CN205403689U - 微纳米三坐标测量机接触式扫描探头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微纳米三坐标测量机接触式扫描探头，其特征是在探头壳体中设置测头单元和测量单元；测头单元是以悬浮片(5a)在底座(6)的内腔中形成悬浮结构，在悬浮片的中心通孔中固定安装带有测球的探针，探针自底座的底部端口中探出，并且能够不受底座的底部端口的干扰而摆动；测量单元是设置在悬浮片的各悬臂上的电容传感器；本实用新型利用电容传感器的输出信号作为探头的检测信号，能够获得高精度、高灵敏度和小测力的探测效果，同时具有高稳定性和低成本的优势。

Description

微纳米三坐标测量机接触式扫描探头

技术领域

本实用新型涉及微纳米测试领域，更具体的说是一种应用在纳米三坐标测量机上的接触扫描式三维探头，用于感测物体表面的三维形貌。

背景技术

近年来，微电子技术的快速发展引发了一场微小型化的革命，尤其是微机电系统MEMS器件的加工技术的发展，出现了各种微纳米级的微小器件，如微齿轮、微型孔，微型喷嘴，微型台阶等MEMS产品。这些微器件的加工精度处于微纳米量级，要对这些微器件进行精密测量，就要发展特殊的高精度检测方法与技术手段。为此各国相关机构都致力于研究具有纳米级精度的三坐标测量机。

三坐标测量机在模具行业中的应用相当广泛，它是一种设计开发、检测、统计分析的现代化的智能工具，更是模具产品无与伦比的质量技术保障的有效工具。目前主要使用的三坐标测量机有桥式测量机、龙门式测量机、水平臂式测量机和便携式测量机。测量方式大致可分为接触式与非接触式两种。

三坐标测量机的探头部分是三坐标测量机的核心部件之一，探头的测量精度直接决定三坐标测量机的总体测量精度。探头有接触式和非接触式之分，接触式探头可以用来测量非接触式探头所不能测量的具有斜面、台阶、深孔、圆弧等特征的工件。

现有技术中的接触式探头主要有：原子力探头、电容式探头、光纤探头、DVD探头、微触觉探头、共焦式探头等。现有探头需要集成二至四个高精度传感器，存在着结构复杂、装调难度大、成本高的问题。比如荷兰Eindhoven大学开发的基于应变计的三维微接触式传感测头，是将应变计、电路以及弹性元件通过沉淀、制版、刻蚀等工艺后共同制作成整体结构，测头各个方向的力和位移的变化通过装在敏感粱上的应变计进行检测，其体积较小，但应变片的检测灵敏度和精度都比较低，并且其测头采用三角形拓扑结构，解耦复杂。瑞士联邦计量检定局METAS开发的电磁式微接触式测头，测头具有三个方向的自由度，每个方向的检测都采用电感来实现，三个方向的测力相同，结构主要由铝制成，电磁式测头的测量范围较大，横向检测灵敏度较高且接触力较小，但其结构相当复杂、装调困难，且采用三角形悬挂结构，解耦复杂。

实用新型内容

本实用新型是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种微纳米三坐标测量机接触式扫描探头，以期获得高精度、高灵敏度和小测力的探测效果，同时具有高稳定性、低成本的优势。

本实用新型为解决技术问题采用如下技术方案：

本实用新型微纳米三坐标测量机接触式扫描探头的结构特点：

由圆筒体和承接在圆筒体的底部的呈圆台体的底座构成探头壳体，在所述探头壳体中设置测头单元和测量单元；

所述测头单元是在底座的底座内腔中设置呈“十”字的悬浮片，在所述悬浮片的顶面、处相邻悬臂之间的夹角处分别连接有悬臂簧片，所述悬臂簧片的另一端连接在底座的顶部圆环形端面上，形成悬浮片在底座的内腔中的悬浮结构；在所述悬浮片的中心通孔中固定安装带有红宝石测球的探针，所述探针自底座的底部端口中探出，并且能够不受底座的底部端口的干扰而摆动；

所述测量单元是设置在所述悬浮片的各悬臂上的电容传感器；令：所述悬浮片中呈“十”字的各悬臂在沿顺时针方向依次为第一悬臂、第二悬臂、第三悬臂和第四悬臂，则：处在所述第一悬臂和第二悬臂上的电容传感器是在悬臂远端的上表面；处在第三悬臂和第四悬臂上的电容传感器是在悬臂远端的下表面。

本实用新型微纳米三坐标测量机接触式扫描探头的结构特点也在于：在所述圆筒体的内腔中以隔板相间形成上腔和下腔，用于传输所述电容传感器的输出信号的电路板置于上腔中，并利用立柱固定设置在隔板上；在所述隔板的中央设置有穿线通孔，连接在电路板和电容传感器之间的连接线在所述穿线通孔中贯穿；所述下腔与所述底座内腔)相连通。

本实用新型微纳米三坐标测量机接触式扫描探头的结构特点也在于：针对设置在第一悬臂、第二悬臂、第三悬臂和第四悬臂上的各电容传感器的输出信号设置差动电容式传感器。

本实用新型微纳米三坐标测量机接触式扫描探头的结构特点也在于：在所述底座的外侧壁上，对应于各悬臂簧片的连接位置设置平面铣槽，并在所述平面铣槽中设置通孔，利用通孔和螺钉在底座、悬臂簧片以及圆筒体之间进行固定连接。

与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在：

1、本实用新型采用电容传感器进行感测，较之应变式、压阻式和电感式传感器可以获得更高的灵敏度和精度，动态响应快。

2、本实用新型中四个电容传感器可同时感测到测球在水平和竖直方向上的位移，具有结构简单、成本较低和时间稳定性好等显著特点。

3、本实用新型的电容传感器采用两边上下对称的布置方法，构成差动电容式传感器可以克服因悬浮片倾斜而导致的电容传感器非线性。

4、本实用新型采用差动电容式感测方法，可有效提高感测的灵敏度和精度。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型结构剖视示意图；

图3为本实用新型总体结构分解示意图；

图4为本实用新型中底座与悬浮片配合结构示意图；

图5为本实用新型中底座下端面示意图；

图6为本实用新型中探测单元结构示意图；

图7、图8和图9为本实用新型探测原理示意图；

图中标号：1圆筒体；1a上腔；1b穿线通孔；1c下腔；2顶盖；3电路板；4立柱；5a悬浮片；5b悬臂簧片；5c电容传感器；5d探针；5e测球；6底座；6a通孔；6b底座内腔；6c平面铣槽。

具体实施方式

本实施例中微纳米三坐标测量机接触式扫描探头的结构形式是：

如图1、图2和图3所示，由圆筒体1和承接在圆筒体1的底部的呈圆台体的底座6构成探头壳体，在探头壳体中设置测头单元和测量单元。

如图4、图5和图6所示，测头单元是在底座6的底座内腔6b中设置呈“十”字的悬浮片5a，在悬浮片5a的顶面、处相邻悬臂之间的夹角处分别连接有悬臂簧片5b，悬臂簧片5b的另一端连接在底座6的顶部圆环形端面上，形成悬浮片5a在底座6的内腔中的悬浮结构；在悬浮片5a的中心通孔中固定安装带有红宝石测球5e的探针5d，探针5d自底座6的底部端口中探出，并且能够不受底座6的底部端口的干扰而摆动。

如图4和图6所示，测量单元是设置在悬浮片5a的各悬臂上的电容传感器5c；令：悬浮片5a中呈“十”字的各悬臂在沿顺时针方向依次为第一悬臂、第二悬臂、第三悬臂和第四悬臂，则：处在第一悬臂和第二悬臂上的电容传感器是在悬臂远端的上表面；处在第三悬臂和第四悬臂上的电容传感器是在悬臂远端的下表面，因电容传感器5c包括两个相对的电容极板，具体实施中，其中一个极板是粘贴在悬浮片5a上作为动极板，另一个极板是固定设置在对应位置的探头壳体内作为静止极板，形成由对极板构成的电容传感器5c。

测量单元是设置在悬浮片5a的各悬臂上的电容传感器5c；令：悬浮片5a的中呈“十”字的各悬臂在沿顺时针方向依次为第一悬臂、第二悬臂、第三悬臂和第四悬臂，则：处在第一悬臂和第二悬臂上的电容传感器5c是在悬臂的上表面的上方；处在第三悬臂和第四悬臂上的电容传感器5c是在悬臂的下表面的下方，以电容传感器5c构成电容传感器的输出信号作为探头的检测信号。

具体实施中，如图1和图2所示，在圆筒体1的内腔中以隔板相间形成上腔1a和下腔1c，用于传输电容传感器5c的输出信号的电路板3置于上腔1a中，并利用立柱4固定设置在隔板上；在隔板的中央设置有穿线通孔1b，连接在电路板3和电容传感器5c之间的连接线在穿线通孔1b中贯穿；下腔1c与底座内腔6b相连通。

如图4所示，为了便于装配，在底座6的外侧壁上，对应于各悬臂簧片5b的连接位置设置平面铣槽6c，并在平面铣槽6c中设置通孔，利用通孔和螺钉在底座6、悬臂簧片5b以及圆筒体1之间进行固定连接。

本实施例中针对设置在第一悬臂、第二悬臂、第三悬臂和第四悬臂上的各电容传感器5c的输出信号设置差动电容式传感器，可以有效提高灵敏度。

当探针5e在竖直方向受到触碰，位于悬浮片5a的悬臂上方的两只电容传感器间距变小，位于悬浮片5a的悬臂的下方的两只电容传感器间距变大，通过四只电容传感器的电容量的变化大小可以测得悬浮片的位移量；当探针5e在水平方向受到触碰，四只电容传感器的间距会同时变大或变小，间距的变化使电容传感器的电容大小发生变化，从而感测沿X轴和Y轴旋转的两个小角度。

接触式探头在感测物体表面三维形貌的同时，要保证不能破坏物体表面，因此需要高灵敏度的力学机构。本实施例中作为弹性元件的悬臂簧片5b可以采用铍青铜簧片，当探针5d的前端红宝石测球5e因接触物体而受力时，铍青铜弹性簧片会发生变形，导致悬浮片5a和悬臂上的电容传感器5c发生位移和二维角度的变化，实现电容式传感器的检测。

本实施例中的测量单元的工作原理如图7、图8和图9所示：

在悬浮片5a的上方及下方共有四个电容传感器，悬浮片5a的偏角和沿竖直方向位移的变化对应四个电容传感器的电容变化量，进而导致电路板输出的电流信号大小的变化，通过电荷/电压转换电路将四个电容传感器输出的电荷信号转换为电压信号，分别记为V_5c1、V_5c2、V_5c3和V_5c4，通过电压信号V_5c1、V_5c2、V_5c3和V_5c4计算获得各电容传感器中动极板的位移量，分别计为：

|ΔS_5c1|，|ΔS_5c2|，|ΔS_5c3|，|ΔS_5c4|，

则：测球在X轴向、Y轴向和Z轴向的位移ΔX、ΔY和ΔZ分别为：

$\mathrm{\Δ}X=K_1\·arcsin\left(\frac{\left|{\mathrm{\ΔS}}_{5c1}\right|+\left|{\mathrm{\ΔS}}_{5c3}\right|}{L}\right)---\left(1\right)$

$\mathrm{\Δ}Y=K_2\·arcsin\left(\frac{\left|{\mathrm{\ΔS}}_{5c2}\right|+\left|{\mathrm{\ΔS}}_{5c4}\right|}{L}\right)---\left(2\right)$

$\mathrm{\Δ}Z=\frac{\left|{\mathrm{\ΔS}}_{5c1}\right|+\left|{\mathrm{\ΔS}}_{5c2}\right|+\left|{\mathrm{\ΔS}}_{5c3}\right|+\left|{\mathrm{\ΔS}}_{5c4}\right|}{4}---\left(3\right)$

其中：电压信号V_5c1、V_5c2、V_5c3和V_5c4依次为第一悬臂、第二悬臂、第三悬臂和第四悬臂上电容传感器所对应的输出信号；ΔX、ΔY和ΔZ分别为X轴向、Y轴向和Z轴向的位移量；L为悬浮片5a上处在相对的两个悬浮片悬臂上的电容传感器的中心距，式(1)中的L为第一悬臂上的电容传感器与第三悬臂上的电容传感器之间的中心距，式(2)中的L为第二悬臂上的电容传感器与第四悬臂上的电容传感器之间的中心距；K₁和K₂为比例系数，比例系数K₁和K₂通过标定获得。

Claims (4)

1.一种微纳米三坐标测量机接触式扫描探头，其特征是：

由圆筒体(1)和承接在圆筒体(1)的底部的呈圆台体的底座(6)构成探头壳体，在所述探头壳体中设置测头单元和测量单元；

所述测头单元是在底座(6)的底座内腔(6b)中设置呈“十”字的悬浮片(5a)，在所述悬浮片(5a)的顶面、处相邻悬臂之间的夹角处分别连接有悬臂簧片(5b)，所述悬臂簧片(5b)的另一端连接在底座(6)的顶部圆环形端面上，形成悬浮片(5a)在底座(6)的内腔中的悬浮结构；在所述悬浮片(5a)的中心通孔中固定安装带有红宝石测球(5e)的探针(5d)，所述探针(5d)自底座(6)的底部端口中探出，并且能够不受底座(6)的底部端口的干扰而摆动；

所述测量单元是设置在所述悬浮片(5a)的各悬臂上的电容传感器；所述悬浮片(5a)中呈“十”字的各悬臂在沿顺时针方向依次为第一悬臂、第二悬臂、第三悬臂和第四悬臂，处在所述第一悬臂和第二悬臂上的电容传感器是在悬臂远端的上表面；处在第三悬臂和第四悬臂上的电容传感器是在悬臂远端的下表面。

2.根据权利要求1所述的微纳米三坐标测量机接触式扫描探头，其特征是：在所述圆筒体(1)的内腔中以隔板相间形成上腔(1a)和下腔(1c)，用于传输所述电容传感器(5c)的输出信号的电路板(3)置于上腔(1a)中，并利用立柱(4)固定设置在隔板上；在所述隔板的中央设置有穿线通孔(1b)，连接在电路板(3)和电容传感器(5c)之间的连接线在所述穿线通孔(1b)中贯穿；所述下腔(1c)与所述底座内腔(6b)相连通。

3.根据权利要求1所述的微纳米三坐标测量机接触式扫描探头，其特征是：针对设置在第一悬臂、第二悬臂、第三悬臂和第四悬臂上的各电容传感器(5c)的输出信号设置差动电容式传感器。

4.根据权利要求1所述的微纳米三坐标测量机接触式扫描探头，其特征是：在所述底座(6)的外侧壁上，对应于各悬臂簧片(5b)的连接位置设置平面铣槽(6c)，并在所述平面铣槽(6c)中设置通孔，利用通孔和螺钉在底座(6)、悬臂簧片(5b)以及圆筒体(1)之间进行固定连接。