CN112902826B - 一种杠杆式表面轮廓测量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种杠杆式表面轮廓测量传感器，涉及零件几何轮廓测量技术领域，包括杠杆测量模块、测量力恒定控制模块、测量范围调整模块和数据处理模块；杠杆测量模块包括触针、杠杆和支点，杠杆转动安装于支点上，触针安装于杠杆的第一端，用于与被测样品接触，被测样品放置在载物台上；测量力恒定控制模块包括力传感器、力补偿装置和连接杆，力传感器以及力补偿装置均与数据处理模块连接，力传感器安装于载物台的下方，连接杆与杠杆的第二端连接，力补偿装置与连接杆连接；测量范围调整模块与数据处理模块连接，实现测量范围的调整。本发明在测量过程中控制测量力恒定，增加测量结果的真实性与可信度，并且实现对不同范围的轮廓进行高精度测量。

Description

一种杠杆式表面轮廓测量传感器

技术领域

本发明涉及零件几何轮廓测量技术领域，特别是涉及一种杠杆式表面轮廓测量传感器。

背景技术

一直以来，零件的几何轮廓尺寸的测量是精密工程领域所关注的热点。零件的几何尺寸反映了零件加工的误差，是评定机械加工工艺水平的重要参数。在精密机械、仪器仪表、超精密加工、智能制造等高端领域中，零件几何尺寸的测量理论研究与测量仪器研发一直是人们所关心的重点。

表面轮廓测量仪根据测量原理可分为接触式与非接触式。非接触式表面形貌测量仪主要采用白光干涉原理，具有测量速度快、精度高范围大等优点，但是其对测量环境要求比较苛刻，容易受到外界环境因素的干扰而产生漂移，引入大量的非线性误差，并且光学仪器成本比价高，不适合工业应用；接触式表面形貌测量仪的测量原理是通过触针与待测工件表面物理接触后而发生相对运动，使触针在垂直方向上随着被测工件的表面轮廓发生起伏，再利用传感器测量这种微小起伏变化，将零件的轮廓尺寸信息调制到传感器的输出信号中，经过解调、滤波等信号处理，最终得到被测工件的表面轮廓信息。与非接触式表面形貌测量仪器相比，虽然接触式表面形貌测量存在测量速度慢、横向分辨率受针尖半径影响、测量过程中测量力随位置变化、测量过程中存在摩擦磨损等问题，但是其成本低、可测样品类型广泛、抗干扰能力强、测量结果可靠，使其在实际工业应用中具有广阔的前景与空间。

接触式表面轮廓测量仪根据测量结构又包括垂直式与杠杆式，其中垂直式测量结构理论上使位移作用线与测量线二者共线，满足阿贝原则，在原理上具有更小的系统误差，更低的结构噪声，但是其测量精度与测量范围受限于传感器，如果要同时兼顾高分辨与大量程，将对传感器提出十分苛刻的要求，使仪器整体成本大大增加；杠杆式测量结构可利用其作用臂与测量臂的比例关系，实现对输入位移不同比例的放大，最终测量的精度由传感器保证，在一定程度上可以缓和测量精度与测量范围之间的矛盾。虽然因其测量结构特性，导致其测量表面轮廓起伏变化时存在着不可避免的余弦误差，最终影响测量的整体精度，但是这种误差是可以通过角度传感器等一些手段补偿，因此，相较于直线测量结构，杠杆测量结构更加具有普适性。测头作为接触式表面轮廓测量仪器的核心部件，其测量能力的高低直接决定整台仪器性能指标的好坏。

因此，亟待提供一种新的杠杆式表面轮廓测量传感器，以解决现有技术中所存在的上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种杠杆式表面轮廓测量传感器，以解决上述现有技术存在的问题，在测量过程中控制测量力恒定，增加测量结果的真实性与可信度，并且实现对不同范围的轮廓进行高精度测量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种杠杆式表面轮廓测量传感器，包括杠杆测量模块、测量力恒定控制模块、测量范围调整模块和数据处理模块；所述杠杆测量模块包括触针、杠杆和支点，所述杠杆转动安装于所述支点上，所述触针安装于所述杠杆的第一端，用于与被测样品接触，所述被测样品放置在载物台上；所述测量力恒定控制模块包括力传感器、力补偿装置和连接杆，所述力传感器以及所述力补偿装置均与所述数据处理模块连接，所述力传感器安装于所述载物台的下方，所述连接杆与所述杠杆的第二端连接，所述力补偿装置与所述连接杆连接；所述测量范围调整模块与所述数据处理模块连接，用于实现测量范围的调整。

优选的，所述力补偿装置包括电流控制器、电磁线圈和永磁体，所述永磁体固定在所述连接杆远离所述杠杆的一端，所述电磁线圈位于所述永磁体的下方，所述电磁线圈通过电流控制器与所述数据处理模块连接。

优选的，所述测量范围调整模块包括驱动块、电容传感器和滑道；所述滑道包括第一滑道和第二滑道，所述第一滑道和所述第二滑道分别位于所述杠杆的上方和下方；所述电容传感器包括第一电容传感器、第二电容传感器、第三电容传感器和第四电容传感器，所述第一电容传感器和所述第三电容传感器设置于所述第一滑道内两侧，并关于所述支点对称设置，所述第二电容传感器和所述第四电容传感器设置于所述第二滑道内两侧，并关于所述支点对称设置；所述第一滑道的中部还垂直设置有竖直滑道，所述驱动块安装于所述竖直滑道内，所述驱动块与所述第一电容传感器以及所述第三电容传感器连接，所述第一电容传感器与所述第二电容传感器连接，所述第三电容传感器与所述第四电容传感器连接。

优选的，所述测量范围调整模块还包括第一连杆组和第二连杆组，所述第一连杆组包括第一上连杆和第二上连杆，所述第一上连杆的两端分别与所述第一电容传感器以及所述驱动块连接，所述第二上连杆的两端分别与所述第三电容传感器以及所述驱动块连接；所述第二连杆组包括第一下连杆和第二下连杆，所述第一电容传感器通过所述第一下连杆与所述第二电容传感器连接，所述第三电容传感器通过所述第二下连杆与所述第四电容传感器连接。

优选的，所述数据处理模块包括信号采集装置和上位机，所述信号采集装置与所述上位机连接；所述信号采集装置还与所述力传感器以及所述电容传感器连接，所述上位机还与所述电流控制器连接。

优选的，所述数据处理模块还连接有显示装置。

优选的，所述支点采用柔性铰链。

优选的，所述触针的轴线与所述杠杆的轴线相正交，所述触针与所述杠杆采用一体成型的加工方式，或者所述触针与所述杠杆分别单独成型，再进行固定连接。

优选的，所述触针采用电化学腐蚀办法加工而成。

优选的，所述力补偿装置还包括屏蔽罩，所述电磁线圈和所述永磁体均设置于所述屏蔽罩内。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1、本发明采用了杠杆结构作为测头骨架，采用柔性铰链作为杠杆结构支点，可以使输入位移无损失的传递到测量位移的传感器，并且使整个测头系统具有良好的动态特性；借助杠杆的位移放大特性，通过合理的机械结构设计，实现了测量范围可调的高精度测头结构，扩大了应用范围，提升了整台仪器的性能水平。

2、本发明采用电磁测量力恒定控制，构建闭环控制系统，电磁线圈产生的电磁力对测量力进行实时补偿，使测量力在整个测量过程中保持恒定，提高测量

结果准确性。

3、本发明采用四个电容传感器，分为两组，每一组包含两个传感器，组成差动电容测量结构，两组差动传感器的测量位移值取平均值作为最终的测量位移值显示输出保存；这种传感器布置方式和信号处理策略抑制了共模干扰，提高测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明杠杆式表面轮廓测量传感器的结构示意图；

图2为本发明杠杆测量模块结构示意图；

图3为本发明测量力恒定控制模块结构示意图；

图4为本发明测量范围调整模块结构示意图；

图5为本发明位移测量原理示意图；

其中，1为杠杆测量模块，1-1为触针，1-2为杠杆，1-3为柔性铰链，2为电磁测量力恒定控制模块，2-1为被测样品，2-2为载物台，2-3为力传感器，2-4为信号采集卡，2-5为上位机，2-6为电流控制器，2-7为电磁线圈，2-8为永磁体，2-9为屏蔽罩，2-10为连接杆，3为测量范围调整模块，3-1为驱动块，3-2-1为第一上连杆，3-2-2为第二上连杆，3-3-1为第一电容传感器，3-3-2为第二电容传感器，3-3-3为第三电容传感器，3-3-4为第四电容传感器，3-4-1为第一下连杆，3-4-2为第二下连杆，3-5-1为第一滑道，3-5-2为第二滑道。

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，所描述的实施例仅仅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。

本发明的目的是提供一种杠杆式表面轮廓测量传感器，以解决上述现有技术存在的问题，在测量过程中控制测量力恒定，增加测量结果的真实性与可信度，并且实现对不同范围的轮廓进行高精度测量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1-5所示，本实施例提供一种杠杆式表面轮廓测量传感器，包括杠杆测量模块1、测量力恒定控制模块、测量范围调整模块3和数据处理模块；其中，杠杆测量模块1主要由杠杆1-2、触针1-1和支点组成，当有位移输入时，杠杆1-2绕着支点发生相应的转动；测量力恒定控制模块为电磁测量力恒定控制模块2，通过连接杆2-10与杠杆1-2的另一端相连，其中力传感器2-3、上位机2-5和电磁线圈2-7构成测量力闭环控制系统，在测量过程中对测量力进行实时补偿，使其在测量过程中始终维持恒定；测量范围调整模块包括四个电容传感器3-3，两两一组共计两组，每组组成差动电容测量结构，两组差动电容测量结构分别布置在关于杠杆1-2的支点对称的位置，每组的两个电容传感器3-3通过连杆固连在一起，形成一个整体，四个电容传感器3-3安装在设计好的滑道3-5内，驱动块3-1通过连杆与两组差动电容测量结构相连，控制电容传感器3-3在固定的滑道3-5内运动到合适的测量位置，结合预先设计好的算法对输入位移进行测量。

具体地：

如图2所示，本实施例中，杠杆测量模块1包括触针1-1、杠杆1-2和支点，支点优选采用柔性铰链1-3，触针1-1固定在杠杆1-2的第一端，触针1-1与杠杆1-2可以采用一体成型的加工方式，也可以采用单独成型，再通过粘接，焊接等手段固定连接在一起。其中，在对触针1-1的尖端半径要求较高的精密测量领域，优选是采用单独成型的结构，以极大限度减小加工误差对测量带来的不利影响，触针可通过电化学腐蚀的办法加工。

本实施例中，触针1-1安装在杠杆1-2的一端，在有被测位移输入时向杠杆1-2传递位移时，驱动杠杆1-2绕着支点发生相应的转动，安装要求使触针1-1的轴心线与杠杆1-2的轴心线相正交，以便获得最大的差动位移信号；柔性铰链1-3作为杠杆机构的支点，约束杠杆1-2的运动为以其为回转中心的旋转运动，柔性铰链1-3无间隙，可以将输入位移无失真的传递到测量模块，但是其满足胡克定律，当输入位移变化时，柔性铰链施加到触针上的力也会变化，对被测物造成影响，使测量结果失真，这种变化的测量力可以通过电磁测量力恒定控制模块2进行实时补偿。

如图3所示，在本实施例中中，电磁测量力恒定控制模块2包括力传感器2-3、电流控制器2-6、电磁线圈2-7、永磁体2-8、屏蔽罩2-9和连接杆2-10；数据处理模块包括信号采集卡2-4和上位机2-5，信号采集卡2-4作为信号采集装置，上位机2-5还连接有显示装置，显示装置采用常用的显示器即可，数据处理模块用于在测量过程中对位移信号和测量力信号进行实时采集、处理与显示。

其中，被测样品2-1置于载物台2-2上，载物台2-2下安置力传感器2-3，在测量过程中，力传感器2-3实时获取测量力的变化，并将其传送给信号采集卡2-4，信号采集卡2-4将得到的测量力模拟信号转换为与之相对应的数字信号，并传递给上位机2-5，上位机2-5按照设计好的控制算法，计算得到实时测量力偏差信号，并结合控制算法给出相应的补偿信号至电流控制器2-6，电流控制器2-6接受到信号后产生相应的补偿电流输出至电磁线圈2-7中，电磁线圈2-7根据电磁感应定律产生稳定的测量力补偿磁场，永磁体2-8在补偿磁场中会受到恒定的电磁作用力，通过连接杆2-10将产生的电磁力传递到杠杆1-2的第二端，对测量力进行实时补偿，使其在测量过程中始终保持恒定，电磁线圈2-7和永磁体2-8一同设置于屏蔽罩2-9内，屏蔽罩2-9起到电磁防护作用，防止外部电磁场的干扰。

如图4所示，在本实施例中，测量范围调整模块包括驱动块3-1、第一连杆组、电容传感器、第二连杆组和滑道；驱动块3-1与电容传感器3-3均安装在设计好的滑道3-5内，滑道分为第一滑道3-5-1和第二滑道3-5-2两部分，分别位于杠杆1-2的上下两边，电容传感器共有4个，分别为第一电容传感器3-3-1、第二电容传感器3-3-2、第三电容传感器3-3-3和第四电容传感器3-3-4，其中第一电容传感器3-3-1与第三电容传感器3-3-3一同置于上侧的第一滑道3-5-1内两侧，两者关于杠杆1-2的支点对称；第二电容传感器3-3-2与第四电容传感器3-3-4一同置于下侧的第二滑道3-5-2内两侧，两者关于杠杆1-2的支点对称对称，驱动块3-1也置于第一滑道3-5-4上设计好的竖直滑道内，第一电容传感器3-3-1与第二电容传感器3-3-2组成一组差动电容测量结构，两者通过第一下连杆3-4-1固连成为一个整体，在各自滑道中同步运动；第三电容传感器3-3-3与第四电容传感器3-3-4组成一组差动电容测量结构，两者通过第二下连杆3-4-2固连成为一个整体，在各自滑道中同步运动，两组差动电容测量结构分别通过第一连杆组中的第一上连杆3-2-1和第二上连杆3-2-2与驱动块3-1铰连在一起，当驱动块3-1发生运动时，联动两组差动电容测量结构运动到相应的位置，进行满足不同要求的位移测量。

具体而言，当驱动块3-1沿设计好滑道向上运动时，两组差动电容测量结构向靠近杠杆1-2的支点方向运动，此时根据杠杆比例关系，可以进行高精度大范围轮廓测量；当驱动块3-1沿设计好滑道向下运动时，两组差动电容测量结构向远离杠杆支点方向运动，此时根据杠杆比例关系，可以进行高精度小范围轮廓测量，所述高精度是指电容传感器的精度。

如图5所示，本实施例中电容传感器测量位移的原理如下：

设触针1-1与支点之间的距离为L1，两组差动电容测量结构的测量中心与支点的距离分别为L2和L3，设计使得L2＝L3，输入位移为X，在两差动电容测量结构的测量中心的偏移量分别为Y1和Y2，可知Y1与Y2大小相等，方向相反，以一组差动电容测量结构的测量过程为例进行说明，当杠杆1-2处于平衡位置时，两个电容传感器得到的电容值相等，均为C₀，当有位移输入杆杠发生相应的偏移时，两个电容传感器获得的电容信号一个增大，另一个减小，分别为C₀+ΔC、C₀-ΔC，将两者做差得到测量位置偏移量与电容信号变化的对应关系为Y1～2ΔC，差动结构使得测量灵敏度增加了一倍，由于两组差动结构是对称设计的，所以两组差动结构得到的位移值大小相等，方向相反，将两者做差后取平均值，可以提高测量结果的准确度，抑制共模噪声，增强结果真实性与可信度，即Y＝(Y1-Y2)/2，将计算得到的Y结合杠杆比例换算关系就可以求出输入的位移X，具体而言X＝(L1/L2)*Y，信号采集卡2-4采集四个电容传感器的电容信号，并转换为相应的数字信号传递给上位机，上位机根据设计好的算法进行计算得到精确的输入位移值，并在显示器上进行显示输出。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种杠杆式表面轮廓测量传感器，其特征在于：包括杠杆测量模块、测量力恒定控制模块、测量范围调整模块和数据处理模块；所述杠杆测量模块包括触针、杠杆和支点，所述杠杆转动安装于所述支点上，所述触针安装于所述杠杆的第一端，用于与被测样品接触，所述被测样品放置在载物台上；所述测量力恒定控制模块包括力传感器、力补偿装置和连接杆，所述力传感器以及所述力补偿装置均与所述数据处理模块连接，所述力传感器安装于所述载物台的下方，所述连接杆与所述杠杆的第二端连接，所述力补偿装置与所述连接杆连接，所述力补偿装置包括电流控制器、电磁线圈和永磁体，所述永磁体固定在所述连接杆远离所述杠杆的一端，所述电磁线圈位于所述永磁体的下方，所述电磁线圈通过电流控制器与所述数据处理模块连接；所述测量范围调整模块与所述数据处理模块连接，用于实现测量范围的调整。

2.根据权利要求1所述的杠杆式表面轮廓测量传感器，其特征在于：所述测量范围调整模块包括驱动块、电容传感器和滑道；所述滑道包括第一滑道和第二滑道，所述第一滑道和所述第二滑道分别位于所述杠杆的上方和下方；所述电容传感器包括第一电容传感器、第二电容传感器、第三电容传感器和第四电容传感器，所述第一电容传感器和所述第三电容传感器设置于所述第一滑道内两侧，并关于所述支点对称设置，所述第二电容传感器和所述第四电容传感器设置于所述第二滑道内两侧，并关于所述支点对称设置；所述第一滑道的中部还垂直设置有竖直滑道，所述驱动块安装于所述竖直滑道内，所述驱动块与所述第一电容传感器以及所述第三电容传感器连接，所述第一电容传感器与所述第二电容传感器连接，所述第三电容传感器与所述第四电容传感器连接。

3.根据权利要求2所述的杠杆式表面轮廓测量传感器，其特征在于：所述测量范围调整模块还包括第一连杆组和第二连杆组，所述第一连杆组包括第一上连杆和第二上连杆，所述第一上连杆的两端分别与所述第一电容传感器以及所述驱动块连接，所述第二上连杆的两端分别与所述第三电容传感器以及所述驱动块连接；所述第二连杆组包括第一下连杆和第二下连杆，所述第一电容传感器通过所述第一下连杆与所述第二电容传感器连接，所述第三电容传感器通过所述第二下连杆与所述第四电容传感器连接。

4.根据权利要求2所述的杠杆式表面轮廓测量传感器，其特征在于：所述数据处理模块包括信号采集装置和上位机，所述信号采集装置与所述上位机连接；所述信号采集装置还与所述力传感器以及所述电容传感器连接，所述上位机还与所述电流控制器连接。

5.根据权利要求1所述的杠杆式表面轮廓测量传感器，其特征在于：所述数据处理模块还连接有显示装置。

6.根据权利要求1所述的杠杆式表面轮廓测量传感器，其特征在于：所述支点采用柔性铰链。

7.根据权利要求1所述的杠杆式表面轮廓测量传感器，其特征在于：所述触针的轴线与所述杠杆的轴线相正交，所述触针与所述杠杆采用一体成型的加工方式，或者所述触针与所述杠杆分别单独成型，再进行固定连接。

8.根据权利要求7所述的杠杆式表面轮廓测量传感器，其特征在于：所述触针采用电化学腐蚀办法加工而成。

9.根据权利要求1所述的杠杆式表面轮廓测量传感器，其特征在于：所述力补偿装置还包括屏蔽罩，所述电磁线圈和所述永磁体均设置于所述屏蔽罩内。

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