CN109781047B - 探针式测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种探针式测量系统，包括基座、伺服电机、支架、两个测量臂、柔性铰链和探针头，伺服电机固定安装于基座，伺服电机的输出端连接有丝杆；基座设有导槽，支架在丝杆的传动作用下沿导槽做直线运动；测量臂的一端连接于支架，测量臂的另一端连接于柔性铰链，两个测量臂沿支架的中心线以及柔性铰链的中心线对称设置，以及两个测量臂的中心线在柔性铰链的相交处呈锐角；柔性铰链的底部连接于探针头。该测量系统采用分位移矢量合成的方式及其相应的结构实现对特征点的两自由度(平面)的微小位移的精密测量。本发明还提供了该探针式测量系统相应的测量方法。

Description

探针式测量系统及其测量方法

技术领域

本发明属于精密测量领域，具体涉及一种探针式测量系统及其测量方法。

背景技术

随着现代工程技术进步，机械设备正朝着精密、高速、智能化方向发展，尤其是对微小振动的检测优化，对整体稳定机械性有极大的提升，由此便对微小振动的检测工具产生了大量的需求。

但是在实际操作过程中，普遍采用惯性传感单元、拉线传感器、磁致伸缩位移传感器等设备及其测量方法，在面对微小特征对象时，传感器会受到空间限制难以展开，且放大倍数有限，受测量环境影响大，同时安装过程繁琐，操作不便。

虽然机械探针式设备可实现对特征点的位移检测，在多方向的位移检测上，一种是通过串联多个关节臂进行测量，串联结构具备较大的工作范围，但整体结构刚性较差，精度难以控制且在测量空间上精度不均匀；另一种是采取并联结构，并联结构刚度好、惯性轻、精度均匀，在并联机器人、并联机床和MEMS器件上已经有了成熟的应用，但在精密测量的领域，却尚未很好应用。针对微小位移的放大，往往会采用柔性连杆组串联进行放大，结构复杂，且由于本身的柔性属性，串联累计刚度差，对微小位移不敏感，灵敏度低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种探针式测量系统，该测量系统采用分位移矢量合成的方式及其相应的结构实现对特征点的两自由度(平面)的微小位移的精密测量。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

根据本发明的一方面，提供了一种探针式测量系统，所述探针式测量系统包括基座、伺服电机、支架、两个测量臂、柔性铰链和探针头，所述伺服电机固定安装于所述基座，所述伺服电机的输出端连接有丝杆；所述基座设有导槽，所述支架在所述丝杆的传动作用下沿所述导槽做直线运动；所述测量臂的一端连接于所述支架，所述测量臂的另一端连接于所述柔性铰链，两个所述测量臂沿所述支架的中心线以及所述柔性铰链的中心线对称设置，以及两个所述测量臂的中心线在所述柔性铰链的相交处呈锐角；所述柔性铰链的底部连接于所述探针头。

一优选实施例中，所述测量臂为电液放大器，所述电液放大器内部设有腔体，所述腔体的开口处设有活塞，所述活塞的伸出端连接于所述柔性铰链；所述腔体包括依次设置的小直径段、变直径段和大直径段，所述小直径段位于所述电液放大器固定连接于所述支架的一端，所述小直径段设有压电陶瓷，所述变直径段的横截面直径由下至上逐渐减小，所述活塞沿所述大直径段做轴向运动；所述腔体在所述活塞与所述压电陶瓷之间充满液体。

一优选实施例中，所述电液放大器设有连接所述压电陶瓷的信号触点。

一优选实施例中，所述活塞与所述腔体的壁之间设有薄膜。

一优选实施例中，所述支架呈倒“Y”形对称结构，所述柔性铰链呈“Y”形对称结构。

一优选实施例中，所述支架设有与所述导槽相匹配的滑块。

一优选实施例中，所述锐角为60度。

根据本发明的另一方面，提供了探针式测量系统的测量方法，所述测量方法包括：

启动伺服电机以对被测对象的表面进行预压；

启动所述被测对象，每个测量臂捕获一组分位移；

所述测量臂放大相应的分位移；

根据压电陶瓷输出的电压信号计算出相应的分位移值；

将两组分位移值进行矢量合成以得到被测对象的位移值。

采用本发明具有如下的有益效果：

1、本发明所述的探针式测量系统结构紧凑、易于安装，可以快速地完成部署，通过调节测量系统所处的空间位置，灵活实现对特征点指定平面的位移捕捉，使用方便、复用性好。

2、本发明所述的探针式测量系统，其电液放大器放大倍数高、响应快，柔性结构无间隙，相比串联柔性放大结构，减少了运动副，降低了累计误差，提高了整体刚度，能够实现对微小位移的精确测量。

附图说明

图1为本发明实施例一种探针式测量系统的结构示意图；

图2为探针式测量系统的部分剖视示意图；

图3为探针式测量系统的测量流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1和图2，本发明公开了一种探针式测量系统，该探针式测量系统包括基座1、伺服电机2、支架3、两个测量臂4、柔性铰链5和探针头6，基座1呈倒“L”形结构，基座1顶部设有安装孔11以用于将基座1安装于不同的设备上。

基座1侧方主体上固定安装有伺服电机2，伺服电机2的输出端连接有丝杆7。基座1设有导槽，支架3设有与导槽相匹配的滑块，支架3在丝杆7的传动作用下可沿导槽做直线运动。伺服电机2和丝杆传动的设置是为了完成探针头6对被测对象的预压。

测量臂4的一端连接于支架3，测量臂4的另一端连接于柔性铰链5，两个测量臂4沿支架3的中心线以及柔性铰链5的中心线对称设置，以及两个测量臂4的中心线在柔性铰链5的相交处呈锐角(优选的，锐角为60度)，所述柔性铰链5的底部连接于探针头6。

一具体实施例中，支架3呈倒“Y”形对称结构，柔性铰链5呈“Y”形对称结构。

具体的，测量臂4为电液放大器，电液放大器内部设有腔体41，腔体41的开口处设有活塞42，活塞42的伸出端连接于柔性铰链5。腔体41包括依次设置的小直径段、变直径段和大直径段。小直径段位于电液放大器固定连接于支架3的一端，小直径段设有压电陶瓷43(电液放大器设有连接压电陶瓷43的信号触点44)，变直径段的横截面直径由下至上逐渐减小(起到将活塞42的位移放大的作用)，活塞42沿大直径段做轴向运动。腔体41在活塞42与压电陶瓷43之间充满液体。

一具体实施例中，为了减小摩擦，活塞42与腔体41的壁之间设有薄膜。

参照图3，本发明所述的探针式测量系统的测量过程如下：

1)将探针式测量系统安装于机械臂等指定设备上；

2)将测量系统移动到指定平面；

3)启动伺服电机2以对被测对象的表面进行预压(检测压电陶瓷43的压电信号是否达到预设的预压值)；

4)启动所述被测对象(被测对象开始振动)，每个测量臂4捕获一组分位移(柔性铰链5实现被测对象位移的分解)；

5)测量臂4放大相应的分位移：电液放大器的活塞42发生微小位移，由于腔体41的大直径段横截面积大，经变直径段的放大作用，活塞42推动液体作用于压电陶瓷43上；

6)根据压电陶瓷43输出的电压信号计算出相应的分位移值：压电陶瓷43具备压电效应，其在活塞42推动液体的外力作用下发生形变，压电陶瓷43会在两端产生电压；

7)将两组分位移值进行矢量合成以得到被测对象的位移值。

应当理解，本文所述的示例性实施例是说明性的而非限制性的。尽管结合附图描述了本发明的一个或多个实施例，本领域普通技术人员应当理解，在不脱离通过所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种形式和细节的改变。

Claims (7)

1.一种探针式测量系统，其特征在于，所述探针式测量系统包括基座、伺服电机、支架、两个测量臂、柔性铰链和探针头，所述伺服电机固定安装于所述基座，所述伺服电机的输出端连接有丝杆；所述基座设有导槽，所述支架在所述丝杆的传动作用下沿所述导槽做直线运动；所述测量臂的一端连接于所述支架，所述测量臂的另一端连接于所述柔性铰链，两个所述测量臂沿所述支架的中心线以及所述柔性铰链的中心线对称设置，以及两个所述测量臂的中心线在所述柔性铰链的相交处呈锐角；所述柔性铰链的底部连接于所述探针头；

所述测量臂为电液放大器，所述电液放大器内部设有腔体，所述腔体的开口处设有活塞，所述活塞的伸出端连接于所述柔性铰链；所述腔体包括依次设置的小直径段、变直径段和大直径段，所述小直径段位于所述电液放大器固定连接于所述支架的一端，所述小直径段设有压电陶瓷，所述变直径段的横截面直径由下至上逐渐减小，所述活塞沿所述大直径段做轴向运动；所述腔体在所述活塞与所述压电陶瓷之间充满液体。

2.如权利要求1所述的探针式测量系统，其特征在于，所述电液放大器设有连接所述压电陶瓷的信号触点。

3.如权利要求1所述的探针式测量系统，其特征在于，所述活塞与所述腔体的壁之间设有薄膜。

4.如权利要求1所述的探针式测量系统，其特征在于，所述支架呈倒“Y”形对称结构，所述柔性铰链呈“Y”形对称结构。

5.如权利要求1所述的探针式测量系统，其特征在于，所述支架设有与所述导槽相匹配的滑块。

6.如权利要求1所述的探针式测量系统，其特征在于，所述锐角为60度。

7.如权利要求1-6任一项所述的探针式测量系统的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：

启动伺服电机以对被测对象的表面进行预压；

启动所述被测对象，每个测量臂捕获一组分位移；

所述测量臂放大相应的分位移；

根据压电陶瓷输出的电压信号计算出相应的分位移值；

将两组分位移值进行矢量合成以得到被测对象的位移值。

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