專(zhuān)利名稱(chēng)：一種觸針式輪廓儀傳感器靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性的檢定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測(cè)量裝置檢定技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種觸針式輪廓儀傳感器靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性的檢定裝置。
背景技術(shù)：
目前，高端表面形貌的檢測(cè)需要達(dá)到幾個(gè)mm范圍、納米級(jí)分辨率的水平。觸針式傳感器處于觸針式輪廓儀的輸入端，是整個(gè)輪廓儀系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，其性能直接影響儀器系統(tǒng)精度特性。為了適應(yīng)高端表面形貌的檢測(cè)要求，觸針式輪廓儀傳感器的動(dòng)、靜態(tài)特性要求也越來(lái)越高。根據(jù)觸針式表面粗糙度測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)規(guī)范，校檢項(xiàng)目中對(duì)于觸針式輪廓儀傳感器的 校檢存在三點(diǎn)不足之處。第一，校檢項(xiàng)目中，對(duì)觸針式輪廓儀傳感器靜態(tài)特性檢定，采用刻線(xiàn)樣板，其檢定范圍小。第二，靜態(tài)檢定時(shí)，采用粗糙度參數(shù)如Ra (Ra指輪廓算術(shù)平均偏差)的示值誤差作為誤差評(píng)定，數(shù)據(jù)處理時(shí)本身采用了平均效應(yīng)，缺乏對(duì)觸針式輪廓儀傳感器全范圍多個(gè)單點(diǎn)測(cè)量的誤差評(píng)定。第三，整個(gè)校檢項(xiàng)目不足以檢測(cè)傳感器的動(dòng)態(tài)性能，即跟隨表面形貌快速變化的性能。觸針式表面粗糙度測(cè)量?jī)x的動(dòng)態(tài)測(cè)量校準(zhǔn)設(shè)備，采用的是多刻線(xiàn)粗糙度標(biāo)準(zhǔn)樣板。多刻線(xiàn)粗糙度標(biāo)準(zhǔn)樣板具有高的精度，但是多刻線(xiàn)粗糙度樣板的表面形貌單一，與實(shí)際待檢測(cè)表面形貌差別大，在校檢的過(guò)程中不能完全反應(yīng)觸針式輪廓儀傳感器在測(cè)量實(shí)際的表面形貌時(shí)的跟隨性能。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種觸針式輪廓儀傳感器靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性的檢定裝置，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)觸針式輪廓儀傳感器檢定采用刻線(xiàn)樣板，其檢定范圍小、動(dòng)態(tài)檢定時(shí)跟隨性能檢定不充分且缺乏對(duì)觸針式輪廓儀傳感器全范圍多個(gè)單點(diǎn)誤差評(píng)定的問(wèn)題。本發(fā)明實(shí)施例提供了一種觸針式輪廓儀傳感器靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性的檢定裝置，包括靜態(tài)位移發(fā)生裝置、鑲嵌在所述靜態(tài)位移發(fā)生裝置上的動(dòng)態(tài)位移發(fā)生裝置以及用于將靜態(tài)位移發(fā)生裝置和動(dòng)態(tài)位移發(fā)生裝置的位移變化信號(hào)轉(zhuǎn)化為光學(xué)信號(hào)的位移測(cè)量裝置；所述靜態(tài)位移發(fā)生裝置包括底座、右軸承座、左軸承座、滾珠絲杠、斜塊、X向直線(xiàn)導(dǎo)軌滑塊、第一直線(xiàn)導(dǎo)軌、第二直線(xiàn)導(dǎo)軌、Z向工作臺(tái)和Z向支撐架；斜塊固定在X向直線(xiàn)導(dǎo)軌滑塊上，X向直線(xiàn)導(dǎo)軌滑塊安裝在第一直線(xiàn)導(dǎo)軌上，第一直線(xiàn)導(dǎo)軌與底座固定連接；滾珠絲杠從斜塊的中心穿過(guò)且兩端分別固定在右軸承座和左軸承座上；第二直線(xiàn)導(dǎo)軌固定在斜塊的斜面上；Z向工作臺(tái)與Z向支撐架連接,Z向支撐架與底座連接；z向工作臺(tái)與第二直線(xiàn)導(dǎo)軌之間通過(guò)滑動(dòng)摩擦將第二直線(xiàn)導(dǎo)軌的X向移動(dòng)轉(zhuǎn)化為Z向工作臺(tái)的Z向運(yùn)動(dòng)。更進(jìn)一步地，滾珠絲杠包括螺桿、螺母和滾珠，螺桿的一端與外部的電機(jī)連接，另一端從斜塊的中心穿過(guò)后固定在左軸承座上，螺母通過(guò)柔性鉸鏈與斜塊固定連接。更進(jìn)一步地，所述斜塊包括斜面、位于斜面中心位置的下方的前、后兩個(gè)L型側(cè)壁以及連接所述兩個(gè)L型側(cè)壁的后壁；斜面上具有用于與第二直線(xiàn)導(dǎo)軌固定連接的螺紋孔；后壁上具有N個(gè)通孔，一個(gè)通孔位于后壁的中心位置且用于使所述螺桿穿過(guò)；另N-I個(gè)通孔圍繞所述一個(gè)通孔對(duì)稱(chēng)布置且用于與柔性鉸鏈固定連接；所述N為大于等于5的奇數(shù)；前、后兩個(gè)L型側(cè)壁的下端伸出斜面寬度部分分別具有一個(gè)通孔，兩個(gè)通孔位于L型側(cè)壁左右方向的中心位置且與斜塊的前后方向上對(duì)稱(chēng)布置。更進(jìn)一步地，所述斜塊的斜面的傾斜度為I : 3 I : 50。更進(jìn)一步地，所述z向工作臺(tái)包括位于中心的柔性部分和外圍的剛性部分；所述剛性部分與所述柔性部分通過(guò)柔性鉸鏈連接；所述剛性部分具有兩個(gè)中心對(duì)稱(chēng)的長(zhǎng)方形凸臺(tái)；所述長(zhǎng)方形凸臺(tái)的外側(cè)與z向工作臺(tái)的背面垂直。更進(jìn)一步地，所述動(dòng)態(tài)位移發(fā)生裝置包括壓電陶瓷，壓電陶瓷鑲在z向工作臺(tái)中，壓電陶瓷的下端面與Z向工作臺(tái)的剛性部分膠接，壓電陶瓷的上端面與Z向工作臺(tái)的柔性部分的下端面膠接。 更進(jìn)一步地，所述位移測(cè)量裝置包括光路支撐板，位于光路支撐板兩側(cè)的第一反射鏡和第二反射鏡，衍射光柵、位于衍射光柵的兩路衍射光光路上的第三反射鏡和第四反射鏡，棱鏡安裝座，依次與棱鏡安裝座固定的1/4波片、第一分光棱鏡和第二分光棱鏡，分別安裝在第一分光棱鏡兩側(cè)的1/4波片和第三分光棱鏡，以及分別位于四路出射光位置的光電接收器；所述第三反射鏡與L型支撐座粘接，所述第四反射鏡與可調(diào)整支撐座粘接，所述第三分光棱鏡旋轉(zhuǎn)45°角。本發(fā)明提供檢定裝置可實(shí)現(xiàn)高端表面形貌輪廓儀的觸針式傳感器進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)檢測(cè)；填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在觸針式輪廓儀傳感器動(dòng)態(tài)跟隨性能檢定上的空白，同時(shí)大大增加了檢定的范圍。該檢定裝置的測(cè)量值可直接溯源到長(zhǎng)度基準(zhǔn)，具有檢定精度高、檢測(cè)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)?？梢詸z定裝置用于高精度的觸針式輪廓儀傳感器檢驗(yàn)，靜態(tài)檢定范圍達(dá)10mm，垂直分辨率達(dá)5nm，位置精度達(dá)5nm，動(dòng)態(tài)檢定頻率小于等于200Hz，動(dòng)態(tài)檢定幅值達(dá) 8 μ m0


圖I為本發(fā)明實(shí)施例提供的觸針式輪廓儀傳感器靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性的檢定裝置的原理框圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的觸針式輪廓儀傳感器靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性的檢定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的觸針式輪廓儀傳感器靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性的檢定裝置中靜態(tài)位移發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的靜態(tài)位移發(fā)生裝置中斜塊的立體結(jié)構(gòu)圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的靜態(tài)位移發(fā)生裝置中z向工作臺(tái)的局部示意圖；圖6(a)為本發(fā)明實(shí)施例提供的靜態(tài)位移發(fā)生裝置中z向工作臺(tái)的主視圖；圖6(b)為本發(fā)明實(shí)施例提供的靜態(tài)位移發(fā)生裝置中z向工作臺(tái)的俯視圖；圖7(a)為本發(fā)明實(shí)施例提供的觸針式輪廓儀傳感器靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性的檢定裝置中位移測(cè)量裝置的俯視圖；圖7(b)為本發(fā)明實(shí)施例提供的觸針式輪廓儀傳感器靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性的檢定裝置中位移測(cè)量裝置的左視圖8為本發(fā)明實(shí)施例提供的觸針式輪廓儀傳感器靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性的檢定裝置中位移測(cè)量裝置的光路原理圖。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明實(shí)施例具體涉及觸針式輪廓儀傳感器的靜、動(dòng)態(tài)特性的檢定，尤其涉及高端表面形貌檢測(cè)的觸針式輪廓儀傳感器的靜、動(dòng)態(tài)特性檢測(cè)；圖I示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的檢定裝置的結(jié)構(gòu)，該檢定裝置包括靜態(tài)位移發(fā)生裝置110、動(dòng)態(tài)位移發(fā)生裝置120和位移測(cè)量裝置130 ;靜態(tài)位移發(fā)生裝置110是整個(gè)系統(tǒng)支撐，動(dòng)態(tài)位移發(fā)生裝置120鑲嵌在 靜態(tài)位移發(fā)生裝置110上，與靜態(tài)發(fā)生裝置共用z向工作臺(tái)31，位移測(cè)量裝置130的衍射光柵30安裝在z向工作臺(tái)31上，將靜、動(dòng)態(tài)位移發(fā)生裝置的位移變化信號(hào)轉(zhuǎn)化為光學(xué)信號(hào)。處于該檢定裝置可對(duì)高精度觸針式輪廓儀傳感器的靜態(tài)位置檢測(cè)精度、動(dòng)態(tài)跟隨性能進(jìn)行檢定。靜態(tài)檢定時(shí)，由X向步進(jìn)電機(jī)2驅(qū)動(dòng)靜態(tài)位移發(fā)生裝置110產(chǎn)生位移，此時(shí)動(dòng)態(tài)位移發(fā)生裝置120與靜態(tài)位移發(fā)生裝置110相對(duì)位置保持不變，位移測(cè)量裝置130測(cè)量衍射光柵30的位移作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，與觸針式輪廓儀傳感器測(cè)量的衍色光柵30位移信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)檢定。動(dòng)態(tài)檢定時(shí)，由動(dòng)態(tài)位移發(fā)生裝置120產(chǎn)生連續(xù)的位移曲線(xiàn)，位移測(cè)量裝置130測(cè)量衍射光柵的位移曲線(xiàn)信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，與觸針式輪廓儀傳感器的測(cè)量衍色光柵的位移曲線(xiàn)信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)檢定。觸針式輪廓儀傳感器靜、動(dòng)態(tài)特性檢定裝置工作原理靜態(tài)特性檢定時(shí)，由計(jì)算機(jī)發(fā)出靜態(tài)驅(qū)動(dòng)位移信號(hào)，通過(guò)靜態(tài)位移發(fā)生裝置驅(qū)動(dòng)衍射光柵到達(dá)指定位置，位移測(cè)量裝置測(cè)量出標(biāo)準(zhǔn)位移輸出，比較觸針式輪廓儀傳感器的測(cè)量數(shù)值，得出檢定結(jié)果；動(dòng)態(tài)特性檢定時(shí)，由計(jì)算機(jī)發(fā)出動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)位移信號(hào)，通過(guò)動(dòng)態(tài)位移發(fā)生裝置驅(qū)動(dòng)衍射光柵運(yùn)動(dòng)，位移測(cè)量裝置測(cè)量出標(biāo)準(zhǔn)的位移輸出，比較觸針式輪廓儀傳感器的測(cè)量數(shù)值，得出檢定結(jié)果。本發(fā)明公開(kāi)的觸針式輪廓儀傳感器靜、動(dòng)態(tài)特性的檢定裝置由靜態(tài)位移發(fā)生裝置、動(dòng)態(tài)位移發(fā)生裝置、位移測(cè)量裝置及光電接收器組成。位移發(fā)生裝置產(chǎn)生的靜、動(dòng)態(tài)位移由位移測(cè)量裝置測(cè)量，作為標(biāo)準(zhǔn)位移輸出。檢定時(shí)，位移發(fā)生裝置發(fā)生標(biāo)準(zhǔn)的靜、動(dòng)態(tài)位移，并分別由待檢觸針式輪廓儀傳感器感測(cè)，傳感器感測(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)位移輸出對(duì)比，得出傳感器靜、動(dòng)態(tài)特性的檢定結(jié)果。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢定精度高、檢定范圍大、成本低等特點(diǎn)。靜態(tài)檢定范圍O 10_、垂直分辨率可達(dá)5nm，位置精度達(dá)到5nm，動(dòng)態(tài)檢定頻率范圍小于等于200Hz,動(dòng)態(tài)檢定幅值達(dá)到8 μ m。在本發(fā)明實(shí)施例中，如圖2、圖3所示，靜態(tài)位移發(fā)生裝置110由底座I、電機(jī)支架2、電機(jī)3、彈性聯(lián)軸器4、右軸承座墊塊5、右軸承座6、滾珠絲杠7、滾珠絲杠螺母35、柔性鉸鏈36、斜塊37、直線(xiàn)導(dǎo)軌滑塊38、第一直線(xiàn)導(dǎo)軌39、左軸承座40、左軸承座墊塊41、第二直線(xiàn)導(dǎo)軌34、z向工作臺(tái)31、交叉滾柱導(dǎo)軌42、z向支撐架33組成，滾珠絲杠7兩端由左軸承座40和右軸承座6支撐，左軸承座40對(duì)齊底座I的左端面，通過(guò)左軸承座墊塊41與底座I連接，右軸承座6通過(guò)右軸承座墊塊5與底座I連接，滾珠絲杠7的右端與電機(jī)3的輸出端通過(guò)彈性聯(lián)軸器4相連接，電機(jī)支架2下端前側(cè)與底座I上端固定連接，電機(jī)支架2右端與電機(jī)3固定連接，滾珠絲杠7與滾珠絲杠螺母35構(gòu)成螺旋副，柔性鉸鏈36兩端面分別與斜塊37以及滾珠絲杠螺母35固定。斜塊37跨過(guò)滾珠絲杠7和柔性鉸鏈36固定于直線(xiàn)導(dǎo)軌滑塊38上，直線(xiàn)導(dǎo)軌滑塊38與第一直線(xiàn)導(dǎo)軌39構(gòu)成滾動(dòng)副，第一直線(xiàn)導(dǎo)軌39與底座I固定連接，直線(xiàn)導(dǎo)軌34與z向工作臺(tái)31之間構(gòu)成直線(xiàn)滑動(dòng)副，直線(xiàn)導(dǎo)軌34與斜塊37固定連接，z向工作臺(tái)31與z向支撐架33之間通過(guò)交叉滾珠導(dǎo)軌42連接，z向支撐架33與底座I固定連接。在本發(fā)明實(shí)施例中，滾珠絲杠7從柔性鉸鏈36與斜塊的中心穿過(guò)，充分利用空間，減少了整個(gè)結(jié)構(gòu)的尺寸。滾珠絲杠螺母35通過(guò)柔性鉸鏈36來(lái)驅(qū)動(dòng)斜塊37做X向運(yùn)動(dòng)。斜塊37固定在直線(xiàn)導(dǎo)軌滑塊38上，直線(xiàn)導(dǎo)軌滑塊38安裝在第一直線(xiàn)導(dǎo)軌39上，第一直線(xiàn)導(dǎo)軌39通過(guò)螺釘與底座I相連。柔性鉸鏈36使?jié)L珠絲杠螺母35與斜塊37之間的連接為柔性連接，可消除滾珠絲杠7變形引入的運(yùn)動(dòng)誤差，提高傳動(dòng)的平穩(wěn)性，同時(shí)柔性鉸鏈36還能消除部分因工件加工引入的誤差，便于整體結(jié)構(gòu)的安裝。此外，還能保證斜塊37沿X向運(yùn)動(dòng)的直線(xiàn)度僅由直線(xiàn)導(dǎo)軌39與直線(xiàn)導(dǎo)軌滑塊38之間的滾動(dòng)副決定，從而提高斜塊37的 運(yùn)動(dòng)精度及運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。利用滾珠絲杠的大范圍驅(qū)動(dòng)達(dá)到整個(gè)靜態(tài)位移發(fā)生裝置的大范圍要求，通過(guò)選用小導(dǎo)程的滾珠絲杠，可以提高靜態(tài)位移發(fā)生裝置的驅(qū)動(dòng)分辨率。第二直線(xiàn)導(dǎo)軌34固定在斜塊37上，利用第二直線(xiàn)導(dǎo)軌34的高性能表面進(jìn)行高精度的導(dǎo)向，減少了斜塊的加工工序，同時(shí)提高從X到z方向運(yùn)動(dòng)換向過(guò)程中的響應(yīng)速度與穩(wěn)定性。斜塊的傾斜度，不僅起到換向作用，還對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)的細(xì)分，將X向運(yùn)動(dòng)細(xì)分為z向的運(yùn)動(dòng)，提高驅(qū)動(dòng)的分辨率。z向工作臺(tái)31與第二直線(xiàn)導(dǎo)軌34之間通過(guò)滑動(dòng)摩擦副，將導(dǎo)軌的X向移動(dòng)轉(zhuǎn)化為z向工作臺(tái)31的z向運(yùn)動(dòng)。z向支撐架33與底座I通過(guò)螺釘連接。交叉滾柱導(dǎo)軌42將z向支撐架33與z向工作臺(tái)31連接,對(duì)z向工作臺(tái)31起導(dǎo)向作用,確保z向工作臺(tái)31的工作范圍與運(yùn)動(dòng)精度。靜態(tài)位移發(fā)生裝置110采用滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)X向工作臺(tái)的大范圍進(jìn)給，依靠直線(xiàn)導(dǎo)軌的導(dǎo)向作用來(lái)維持X運(yùn)動(dòng)的直線(xiàn)度與運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。斜塊上直線(xiàn)導(dǎo)軌與Z向工作臺(tái)31之間的直線(xiàn)副將X向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為z向運(yùn)動(dòng)，直線(xiàn)導(dǎo)軌的高平面度來(lái)保證換向的平穩(wěn)性與運(yùn)動(dòng)的可控性。同時(shí)，由步進(jìn)電機(jī)的電子細(xì)分與斜塊的機(jī)械結(jié)構(gòu)細(xì)分實(shí)現(xiàn)z方向的高驅(qū)動(dòng)分辨率。解決了傳統(tǒng)檢測(cè)手段檢定范圍小的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)檢測(cè)大范圍與高驅(qū)動(dòng)分辨率的驅(qū)動(dòng)方式。動(dòng)態(tài)位移發(fā)生裝置通過(guò)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)衍射光柵運(yùn)動(dòng)，整個(gè)動(dòng)態(tài)位移發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)可靠。利用壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)曲線(xiàn)與驅(qū)動(dòng)電壓曲線(xiàn)相似的特點(diǎn)，可以產(chǎn)生多變的可控位移驅(qū)動(dòng)，從而使觸針式輪廓儀傳感器在檢測(cè)過(guò)程中與實(shí)際測(cè)量過(guò)程中的工況更加接近，更好的反應(yīng)檢定觸針式輪廓儀傳感器在實(shí)際測(cè)量狀態(tài)的動(dòng)態(tài)特性。驅(qū)動(dòng)位移測(cè)量裝置基于光柵衍射位移測(cè)量原理實(shí)現(xiàn)，光柵信號(hào)設(shè)計(jì)成相位差相差90°的四路信號(hào)，提高光電信號(hào)的相位精度和電子學(xué)倍頻能力，提高了整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的精度與可靠性。在本發(fā)明實(shí)施例中，滾珠絲杠7由螺桿71、螺母35和滾珠73組成；螺桿71從柔性鉸鏈與斜塊的中心穿過(guò)，充分利用空間，減少了整個(gè)結(jié)構(gòu)的尺寸。滾珠絲杠螺母35通過(guò)柔性鉸鏈36來(lái)驅(qū)動(dòng)斜塊37做X向運(yùn)動(dòng)。斜塊37固定在直線(xiàn)導(dǎo)軌滑塊38上，直線(xiàn)導(dǎo)軌滑塊38安裝在第一直線(xiàn)導(dǎo)軌39上，直線(xiàn)導(dǎo)軌39通過(guò)螺釘與底座I相連。柔性鉸鏈36使?jié)L珠絲杠螺母35與斜塊37之間的連接為柔性連接，可消除滾珠絲杠7變形引入的運(yùn)動(dòng)誤差，提高傳動(dòng)的平穩(wěn)性，同時(shí)柔性鉸鏈36還能消除部分因工件加工引入的誤差，便于整體結(jié)構(gòu)的安裝。此外，還能保證斜塊37沿X向運(yùn)動(dòng)的直線(xiàn)度僅由直線(xiàn)導(dǎo)軌39與直線(xiàn)導(dǎo)軌滑塊38之間的滾動(dòng)副決定，從而提高斜塊37的運(yùn)動(dòng)精度及運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。利用滾珠絲杠的大范圍驅(qū)動(dòng)達(dá)到整個(gè)靜態(tài)位移發(fā)生裝置的大范圍要求，通過(guò)選用小導(dǎo)程的滾珠絲杠，可以提高靜態(tài)位移發(fā)生裝置的驅(qū)動(dòng)分辨率。在本發(fā)明實(shí)施例中，靜態(tài)位移發(fā)生裝置110工作過(guò)程為計(jì)算機(jī)發(fā)出位移信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，在螺旋副的作用下，滾珠絲杠螺母產(chǎn)生X方向的移動(dòng)。斜塊由柔性鉸鏈連接滾珠絲杠螺母，在滾珠絲杠螺母的驅(qū)動(dòng)下，由斜塊下方的直線(xiàn)導(dǎo)軌進(jìn)行導(dǎo)向，進(jìn)行X方向的運(yùn)動(dòng)。斜塊上方固定一個(gè)直線(xiàn)導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上表面與固定的圓柱構(gòu)成直線(xiàn)畐O。從而，實(shí)現(xiàn)Z向工作臺(tái)31沿著交叉滾珠導(dǎo)軌42在Z方向上的運(yùn)動(dòng)。利用滾珠絲杠的大范圍行程，達(dá)到靜態(tài)位移發(fā)生裝置的大范圍驅(qū)動(dòng)要求。同時(shí)選用小導(dǎo)程的滾珠絲杠、對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)細(xì)分以及斜塊的機(jī)械結(jié)構(gòu)細(xì)分，使整個(gè)靜態(tài)位移發(fā)生裝置滿(mǎn)足大范圍與高驅(qū)動(dòng)分辨率的要求。整個(gè)測(cè)量都可全范圍、單點(diǎn)進(jìn)行，因此可以對(duì)觸針式輪廓儀傳感器的全范圍多點(diǎn)測(cè)量精度進(jìn)行評(píng)定，解決了傳統(tǒng)檢測(cè)只能在粗糙度范圍內(nèi)的示值誤差評(píng)定的不足。如圖4所示，斜塊37的斜面傾斜度為斜面傾斜的程度，用正切值計(jì)量其大?。恍眽K 37的斜面傾斜度的范圍為I : 3 I : 50;當(dāng)傾斜度小于I : 3時(shí)，雖然靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的范圍更大，但斜塊起到的機(jī)械結(jié)構(gòu)細(xì)分作用有限，從而靜態(tài)驅(qū)動(dòng)過(guò)程中的靜態(tài)驅(qū)動(dòng)分辨率低，達(dá)不到要求的高分辨率要求。傾斜度大于I : 50時(shí)，細(xì)分效果更加明顯，然而機(jī)械加工的難度增大，而且會(huì)降低整個(gè)靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的工作范圍，不能滿(mǎn)足靜態(tài)驅(qū)動(dòng)大范圍的要求。斜塊37的頂面是斜面A，傾斜度在斜度范圍中選取。斜面上加工了 2個(gè)螺紋孔，用于直線(xiàn)導(dǎo)軌的安裝。斜面中心位置的下方由前L型側(cè)壁B、后L型側(cè)壁D及連接L型的后壁C組成。后壁C上有I大4小的五個(gè)通孔。大孔位于后壁C的中心位置，4個(gè)小孔圍繞大孔布置且關(guān)于大孔左右、上下兩兩對(duì)稱(chēng)。組裝時(shí)絲杠從大孔中心穿過(guò)，四個(gè)小孔用于與柔性鉸鏈36的固定連接。從上往下看，前后L型側(cè)壁B、C的下端伸出斜面寬度部分分別加工一個(gè)通孔。兩個(gè)通孔的位置關(guān)于斜塊的前后方向上對(duì)稱(chēng)，且位于L型側(cè)壁左右方向的中心位置。如圖5、6(a)、6(b)所示，Z向工作臺(tái)31由外圍的剛性部分和中心的柔性部分組成；剛性部分與柔性部分之間通過(guò)如圖6(a)所示的柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)連接。其中柔性部分相對(duì)于剛性部分可以產(chǎn)生相對(duì)的位移，其原理是通過(guò)薄的鋼板發(fā)生彈性變形，并通過(guò)懸臂梁式結(jié)構(gòu)對(duì)彈性變形進(jìn)行放大。從圖6(b)中可知，z向工作臺(tái)31有兩個(gè)突出的長(zhǎng)方形凸臺(tái)，凸臺(tái)相對(duì)于中心對(duì)稱(chēng)。凸臺(tái)的外側(cè)與z向工作臺(tái)31的背面垂直。第二直線(xiàn)導(dǎo)軌34固定在斜塊37上，利用直線(xiàn)導(dǎo)軌34的高性能表面進(jìn)行高精度的導(dǎo)向，減少了斜塊的加工工序，同時(shí)提高從X到Z方向運(yùn)動(dòng)換向過(guò)程中的響應(yīng)速度與穩(wěn)定性。斜塊的傾斜度，不僅起到換向作用，還對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)的細(xì)分，將X向運(yùn)動(dòng)細(xì)分為z向的運(yùn)動(dòng)，提高驅(qū)動(dòng)的分辨率。z向工作臺(tái)31與直線(xiàn)導(dǎo)軌34之間通過(guò)滑動(dòng)摩擦畐0，將導(dǎo)軌的X向移動(dòng)轉(zhuǎn)化為z向工作臺(tái)31的z向運(yùn)動(dòng)。z向支撐架33與底座I通過(guò)螺釘連接。交叉滾柱導(dǎo)軌42將z向支撐架33與z向工作臺(tái)31連接，對(duì)z向工作臺(tái)31起導(dǎo)向作用，確保z向工作臺(tái)31的工作范圍與運(yùn)動(dòng)精度。電機(jī)3通過(guò)電機(jī)支架2與底座I相連，由螺釘完成電機(jī)的固定。彈性聯(lián)軸器4將電機(jī)3與滾珠絲杠7連接，將電機(jī)3的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滾珠絲杠7的轉(zhuǎn)動(dòng)，滾珠絲杠7由左軸承座40和右軸承座6進(jìn)行支撐。左軸承座墊塊41和右軸承座墊塊5分別調(diào)整左、右軸承座中心軸線(xiàn)與底座的距離，使?jié)L珠絲杠7與電機(jī)3的中心軸線(xiàn)重合，保證轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程的運(yùn)動(dòng)精度。衍射光柵30安裝在z向工作臺(tái)31上，其位移與z向工作臺(tái)31相同，衍射光柵30的上端面提供觸針式輪廓儀傳感器的輸入信號(hào)，衍射光柵的位移信號(hào)由位移測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量獲取。在本發(fā)明實(shí)施例中，觸針式輪廓儀傳感器的動(dòng)態(tài)位移發(fā)生裝置120由壓電陶瓷32,z向工作臺(tái)31、z向支撐架33等構(gòu)成。如圖4所示，壓電陶瓷32鑲在z向工作臺(tái)31中，下端面與z向工作臺(tái)31的剛性結(jié)構(gòu)處膠接，上端面與z向工作臺(tái)31的柔性部分的下端面膠接，z向工作臺(tái)31、交叉滾柱導(dǎo)軌42、z向支撐架33及底座I的連接與靜態(tài)檢定裝置相同。動(dòng)態(tài)位移發(fā)生裝置120工作過(guò)程為根據(jù)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)曲線(xiàn)(正旋波曲線(xiàn)、三角波曲 線(xiàn)、方波曲線(xiàn)等)，由計(jì)算機(jī)發(fā)出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)指令，PZT驅(qū)動(dòng)根據(jù)計(jì)算機(jī)信號(hào)驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷32，使壓電陶瓷32根據(jù)驅(qū)動(dòng)曲線(xiàn)來(lái)進(jìn)行上下伸縮運(yùn)動(dòng)，通過(guò)z向工作臺(tái)31的柔性部分連接衍射光柵30，從而驅(qū)動(dòng)衍射光柵30與柔性部分共同進(jìn)行與驅(qū)動(dòng)曲線(xiàn)相同的運(yùn)動(dòng)。動(dòng)態(tài)測(cè)量過(guò)程中壓電陶瓷32的位移曲線(xiàn)與驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)曲線(xiàn)類(lèi)似，因此可以靈活的調(diào)整動(dòng)態(tài)測(cè)量的驅(qū)動(dòng)曲線(xiàn)，檢定時(shí)與多刻線(xiàn)樣板相比，更能反應(yīng)出零件表面形貌復(fù)雜多變的特點(diǎn)，從而更全面、更可靠、更精確的檢定觸針式輪廓儀傳感器的動(dòng)態(tài)特性。如圖7 (a)、7 (b)、圖8所示，位移測(cè)量裝置130的結(jié)構(gòu)為激光器44置于光路支撐板11后側(cè)，第一反射鏡45、第二反射鏡27分別安裝在光路支撐板11兩側(cè)，衍射光柵30下端與z向工作臺(tái)31的柔性部分上端連接，第三反射鏡10、第四反射鏡24分別置于兩路衍射光光路上，第三反射鏡10與L型支撐座9粘接，第四反射鏡24與可調(diào)整支撐座23粘接，1/4波片22、第一分光棱鏡14、第二分光棱鏡15依次與棱鏡安裝座12固定，1/4波片25、第三分光棱鏡21分別安裝于第一分光棱鏡14的兩側(cè),其中第三分光棱鏡21旋轉(zhuǎn)45° ;光電接收器13、17、19、20分別安裝于四路出射光位置。激光器44由V型夾塊43固定于光路底座11上。內(nèi)套筒28置于外套筒26內(nèi)部，外套筒26由螺釘29固定在光路底座11上。第一反射鏡45與第二反射鏡27分別安裝在外套筒26與內(nèi)套筒28的端面上，兩反射鏡的鏡面與套筒的中心軸線(xiàn)呈45°。通過(guò)兩面反射鏡將激光器44發(fā)出的激光光路底座11背面移到正面，完成水平面的平移。第三反射鏡10粘接在L型支撐座9上，改變-I級(jí)衍射光的傳播方向。1/4波片25調(diào)整-I級(jí)衍射光的偏振光的偏振方向。第四反射鏡24粘接在可調(diào)整支撐座23上，通過(guò)調(diào)整23使第四反射鏡的角度發(fā)生微小改變，從而使+1級(jí)衍射光與-I級(jí)衍射光在分光棱鏡處無(wú)光程差的相交。1/4波片22起調(diào)相作用，使+1級(jí)衍射光與-I級(jí)衍射光的到達(dá)第一分光棱鏡14的相位一致。1/4波片25、22通過(guò)螺釘固定在棱鏡安裝座12上，棱鏡安裝座固定于光路底座11上。第二分光棱鏡15與第一分光棱鏡14平行放置,從第一分光棱鏡發(fā)出的光路經(jīng)第二分光棱鏡15分光面后分成兩路發(fā)出。第三分光棱鏡21的安裝與第一分光棱鏡14成45°角，從第一分光棱鏡發(fā)出的另一路光經(jīng)第三分光棱鏡21后分成兩路發(fā)出。光電接收器13、16由L型夾板17夾靠在第二分光棱鏡的兩出射光平面上，光電接收器19、20由L型夾板18夾靠在第三分光棱鏡的兩出射光平面上，分別接收四路光信號(hào)。位移測(cè)量裝置130的工作原理為從半導(dǎo)體激光器44發(fā)出的光，經(jīng)反射鏡45、27照射到衍射光柵上，光衍射后分成兩路。一路沿反射鏡10照射到1/4波片25，進(jìn)行相位調(diào)制。另一路沿反射鏡24照射到1/4波片25，進(jìn)行相位調(diào)制。由相互垂直的線(xiàn)偏振光變?yōu)樾蛳喾吹膬蓤A偏振光，兩路光經(jīng)相位調(diào)制后到達(dá)分光棱鏡14處，經(jīng)分光棱鏡15、21后變成四路位相依次相差90°的干涉信號(hào)。四路信號(hào)的分離，提高了整個(gè)檢測(cè)的精度和可靠性。四路信號(hào)(a、b、c、d)兩兩進(jìn)行差動(dòng)放大，輸入后續(xù)的處理電路，即可得到光柵移動(dòng)的位移信息。本發(fā)明提供檢定裝置可實(shí)現(xiàn)高端表面形貌輪廓儀的觸針式傳感器進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)檢測(cè)；填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在觸針式輪廓儀傳感器動(dòng)態(tài)跟隨性能檢定上的空白，同時(shí)大大增加了檢定的范圍。該檢定裝置的測(cè)量值可直接溯源到長(zhǎng)度基準(zhǔn)，具有檢定精度高、檢測(cè)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)?？梢詸z定裝置用于高精度的觸針式輪廓儀傳感器檢驗(yàn)，靜態(tài)檢定范圍達(dá)10mm，垂直分辨率達(dá)5nm，位置精度達(dá)5nm，動(dòng)態(tài)檢定頻率小于等于200Hz，動(dòng)態(tài)檢定幅值達(dá) 8 μ m0
本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以 限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種觸針式輪廓儀傳感器靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性的檢定裝置，其特征在于，包括靜態(tài)位移發(fā)生裝置、鑲嵌在所述靜態(tài)位移發(fā)生裝置上的動(dòng)態(tài)位移發(fā)生裝置以及用于將靜態(tài)位移發(fā)生裝置和動(dòng)態(tài)位移發(fā)生裝置的位移變化信號(hào)轉(zhuǎn)化為光學(xué)信號(hào)的位移測(cè)量裝置； 所述靜態(tài)位移發(fā)生裝置(110)包括底座(I)、右軸承座￠)、左軸承座(40)、滾珠絲杠(7)、斜塊(37)、x向直線(xiàn)導(dǎo)軌滑塊(38)、第一直線(xiàn)導(dǎo)軌(39)、第二直線(xiàn)導(dǎo)軌(34)、z向工作臺(tái)(31)和z向支撐架(33)； 斜塊(37)固定在X向直線(xiàn)導(dǎo)軌滑塊(38)上，X向直線(xiàn)導(dǎo)軌滑塊(38)安裝在第一直線(xiàn)導(dǎo)軌(39)上，第一直線(xiàn)導(dǎo)軌(39)與底座(I)固定連接；滾珠絲杠(7)從斜塊(37)的中心穿過(guò)且兩端分別固定在右軸承座(6)和左軸承座(40)上；第二直線(xiàn)導(dǎo)軌(34)固定在斜塊(37)的斜面上；z向工作臺(tái)(31)與z向支撐架(33)連接，z向支撐架(33)與底座(I)連接；z向工作臺(tái)(31)與第二直線(xiàn)導(dǎo)軌(34)之間通過(guò)滑動(dòng)摩擦將第二直線(xiàn)導(dǎo)軌的X向移動(dòng)轉(zhuǎn)化為z向工作臺(tái)(31)的z向運(yùn)動(dòng)。
2.如權(quán)利要求I所述的檢定裝置，其特征在于，滾珠絲杠包括螺桿(71)、螺母(35)和滾珠(73)，螺桿(71)的一端與外部的電機(jī)連接，另一端從斜塊(37)的中心穿過(guò)后固定在左軸承座(40)上，螺母(35)通過(guò)柔性鉸鏈(36)與斜塊(37)固定連接。
3.如權(quán)利要求2所述的檢定裝置，其特征在于，所述斜塊(37)包括斜面、位于斜面中心位置的下方的前、后兩個(gè)L型側(cè)壁以及連接所述兩個(gè)L型側(cè)壁的后壁； 斜面上具有用于與第二直線(xiàn)導(dǎo)軌(34)固定連接的螺紋孔；后壁上具有N個(gè)通孔，一個(gè)通孔位于后壁的中心位置且用于使所述螺桿(71)穿過(guò)；另N-I個(gè)通孔圍繞所述一個(gè)通孔對(duì)稱(chēng)布置且用于與柔性鉸鏈(36)固定連接；所述N為大于等于5的奇數(shù)； 前、后兩個(gè)L型側(cè)壁的下端伸出斜面寬度部分分別具有一個(gè)通孔，兩個(gè)通孔位于L型側(cè)壁左右方向的中心位置且與斜塊的前后方向上對(duì)稱(chēng)布置。
4.如權(quán)利要求2所述的檢定裝置，其特征在于，所述斜塊的斜面的傾斜度為I: 3 I 50。
5.如權(quán)利要求I所述的檢定裝置，其特征在于，所述z向工作臺(tái)(31)包括位于中心的柔性部分和外圍的剛性部分；所述剛性部分與所述柔性部分通過(guò)柔性鉸鏈連接；所述剛性部分具有兩個(gè)中心對(duì)稱(chēng)的長(zhǎng)方形凸臺(tái)；所述長(zhǎng)方形凸臺(tái)的外側(cè)與z向工作臺(tái)(31)的背面垂直。
6.如權(quán)利要求5所述的檢定裝置，其特征在于，所述動(dòng)態(tài)位移發(fā)生裝置(120)包括壓電陶瓷(32)，壓電陶瓷(32)鑲在z向工作臺(tái)(31)中，壓電陶瓷(32)的下端面與z向工作臺(tái)(31)的剛性部分膠接，壓電陶瓷(32)的上端面與z向工作臺(tái)(31)的柔性部分的下端面膠接。
7.如權(quán)利要求5所述的檢定裝置，其特征在于，所述位移測(cè)量裝置(130)包括光路支撐板(11)，位于光路支撐板(11)兩側(cè)的第一反射鏡(45)和第二反射鏡(27),衍射光柵(30)、位于衍射光柵(30)的兩路衍射光光路上的第三反射鏡(10)和第四反射鏡(24)，棱鏡安裝座(12)，依次與棱鏡安裝座(12)固定的1/4波片(22)、第一分光棱鏡(14)和第二分光棱鏡(15),分別安裝在第一分光棱鏡(14)兩側(cè)的1/4波片(25)和第三分光棱鏡(21),以及分別位于四路出射光位置的光電接收器(13)、(17)、(19)、(20);所述第三反射鏡(10)與L型支撐座(9)粘接，所述第四反射鏡(24)與可調(diào)整支撐座(23)粘接，所述第三分光棱鏡(21)旋轉(zhuǎn)45°角 。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種觸針式輪廓儀傳感器靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性的檢定裝置，檢定裝置包括靜態(tài)位移發(fā)生裝置、動(dòng)態(tài)位移發(fā)生裝置及位移測(cè)量裝置；靜態(tài)位移發(fā)生裝置包括底座、右軸承座、左軸承座、滾珠絲杠、斜塊、x向直線(xiàn)導(dǎo)軌滑塊、第一直線(xiàn)導(dǎo)軌、第二直線(xiàn)導(dǎo)軌、z向工作臺(tái)和z向支撐架；斜塊固定在x向直線(xiàn)導(dǎo)軌滑塊上，滑塊安裝在第一直線(xiàn)導(dǎo)軌上，第一直線(xiàn)導(dǎo)軌與底座固定連接；滾珠絲杠從斜塊的中心穿過(guò)且兩端分別固定在右軸承座和左軸承座上；第二直線(xiàn)導(dǎo)軌固定在斜塊的斜面上；z向工作臺(tái)與z向支撐架連接，z向支撐架與底座連接；z向工作臺(tái)與第二直線(xiàn)導(dǎo)軌通過(guò)滑動(dòng)摩擦將x向移動(dòng)轉(zhuǎn)化為z向運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明具有檢定精度高、檢定范圍大、檢測(cè)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B21/30GK102967289SQ20121042866
公開(kāi)日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月1日
發(fā)明者虢磊, 劉曉軍, 盧文龍 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)