一種接觸式掃描測頭及其測量方法
【專利摘要】本發明公開了一種接觸式掃描測頭及其測量方法。它以氣浮軸承為旋轉軸，測量桿的擺臂的頂端為一個圓弧面,它的圓心與氣浮軸承的旋轉中心重合，圓弧光柵貼合在圓弧面上，擺臂的底端與氣浮軸承連接；圓弧光柵讀數頭固定在測量桿的正上方；測量臂的一端固定在氣浮軸承上，另一端安裝紅寶石測針。本發明基于杠桿原理，借助于一個小型的氣浮軸承，提供了一種低接觸力、高精度、可掃描的測量機構，實現對工件面形的快速檢測。本發明提供的測頭與檢測工件的接觸力可調整到無限小，杠桿的旋轉中心采用小型的氣浮軸承，從而保證了檢測精度。同時，采用傳統的光柵檢測單元，在同等精度條件下大幅降低了設備的成本。
【專利說明】一種接觸式掃描測頭及其測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種低接觸力、高精度、可掃描的測頭及其測量方法，屬于光學非球面、自由曲面的檢測和制造【技術領域】。
【背景技術】
[0002]非球面的檢測一直是非球面加工過程中的關鍵技術。目前除了英國的TaylorHobson外，在接觸式檢測儀器中，幾乎找不到其它方便的非球面檢測設備。三坐標聯動測量裝置是目前非球面加工中常用的設備，但其測量速度比較慢，且精度低于2個微米的設備價格昂貴。另外，基于測長儀的輪廓檢測系統也用于目前的非球面檢測，但這一系統不僅測量速度慢，并且它與工件的接觸力比較大，難以滿足非球面加工的檢測要求。目前，加工的非球面一般都選擇了英國的Taylor Hobson作為檢測手段。但這一設備價格高，且維修成本也很高。
[0003]非球面的加工需要一種低成本，且在與工件低接觸力條件下，能實現快速且高精度的檢測手段。
【發明內容】
[0004]本發明針對現有非球面檢測技術所存在的不足，提供一種結構簡單，價格低，且在低接觸力條件下，可快速提供被檢非球面的高精度輪廓數據的測頭及其測量方法。
[0005]實現本發明目的的技術方案是:提供一種接觸式掃描測頭，它包括測量桿、測量臂和旋轉軸；所述的旋轉軸為一個氣浮軸承；所述測量桿包括擺臂和圓弧光柵，擺臂的頂端為一個圓弧面，所述圓弧面的圓心與氣浮軸承的旋轉中心重合，圓弧光柵貼合在圓弧面上，擺臂的底端與氣浮軸承連接；擺臂的二側分別安裝左限位擋塊和右限位擋塊；圓弧光柵讀數頭固定在測量桿的正上方，光柵讀數頭通過引出的光柵線纜與光柵信號處理裝置的光柵信號輸入接口連接；所述測量臂的一端固定在氣浮軸承上，另一端安裝紅寶石測針；氣浮軸承連接測量臂和測量桿；氣浮軸承上安裝有接觸力調節螺母。
[0006]所述的接觸式掃描測頭，氣浮軸承的徑向跳動小于0.1微米。
[0007]本發明技術方案還包括一種采用如上所述的接觸式掃描測頭的測量方法，包括如下步驟:
(1)將接觸式掃描測頭固定在水平導軌上；移動水平導軌，把測頭移動到被測非球面一端的起始點；將工件與測頭的紅寶石測針相接觸，通過配重調整器調節紅寶石測針與工件接觸處的接觸力；調整工件高度，保證在測頭掃描整個非球面過程中，保持光柵讀數的有效性；
(2)移動水平導軌，使測頭的紅寶石測針以0.5?2mm/s范圍內的一個固定速度在被測非球面的表面進行掃描；按I?100HZ的采樣頻率記錄水平導軌的位移位置和測頭的光柵讀數(XiJi),其中，Xi為采樣點的水平導軌的位移位置，為測頭的光柵讀數，即測量桿偏離中心位置的距離； (3)將測量到的數據A)按
Xi = X1-r2 sin(ih&￡a-, Zi = r2 cos(the￡a-1k&tax)進行處理，得到被測非球面的輪廓數據0Λ zi');其中:ih— 二 a tan( —) + ^- , —tax = 4 , ^和分別為測頭的測量
?2 Δ Γ1
桿的擺臂長度、測量臂的長度和紅寶石測針的長度；
(4)經數據處理，得到被測非球面與理論面形之間的誤差數據。
[0008]進一步的技術方案，上述接觸式掃描測頭的測量方法，T1與的比值為可調節，檢測精度隨■^與G比值的增大而提高。
[0009]由于上述技術方案的運用，本發明與現有技術相比具有下列優點:
1、本發明提供的測頭具有目前非球面測量儀所提供的測頭的所有優點，其測量精度可通過提高光柵精度得以實現；測頭的成本只有英國TalySurf提供的測量儀所帶測頭的約1/20，可大大節約測量成本。
[0010]2、可通過調節配重，方便的調節測頭與工件的接觸力；測頭的行程(測量范圍)可做到幾十個厘米，甚至更大，遠大于英國Taylor Hobson測頭的測量范圍，且可保證全測量行程上的測量精度小于0.5微米。
[0011]3、本發明提供的測頭不僅可用于測量非球面，它同樣適用于任何輪廓檢測儀器或三坐標測量儀。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1是本發明提供的測頭的結構示意圖；
圖2是利用本發明加工的測頭檢測一個標準平面鏡獲得的輪廓誤差數據；
圖3是利用本發明加工的測頭檢測一個標準球面鏡獲得的輪廓誤差數據；
圖中，1、圓弧光柵；2、光柵讀數頭；3、測量桿的擺臂；4、配重調整器；5、氣浮軸承；
6、測量臂；7、紅寶石測針；8、光柵線纜；9、測量桿的左限位擋塊；10、測量桿的右限位擋塊。
【具體實施方式】
[0013]下面結合附圖和實施例對本發明技術方案作進一步闡述。
[0014]實施例1:
參見附圖1，它是本實施例提供的一種接觸式掃描測頭的結構示意圖；測頭包括測量桿、測量臂和旋轉軸；旋轉軸為一個氣浮軸承5 ;測量桿包括擺臂3和圓弧光柵1，擺臂3的頂部為一個圓心在氣浮軸承5旋轉中心的圓弧面，圓弧光柵I貼合在所述的圓弧面上，擺臂3的底部與氣浮軸承5連接；測量桿的擺臂3的二側分別安裝測量桿的左限位擋塊9和右限位擋塊10 ;圓弧光柵讀數頭2固定在測量桿的正上方；所述測量臂6的一端固定在氣浮軸承5上，另一端安裝紅寶石測針7 ;氣浮軸承5連接測量臂6和測量桿；氣浮軸承5上安裝有接觸力調節螺母4 ;光柵讀數頭2通過引出的光柵線纜8與光柵信號處理裝置的光柵信號輸入接口連接。
[0015]本實施例中，氣浮軸承5的徑向跳動小于0.1微米。
[0016]在本實施例中，按本發明技術方案設計加工的測頭，將其用于檢測一個口徑為135mm的標準平面鏡。
[0017]本實施例提供的標準平面鏡的具體檢測步驟如下:
1.將本實施例提供的測頭固定在一個數控的水平導軌上。測頭的光柵信號線及水平導軌的光柵信號線及數控線纜連接到一個數控系統上。
[0018]2.通過移動水平導軌，把測頭移動到標準平鏡的左側，并讓工件與測頭接觸，使光柵讀數接近O點。
[0019]3.通過數控系統，使測頭隨水平導軌按指定的移動速度向標準平鏡的右側移動，同時啟動水平導軌和測頭光柵讀數的實時采樣，并把采樣數據Oi A)保存的文件。
[0020]4.對測量到的數據(?,Zi)作如下處理:
I
Xi = X1-r2 sm( ikeia -1h&iax)，
I
Zi = r2 cos(lheia- tkeiax)，
其中:Omia = a tan( —) + ^ , Ikstax = , ^和^分別是測頭的擺臂長度、測量臂長
Γ2 “rI
度和紅寶石測針的長度。在本實施例中:rx = 62.5 , r2 = 82.5 , = 25.0。
[0021]5.對上述處理后的數據?A1)進行分析處理，得到被測平面與理論面形之間的誤差數據，其結果如圖2所示。
[0022]實施例2:
按實施例1技術方法加工一個測頭，用于對一個口徑為40mm,曲率半徑為_22.5069mm的標準球面鏡進行檢測。
[0023]本實施例提供的標準球面鏡的具體檢測步驟如下:
1.如圖1所示，設計加工一個實際的氣浮測頭，并把它固定在一個數控的水平導軌上。測頭的光柵信號線及水平導軌的光柵信號線及數控線纜連接到一個數控系統上。
[0024]2.通過移動水平導軌，把測頭移動到標準球面鏡的左側，并讓工件與測頭接觸，使光柵讀數接近O點。
[0025]3.通過數控系統，使測頭隨水平導軌按指定的移動速度向標準球面鏡的右側移動，同時啟動水平導軌和測頭光柵讀數的實時采樣，并把采樣數據(?.?)保存的文件。
[0026]4.對測量到的數據(AA)作如下處理:
I
Xi = K1-r2 sin( ikeia - th&iax)，
Zi = r2cos(theia~ikeiax),
其中:ik— = a tan( j-) + ^ , tkeiax = , ^&和分別是測頭的擺臂長度、測量臂長度和紅寶石測針的長度。在本實施例中:
5 = 62.5,^=82.5,,3 = 25.0^
[0027]5.對上述處理后的數據ΟΛΑ')進行分析處理，得到被測球面與理論面形之間的誤差數據，其結果如圖3所示。
【權利要求】
1.一種接觸式掃描測頭，其特征在于:它包括測量桿、測量臂和旋轉軸；所述的旋轉軸為一個氣浮軸承(5);所述測量桿包括擺臂(3)和圓弧光柵(I )，擺臂(3)的頂端為一個圓弧面，所述圓弧面的圓心與氣浮軸承(5)的旋轉中心重合，圓弧光柵(I)貼合在圓弧面上，擺臂(3)的底端與氣浮軸承(5)連接；擺臂(3)的二側分別安裝左限位擋塊(9)和右限位擋塊(10);圓弧光柵讀數頭(2)固定在測量桿的正上方，光柵讀數頭(2)通過引出的光柵線纜(8)與光柵信號處理裝置的光柵信號輸入接口連接；所述測量臂(6)的一端固定在氣浮軸承(5)上，另一端安裝紅寶石測針(7);氣浮軸承(5)連接測量臂(6)和測量桿；氣浮軸承(5)上安裝有接觸力調節螺母(4)。
2.根據權利要求1所述的一種接觸式掃描測頭，其特征在于:氣浮軸承(5)的徑向跳動小于0.1微米。
3.一種采用權利要求1所述的接觸式掃描測頭的測量方法，其特征在于包括如下步驟: (1)將接觸式掃描測頭固定在水平導軌上；移動水平導軌，把測頭移動到被測非球面一端的起始點；將工件與測頭的紅寶石測針相接觸，通過配重調整器調節紅寶石測針與工件接觸處的接觸力；調整工件高度，保證在測頭掃描整個非球面過程中，保持光柵讀數的有效性； (2)移動水平導軌，使測頭的紅寶石測針以0.5?2mm/s范圍內的一個固定速度在被測非球面的表面進行掃描；按I?100HZ的采樣頻率記錄水平導軌的位移位置和測頭的光柵讀數(?),其中，' 為采樣點的水平導軌的位移位置，Zi為測頭的光柵讀數，即測量桿偏離中心位置的距離； (3)將測量到的數據(?,9)按 Xism(iheia-1hetax) , Z1- r2 cos(iketa- tkeiax)進行處理，得到被測非球面的輪廓數據，,,,;其中:—<3 = atan(^) +尋，tkeiax=r和r分別為測頭的測量 、xi >zi )r.% “rI 1Λ桿的擺臂長度、測量臂的長度和紅寶石測針的長度； (4)經數據處理，得到被測非球面與理論面形之間的誤差數據。
4.根據權利要求3所述的測量方法，其特征在于:調節^與的比值，檢測精度隨q與 比值的增大而提高。
【文檔編號】G01B11/24GK104197853SQ201410248712
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年6月6日 優先權日:2014年6月6日
【發明者】仇谷烽, 崔旭東 申請人:蘇州大學