CN1833155A - 用于工件接触探头的测杆尖端 - Google Patents

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Abstract

一种用于工件接触探头的测杆(12)，其具有包括自润滑或者低摩擦材料的尖端(14)，以便于抑制在尖端扫描工件表面时产生碎屑或者黏着磨损(粘损)。描述了各种材料，包括具有结合在尺寸稳定的微观结构中的固体润滑剂的合成材料。尖端(14)可以整体由这样的合成材料制成，或者可以具有带自润滑或者低摩擦材料的涂层(32)的基体(30)。合适的材料是碳化硅或者含有游离石墨六角形氮化硼的氮化硅、硫化钼或者金属锡，还有浸渍了PTFE的碳化硅/氮化硅，或者退火处理过的碳化硼。

Description

用于工件接触探头的测杆尖端
发明领域
本发明涉及测量工件所用类型的接触探头，并更具体涉及用于这类探头的测杆的尖端。
在使用术语“接触探头”或者“工件接触探头”时，我们不仅包括用于坐标测量机、机床等的探头，而且也包括具有工件接触测杆的其它度量装置，例如轮廓曲线仪和圆度测量仪，包括以商标“Talysurf”和“Talyrond”销售的那些装置。
背景技术
用于测量工件的已知接触探头包括测杆，该测杆在它的自由端处具有工件接触尖端。测杆尖端例如可以是球形的，并且球形形状的精度对于用探头所进行的测量的精度而言是很重要的。
美国专利4,153,998(McMurtry)显示了一种称为接触触发探头的探头。这种探头仅仅在工件表面上的若干离散点处接触，并且在建立接触时产生触发信号。一种替代类型的探头结合了测量测杆由于接触而造成的相对于探头体的挠曲的传感器。例如参见美国专利4,084,323(McMurtry)。具体地讲，后一种类型的探头可以用于扫描工件的表面轮廓。在这种扫描操作中，测杆尖端以和工件表面滑动接触的方式连续移动。
用于测杆尖端的最常见的材料是人造红宝石。有时使用的其它材料包括氮化硅(Si3N4)或者氧化锆(ZrO2)。美国专利申请No.2003/084584(Osterstock)和对应的国际专利申请No.WO03/039233(Q-Mark)公开了使用氮化硅。英国专利申请No.GB2243688(De Beers)建议使用金刚石或者立方氮化硼，虽然这些材料并未在实践中得到使用。
发明内容
由本发明申请人所进行(产生本发明)的研究表明，这种扫描能够引起可以影响探头的度量性能的三种现象：
1.磨耗；
2.碎屑产生；
3.黏着磨损(也称为粘损)。
磨耗在材料从扫描测杆尖端上被除去时导致扫描测杆尖端的形状被改变。这影响了测杆尖端的球形度的精度。对度量的影响是，沿着测杆的特定方位选取的数据点所表示的检查表面的位置要比它实际上的位置(沿着探测的方向)更远。这导致工件显得比它们实际上的形状要小些，或者孔显得比它们实际上的形状要大些(明显的“材料脱离”情况)。
产生碎屑引起在检查中测杆尖端或者部件的表面上自由地或者松散地黏附上颗粒。这些颗粒会引起表示被检查表面的数据点并不像它实际上的(沿着探测的方向)那么远，但是没有与测杆的任何具体方位有关的影响。这导致工件显得比它们实际上的形状要大些，或者孔比它们实际上的形状要小些(明显的“材料附着”情况)。
当被检查的部件上的材料黏附到测杆尖端上时，发生黏着磨损(粘损)。它与产生碎屑的不同之处在于，所述材料被非常坚固地粘附，而且这种加强局限在测杆的接触区域的范围里。对度量的影响在于，沿着测杆的特定方位选取的数据点所表示的检查表面没有像它实际上(沿着探测的方向)那么远。这显然也是“材料附着”情况。
我们的试验显示出，扫描系统所体现的现象随着多个参数而变化，包括被检查的材料和测杆尖端的材料的组合。例如，红宝石在测量钢时作为测杆尖端材料具有良好性能，但是在当测量铝时表现出黏着磨损。氧化锆作为测杆尖端材料在测量铝时表现出相当大的抗粘损(黏着磨损)性，但是在铸铁上表现出磨耗。
总的来说，如果为了防止磨耗而选择较硬材料作为测杆尖端，那么较硬材料更加易于产生黏着磨损(粘损)，反之(如果选择较软的材料)亦然。
在广义范围内，本发明寻求为测杆尖端提供替代性的材料。
更具体地讲，本发明提供了一种由自润滑材料制成或者包含自润滑材料的测杆尖端。
所述材料可以是一种包括结合在尺寸稳定的微观结构中的低摩擦材料或者固态润滑剂的合成材料。润滑剂可以石墨或者类似石墨的材料，例如六角形氮化硼。
任选的是，所述测杆尖端可以包括基体，该基体涂有所述自润滑或者低摩擦材料的涂层。
本发明的其它方面包括具有如上面所定义的尖端的测杆，以及结合了这种测杆的探头。
附图说明
现在将参考附图描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1示出了扫描工件表面的、具有测杆的接触探头；
图2示出了该探头作为试验配置使用时的改进；以及
图3是测杆的局部剖视图。
具体实施方式
图1示出了扫描探头，该扫描探头具有主体10、测杆12和球形测杆尖端14。探头主体10包括在尖端14扫描工件20的表面时测量测杆12的挠曲的若干传感器。
在正常使用中，探头10将被安装在例如坐标测量机、数字化机器、扫描机、机床等的机器上。工件20被安装在机器的床或者工作台24上。然后，所述机器使探头沿着以便于产生如箭头18所示扫描的路径相对于工件移动。
除测杆尖端14以外，所述探头大致是现有的，因此不需要进一步描述。例如，它可以是由本发明申请人Renishaw plc公司销售的SP600M型。测杆尖端14由下面所讨论的材料中的任一种制成。
图2显示了处于用于模拟正常使用的试验配置的探头10，以便于测试各种材料。铝板21用作试验工件，其被安装在Cyclone扫描机(能从本发明申请人Renishaw plc公司处购得)的床体24上。
测杆12通过倾斜的支架13而被安装在探头10的活动测杆支持架上，支架13将尖端14固定，以至于尖端14其中线位置处位于所述探头的中心线上，并使得尖端14的侧面在试验期间接触板21。这确保了在传统Taylyrond圆度测量仪器(Taylor Hobson有限公司，莱斯特，英国)上试验以检测磨损之后，可以检查该尖端的圆度，而且可以在光学显微镜下检查尖端进行扫描接触所在的点。
由待试验材料制成的测杆尖端14被安装在探头10的测杆12上，测杆12又被安装在机器的活动部件上。使尖端14沿着铝板21的表面重复扫描。每次连续扫描都以100mm/s的扫描速度和25g的扫描力沿着铝板21移动500mm。这500mm的扫描沿着双向(如箭头18所示)重复进行。在每次500mm扫描结束时，将尖端14从板21的表面上举起，横向移位至少100μm，并放回原处以进行下次扫描。重复这个过程，直到获得了所希望的总扫描距离。横向移位确保在整个试验中扫描了铝表面的原状部分。
在开始试验之前和已经扫描了希望的总距离后，在光学显微镜下对在扫描期间接触板21的尖端14的表面上的补片(patch)进行检查。
对比例1
作为与本发明下面的实施例对比的基准，在图2中检测作为尖端14的纯碳化硅(SiC)的3mm直径的球。在扫描了700mm距离后，在显微镜下进行检查时，在SiC球的表面上发现了清晰可见的铝的粘损。
对比例2
在相同的扫描条件下使用传统的3mm直径红宝石测杆球，在扫描了700mm的距离后，在红宝石的表面上也发现了类似的铝的粘损。
实施例1
为了检测石墨作为固态润滑剂的效果，使用了可以市购的材料Purebide PGS100。这种材料是含有游离石墨的烧结的碳化硅合成材料，并可以从美国宾夕法尼亚州15857圣玛丽市Hall大街441号的MorganAdvanced Materials and Technology公司购买到。制造商声明该材料受美国专利5,422,322、5,656,563、5,976,429和欧洲专利746532保护。将接近于球形(直径3mm)的形状研磨、抛光并连接到标准测杆主干上。在一次试验中，在扫描了700mm后，在PGS100材料的表面上没有发现明显的铝的粘损。在另一试验中，周期性地检测测杆尖端，而不将测杆尖端从固定支架上拆下。在扫描达到7000mm时，仍没有发现明显粘损。在超过7000mm时，在接触区域上出现一些方向性图案，但是仍然没有看到清晰的粘损痕迹。
实施例2
六角形氮化硼(hBN)是天然的润滑材料，其具有类似石墨的晶体结构。它通常被称为白石墨。因而，本发明的另一实施例包括由包含hBN的合成材料制成的测杆尖端。在“Fabrication and Microstructureof Silicon Nitride/Boron Nitride Nancomposites”，T Kusunose、TSekino、Y H Choa和K Niihara，Journal of the American Ceramic Society，85，[11]2678-88(2002)中描述了一种合适的材料。这是一种纳米合成材料，在该纳米合成材料中hBN的纳米尺寸颗粒均匀地弥散在氮化硅(Si3N4)的基体中。该材料具有良好的机械加工性能，使得它比实施例1中的PGS100材料更易于精确地制作出用于测杆尖端的球形球。细小的纳米结构也有助于此。
我们已发现，当使用氮化硼和氮化硅材料时希望选择一个氮化硼与氮化硅的合适的比率。发现含20％氮化硼的试样要比所希望材料的柔软，并且试样在进行如图2所示的试验时受到磨损。因此，我们优选地使用小于20％的比率的氮化硼，例如5％-15％的氮化硼。
实施例3
测杆尖端可以由用浸渍低摩擦材料的硬质多孔基体材料制成，以代替实施例1和2中的自润滑材料。多孔基体的材料可以是，例如碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)或者氧化锆(ZrO2)。在该多孔基体中所浸渍的低摩擦材料可以是聚四氟乙烯(PTFE)。
实施例4
在实施例1和2中提到的自润滑材料可以用类似石墨(也即，具有得自于类似晶体结构的润滑属性)的其它材料代替。
可以使用的其它自润滑材料包括硫化钼和金属锡。
可以使用的另一种材料是退火处理过以在表面上产生自修复固体润滑膜的碳化硼(B4C)。在论文“Self-Replenishing Solid Lubricant FilmsOn Boron Carbide”，A.Erdemir，O.K.Eryilmaz和G.R.Renske，SurfaceEngineering(表面工程)，vol.15，no.4，291-295中描述了这种材料。
实施例5
图3示出了连接到测杆主干12上的球形测杆尖端14。如图所示，主干12被粘结在测杆尖端14里钻出的孔中，但是这并不是实质特点，可以使用其它的传统连接方法，例如将球形尖端直接粘结到主干的端部，即在主干的端部处形成的杯状物。
图3所示的尖端14不同于上面讨论的那些尖端14的地方在于，它包括了球形基体30，在该基体30之上提供了自润滑或者低润滑材料的涂层32。
优选地，基体32是硬质陶瓷材料。可以选择高杨氏模量和低密度(如此使得产生的测杆尖端不会太重，如果太重就会影响它在扫描工件表面时的度量性能)的材料作为基体30。合适的材料是氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)和氮化硅(Si3N4)。红宝石除了难以涂层之外也可以使用。
涂层32可以是上面讨论的自润滑或者低摩擦材料中的任一种。
与传统材料相比，由例如上面举例的那些的自润滑材料或者低摩擦材料制成的测杆尖端具有更高的抗铝的粘损的性能。它们还是不易受到磨耗的硬质母体合成材料。通过自润滑或者低摩擦进一步提高了抗磨耗的性能。
此外，这些材料中的任一种材料在扫描期间所期望的较低摩擦也是有利的，这是因为在测杆尖端和工件之间的低摩擦可以提高扫描探头的度量性能。这产生的原因是它降低了由于在正垂直于表面的方向(由扫描软件包设定)和探头挠曲矢量(也即，在与工件表面的接触作用力的作用下探头测杆尖端的挠曲的实际方向)之间的偏差而引起的度量误差。探头挠曲矢量与正垂直方向之间的偏差可以等于摩擦角。
实施例已经示出了球形的测杆尖端。然而，本发明也同样能适用于具有其它形状例如圆锥形或者圆柱形的测杆尖端。

Claims (12)

1.一种用于工件接触探头的测杆尖端，其包括自润滑或者低摩擦材料。
2.根据权利要求1所述的测杆尖端，其中所述材料是合成材料，该合成材料包括结合在尺寸稳定的微观结构中的低摩擦材料或者固态润滑剂。
3.根据权利要求2所述的测杆尖端，其中所述固态润滑剂是石墨或者类似石墨的材料。
4.根据权利要求3所述的测杆尖端，其中所述固态润滑剂是六角形氮化硼。
5.根据权利要求4所述的测杆尖端，其中所述尺寸稳定的微观结构包括氮化硅。
6.根据权利要求5所述的测杆尖端，其中氮化硼与氮化硅的比率小于20％，优选地是5％-15％。
7.根据权利要求1或者2所述的测杆尖端，其包括浸渍在母体材料中的聚四氟乙烯。
8.根据权利要求1所述的测杆尖端，其包括退火处理过的碳化硼，用以在测杆尖端表面上产生固体润滑剂膜。
9.根据权利要求1或者权利要求8所述的测杆尖端，其中所述自润滑材料或者膜是自修复的。
10.根据前述权利要求中任一项所述的测杆尖端，其包括基体和在所述基体上的涂层，所述涂层包括所述自润滑或者低摩擦材料。
11.一种用于工件接触探头的测杆，其具有根据前述权利要求中任一项所述的测杆尖端。
12.一种工件接触探头，其具有根据权利要求11所述的测杆。
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