CN1715826A - 表面形貌测量用触针及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种表面形貌测量用触针，属于表面精密测量技术领域。所述触针包括：一套管，其一端开口并具有一内腔；一销子，其具有第一端及第二端；以及一球状触头，其具有一凹槽；其中，该销子第一端是插入该凹槽内固定，第二端是自该套管的开口插入内腔且固定。销子与球状触头可通过粘结剂粘结固定，也可利用焊接固定。销子与套管可通过粘结剂粘结固定，或利用焊接、铆接固定。球状触头是真圆球。本发明之触针具有测量精度高，稳定性好，使用寿命长之优点。另外，本发明还提供该触针的制备方法。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种表面形貌测量仪器，特别涉及一种高精度表面形貌测量装置的微细球状触针结构及其制备方法。
【背景技术】
物体表面形状及表面粗糙度测量有多种方法，可分为接触式测量法与非接触式测量法，例如扫描电镜测量、原子力显微镜测量，其测量精度非常高，可达到物体表面原子形貌之测量。但是，对于大多数实际工程应用而言，并不需要达到原子表面形貌这样精确程度，仅需研究物体表面形貌即可。
接触式测量装置(如触针式轮廓仪)是利用一种特殊触针以一定速度沿被测物体表面移动，由于物体表面之微观不平度引起触针上下运动，再通过机械及电学转换、信号放大及运算，从而跟踪描述出被测物体表面之形状。
从以上原理可看出，触针之几何形状对测量精度具有重要影响(详细请参见：“触针几何形状对粗糙度测量误差的影响”，机械工程师，2003(11)，P.77-78；以及“表面粗糙度及表面形状的测量与描述”，中国计量，1998(7)，P.47-48)。触针通常是采用球状触头，所以，球状触头的直径越小，则测量精度越高；反之，则测量精度越小，测量误差越大。显然，最理想的情况是球状触头直径为零，但是没有任何加工方法可以制造这种球状触头。目前技术条件可以加工直径为微米级的球状触头。另外，球状触头的形状精度也要求特别严格，最好是采用真圆球。
触针除具有球状触头之外，还需要有一细杆与球状触头相连，以连接球状触头并起固定作用。
直接一体加工成触头部分为真圆球状的触针是非常困难的。所以，目前业界一般是将真圆球与细杆分别加工制作，然后将二者结合成完整的触针。
对于接触式测量装置而言，由于触针需要在物体表面滑动，所以，触针需满足以下要求：
(1)触头直径小，真圆度高；
(2)触头与细杆结合稳定，不易脱落或分离；
(3)触头能充分显露在外，以提高测量精度及测量范围。
请参见图1，为现有技术的触针10剖面结构，它是分别制备好真圆球15以及细管12，其中细管12具有中空的内腔13；然后采用压入法将真圆球15压入细管12的中空内腔13中固定而成。这种结构需精确设计细管12的内径(中空内腔13)与真圆球15的直径相当匹配，而且，即使能够达到互相紧密配合固定的效果，由于真圆球15大部分被塞入内腔13中，仅有三分之一左右球面显露于外面，使得其测量范围受到很大限制。特别是对于较深的沟槽或凹槽形状(如光学元件的外形)测量时，常常发生细管12的外壁(图未标示)与被测沟槽侧面相接触，而真圆球15无法与被测面接触，因此根本无法应用在这里。
为使真圆球能够显露更多球面，习知技术也有采用粘结法者。如图2所示，触针20包括中空之细管22以及真圆球25，其中真圆球25利用粘结剂26结合于细管22末端。这种结构中，真圆球25完全依靠覆盖于细管22末端及其内腔23填充之粘结剂26之粘合力作用而固定，难以确保结合稳定性，特别是真圆球25本身非常小，且其结合面不可能完全包覆所有球面，所以，真圆球25容易在测量物体表面时受到横向作用力脱落或分离。
有鉴于此，提供一种测量精度高，结构稳定，不易损坏之触针结构实为必要。
【发明内容】
为解决现有技术的上述问题，本发明之目的在于提供一种测量精度高，结构稳定，使用寿命长久的触针结构，其可应用于表面形状测量仪器。
本发明之另一目的在于提供上述触针的制备方法。
为实现本发明的第一目的，本发明提供一种表面形貌测量用触针，其包括：一套管，其一端开口并具有一内腔；一销子，其具有第一端及相对的第二端；及一球状触头，其具有一凹槽；其中，该销子第一端是插入该触头的凹槽内固定，第二端是自该套管的开口插入套管的内腔且固定。
上述销子与球状触头可通过粘结剂粘结固定，也可利用焊接固定。
上述销子与套管可通过粘结剂粘结固定，或利用焊接、铆接固定。
上述球状触头是真圆球。
为实现本发明第二目的，本发明提供一种表面形貌测量用触针的制备方法，其包括以下步骤：
制备一端开口且具有一内腔的套管；
制备一微细球体，并在该球体表面开设一凹槽；
制备销子，其第一端形状与凹槽相配、第二端形状与套管内腔相配；
将销子第一端插入凹槽并固定；
将销子第二端插入内腔并固定。
上述微细球体为金属、红宝石、陶瓷或超硬合金材料制成。
上述凹槽是利用金刚石工具铣削，研削，超声波加工，放电加工或者雷射加工方法形成。
该销子第一端是以粘结方式或焊接方式固定于凹槽内。
该销子第二端是以粘结、焊接或铆接方式固定于该内腔。
相对于现有技术，本发明触针的球状触头是采用形状微细真圆球，且其大部分表面均露出于套管之外，可具有高测量精度及准确度的优点；另外，球状触头与套管结合稳定，通过销子抵消球状触头所受的横向作用力，可确保球状触头不易脱落，延长使用寿命。
【附图说明】
图1是现有技术利用压入法固定的触针的剖面示意图；
图2是现有技术粘结法固定的触针的剖面示意图；
图3是本发明表面形貌测量用触针的剖面示意图。
【具体实施方式】
下面将结合附图对本发明作进一步之详细说明。
请参阅图3，本发明实施例提供一种用于高精度物体表面形状测量用触针30，它是表面形状测量仪器的主要移动测量部件。该触针30包括一微细套管32，直径微小的球状触头35，及用以连接球状触头35与套管32的圆柱形销子37。其中，微细套管32具有一中空圆柱形内腔33，其内径与销子37的外径相当或稍大。球状触头35是一圆球体，最好是一真圆球体，其直径一般是微米级或毫米级，且开设有一圆柱形凹槽(图未标示)。该凹槽是由球体外表面延伸至球心处，其形状及尺寸大小与销子37相匹配或稍大。销子37是一圆柱体，其直径较套管32的内径稍小或相同，长度较球状触头35的圆柱形凹槽长。销子37一端是插入该圆柱形凹槽内，并与之紧密固定，例如通过粘结剂粘结，或焊接固定；销子37的另一端是插入该套管32的圆柱形内腔33内，并与之紧密固定，例如使用粘结剂粘结，焊接固定，或铆接固定。
上述触针30的套管32一般是由钢材，钨钢以及超硬合金材料制成。球状触头35可由金属，红宝石，陶瓷以及超硬合金制成。销子37一般可由金属以及超硬合金材料制成。
上述销子37也可为其它形状，例如三角柱形，方形柱体等。这样，球状触头35的凹槽及套管32的内腔33亦相应改变成三角柱形，方形柱体等。
下面介绍上述触针30的制备方法。
首先，分别制造套管32，销子37以及球状触头35。套管32及销子37可由机械加工方法制备，需注意套管32的内腔与销子37一端形状相配，以利后续插入。球状触头35制备相对较复杂，首先制备真圆球，然后于真圆球中开设与销子37形状相配之微小凹槽制得球状触头35。目前可以采用的用于形成微小凹槽的精密加工技术包括金刚石工具铣削，研削，超声波加工，放电加工以及雷射加工，当然，需要根据真圆球的材料选择合适加工技术。
然后，将销子37一端插入上述步骤形成的球状触头35的微小凹槽内，并利用粘结剂粘结固定，或利用焊接方法而固定。如果采用粘结剂固定，则可以先行于销子37一端涂覆粘结剂，再插入该凹槽内，待粘结剂凝结即可固定。由于销子37是插入凹槽内，所以，涂有粘结剂的结合面积较大，可提高结合强度及稳定性，且不占用球状触头35的外表面。无论粘结或焊接固定，球状触头35于使用时，其沿物体表面移动时所受的横向作用力均可由销子37承受，不会因该横向作用力使球状触头35与销子37之间的结合强度受影响而脱落。从而避免现有技术的粘结稳定性差，易脱落等问题。
最后，将销子37另一端插入套管32之内腔33中并固定。销子37与套管32可使用粘结剂粘结固定，焊接固定，或铆接固定。同样，销子37与套管32之间的结合面积较大，因而有利于提高粘结强度及稳定性。
上述触针30可应用于表面测量仪器。使用时，球状触头35沿被测物体表面移动，因表面形状的凹凸不平引起触针30上下移动，然后经过信号转换，将该上下移动转换为电信号，再经放大，运算之后即可得出物体表面形状。由于球状触头35沿物体表面移动时，其与物体表面的接触点可能产生变化，这种因接触点变化产生的误差可通过运算而得以解决。
本发明触针30的优点包括：
(1)测量精度及准确性较高。由于球状触头35的直径非常小，且可采用真圆球，所以，其可测量的精度较高。另外，球状触头35大部分表面均露出于套管32的外面，所以，即使用于测量表面较深的凹槽或沟槽时，球状触头35也可正确与之接触，避免产生类似现有技术的误差。
(2)球状触头35与套管32结合稳定，不易脱落或分离。因销子37是插入球头触头35及套管32之内，所以，两两之间接触面积较大，即使采用粘结法也可确保其粘结稳定性。除此之外，还可使用焊接、铆接等固定方法，进一步确保结合稳定性。
(3)球状触头35可承受较大横向作用力，延长使用寿命。在测量时，由于球状触头所受的横向作用力均被销子37抵消，所以，即使较大横向作用力也不易影响球状触头35的结合稳定性，延长使用寿命。
Claims (17)
1.一种表面形貌测量用触针，其包括一套管和球状触头，其特征在于：所述套管一端开口并具有一内腔，所述球状触头具有一凹槽；该触针还包括一固持件，其具有第一端及第二端，所述固持件的第一端是插入所述凹槽内固定，第二端是自该套管的开口插入所述内腔并且与之固定。
2.如权利要求1所述的表面形貌测量用触针，其特征在于该凹槽是自该球状触头的外表面延伸到其球心。
3.如权利要求1所述的表面形貌测量用触针，其特征在于该凹槽的形状尺寸与该固持件第一端相配合。
4.如权利要求3所述的表面形貌测量用触针，其特征在于该凹槽的形状为圆柱形、三角柱形或方柱形。
5.如权利要求4所述的表面形貌测量用触针，其特征在于该固持件第一端涂覆有粘结剂，该第一端与该凹槽粘结固定。
6.如权利要求4所述的表面形貌测量用触针，其特征在于该固持件第一端与该凹槽焊接固定。
7.如权利要求1所述的表面形貌测量用触针，其特征在于所述套管内腔的形状尺寸与该固持件第二端相配合。
8.如权利要求7所述的表面形貌测量用触针，其特征在于该固持件与套管是粘结固定、焊接固定或铆接固定。
9.如权利要求1所述的表面形貌测量用触针，其特征在于所述球状触头是真圆球体。
10.如权利要求1所述的表面形貌测量用触针，其特征在于该球状触头是金属、红宝石、陶瓷或超硬合金材料制成。
11.如权利要求1所述的表面形貌测量用触针，其特征在于该套管及固持件是钢材、钨钢或超硬合金材料制成。
12.一种表面形貌测量用触针的制备方法，其包括以下步骤：制备一端开口且具有一内腔的套管；制备一微细球体，并在该球体表面开设一凹槽；制备一固持件，其第一端与凹槽相配、相对的第二端与套管内腔相配；将固持件第一端插入凹槽并固定；将固持组件第二端插入内腔并固定。
13.如权利要求12所述的表面形貌测量用触针的制备方法，其特征在于该球体为真圆球。
14.如权利要求13所述的表面形貌测量用触针的制备方法，其特征在于该球体为金属、红宝石、陶瓷或超硬合金材料制成。
15.如权利要求12所述的表面形貌测量用触针的制备方法，其特征在于该凹槽是利用金刚石工具铣削，研削，超声波加工，放电加工或者雷射加工方法形成。
16.如权利要求12所述的表面形貌测量用触针的制备方法，其特征在于该固持件第一端是以粘结方式或焊接方式固定于凹槽内。
17.如权利要求12所述的表面形貌测量用触针的制备方法，其特征在于该固持件第二端是以粘结、焊接或铆接方式固定于该内腔。
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| TR01 | Transfer of patent right |
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| CP03 | Change of name, title or address |
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| CX01 | Expiry of patent term |
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