基于弹性元件限位方法调节动态特性的探针接触式测头的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及工件表面形貌测量和质量检测技术领域，特别涉及一种基于弹性元件限位方法调节动态特性的探针接触式测头。
【背景技术】
[0002]探针接触式测头是精密形貌测量仪器的核心器件，广泛地用于工业在线和离线零件的表面形貌测量检测和表征。
[0003]在探针接触式测头中，测头的动态特性是影响测量精度的重要因素。探针接触式测头利用探针尖端接触并划过被测样品表面，并利用位移敏感元件检测探针的位移，从而表征被测样品的表面形貌。然而，测量过程中由于受到探针接触式测头动态特性的影响，探针并不能持续地与被测样品表面保持接触。这一现象导致测量结果出现形貌失真与测量精度降低等。
[0004]提高探针接触式测头动态特性的方式有多种，包括:提高探针系统的弹性模量，减小探针系统的等效质量与调节探针系统的阻尼系数等。提高探针系统的弹性模量会导致测量力的增大，增加了被测样品表面和探针系统损毁的可能性；由于受到探针系统部件几何关系与机械特性的约束，探针系统的等效质量很难有效的减小；调节探针系统的阻尼系数会导致技术成本和经济成本的提高。
【发明内容】
[0005]为了提高探针接触式测头的动态特性并保持较小的测量力，实现工件表面形貌的精密测量，我们发明了基于弹性元件限位方法调节动态特性的探针接触式测头。
[0006]本发明涉及基于弹性元件限位方法调节动态特性的探针接触式测头，主要包括:测头模块、测头支撑模块、位移检测模块、测量力产生模块、轴承控制模块、位移信号采集模块、信号分析处理模块等。所述的测头模块包括用于接触样品表面并感知其表面形貌变化的探针(1)、探杆(2)和弹性元件限位机构(3)，所述的探针(1)固定连接在探杆(2)的左侧端面上，所述的探杆(2)设置在测头支承模块内，所述的弹性元件限位机构(3)包括L形固定板(3-1)、限位螺钉(3-2)、和紧固螺钉(3-3)，固定在探杆(2)的侧面且靠近左端面的位置。
[0007]所述的测头支撑模块包括传感器基座(4)和磁悬浮轴承(5)，所述的传感器基座
(4)固定在测量工作台(8)上，所述的磁悬浮轴承(5)固定安装在传感器基座(4)上，通过与探杆(2)的磁力作用，提供测头模块所需的径向支承力，并通过轴承控制模块(10)与信号分析处理模块(12)连接。
[0008]所述的位移检测模块为一种精密光栅，包括标尺光栅(6-1)和读数头(6-2)，所述的标尺光栅嵌套在探杆(2)上，可随着探杆(2)移动;所述的读数头(6-2)与标尺光栅(6-1)对应，固定安装在传感器基座(4)上，并通过位移信号采集模块(11)与信号分析处理模块
(12)连接，用来读取探杆的位移信息。
[0009]所述的测量力产生模块为一种弹性元件(7)，所述的弹性元件(7)为弹簧或弹簧片，弹性元件(7)的一端固定连接在传感器基座(4)的右侧内壁上，另一端固定连接在所述的探杆(2)的右侧端面上。测量开始前，通过限位机构(3)调节弹性元件(7)处于预紧状态，测量开始后被测工件(9)通过与探针(2)的接触进一步压缩弹性元件(7)使探针(1)与被测工件(9)之间产生水平方向的测量力，从而保证了探针(1)与被测工件(9)之间的良好接触，有利于探针(1)跟随被测工件(9)表面的形貌变化而移动。
[0010]如上所述的基于弹性元件限位方法调节动态特性的探针接触式测头，更近一步说明为:所述的测头模块由探针(1)、探杆(2)和弹性元件限位机构(3)组成。所述的探针(1)与探杆(2)同轴连接，所述的弹性元件限位机构(3)如图2所示包括L形固定板(3-1)、限位螺钉(3-2)、和紧固螺钉(3-3)，所述的L形固定板(3-1)的底板和侧板分别设有螺纹孔，所述的紧固螺钉(3-3)旋入所述的底板上的螺纹孔，并将L形固定板(3-1)与探杆(2)进行紧固，所述的限位螺钉(3-2)旋入所述的侧板上的螺纹孔，且限位螺钉(3-2)的顶端与所述的传感器基座(4)的左侧内壁接触。
[0011 ]如上所述的基于弹性元件限位方法调节动态特性的探针接触式测头，更近一步说明为:所述的探杆(2)为磁性材质，探杆(2)的中轴线与磁悬浮轴承(5)的中轴线重合，可沿X轴方向左右移动。
[0012]如上所述的基于弹性元件限位方法调节动态特性的探针接触式测头，更近一步说明为:所述的磁悬浮轴承(5)与探杆(2)之间存在稳定的径向作用力，为所述的测头模块提供可靠的径向支承。所述的径向作用力的大小根据实际需要，由所述的信号分析处理模块
[12]通过轴承控制模块(10)调节，可减小测头模块的径向扰动引起的测量误差。
[0013]如上所述的基于弹性元件限位方法调节动态特性的探针接触式测头，更近一步说明为:所述的弹性元件限位机构(3)与弹性元件(7)的配合使用，通过调节弹性元件(7)的初始形变量实现探针系统的动态特性与测量力的协调与优化。其原理是:所述的限位螺钉(3-2)旋入所述的L形固定板(3-1)的侧板上的螺纹孔中，其顶端与所述的传感器基座(4)的左侧内壁接触，通过调节限位螺钉(3-1)在螺纹孔中的旋进深度可以使测头模块左右移动，改变弹性元件(7)的预紧力与初始形变量，从而改变探针系统的动态特性。
本发明的有益效果
[0014]所发明的探针接触式测头使用了非接触式电磁轴承与弹性元件限位调节的设计，可以增强探针与被测面的跟随特性，提升测头的动态特性与控制测量力，并且能够针对不同材料与不同面型特征的工件进行探针系统动态的调节与测量力的控制，在提高测量精度的同时也扩大了探针接触式测头的使用范围。
【附图说明】
[0015]图1是本发明基于弹性元件限位方法调节动态特性的探针接触式测头整体结构示意图。
[0016]图2是本发明基于弹性元件限位方法调节动态特性的探针接触式测头限位机构示意图。
【具体实施方式】
[0017]本发明涉及基于弹性元件限位方法调节动态特性的探针接触式测头，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。