一种主动式螺纹及轮廓扫描装置及方法与流程

本发明涉及测量仪器，尤其涉及测量仪器中的一种主动式螺纹及轮廓扫描装置及方法。

背景技术：

在螺纹及轮廓测量过程中，用测针与被测表面接触扫描的方法来测量，测针与被测表面间的测力是影响螺纹及轮廓精度的重要因素。螺纹及轮廓扫描的过程中，测针作用在被测工件表面的测力需要保持恒定；在下坡处需要及时调整测针位置，保证测针没有脱离被测工件表面，在上坡且坡度很陡处需要及时调整测针的位置，保证测针不会被卡住。

现有测针与轮廓表面恒定力扫描方案中，多数为被动式扫描，即测针在垂直工件表面不主动调整位置，而是随着扫描工件的表面凹凸而被动调整。被动式扫描装置的施加力值都是理论上恒定的：如利用音圈电机或者其他能产生恒定力的机械装置产生恒定力值，利用杠杆施加在测针上。被动式扫描装置的特点是没有完整的反馈机构来调节扫描过程中的测力，测力并不是实时调整的。

被动式扫描在扫描表面凹凸不平的工件时候测力并不能保持真正恒定。在扫描粗糙表面的下坡处，在惯性的作用下测针会暂时脱离工件表面，直到在测力的作用下重新接触工件表面。在扫描粗糙表面的上坡处，在惯性的作用下测针保持在当前位置，直到水平方向的拉升给测针抬升力以继续爬坡，在这个过程中，被扫描工件表面的测力并不是恒定的。

现有被动式螺纹扫描装置主要存在以下几个缺点：

(1)测针容易磨损。

(2)扫描梯型螺纹及大坡度轮廓时候出现测力偏大，甚至测针被卡住现象。

(3)扫描梯型螺纹及大坡度轮廓时候会测针容易脱离表面，导致所测量的数据不能真实反映螺纹及大轮廓的外形。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种主动式螺纹及轮廓扫描装置及方法。

本发明提供了一种主动式螺纹及轮廓扫描装置，包括测针、测力反馈机构、水平设置的测杆、水平拉力检测机构和运动系统，所述测针设置在所述测力反馈机构上，所述测力反馈机构与所述水平拉力检测机构通过所述测杆连接，所述水平拉力检测机构与所述运动系统连接。

作为本发明的进一步改进，所述运动系统包括测杆垂直轴方向运动系统和水平方向运动系统，所述水平拉力检测机构与与所述测杆垂直轴方向运动系统，所述测杆垂直轴方向运动系统与所述水平方向运动系统连接。

作为本发明的进一步改进，所述测力反馈机构包括测杆垂直方向能摆动的弹性装置和用于监测所述弹性装置变形量的第一位移传感器，所述弹性装置连接于所述测针、测杆之间。

作为本发明的进一步改进，所述水平拉力检测机构包括水平方向弹性装置、能检测拉伸形变的第二位移传感器、以及限定水平方向弹性装置只在水平方向形变的导轨，所述水平方向弹性装置设置在所述导轨上，所述测杆与所述水平方向弹性装置连接。

作为本发明的进一步改进，所述运动系统包括测杆垂直轴方向运动系统和水平方向运动系统，所述测杆与所述测杆垂直轴方向运动系统连接，所述水平拉力检测机构与所述水平方向运动系统连接，所述测杆上设有支点，所述水平拉力检测机构通过所述支点与所测杆摆动连接。

作为本发明的进一步改进，所述测杆的一端与所述测力反馈机构连接，另一端与所述测杆垂直轴方向运动系统连接。

作为本发明的进一步改进，所述测力反馈机构包括弹性摆片和能检测所述弹性摆片形变量的第一位移传感器，所述弹性摆片连接于所述测针、测杆之间。

作为本发明的进一步改进，所述水平拉力检测机构包括水平方向弹性装置、能检测拉伸形变的第二位移传感器、以及限定水平方向弹性装置只在水平方向形变的导轨，所述水平方向弹性装置设置在所述导轨上，所述水平方向弹性装置通过所述支点与所测杆摆动连接。

本发明还提供了一种基于主动式螺纹及轮廓扫描装置的主动式螺纹及轮廓扫描方法，包括以下步骤：

s1、测针恒定测力跟随工件控制，采用测力反馈机构利用形变量反映测针与工件间测力的关系，根据测力反馈机构的反馈数据，控制垂直轴运动的速度和方向，实现恒定测力跟随工件；

s2、水平扫描速度限定，采用水平拉力检测机构利用形变量反映测针受水平方向上的拉力的关系，当测力反馈值小于一定值时，衰减或者停止水平方向的扫描速度，当水平拉力检测机构大于一定值时候衰减或者停止水平方向的扫描速度，同时垂直轴运动方向设定为测力减小方向。

作为本发明的进一步改进，在步骤s1中，

测针恒定测力跟随工件控制是根据测力反馈机构反馈值来控制与测杆垂直方向上的运动，测针在被测工件表面坡度为θ角扫描时受到垂直轮廓表面的测力n，该力分解为：拉力f、测针竖直作用力g，并有如下关系

g＝n·cosθ

f＝n·sinθ

测力反馈机构反馈的形变量l与测针所受力值g成正比，比例系数为k1，该比例系数通过标定得到，扫描过程中，设定恒定扫描测力为n0，则测力为n0时候测力反馈机构的反馈量为l0为：

l0＝k1·n0·cosθ

为测力反馈机构反馈值保持l0附近，设定每隔t周期，控制一次垂直于测杆方向的运动元件的运动方向和速度v；

测力反馈机构反馈值l大于l0时候，垂直于测杆方向的运动元件的运动方向为正，即测力减小方向，并设定该执行元件的运动速度大小为：

v＝k2·(l-l0)

式中k2为比例系数，经过调试得到；

测力反馈机构反馈值l小于l0时候，垂直于测杆方向的运动元件的运动方向为负，即测力增大方向，并设定执行元件的运动速度大小为：

v＝k3·(l0-l)

式中k3为比例系数，经过调试得到；

在步骤s2中，

设定测力反馈机构将要脱离工件表面的反馈值为l11，在最小扫描测力时候反馈值为l12，在最大扫描测力时候反馈值为l21，在测力过大时候反馈值为l22；并有：

0<l11<l12<l0<l21<l22

利用测力反馈机构的反馈值来限定水平轴的运动速度，当测力反馈值l在设定的范围l12<l<l21内时候，水平轴以计算的目标的扫描速度运行；当测力反馈力值小于l11或者大于l22时候，水平扫描停止；当测力反馈值在l21<l<l22和l11<l<l12范围内时候，以按比例衰减的目标速度运行。

本发明的有益效果是：通过实时调整测力大小，保证了测量过程中测力基本恒定，进而保证测量的数据更真实反映螺纹及轮廓表面；改善了扫描过程中爬坡、下坡出现的问题，如测针脱离工件表面，及测针被卡住、损坏等情况；提高了扫描速度。

附图说明

图1是测针在被测工件表面的受力示意图。

图2是本发明一种主动式螺纹及轮廓扫描装置的测力反馈值限定水平轴运动速度示意图。

图3是本发明一种主动式螺纹及轮廓扫描装置的水平拉力限定扫描速度示意图。

图4是本发明一种主动式螺纹及轮廓扫描装置的实施例一的示意图。

图5是本发明一种主动式螺纹及轮廓扫描装置的实施例二的示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。

一种主动式螺纹及轮廓扫描方法，包括测针恒定测力跟随工件控制方法和水平扫描速度限定方法。

所述测针恒定测力跟随工件控制方法，根据测力反馈机构的反馈数据，以较高的频率控制垂直轴运动的速度和方向，实现恒定测力跟随工件。

所述水平扫描速度限定方法，当测力反馈值小于一定值时候，衰减甚至停止水平方向的扫描速度，当水平拉力检测机构大于一定值时候衰减甚至停止水平方向的扫描速度，同时垂直轴运动方向设定向上，以保证测量数据的可靠性。

为了实施上面的方法，本发明提供一种具有反馈部分的主动式螺纹及轮廓扫描装置，该装置包含测力反馈机构、水平拉力检测机构、测杆垂直轴方向运动系统和水平方向运动系统。

所述测力反馈机构，测针端设计了一个测杆垂直方向能摆动的弹性装置，和一套用于监测弹性装置变形量的位移传感器；该机构的特点在于能利用形变量反映测针与工件间测力成特定的关系。

所述水平拉力检测机构，测杆水平方向安装了一套滑杆、弹性装置和位移传感器，测针水平方向上受的拉力会在弹性装置上发生形变，滑杆限定了弹性装置只在平行于测杆方向(水平方向)上形变，位移传感器能够监测弹性装置水平方向上的形变量。该机构的特点在于能利用形变量反映测针受水平方向上的拉力成特定的关系。

所述垂直于测杆方向运动系统包含：一个具有微米级运动精度的执行机构，用于执行测杆垂直轴方向的运动，以及一个检测运动量的位移传感器。

所述水平方向运动系统包含：一个运动执行机构，高精度导轨，以及能指示运动量的位移传感器。

本发明提供一种主动式螺纹及轮廓扫描方法，该方法包括两个主要内容。

(1)、测针恒定测力跟随工件控制方法：根据测力反馈机构的反馈数据，以较高的频率控制测杆垂直轴运动的速度和方向。

测针恒定测力跟随工件控制方法的基本内容是根据测力反馈机构反馈值来控制与测杆垂直方向上的运动。如图1所示，测针在被测工件表面坡度为θ角扫描时受到垂直轮廓表面的测力n，该力可以分解为：拉力f、测针竖直作用力g，并有如下关系：

g＝n·cosθ

f＝n·sinθ

测力反馈机构反馈的形变量l与测针所受力值g成正比，比例系数为k1，该系数通过标定得到。扫描过程中，设定恒定扫描测力为n0，则测力为n0时候测力反馈机构的反馈量为l0为：

l0＝k1·n0·cosθ

为测力反馈机构反馈值保持l0附近，设定每隔t周期(该周期很短)控制一次垂直于测杆方向的运动元件的运动方向和速度v。

测力反馈机构反馈值l大于l0时候，垂直于测杆方向的运动元件的运动方向为正(测力减小方向)，并设定该执行元件的运动速度大小为：

v＝k2·(l-l0)

式中k2为比例系数，经过调试得到。

测力反馈机构反馈值l小于l0时候，垂直于测杆方向的运动元件的运动方向为负(测力增大方向)，并设定执行元件的运动速度大小为：

v＝k3·(l0-l)

式中k3为比例系数，经过调试得到。

(2)、水平扫描速度限定方法：当测力反馈值不在设定范围内时候，衰减甚至停止水平方向的扫描速度；当水平拉力检测机构大于一定值时候衰减甚至停止水平方向的扫描速度，同时垂直轴运动方向为测力减小方向。

螺纹及轮廓扫描中水平运动关系到扫描速度、测针保护情况、数据真实性等。本发明利用测力反馈机构和水平拉力反馈机构来限定水平轴的运动情况。

设定测力反馈机构将要脱离工件表面的反馈值为l11，在最小扫描测力时候反馈值为l12，在最大扫描测力时候反馈值为l21，在测力过大时候反馈值为l22；并有：

0<l11<l12<l0<l21<l22

利用测力反馈机构的反馈值来限定水平轴的运动速度，能确保测量测力的恒定及结果的真实性。如图2所示，当测力反馈值l在设定的范围l12<l<l21内时候，水平轴以计算的目标的扫描速度运行；当测力反馈力值小于l11或者大于l22时候，水平扫描停止；当测力反馈值在l21<l<l22和l11<l<l12范围内时候，按比例衰减目标运行速度，以防止测力过小或者测力过大。

在扫描部分特殊工件(如工件表面局部90度上坡，cosθ＝0)时候，容易出现测针顶端没有接触到工件，垂直测针方向反馈值较小或者为0，而水平方向反馈输出值较大，如继续水平方向扫描，可能出现测针被卡住现象。

设定水平拉力反馈机构值为x，正常扫描时候水平拉力允许值为x0，判定测针被卡住时候水平拉力反馈值为x1，有：0<x0<x1。

如图3所示，当水平拉力反馈值大于x0时候，测杆垂直方向的运动执行元件的运动方向为正(脱离工件表面方向)，水平轴运动速度衰减为至很小运行速度；当拉力反馈值大于x1时候，测杆垂直方向的运动执行元件的运动方向为正(脱离工件表面方向)，停止水平轴运动，避免测针被损坏。

为实施本发明的方法，提供一种具有反馈部分的主动式螺纹及轮廓扫描装置，该装置包括：测力反馈机构、水平拉力检测机构、垂直测杆方向运动系统和水平方向运动系统，并提供了两种可能的具体实施机方法，但不限于这两种实施方法。

(1)、实施例一

如图4所示，在测力反馈机构1由弹性装置11和能检测弹性装置形变量的位移传感器12组成。正常扫描时候测针4以恒定测力n与螺纹7接触，弹性装置11会发生微小形变，在位移传感器12能检测到形变量l。测针在水平面时候，形变量l与测力n成正比，系数为k1，其中k1通过标定得到。

水平拉力检测机构有一水平方向弹性装置21，能检测拉伸形变的位移传感器23，以及限定弹性装置21只在水平方向形变的导轨22。测杆3和导轨22之间的摩擦力非常小，测针受水平方向的拉力f，基本能在弹性装置21反映出来，并产生微小拉伸形变，位移传感器23检测到形变量x。变量x与测针受水平方向的拉力f之间关系为：x＝kx·f，其中kx通过标定得到。

垂直测杆方向运动系统由运动执行元件51，导轨52，以及位移传感器53组成。导轨52为低摩擦力导轨，位移传感器53能垂直测杆方向的运动量。运动执行元件51的运动分辨率在微米级别，运动执行元件51的运动能使测力减小(方向为正)或者增大(方向为负)，对垂直测杆方向的控制能实现测针恒定测力接触工件表面。

水平方向运动系统由运动执行元件61，导轨62，和位移传感器63组成，水平方向的控制能实现对螺纹的扫描。

(2)、实施例二

图5为本发明的另外一种具体实施方法，该实施方案中测力反馈机构与方法一相同，测力反馈机构1由弹性装置11和能检测弹性装置形变量的位移传感器12组成。水平拉力检测机构也与方法一相同，有一水平方向弹性装置21，能检测拉伸形变的位移传感器23，以及限定弹性装置21只在水平方向形变的导轨22。水平方向运动系统与具体实施方法一相同，由运动执行元件61，导轨62，和位移传感器63组成。

与方案一不同的是，垂直于测杆方向上的运动通过摆动的方式来实现，在测杆3上安装一支点8，运动执行元件51能够使测杆在一定小角度内摆动。并通过位移传感器52来记录当前的位置。

本发明提供的一种主动式螺纹及轮廓扫描装置及方法,用于保证在扫描螺纹及轮廓时候，实时监测并调整测针与被测螺纹及轮廓表面之间的测力及测针所受拉力，以更真实的反应螺纹及轮廓的外形，和解决扫描过程中遇到粗糙工件、梯型螺纹、偏梯螺纹等大坡度表面测量不准、无法测量等问题。

本发明提供的一种主动式螺纹及轮廓扫描装置及方法具有以下特点：

(1)一种主动式螺纹及轮廓扫描方法，测针恒定力主动跟随法，根据测力反馈机构的反馈数据，以较高的频率控制垂直轴运动的速度和方向，实现恒定测力跟随工件。

(2)一种主动式螺纹及轮廓扫描方法，测力反馈限定水平扫描速度，当测力反馈值小于或者大于特定值时候，衰减甚至停止水平方向的扫描速度，以保证扫描数据的真实性。

(3)一种主动式螺纹及轮廓扫描方法，拉力反馈限定水平扫描速度，当水平拉力检测机构反馈值大于一定值时候衰减甚至停止水平方向的扫描速度，同时垂直轴运动方向设定向上，以保证扫描数据的真实性及保护测针不被卡住。

(4)该装置包括，测力反馈机构、水平拉力检测机构、测杆垂直轴方向运动系统和水平方向运动系统。

(5)所述测力反馈机构，测针端设计了一个测杆垂直方向能摆动的弹性装置，和一套用于监测弹性装置变形量的位移传感器；该机构的特点在于能利用形变量反映测针与工件间测力成特定的关系。

(6)所述垂直于测杆方向运动系统包含：一个具有微米级运动精度的执行机构，用于执行测杆垂直轴方向的运动，以及一个检测运动量的位移传感器。

本发明提供的一种主动式螺纹及轮廓扫描装置及方法具有以下优点：

(1)实时调整测力大小，测量的数据更真实反映螺纹及轮廓表面。

(2)改善了扫描过程中爬坡、下坡出现的问题，如测针脱离工件表面，及测针被卡住、损坏等情况。

(3)提高了扫描速度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。