[发明专利]测量触针组件

说明书

本发明涉及一种测量仪器，它可以在一个表面上驱动触针，从而检测出极小的表面特征，这种等级的表面特征通常会影响该表面的纹理(粗糙度)，也就是波长在1毫米量级到1微米量级的表面特征。本发明还涉及在这种装置中使用的触针组件以及驱动这种装置中的触针的驱动单元。在本发明中，检测到的粗糙度等级数据可以被用来提供粗糙度参数的数值或是提供表面形状的图像、图形或断面，从而显示出这些极小的表面特征。

在例如Rank Taylor Hobson Limited of Leicester，United Kingdom生产的Form Talysurf系列产品中，用于检测表面粗糙度的测量仪器中装有一个触针，它绕着一个轴线做枢轴转动，该轴线与(通常是水平的)被测表面大体上平行，并且枢轴被安装在基准杆上，它可以大体上平行于被测表面并且与枢轴的轴线交叉地运动，从而使触针在表面上移动。基准杆被安装在一个具有滑动支架的精确的参考基点上。在使用中，触针通常被支撑着离开被测表面，而基准杆被伸到测量行程的起点。然后，整个系统被朝着表面移动，或是释放触针，从而使触针的针尖渐渐地放到被测表面上，然后使基准杆在表面上拖着触针缓慢地缩回。当触针尖在表面上移动的同时用一个传感器检测触针尖相对于基准杆的运动，触针尖在被测表面上沿着其运行线路移动，与指示其瞬时位置的信号相联系地记录传感器的输出值，由此来提供可以计算出表面粗糙度的范围或图样的数据。

根据基准杆在表面上移动触针尖的速度，这类仪器通常用高达500Hz的频率对传感器的输出采样，从而按照大约每微米一次获得触针尖在表面上移动时的高度测量值。触针尖可以在表面上以每秒500μm的速度移动，如果希望在表面上获得更密集的数据点，也可以降低速度。在实践中，传感器输出可以按照大约500Hz的频率采样，并且可以结合两个以上用于获得单一数据值的连续采样，从而以500Hz以下的频率提供数据值。

触针的重量通常只有几(例如3到5)克，而触针施加在表面上的力却要小得多，因为大部分重量被平衡或配重弹簧上的配重抵销了。触针通常会在表面上施加100毫克以下的力。

当触针在表面上做直线运动时，这种装置可以通过测量提供表面粗糙度的高度精确的测量值。它适合测量小工件的表面，例如光学透镜和机械轴承，这些工件被装在定位在该装置的触针下面的工件托架上。工件托架有一个转动或移动工件的台阶，从而可以沿着表面上的多条线或是跨越该表面的多个方向进行测量。

有一些测量仪器可以采用＂三维＂模式，在其中可以在工件表面上执行一系列的测量行程，并在顺序的测量行程之间使工件稍稍侧移，从而获得与指定的整个面积上的表面纹理相关的数据。其输出在两个方向(x和y方向)上呈三维分布。

这种装置可以获得相对较大面积的数据。基准杆在表面上移动触针尖的最大距离大约是10cm，并且工件托架可以使工件侧移几个cm。然而，在大面积扫描时会获得大量的数据。如果在x和y方向上按照1μm的数据点扫描1cm²的面积，在表面上就要提取10⁸个点的数据。在实践中，关于表面粗糙度的有用信息或是其细微特征断面的采样可以从很小的面积上获得。所需的面积大小是由需要检测的特征的大小来决定的，但是，在大多数加工表面上，该面积可以采用边长各为0.5mm的正方形。这样大的正方形包含间隔1μm的250000个数据点。

由于触针的尖在被测表面上移动的速度很慢，即使要扫描0.5mm的正方形也需要很长的时间。即使把速度增加到每秒0.5mm，跨过正方形的每条线仍需要1秒的扫描时间，如果数据点之间的距离是1μm，就要在正方形上面扫描五百次，因此，整个扫描过程大约需要用十分钟。使用这种系统在一定的面积上检测表面纹理还受到另外的限制，因为在使用它时必须把工件装在工件托架上，这样就限制了工件的最大尺寸。