7)

1.一种显微硬度计的自动聚焦系统，其特征在于：包括工作台(1)、调焦升降组(2)、调焦齿轮组(3)、自动升降组(4)、手轮(5)，以及驱动箱、自动聚焦模块；工作台(1)、调焦升降组(2)、调焦齿轮组(3)、自动升降组(4)、手轮(5)依次连接；
根据实际使用情况分为手动模式或自动聚焦模式，手动模式：手轮(5)带动调焦齿轮组(3)进行转动，调焦齿轮组(3)经过齿轮转向使调焦升降组(2)进行上下作用，从而带动调焦升降组(2)上方的工作台(1)上下运动完成对焦；自动模式：自动聚焦模块控制驱动箱，驱动箱驱动调焦齿轮组(3)进行转动，调焦齿轮组(3)经过齿轮转向使调焦升降组(2)进行上下作用，从而带动调焦升降组(2)上方的工作台(1)上下运动完成对焦；
工作台(1)用于承载显微硬度试样，并用于实现XY方向运动；
其中，自动聚焦模块用于实现自动聚焦控制，实现方法包括如下步骤，
第一步，对打压后的压痕进行初次压痕图像聚焦采集，通过计算找到下一个更为准确的聚焦范围；所述初次压痕步距为±10～±400μm；
第二步，在初次聚焦后得到的更为准确的聚焦范围内，进行的二次压痕图像聚焦采集，得到准确的聚焦范围；所述二次压痕步距为±1～±9μm；
第三步，在二次聚焦后得到的准确聚焦范围内焦平面，进行最终压痕图像的聚焦采集，以得到最终精确清晰可测量的压痕图像；所述最终压痕步距为±0.4～±0.9μm；
第四步，找到第三步所得焦平面，得到精确清晰可测量的压痕图像后，将状态调至欠焦状态，后调回齐焦状态，即工作台先向下方移动第三步所设步距的距离，后向上方移动，保证上下移动的调焦轴的螺纹下沿始终在调焦轴套的螺纹上沿之上，以消除随着试验力的增加及重力的影响出现的失焦现象。
2.如权利要求1所述的一种显微硬度计的自动聚焦系统，其特征在于：调焦升降组(2)用于带动工作台(1)上下移动从而完成聚焦，包括调焦基座(6)，调焦基座(6)内包含滚珠轴承(7)，滚珠轴承(7)上方设有45°螺旋齿轮(8)，45°螺旋齿轮(8)齿数为52，45°螺旋齿轮(8)上方设有螺旋齿轮(9)，螺旋齿轮(9)上方设有调焦轴套(10)，调焦轴套(10)内包含调焦轴(11)，调焦轴(11)为螺距1.5mm的螺杆，调焦轴(11)上附有方向导轨(12)，方向导轨(12)左右各设有一个固定方向轴承(13)。
3.如权利要求2所述的一种显微硬度计的自动聚焦系统，其特征在于：调焦齿轮组(3)包含调焦齿轮(14)，调焦齿轮(14)与45°螺旋齿轮(8)相连接进行传动，调焦齿轮(14)齿数为13。
4.如权利要求3所述的一种显微硬度计的自动聚焦系统，其特征在于：自动升降组(4)的升降电机座(15)上有步进电机(16)，步进电机(16)接有连接轴(17)，连接轴(17)上固定有小带轮(18)，小带轮(18)与大带轮(19)通过传送带(20)连接，大带轮(19)与小带轮(18)的传动比为1:5，大带轮(19)与调焦齿轮(14)连接传动。
5.如权利要求4所述的一种显微硬度计的自动聚焦系统，其特征在于：手轮(5)与调焦齿轮(14)连接，用于手动调焦。
6.如权利要求5所述的一种显微硬度计的自动聚焦系统，其特征在于：驱动箱驱动步进电机(16)旋转。
7.如权利要求6所述的一种显微硬度计的自动聚焦系统，其特征在于：为消除对焦换向过程中的螺距间隙，空行程，便于控制，换向后步进电机需先进行预设步进的对焦操作；预设步进的方法如下：螺距为αμm，电机控制对焦时的放大倍数为x倍，马达一圈360°的脉冲数为β，故马达每一个脉冲对应的距离δ为δ＝α/(x·β)，螺距导致的空行程间隙为γμm，为消除该间隙，需要γ/δ＝A个脉冲。
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