CN115047221B - 一种面向末端稳定性的冂字型长探针装置 - Google Patents

一种面向末端稳定性的冂字型长探针装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种末端稳定性较好的冂字型长探针装置，包括依次连接的长探针组件、调整机构和延长板；所述探针组件、调整机构及延长板整体呈冂字型结构；所述长探针组件用于对被测件基于光纤白光干涉测量原理进行测量；所述调整机构通过调整长探针组件的位姿以达到微调探针出光方向的目的；所述延长板可调节高度，以适应不同高度的被测物体。本发明冂字型长探针装置特有的几何机构，使得长探针组件的末端摆动幅度减小，提高了末端稳定性，最终可提高测量精度。

Description

一种面向末端稳定性的冂字型长探针装置
技术领域
本发明属于精密测量技术领域，尤其涉及一种末端稳定性较好的冂字型长探针装置。
背景技术
国防、航空航天、医学及光学等领域内精密性较高的设备或系统中，高加工精度的长管状零部件普遍存在，在很多情况下其内表面形貌会对系统的性能产生极大的影响。对长管状件内表面进行精确且稳定的测量，可有效确定零部件加工精度是否达标，也是提高加工精度的基础，对长管状件的精密加工具有重要意义。
光纤白光干涉测量技术是一种高精度非接触式光学测量技术，以其为基本原理对被测件内外表面进行测量，需要入反射光满足相应要求，因此通过对探针位姿进行调整实现对入反射光角度的调整，使入反射光条件达到测量要求是十分有必要的。
现有的接触式或非接触式高精度表面轮廓测量仪对长管状件内表面的测量能力较为不足，对于长管件则需要大行程位移台驱动长探针在管件轴线方向往复运动以实现对内表面的一次性完整测量，而细长杆状探针的末端稳定性差将会导致测量误差，因此通过结构优化设计提高探针末端稳定性对提高测量精度具有重要价值。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提出了一种末端稳定性较好的冂字型长探针装置。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案为：本发明实施例提供了一种末端稳定性较好的冂字型长探针装置，包括依次连接的长探针组件、调整机构和延长板；所述探针组件、调整机构及延长板呈冂字型结构；
所述长探针组件用于对被测物体基于光纤白光干涉测量原理进行测量；
所述调整机构用于调整长探针组件的位置；
所述延长板可调节高度，以适应不同高度的被测物体。
进一步地，冂字型长探针装置通过延长板安装在竖直位移台台面上。
进一步地，所述长探针组件包括探针外壳和光学元器件；其中，所述探针外壳包括底座及与其相连的且长度可调节的探针套筒；所述光学元器件包括单模光纤跳线、定焦准直器、垫圈、卡环、窗口片及离轴抛物面反射镜；所述单模光线跳线与定焦准直器连接；所述底座上设有截止台面，用于固定定焦准直器，使定焦准直器光束出射点与离轴抛物面反射镜光束入射点之间的距离接近定焦准直器的焦距；所述离轴抛物面反射镜固定于底座上；所述卡环将窗口片压紧在垫圈上，密封光学元器件。
进一步地，所述离轴抛物面反射镜绕其主体圆柱轴线的角度及其相对于底座安装面的距离应使出射光束的光轴尽量通过圆形窗口的圆心；离轴抛物面反射镜用于将光束进行聚焦，使探针出射光束在被测件表面的光斑直径尽量小。
进一步地，所述单模光线跳线用于传输测量臂光束，将携带光程信息的光信号反馈回白光干涉仪进行处理，其工作波长包含光源波长。
进一步地，所述定焦准直器用于实现光束的准直，使其对准波长与光源波长一致；其输出光束腰直径d可以根据下式估算：
其中，λ是所用光的波长，MFD是光纤模场直径，f是准直器的焦距；
其发散角θc可以根据下式估算：
其中，MFD是光纤模场直径，f是准直器的焦距。
进一步地，探针套筒包括若干探针子套筒，探针子套筒间通过螺纹或卡扣在内的形式进行固定，以此调节探针套筒的长度。
进一步地，所述调整机构包括依次连接的手动旋转台、手动平移台、手动摆角器、支杆及旋转安装座。
进一步地，所述手动旋转台用于使其台面上安装的所有元器件一同绕其旋转轴线旋转，所述手动平移台用于使其台面上安装的所有元器件一同进行平移，所述手动摆角器用于使其台面上安装的所有元器件一同随台面摆动，所述旋转安装座用于固定长探针组件并能够使探针组件绕其轴线转动。
进一步地，所述延长板的横截面是工字型。
本发明的有益效果为：本发明提供了一种末端稳定性较好的冂字型长探针装置，基于光纤白光干涉测量原理针对性地设计了长探针组件，在满足光学测量需求的前提下提高了光学元器件集成的紧凑性。本发明将长探针组件及其调整机构通过延长板安装在竖直位移台台面上，而非直接安装在竖直位移台台面上。因此，通过几何原理计算弧长可知，长探针组件的末端摆动幅度因装置整体呈冂字型而减小，提高了末端稳定性。并且冂字型结构使得在高度测量范围相同的情况下，用于驱动的竖直位移台固定高度更低，使得装置结构更加紧凑，在测量过程中长探针末端运动更加平稳，提高测量精度。
附图说明
图1为冂字型长探针结构的整体组成示意图；
图2为长探针组件的结构示意图；
图3为长探针组件位姿调整示意图；
图4为冂字型长探针结构的几何原理示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
下面结合附图，对本发明提出的一种末端稳定性较好的冂字型长探针结构进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
如图1所示，一种末端稳定性较好的冂字型长探针装置，由长探针组件5，调整机构及延长板6组成。
如图2所示，长探针组件5主要分为探针外壳及光学元器件两大部分，其中探针外壳部分包括底座14及探针套筒15，底座14的作用在于紧凑而精确地将光学元器件集成在测量光路要求的特定位置，而探针套筒15决定了探针的总长度，探针套筒15之间通过螺纹或其他形式连接，可自由调节探针的总体长度，相应地配合不同高度的延长板6，以满足不同高度范围被测件的测量需求。具体地，探针套筒15包括若干探针子套筒，探针子套筒间通过螺纹或卡扣等形式进行固定，以此调节长度。
其中，延长板6上开有定位孔，通过该定位孔与竖直位移台台面16连接。
探针测量的基本原理为光纤白光干涉测量技术，探针中的光学元器件包括单模光纤跳线8、定焦准直器9、垫圈10、卡环11、窗口12及离轴抛物面反射镜13。单模光纤跳线8的作为用传输测量臂光束，将携带光程信息的光信号反馈回白光干涉仪进行处理，其工作波长应包含光源波长。单模光线跳线8与定焦准直器9连接，两者之间的接头型号需要匹配。定焦准直器9的作用为实现光束的准直，其设计波长应与光源波长一致，以获得最佳的性能。其输出光束腰直径d可以根据下式估算：
其中，λ是所用光的波长，MFD是光纤模场直径，f是准直器的焦距。
其发散角θc可以根据下式估算：
其中，MFD是光纤模场直径，f是准直器的焦距。
为获得较小的束腰直径d以及提高光学结构的紧凑性，应选择较小的焦距，但会导致发散角θc偏大，即光束直径随传播距离增大而增大的速度较快。定焦准直器9通过螺纹固定在底座14上，底座14上设计有截止台面，台面对定焦准直器9有限位作用。应通过对截至台面位置的计算设计，使定焦准直器9光束出射点与离轴抛物面反射镜13光束入射点之间的距离接近定焦准直器9的焦距，可在离轴抛物面反射镜13入射点处获得光束直径较小且准直质量较佳的光束，有助于离轴抛物面反射镜13对光束进行进一步聚焦。
离轴抛物面反射镜13被螺钉固定在底座14上，定焦准直器9出射准直光束的光轴与探针轴线具有较高同轴度，与离轴抛物面反射镜13底面具有较高垂直度，离轴抛物面反射镜13可将入射的准直光束偏转90°，使光束从窗口片12所在圆形窗口出射，使探针具备侧视能力。离轴抛物面反射镜13绕其主体圆柱轴线的角度及其相对于底座14安装面的距离应使出射光束的光轴尽量通过圆形窗口的圆心。离轴抛物面反射镜13为另一作用为将入射准直光束进行聚焦，使探针出射光束在被测件表面的光斑直径尽量小，可提高测量精度。此外，可选用一系列不同有效焦距的离轴抛物面反射镜13以满足不同内径的被测件测量需求。
卡环11通过螺纹将窗口片12压紧在垫圈10上，使光学系统部分实现密封，以保持光学系统内部的洁净。
调整机构包括手动旋转台7、手动平移台1、手动摆角器2、支杆3及旋转安装座4。手动旋转台7的粗调范围为360°，微调范围为±3°，微调精度为±5’。手动平移台1的行程为±6.5mm，直线度为5μm，调节精度为10μm。手动摆角器2的调节范围为±7°，调节精度为0.1°。旋转安装座4的粗调范围为360°，微调范围为±7°，微调精度为10’。
如图3所示，探针所在位置为上述调整机构中所有调整台均处于零位时的状态。直线OO1为探针轴线，以O1为端点的射线为探针出光方向，x轴所在直线为手动旋转台7的旋转轴线，手动摆角器2通过其台面绕y轴所在轴线旋转实现台面摆动，图中椭圆为台面中心绕旋转轴旋转一周的圆轨迹在xoz平面上的投影，该旋转轴通过点O，因此手动摆角器2的最终效果为使探针绕y轴旋转。z轴所在直线为旋转安装座4的旋转轴线，手动平移台1的台面沿y轴正负方向平移运动。点O为支杆3轴线与探针轴线的交点，上述所有调整机构均处于零位时，以上三个旋转轴线以点O为原点构成空间直角坐标系。当上述调整机构进行调整后，以上三个旋转轴线将不再构成空间直角坐标系。
手动旋转台7的作用是使其台面上安装的所有元器件一同绕其旋转轴线旋转，手动平移台1的作用是使其台面上安装的所有元器件一同进行平移，手动摆角器2的作用是使其台面上安装的所有元器件一同随台面摆动，旋转安装座4的作用是固定长探针组件并能够使探针组件绕其轴线转动。
光纤白光干涉测量需要入反射光满足相应要求，测量臂和参考臂的光强匹配时才能得到能够用于提取中心条纹的较为明显的干涉信号，因此需要通过使用上述调整机构对探针位姿进行组合式的微调以实现对入反射光角度的调整，使反射光强度等条件达到测量要求。
如图4所示，ABCO1为冂字型长探针结构抽离出的几何模型，视角为图1中y轴正方向，其中AB为延长板6，BC为调整机构，CO1为长探针组件，点O1为探针出射光束的光轴与探针轴线的交点。冂字型长探针结构整体通过延长板6安装在竖直位移台台面16上，点A为竖直位移台台面16的台面中心。竖直位移台在上下运动过程中并不是完全沿竖直方向平移，台面运动过程中会产生俯仰(Pitch)、偏摆(Yaw)、翻滚(Roll)三种运动误差，如图1中以点A为原点建立的空间直角坐标系所示，即台面分别绕y轴、x轴、z轴旋转。台面的摆动最终将会导致点O1的摆动，探针上下运动过程中，点O1的轨迹将不是一条直线，将直接导致测量结果存在误差，当台面摆角较大时，甚至会导致反射光强度过低，使部分测量点缺失。此外，探针组件的长径比较大，末端摆动幅度较大易导致末端失稳。从图1可以看出，延长板6的横截面是工字型，目的在于提高长板的抗振性。
调整机构的结构一旦确定，悬臂BC的长度为定值，而可以改变的是长探针及其调整机构BCO1整体相对于竖直位移台台面16在竖直方向上的高度，冂字型结构通过增加延长板6，使点O1与点A在竖直方向上高度一致，此设计能够提高探针末端稳定性的具体原理如下：
以竖直位移台的俯仰为例，设θ为某一时刻台面的俯仰角，AB′C′O1′为冂字型长探针结构偏转角θ后抽离出的几何模型。台面俯仰导致点O1摆过的弧长为：
若将长探针及其调整机构直接安装在竖直位移台台面16上，即将BCO1向下平移至点B与点A重合，台面俯仰导致点O1摆过的弧长为：
显然从几何原理的角度，在调整机构不变的情况下，即悬臂l2的长度不变，l1越短，台面摆动导致点O1摆过的弧长越小。同理，当台面出现偏摆时，台面绕图1中x轴转动，而点O1与点A在竖直方向上高度一致，理论上点O1不会受到影响。当台面出现翻滚时，台面绕图1中z轴转动，台面翻滚导致点O1摆过的弧长为l2与翻滚角的乘积，无论长探针及其调整机构BCO1整体相对于竖直位移台台面16在竖直方向上的位置如何，点O1摆过的弧长均为定值。
综合来看，冂字型长探针结构设计可有效提高长探针末端的稳定性，由此减小测量误差，提高测量精度。此外，冂字型长探针结构相比于前述将长探针及其调整机构直接安装在竖直位移台台面上的情况，在高度测量范围相同的情况下，用于驱动的竖直位移台固定高度更低，有利于提高系统紧凑性。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种面向末端稳定性的冂字型长探针装置，其特征在于，包括依次连接的长探针组件(5)、调整机构和延长板(6)；所述探针组件(5)、调整机构及延长板(6)呈冂字型结构；
所述长探针组件(5)用于对被测物体基于光纤白光干涉测量原理进行测量；
所述调整机构用于调整长探针组件(5)的位置；
所述延长板(6)可调节高度，以适应不同高度的被测物体；
其中，所述长探针组件(5)包括探针外壳和光学元器件；其中，所述探针外壳包括底座(14)及与其相连的且长度可调节的探针套筒(15)；所述光学元器件包括单模光纤跳线(8)、定焦准直器(9)、垫圈(10)、卡环(11)、窗口片(12)及离轴抛物面反射镜(13)；所述单模光线跳线(8)与定焦准直器(9)连接；所述底座(14)上设有截止台面，用于固定定焦准直器(9)，使定焦准直器(9)光束出射点与离轴抛物面反射镜(13)光束入射点之间的距离与定焦准直器(9)的焦距一致；所述离轴抛物面反射镜(13)固定于底座(14)上；所述卡环(11)将窗口片(12)压紧在垫圈(10)上，密封光学元器件；
所述定焦准直器(9)用于实现光束的准直，使其对准波长与光源波长一致；其输出光束腰直径d根据下式估算：
其中，λ是所用光的波长，MFD是光纤模场直径，f是准直器的焦距；
其发散角θc根据下式估算：
其中，MFD是光纤模场直径，f是准直器的焦距。
2.根据权利要求1所述的面向末端稳定性的冂字型长探针装置，其特征在于，冂字型长探针装置通过延长板(6)安装在竖直位移台台面(16)上。
3.根据权利要求1所述的面向末端稳定性的冂字型长探针装置，其特征在于，所述离轴抛物面反射镜(13)绕其主体圆柱轴线的角度及其相对于底座(14)安装面的距离应使出射光束的光轴通过圆形窗口的圆心；离轴抛物面反射镜(13)用于将光束进行聚焦。
4.根据权利要求1所述的面向末端稳定性的冂字型长探针装置，其特征在于，所述单模光线跳线(8)用于传输测量臂光束，将携带光程信息的光信号反馈回白光干涉仪进行处理，其工作波长包含光源波长。
5.根据权利要求1所述的面向末端稳定性的冂字型长探针装置，其特征在于，探针套筒(15)包括若干探针子套筒，探针子套筒间通过螺纹或卡扣形式进行固定，以此调节探针套筒(15)的长度。
6.根据权利要求1所述的面向末端稳定性的冂字型长探针装置，其特征在于，所述调整机构包括依次连接的手动旋转台(7)、手动平移台(1)、手动摆角器(2)、支杆(3)及旋转安装座(4)。
7.根据权利要求6所述的面向末端稳定性的冂字型长探针装置，其特征在于，所述手动旋转台(7)用于使其台面上安装的所有元器件一同绕其旋转轴线旋转，所述手动平移台(1)用于使其台面上安装的所有元器件一同进行平移，所述手动摆角器(2)用于使其台面上安装的所有元器件一同随台面摆动，所述旋转安装座(4)用于固定长探针组件并能够使探针组件绕其轴线转动。
8.根据权利要求1所述的面向末端稳定性的冂字型长探针装置，其特征在于，所述延长板(6)的横截面是工字型。
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基于相对精度指标的机器人运动学校准;毛晨涛 等;《浙江大学学报》;1316-1324 *
白光干涉测量法在波纹度指标检测中的应用;刘向明;《理化检验》;27-29 *

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