[发明专利]框架式结构自适应表面形貌仪

说明书

本发明属于自适应测量技术领域，特别涉及自适应表面形貌仪的结构设计。

目前科研院校及工矿企业使用的表面形貌仪从结构上可分为两种类型，一类是立柱式结构，另一类是小型便携式结构。下面以英国泰勒索夫公司的产品为例，对这两类仪器的结构及存在的缺陷分别加以分析。

立柱式结构：该类仪器的基本结构如图1所示，主要包括一基座11，在基座11的角上有一垂直立柱12，上面套装由柱内丝杠121带动可沿立柱12上下垂直移动的挂架，挂架正侧面装一个倾角可以微调的直线行走箱13，行走箱下部是移动部件131。移动部件的下面吊装一只高灵敏度微位移传感器14。调整挂架高度和行走箱位置使传感器14触针141与被测表面15作恰当接触后，挂架即被自动锁住。检测时只有行走箱带动传感器直线移动，由触针对试件做表面形貌仿形检测，取得的信息经传感器输出至计算机16进行后续处理。如果配装Y方向步进工作台可进行三维形貌测量。这类仪器的不足之处为：其一，受仪器结构限制不能测量大型部件；其二，受仪器结构和传感器动态范围的限制，不能适应对旋转体或凹凸体等非平面试件的检测。这是由于检测时仅有行走箱带动传感器作直线平行移动，因此仪器的检测范围只能取决于传感器的动态范围。高灵敏度微位移传感器动态范围一般只能做到±0.5毫米以内。面对旋转体或凹凸体这类非平面试件常常力不从心，因为由试件轮廓产生的高差变化早已远远超过传感器的使用要求，在这种情况下只能被迫花费大量机时和人工借助于仿形工具完成检测工作。即使采用动态范围达±3毫米的激光干涉传感器使情况有所改善，但整台仪器的售价高昂，难以推广使用。其三，这种结构的仪器重量达100kg、体积为685×400×700mm左右。由于体积大、重量重、难以在生产现场携带使用。

便携式结构：这类仪器的基本结构如图2所示，它实际上就是超小型化设计的水平直线行走箱21与数据处理电路22和小型微位移传感器23的集合；传感器23固定在一高度调整块24上，调整块可沿一竖直的滑轨支架25上、下移动；不具备垂直方向自动定位功能；由自备电池或外接直流供电器驱动。使用时依靠手工分别调整传感器触针231的垂直和水平位置，检测过程中行走机构拖带传感器水平直线移动，试件26的表面形貌信息由传感器触针仿形取得，再经过数据处理，最后由液晶显示器223显示计算结果。目前长度小于120mm(不包括传感器)、重量小于1.5kg的袖珍型产品已经广泛使用。这类仪器的不足之处为：其一，仪器结构过于简单，只能进行单线检测，没有扩展功能的余地，不能进行三维表面形貌测量。其二，受仪器结构和传感器动态范围的限制，不能适应对旋转体或凹凸体等非平面试件的检测，其原因与立柱式结构的形貌仪相同；其三，使用的小型微位移传感器，其动态范围和精度都差于立柱式仪器所用传感器，使上述缺陷显的更加突出。

本发明的目的是为克服常规表面形貌仪的缺陷，提出一种框架式结构自适应表面形貌仪，使其不但能够进行大型或超大型部件的二维、三维表面形貌测量，以及凹凸体或旋转体等非平面形状试件的二维、三维表面形貌测量，便于在各种情形的生产现场进行测量，而且具有结构简单、操作方便、测量速度快、精度高等优点。

本发明提出一种框架式结构自适应表面形貌仪，由一块组装平台和三根以上立柱组成框架，该组装平台上面装有一组由微分细化步进电机驱动作X-Y-Z三个方向的直线运动的模块组成的三轴工作台；其中，所说的负责垂直方向移动的Z轴模块的运动部件上装有吊架，该吊架上安装有微位移传感器，以及控制该传感器在框架的三维空间里作任意曲线移动的计算机及存贮在其中的自适应测量程序。所说的传感器还连有对其输出信号进行放大的前置放大器；该前置放大器可由激励信号发生器、交流差动信号处理器、可变增益有源低通滤波器这三部分组成。所说的立柱安装有可微调的机构，使其长度可微调，该立柱底部可安装磁性柱座和护套。所说的直线运动模块包括小螺距精密滚珠丝杠和精密直线滚珠轴承及相应的安装附件：所说的Z轴运动模块还可配装精密细分光栅尺。

利用本发明所述的自适应框架总成及自适应测量技术可以设计制造出功能独特地框架式结构自适应表面形貌测量仪；这种结构的仪器实现了在生产现场检测：解决了非平面形状试件、大型及超大型部件的二维、三维表面形貌测量这三道难题，为表面形貌测量技术开拓出一个新的领域；具有广阔的市场前景。

附图简要说明：

图1为已有的一种立柱式结构表面形貌测量仪示意图。

图2为已有的一种便携式结构表面形貌测量仪示意图。

图3为本发明的安装平台与立柱结构实施例示意图。

图4为本发明的x-y双轴直线运动模块结构实施例示意图。