CN211696278U - 一种表面微观形貌测量传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种表面微观形貌测量传感器，用于测量待测工件表面的形貌，包括：触针，用于测量微观形貌；触针轴，一端与所述触针连接，用于在所述触针测量微观形貌时跟随所述触针进行上下移动；磁恒力模块，与所述触针轴的另一端连接，用于调节所述触针与待测工件之间的测量力；触针轴气浮模块，环绕在所述触针轴外围，用于使所述触针轴悬浮；位移测量模块，设置在所述触针轴的正上方，用于测量所述触针轴在垂直方向上的位移。本实用新型通过触针轴气浮模块在触针轴外表面形成气隙，保证触针轴悬浮且摩擦最小，提高了触针测量的精度。通过磁恒力模块可调整触针与待测工件之间的测量力，以使触针将工件表面形貌更真实的传递给传感器。

Description

一种表面微观形貌测量传感器

技术领域

本实用新型涉及表面微观形貌测量领域，特别是涉及一种表面微观形貌测量传感器。

背景技术

一直以来，表面微观形貌都是精密工程领域所关注的热点。其中，表面粗糙度是一项用以描述零件微观几何形状误差的技术指标，也是一种评定机械加工工艺的重要方法。在精密机械、仪器仪表、超精密加工等制造领域中，表面粗糙度都是一个被重视的参数，其测量理论研究与测量仪器研发一直是人们所关心的重点。

粗糙度测量仪根据测量原理可分为触针式与非触针式。传统的触针式粗糙度测量仪测量原理是通过触针与待测工件表面相对运动后，使触针在垂直方向上随着被测工件表面起伏，再利用传感器测量这种微小起伏，经过信号处理最终得到被测工件的表面信息。

而触针式粗糙度仪根据测量结构又包括杠杆式与垂直式，其中杠杆触针式粗糙度测量仪由于其测量结构特性，导致其测量表面高度起伏变化时存在着不可避免的余弦误差，最终影响粗糙度测量仪的整体精度，虽然这种系统误差是可以通过角度传感器等一些手段补偿，但在纳米测量领域，这仍是不可避免的误差，且会在对仪器不确定度整体评估时，引入更多的不确定度。因此，相较于杠杆结构，垂直测量表面微观起伏的方法，在原理上具有更小的系统误差，并且满足阿贝原则。而组成粗糙度测量仪的关键就是其传感器系统。因此，有必要发明一种新型的表面微观形貌测量传感器。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种表面微观形貌测量传感器，用于提高测量精度。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种表面微观形貌测量传感器，用于测量待测工件表面的形貌，包括：

触针，用于测量微观形貌；

触针轴，一端与所述触针连接，用于在所述触针测量微观形貌时跟随所述触针进行上下移动；

磁恒力模块，与所述触针轴的另一端连接，用于调节所述触针与待测工件之间的测量力；

触针轴气浮模块，环绕在所述触针轴的外围，用于使所述触针轴悬浮；

位移测量模块，设置在所述触针轴的正上方，用于测量所述触针轴在垂直方向上的位移。

可选的，所述表面微观形貌测量传感器还包括固定板，所述固定板分别与所述触针轴、所述磁恒力模块以及所述位移测量模块连接，所述固定板用于固定所述触针轴、所述磁恒力模块以及所述位移测量模块。

可选的，所述磁恒力模块包括控力连杆、环形永磁体、环形线圈以及线圈保持架；

所述控力连杆包括第一控力连杆与第二控力连杆，所述第一控力连杆一端与所述触针轴的另一端连接，所述第一控力连杆与所述触针轴垂直设置；所述第一控力连杆的另一端与所述第二控力连杆的一端连接，所述第二控力连杆与所述第一控力连杆垂直设置，且所述第二控力连杆与所述触针轴位于所述第一控力连杆的同一侧；

所述环形永磁体套设在所述第二控力连杆上；

所述线圈保持架包括上线圈保持架和下线圈保持架，所述上线圈保持架和所述下线圈保持架均固定在所述固定板上；

所述环形线圈包括上环形线圈和下环形线圈，所述上环形线圈套设在所述上线圈保持架上，所述下环形线圈套设在所述下线圈保持架上；

所述环形永磁体位于所述上环形线圈与所述下环形线圈之间，所述环形永磁体与所述上环形线圈与所述下环形线圈平行且共轴。

可选的，所述触针轴包括触针固定部件和活塞杆；

所述触针一端位于所述触针固定部件内部，所述活塞杆一端与所述磁恒力模块连接，所述活塞杆的另一端与所述触针固定部件连接；所述触针固定部件、所述活塞杆以及所述触针均共轴。

可选的，所述触针轴气浮模块包括空气轴承和导向块，所述空气轴承套设在所述活塞杆的外部；

所述触针轴还包括与所述导向块个数匹配的导向半球；各所述导向半球均与所述活塞杆连接，且各所述导向半球在一个平面内围绕所述活塞杆均匀布置。

针对每个所述导向块，均有一个所述导向半球与所述导向块接触，所述导向块与所述导向半球共同保持所述活塞杆始终处于垂直状态。

可选的，所述触针位于所述触针固定部件的内部的部分设置有反射部件。

可选的，所述反射部件包括套设在所述触针上的筒状柱以及反射层，所述反射层设置在所述筒状柱表面。

可选的，所述筒状柱的材料为微晶玻璃。

可选的，所述反射层的材料为银。

可选的，所述固定板包括固定板安装孔以及透镜安装槽。

本实用新型通过触针轴气浮模块在触针轴外表面形成气隙，保证触针轴悬浮且摩擦最小，提高了触针测量的精度。通过磁恒力模块可调整触针与待测工件之间的测量力，以使触针将工件表面形貌更真实的传递给传感器。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型表面微观形貌测量传感器的装置结构图；

图2为触针轴气浮模块结构示意图；

图3为触针轴结构示意图；

图4为固定板结构示意图。

符号说明：

触针轴—1；触针固定部件—11；活塞杆—12；导向半球—13；触针轴气浮模块—2；空气轴承—21；导向块—22；磁恒力模块—3；控力连杆—31；环形永磁体—32；上环形线圈—331；下环形线圈—332；线圈保持架—34；位移测量模块—4；反射部件—41；固定板—5；透镜安装槽—51；固定板安装孔—52；触针—6。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种表面微观形貌测量传感器，用于提高测量精度。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为本实用新型表面微观形貌测量传感器装置结构图；图2为触针轴气浮模块结构示意图；图3为触针轴结构示意图；图4为固定板结构示意图，如图1-图4所示，本实用新型表面微观形貌测量传感器包括触针6、触针轴1、磁恒力模块3、触针轴气浮模块2、以及位移测量模块4。

所述触针6用于测量待测工件表面的微观形貌。

所述触针轴1一端与所述触针6连接，所述触针轴1用于在所述触针6测量待测工件表面的微观形貌时跟随所述触针6进行上下移动。

所述触针轴1具体包括触针固定部件11和活塞杆12。

所述触针6一端位于所述触针固定部件11内部。所述触针6位于所述触针固定部件11内部的部分设置有反射部件41。

所述反射部件41包括套设在所述触针6上的筒状柱以及反射层。所述反射层设置在所述筒状柱表面。

所述筒状柱的材料优选为微晶玻璃，但不限于微晶玻璃。本领域的技术人员可根据实际需要选择不同材料。

所述反射层的材料优选为银，但也不限于银。

所述反射部件41用于反射所述位移测量模块4的激光实现位移测量。

所述活塞杆12一端与所述磁恒力模块3连接，所述活塞杆12的另一端与所述触针固定部件11连接。

所述触针固定部件11、所述活塞杆12以及所述触针6均共轴。

为保证所述触针轴1在测量过程中始终保持垂直状态，所述触针轴1还包括导向半球13。

各所述导向半球13分别与所述活塞杆12连接，且各所述导向半球13在一个平面内围绕所述活塞杆12均匀布置。

在本实施例中，所述导向半球13为半球形。

所述磁恒力模块3与所述触针轴1的另一端连连接，所述磁恒力模块3用于调节所述触针6与待测工件之间的测量力。

其中，所述磁恒力模块3进一步包括控力连杆31、环形永磁体32、环形线圈以及线圈保持架34。

所述控力连杆31包括第一控力连杆与第二控力连杆，所述第一控力连杆与所述触针轴1的另一端连接，所述第一控力连杆与所述触针轴1垂直设置。所述第一控力连杆的另一端与所述第二控力连杆的一端连接，所述第二控力连杆与所述第一控力连杆垂直设置，且所述第二控力连杆与所述触针轴1位于所述第一控力连杆的同一侧；

所述环形永磁体32套设在所述第二控力连杆上；

所述线圈保持架34包括上线圈保持架和下线圈保持架，所述上线圈保持架和所述下线圈保持架均固定在所述固定板5上；

所述环形线圈包括上环形线圈331和下环形线圈332，所述上环形线圈331套设在所述上线圈保持架上，所述下环形线圈332套设在所述下线圈保持架上；

所述环形永磁体32位于所述上环形线圈331与所述下环形线圈332之间，所述环形永磁体32与所述上环形线圈331与所述下环形线圈332平行且共轴。

当上下悬浮线圈通过大小相同、方向相反的电流时，会在线圈轴线中心附近产生恒定磁场，环形永磁体32在电磁场的作用下克服重力以使触针6与待测工件表面间保持0.75mN-1mN间的恒定测量力，并可根据待测工件表面材质的软硬程度，通过改变线圈电流大小，调整测量力大小。

所述触针轴气浮模块2环绕在所述触针轴1外围，所述触针轴气浮模块2用于使所述触针轴1悬浮。

所述触针轴气浮模块2具体包括空气轴承21和导向块22；所述空气轴承21套设在所述活塞杆12的外部。

触针轴1作为空气轴承21的活塞杆12在空气轴承21中做起伏运动，由于空气轴承21会在内壁面与触针轴1间形成一层气膜，大幅度减小了摩擦对动态响应的影响，而气膜足够的刚度可保持其垂直方向上运动。

针对每个所述导向块，均有一个所述导向半球13与所述导向块接触，所述导向块与所述导向半球13共同保持所述活塞杆始终处于垂直状态。

在本实施例中，所述导向块与所述导向半球13的个数均为三个。

三个导向块22与触针轴1上的三个导向半球13组为垂直导向基准，导向半球13分别与导向块22相切。

当触针6工作时，导向半球13与导向块22点接触摩擦，且导向块22与导向半球13均由低摩擦自滑材质制成。导向块22作为垂直导向的同时，还约束住了触针轴1六个自由度中的五个，另其无法旋转与倾斜从而避免了所带来的系统误差。

所述位移测量模块4设置在所述触针轴1的正上方，所述位移测量模块4用于测量所述触针轴1在垂直方向上的位移。

所述位移测量模块4还包括反射部件41与激光干涉仪。

激光干涉仪搭建在触针轴1的上方，且激光干涉仪光路中心与触针轴1的轴心重合。

为便于安装，本实用新型表面微观形貌测量传感器还包括固定板5。

所述固定板5分别与所述触针轴1、所述磁恒力模块3以及所述位移测量模块4连接。所述固定板5用于固定所述触针轴1、所述磁恒力模块3以及所述位移测量模块4。

所述固定板5上设有固定板安装孔52以及透镜安装槽51，所述透镜安装槽51用于安装透镜。

本实用新型表面微观形貌测量传感器进一步提供了如下技术效果：

1、本实用新型采用了空气轴承与V型块的垂直导向基准，在保证触针轴悬浮且摩擦最小的同时，还避免了触针轴在工作过程中的旋转与倾斜等问题，以使触针将工件表面形貌更真实的传递给传感器。

2、本实用新型采用磁恒力控制模块，通过改变上下线圈中的电流大小，来克服触针轴本身自重，来保证触针与待测工件间的测量力保持在0.75mN-1mN之间，并可改变线圈中电流大小，来适应各种不同表面材质的工件，且磁恒力控制模块通过连杆引出计量循环，达到引出热源，减小热膨胀误差的目的。

3、本实用新型采用激光干涉法测量触针的微小位移变化，具有高精度、高分辨率、低不确定度等特点，并且实现了对米定义的溯源，使粗糙度值可直接计量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种表面微观形貌测量传感器，用于测量待测工件表面的形貌，其特征在于，所述表面微观形貌测量传感器包括：

触针，用于测量微观形貌；

触针轴，一端与所述触针连接，用于在所述触针测量微观形貌时跟随所述触针进行上下移动；

磁恒力模块，与所述触针轴的另一端连接，用于调节所述触针与待测工件之间的测量力；

触针轴气浮模块，环绕在所述触针轴的外围，用于使所述触针轴悬浮；

位移测量模块，设置在所述触针轴的正上方，用于测量所述触针轴在垂直方向上的位移。

2.根据权利要求1所述的表面微观形貌测量传感器，其特征在于，所述表面微观形貌测量传感器还包括固定板，所述固定板分别与所述触针轴、所述磁恒力模块以及所述位移测量模块连接，所述固定板用于固定所述触针轴、所述磁恒力模块以及所述位移测量模块。

3.根据权利要求2所述的表面微观形貌测量传感器，其特征在于，所述磁恒力模块包括控力连杆、环形永磁体、环形线圈以及线圈保持架；

所述控力连杆包括第一控力连杆与第二控力连杆，所述第一控力连杆一端与所述触针轴的另一端连接，所述第一控力连杆与所述触针轴垂直设置；所述第一控力连杆的另一端与所述第二控力连杆的一端连接，所述第二控力连杆与所述第一控力连杆垂直设置，且所述第二控力连杆与所述触针轴位于所述第一控力连杆的同一侧；

所述环形永磁体套设在所述第二控力连杆上；

所述线圈保持架包括上线圈保持架和下线圈保持架，所述上线圈保持架和所述下线圈保持架均固定在所述固定板上；

所述环形线圈包括上环形线圈和下环形线圈，所述上环形线圈套设在所述上线圈保持架上，所述下环形线圈套设在所述下线圈保持架上；

所述环形永磁体位于所述上环形线圈与所述下环形线圈之间，所述环形永磁体与所述上环形线圈与所述下环形线圈平行且共轴。

4.根据权利要求1所述的表面微观形貌测量传感器，其特征在于，所述触针轴包括触针固定部件和活塞杆；

所述触针一端位于所述触针固定部件内部，所述活塞杆一端与所述磁恒力模块连接，所述活塞杆的另一端与所述触针固定部件连接；所述触针固定部件、所述活塞杆以及所述触针均共轴。

5.根据权利要求4所述的表面微观形貌测量传感器，其特征在于，所述触针轴气浮模块包括空气轴承和导向块，所述空气轴承套设在所述活塞杆的外部；

所述触针轴还包括与所述导向块个数匹配的导向半球；各所述导向半球均与所述活塞杆连接，且各所述导向半球在一个平面内围绕所述活塞杆均匀布置；

针对每个所述导向块，均有一个所述导向半球与所述导向块接触，所述导向块与所述导向半球共同保持所述活塞杆始终处于垂直状态。

6.根据权利要求4所述的表面微观形貌测量传感器，其特征在于，所述触针位于所述触针固定部件的内部的部分设置有反射部件。

7.根据权利要求6所述的表面微观形貌测量传感器，其特征在于，所述反射部件包括套设在所述触针上的筒状柱以及反射层，所述反射层设置在所述筒状柱表面。

8.根据权利要求7所述的表面微观形貌测量传感器，其特征在于，所述筒状柱的材料为微晶玻璃。

9.根据权利要求7所述的表面微观形貌测量传感器，其特征在于，所述反射层的材料为银。

10.根据权利要求2所述的表面微观形貌测量传感器，其特征在于，所述固定板包括固定板安装孔以及透镜安装槽。

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