CN115808118A - 粗糙度和轮廓度两用结合协调测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粗糙度和轮廓度两用结合协调测量装置及测量方法。测量装置包括第一测杆、第一支座、第二测杆和第二支座，第一测杆的前端安装有触针、尾端安装有电感线圈；第二测杆远离第一测杆的一端安装有光栅尺、靠近第一测杆的一端安装有传动支架，传动支架上安装有磁芯，上电感线圈和下电感线圈包围于磁芯的外侧。本发明采用双级测杆测量方式，通过一次测量可以兼顾实现长周期轮廓度上的短周期的粗糙度测量，一次测量过程中，通过分辨率高的电感传感器实现粗糙度数据获取，同时利用双级测杆对触针的位移量进行传动及加权计算，通过宽范围量程的光栅尺实现轮廓度数据获取，仪器成本低、测量精度高、数据稳定性好。

Description

粗糙度和轮廓度两用结合协调测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于测量仪器技术领域，具体涉及一种粗糙度和轮廓度两用结合协调测量装置及测量方法。

背景技术

采用针描法（或称触针法）原理的表面粗糙度测量仪包括传感器测杆、驱动器和电感传感器等，在传感器测杆的一端装有金刚石触针，测量时将触针搭在工件上，与被测表面垂直接触，利用驱动器以一定的速度拖动传感器测杆。由于被测表面轮廓峰谷起伏，触针在被测表面滑行时，将产生上下移动。此运动经支点使磁芯同步地上下运动，从而使包围在磁芯外面的两个差动电感线圈的电感量发生变化。线圈与测量线路是直接接入平衡电桥的，线圈电感量的变化使电桥失去平衡，于是输出一个和触针上下的位移量成正比的信号，经电子装置将这一微弱电量的变化放大、相敏检波后，获得能表示触针位移量大小和方向的信号，然后通过指零表或其它输出装置将有关粗糙度的数据或图形输出。如上所述，表面粗糙度测量仪检测工件表面的微小的凹凸，检测工件表面的微小长度（局部）的高度变化、即短周期的高度变化。因此，测量粗糙度的传感器要求分辨率高，即能够检测微小的变位，而且需要线性好，但量程范围要求不大。如果提高电感传感器的量程，不仅成本昂贵，而且量程增大后其线性度就会变差，分辨率变低，无法保证测量精度。

采用针描法原理的轮廓度仪和粗糙度仪器原理类似，区别是轮廓度仪检测工件表面的比较长周期的高度变化，传感器的量程范围要求大，考虑到成本问题，传感器通常采用量程范围大、线性好的光栅尺。光栅尺利用莫尔条纹的光学原理，通过检测莫尔条纹个数，来“读取”光栅刻度，然后再根据驱动电路的作用，计算出待测件的相对高度值。

现有技术中，为了实现在同一台仪器上既能够准确测量粗糙度、又能够准确测量轮廓度，通常是采用更换传感器的方式来实现，测量粗糙度时，更换为分辨率高的电感传感器，而测量轮廓度时，更换为量程范围大的光栅尺，但这样操作较为繁琐，而且频繁更换传感器影响产品使用寿命。

现有技术中，也有在同一台仪器上同时使用两种传感器，利用同一传感器测杆的位移量传递信号来获得粗糙度和轮廓度数据，此种情况下需要两种传感器的量程一致。然而在两种传感器量程一致的情况下，要么受两种传感器的分辨率限制、要么受两种传感器的量程范围限制，实则无法同时实现粗糙度和轮廓度的精确测量（轮廓度要求采用测量范围大的传感器，而粗糙度要求采用分辨率高的电感传感器，但分辨率高的电感传感器测量范围较小）。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种不需更换传感器、同时能够兼顾实现粗糙度和轮廓度精确测量的粗糙度和轮廓度两用结合协调测量装置。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

粗糙度和轮廓度两用结合协调测量装置，包括：

第一测杆，所述第一测杆的前端固定安装有触针，所述第一测杆的尾端上部固定安装有上电感线圈，所述第一测杆的尾端下部固定安装有下电感线圈，所述上电感线圈和下电感线圈的旋向相反；

第一支座，用于支撑所述第一测杆，所述第一测杆转动安装于所述第一支座上；

第二测杆，所述第二测杆设置于所述第一测杆的尾端延伸方向上，所述第二测杆远离所述第一测杆的一端固定安装有光栅尺；所述第二测杆靠近所述第一测杆的一端固定安装有传动支架，所述传动支架上安装有磁芯，所述上电感线圈和下电感线圈包围于所述磁芯的外侧；所述传动支架的上端与所述上电感线圈之间、所述传动支架的下端与所述下电感线圈之间分别具有间隙；

第二支座，用于支撑所述第二测杆，所述第二测杆转动安装于所述第二支座上，所述第二支座与所述第一支座固定连接。

作为优选的技术方案，所述第一测杆的尾端设置有固定套，所述上电感线圈和下电感线圈分别固定安装于所述固定套上。

作为优选的技术方案，所述传动支架呈U型结构。

作为优选的技术方案，所述第一支座包括第一底座，所述第一底座上转动安装有第一转轴，所述第一测杆安装于所述第一转轴上，所述第一测杆以第一转轴为旋转支点。

作为优选的技术方案，所述第一测杆以旋转支点为中心分为前段和后段，所述第一测杆的前段配重大于所述第一测杆的后段配重。

作为优选的技术方案，所述第二支座包括第二底座，所述第二底座上转动安装有第二转轴，所述第二测杆安装于所述第二转轴上，所述第二测杆以第二转轴为旋转支点。

作为优选的技术方案，所述第二测杆以旋转支点为中心分为前段和后段，所述第二测杆的前段配重等于所述第二测杆的后段配重。

作为优选的技术方案，所述第一测杆的重量小于所述第二测杆的重量。

本发明还提供了利用以上所述粗糙度和轮廓度两用结合协调测量装置的测量方法，该方法如下：

将触针搭在待测工件上，触针与工件被测表面垂直接触，使待测工件与触针产生相对运动，通过一次测量可以兼顾实现长周期轮廓度上的短周期的粗糙度测量；

测量过程中，当触针在被测表面滑行、受被测表面微小起伏影响产生轻微上下移动时，此运动经旋转支点使第一测杆上的电感线圈同步地上下运动，但因触针位移量小从而第一测杆旋转角度小，此种情况下电感线圈上下运动时不接触第二测杆上的传动支架，传动支架上的磁芯保持固定不动，从而使包围在磁芯外面的两个差动电感线圈的电感量发生变化，线圈电感量的变化输出一个和触针上下的位移量成正比的信号，经放大处理后输出粗糙度数据；

测量过程中，当触针在被测表面滑行、受被测表面轮廓起伏影响产生较大上下移动时，此运动经旋转支点使第一测杆上的电感线圈同步地上下运动，触针位移量首先使第一测杆上的电感线圈旋转到接触第二测杆上的传动支架，进而带动第二测杆转动，第二测杆上的光栅尺转动影响光栅读数头读取的条纹数，将采集的条纹数经过算法处理转换成相对高度值H1；由于电感线圈旋转到接触第二测杆上的传动支架的数值为固定值，假设将该固定值所对应转换的数值信息设定为相对高度值H2，则轮廓度数据为相对高度值H1+相对高度值H2。

由于采用了上述技术方案，本发明具有至少以下有益效果：

（1）在同一台仪器上无需更换传感器，采用普通小量程、高分辨率的电感传感器和大量程的光栅尺，粗糙度的精度要求由小量程、高分辨率的电感传感器来保证，轮廓度的大范围量程由光栅尺进行扩大实现，从而在一次测量过程中既能够准确测量粗糙度、又能够准确测量轮廓度，不仅操作简单方便，而且仪器成本低、使用寿命长。

（2）采用双级测杆测量方式，通过一次测量可以兼顾实现长周期轮廓度上的短周期的粗糙度测量，通过成本低、线性好、分辨率高的电感传感器实现粗糙度数据获取，而在长周期轮廓测量时，利用双级测杆对触针的位移量进行传动及加权计算，成功克服了同一测杆无法实现宽范围测量与高分辨率精确测量的技术难题，保证了触针位移量与不同传感器的线性度关系，在低成本基础上，测量精度高、数据稳定性好。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1是本发明实施例的立体结构示意图；

图2是本发明实施例的主视结构示意图；

图3是本发明实施例中第一底座的结构示意图；

图4是本发明实施例中第一转轴的结构示意图；

图5是本发明实施例中第一测杆的结构示意图；

图6是本发明实施例中第二测杆的结构示意图；

图7是测量时触针位移量小、第二测杆不起作用时的状态参考图；

图8是测量时触针起伏使电感线圈接触传动支架、第二测杆起作用时的状态参考图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。

如图1至图6所示，粗糙度和轮廓度两用结合协调测量装置，包括第一测杆1、第一支座2、第二测杆3和第二支座4。参考图1和图5，所述第一测杆1的前端固定安装有触针5，所述第一测杆1的尾端上部固定安装有上电感线圈6，所述第一测杆1的尾端下部固定安装有下电感线圈7，所述上电感线圈6和下电感线圈7的旋向相反，上面部分电感量为正，下面部分电感量为负；本实施例中，所述第一测杆1的尾端设置有固定套8，所述上电感线圈6和下电感线圈6分别固定安装于所述固定套8上。

第一支座2用于支撑所述第一测杆1，所述第一测杆1转动安装于所述第一支座2上；参考图3和图4，所述第一支座2包括第一底座21，所述第一底座21上转动安装有第一转轴22，第一转轴22上设置有安装孔23，所述第一测杆1穿过安装孔23安装于所述第一转轴22上，即所述第一测杆1以第一转轴22为旋转支点O₁。参考图7，所述第一测杆1以旋转支点O₁为中心分为前段B O₁和后段O₁C，前段B O₁配重要大于后段配重O₁C，从而保持这个杠杆的前端触针A处始终是有一个向下的力。

参考图1，所述第二测杆3设置于所述第一测杆1的尾端延伸方向上，所述第二测杆3远离所述第一测杆1的一端固定安装有光栅尺9，光栅尺9的侧部对应设置光栅读数头13（接收器）；所述第二测杆3靠近所述第一测杆1的一端固定安装有传动支架10，参考图6，所述传动支架10呈U型结构，其开口一侧安装有磁芯11，所述上电感线圈6和下电感线圈7包围于所述磁芯11的外侧；所述传动支架10的上端与所述上电感线圈6之间、所述传动支架10的下端与所述下电感线圈7之间分别具有一定间隙。

所述第二支座4用于支撑所述第二测杆3，所述第二测杆3转动安装于所述第二支座4上。所述第二支座4与第一支座2的结构相同，其包括第二底座，所述第二底座上转动安装有第二转轴，所述第二测杆3安装于所述第二转轴上，即所述第二测杆3以第二转轴为旋转支点O₂。参考图7，所述第二测杆3以旋转支点O₂为中心分为前段DO₂和后段O₂E，前段DO₂配重与后段配重O₂E相等，这样杠杆始终是趋向中心平衡位置。第一测杆1的重量要远远小于所述第二测杆3的重量，运动起来的时候，第二测杆的动能比较大、惯性比较大。

具体安装时，所述第二支座4与所述第一支座2通过固定板固定连接，这样第一测杆、第二测杆及两个支座形成为整体测杆结构，可在驱动器拖动下相对于待测工件进行移动。

参考图7和图8，具体测量方法如下：

将触针5搭在待测工件12上，触针5与工件被测表面垂直接触，使待测工件12与触针5产生相对运动，通过一次测量可以兼顾实现长周期轮廓度上的短周期的粗糙度测量；

第一种情况为粗糙度仪工作、轮廓仪不起作用（检测工件局部微小长度的高度变化，要求传感器的分辨率高）：当触针A端绕第一支座2旋转未到最大角度时（即最大相对高度值），上电感线圈6、下电感线圈7与第二测杆3上的传动支架10均不接触。具体原理如下：参考图7，触针5在被测表面滑行时受被测表面微小起伏影响将产生轻微上下移动，此运动经旋转支点O₁使第一测杆1上的电感线圈同步地上下运动，但因触针位移量小从而第一测杆1旋转角度小，此种情况下电感线圈上下运动时不接触第二测杆3上的传动支架10，传动支架10上的磁芯11保持固定不动，从而使包围在磁芯11外面的两个差动电感线圈的电感量发生变化，线圈电感量的变化输出一个和触针上下的位移量成正比的信号，经放大处理后输出粗糙度数据；

第二种情况为粗糙度仪不工作、轮廓仪工作（检测工件表面的比较长周期的高度变化，要求传感器的量程范围大）：当触针A端绕第一支座2旋转到最大角度时（即最大相对高度值），上电感线圈6上端与第二测杆3上的传动支架10U型上顶面接触时或下电感线圈7下端与传动支架10U型下底面接触时，触针A端最大转角数值信息是已知的，此后再传递触针A端继续绕第一支座2的转动信息。具体原理如下：参考图8，触针5在被测表面滑行时受被测表面轮廓起伏影响将产生较大上下移动，此运动经旋转支点O₁使第一测杆1上的电感线圈同步地上下运动，触针位移量首先使第一测杆1上的电感线圈旋转到接触第二测杆3上的传动支架10，进而通过传动支架10带动第二测杆3转动，第二测杆3上的光栅尺转动影响光栅读数头13（接收器）读取的条纹数，将采集的条纹数经过算法处理转换成相对高度值H1；由于电感线圈旋转到接触第二测杆上的传动支架的数值为固定值，假设将该固定值所对应转换的数值信息设定为相对高度值H2，则轮廓度数据为相对高度值H1+相对高度值H2。

本发明采用普通小量程的电感传感器和宽范围量程的光栅尺，测量粗糙度时的精度和敏感性由小量程、高分辨率的电感传感器来保证，测量轮廓度时的宽范围量程由光栅尺进行扩大来实现，这样在同一台仪器上无需更换传感器，就既能够准确测量粗糙度、又能够准确测量轮廓度，不仅操作简单方便，而且仪器成本低、使用寿命长。比如本实施例中，光栅尺的量程为12mm，而电感线圈的量程只需要1mm，甚至500μm即可。

本发明创新地采用双级测杆测量方式，通过一次测量可以兼顾实现长周期轮廓度上的短周期的粗糙度测量，一次测量过程中，通过成本低、线性好、分辨率高的电感传感器实现粗糙度数据获取，同时利用双级测杆对触针的位移量进行传动及加权计算，通过宽范围量程的光栅尺实现轮廓度数据获取，成功克服了同一测杆无法实现宽范围测量与高分辨率精确测量的技术难题，保证了触针位移量与不同传感器的线性度关系，在低成本基础上，测量精度高、数据稳定性好。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.粗糙度和轮廓度两用结合协调测量装置，其特征在于，包括：

第一测杆，所述第一测杆的前端固定安装有触针，所述第一测杆的尾端上部固定安装有上电感线圈，所述第一测杆的尾端下部固定安装有下电感线圈，所述上电感线圈和下电感线圈的旋向相反；

第一支座，用于支撑所述第一测杆，所述第一测杆转动安装于所述第一支座上；

第二测杆，所述第二测杆设置于所述第一测杆的尾端延伸方向上，所述第二测杆远离所述第一测杆的一端固定安装有光栅尺；所述第二测杆靠近所述第一测杆的一端固定安装有传动支架，所述传动支架上安装有磁芯，所述上电感线圈和下电感线圈包围于所述磁芯的外侧；所述传动支架的上端与所述上电感线圈之间、所述传动支架的下端与所述下电感线圈之间分别具有间隙；

第二支座，用于支撑所述第二测杆，所述第二测杆转动安装于所述第二支座上，所述第二支座与所述第一支座固定连接。

2.如权利要求1所述的粗糙度和轮廓度两用结合协调测量装置，其特征在于：所述第一测杆的尾端设置有固定套，所述上电感线圈和下电感线圈分别固定安装于所述固定套上。

3.如权利要求1所述的粗糙度和轮廓度两用结合协调测量装置，其特征在于：所述传动支架呈U型结构。

4.如权利要求1所述的粗糙度和轮廓度两用结合协调测量装置，其特征在于：所述第一支座包括第一底座，所述第一底座上转动安装有第一转轴，所述第一测杆安装于所述第一转轴上，所述第一测杆以第一转轴为旋转支点。

5.如权利要求4所述的粗糙度和轮廓度两用结合协调测量装置，其特征在于：所述第一测杆以旋转支点为中心分为前段和后段，所述第一测杆的前段配重大于所述第一测杆的后段配重。

6.如权利要求1所述的粗糙度和轮廓度两用结合协调测量装置，其特征在于：所述第二支座包括第二底座，所述第二底座上转动安装有第二转轴，所述第二测杆安装于所述第二转轴上，所述第二测杆以第二转轴为旋转支点。

7.如权利要求6所述的粗糙度和轮廓度两用结合协调测量装置，其特征在于：所述第二测杆以旋转支点为中心分为前段和后段，所述第二测杆的前段配重等于所述第二测杆的后段配重。

8.如权利要求1至7任一项所述的粗糙度和轮廓度两用结合协调测量装置，其特征在于：所述第一测杆的重量小于所述第二测杆的重量。

9.利用如权利要求1所述的粗糙度和轮廓度两用结合协调测量装置的测量方法，其特征在于：

将触针搭在待测工件上，触针与工件被测表面垂直接触，使待测工件与触针产生相对运动，通过一次测量可以兼顾实现长周期轮廓度上的短周期的粗糙度测量；

测量过程中，当触针在被测表面滑行、受被测表面微小起伏影响产生轻微上下移动时，此运动经旋转支点使第一测杆上的电感线圈同步地上下运动，但因触针位移量小从而第一测杆旋转角度小，此种情况下电感线圈上下运动时不接触第二测杆上的传动支架，传动支架上的磁芯保持固定不动，从而使包围在磁芯外面的两个差动电感线圈的电感量发生变化，线圈电感量的变化输出一个和触针上下的位移量成正比的信号，经放大处理后输出粗糙度数据；

测量过程中，当触针在被测表面滑行、受被测表面轮廓起伏影响产生较大上下移动时，此运动经旋转支点使第一测杆上的电感线圈同步地上下运动，触针位移量首先使第一测杆上的电感线圈旋转到接触第二测杆上的传动支架，进而带动第二测杆转动，第二测杆上的光栅尺转动影响光栅读数头读取的条纹数，将采集的条纹数经过算法处理转换成相对高度值H1；由于电感线圈旋转到接触第二测杆上的传动支架的数值为固定值，假设将该固定值所对应转换的数值信息设定为相对高度值H2，则轮廓度数据为相对高度值H1+相对高度值H2。

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