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专利名称：一种圆弧式轮廓仪测头及其测量方法
技术领域：
本发明属于测量装置技术领域，具体涉及一种通过圆弧光栅传感器记录杠杆转动角度来准确计算前端测头探针位置的的轮廓仪测头。背景知识轮廓仪在结构一般采用杠杆结构。在测量过程中，杠杆前端的触针会随着被测表面轮廓的起伏而绕着杠杆支点转动，与触针相连的杠杆后端与会随之转动，传感器的通过电感测微电路或光电接收器等位移探测装置获得这一信号并将其转换成与触针位移成比例的电信号，经过A/D转换后送入计算机进行数据处理后就可输出表面粗糙度参数及表面轮廓图形。然而，杠杆位移传感器由于采用杠杆结构，在测量过程中杠杆总是要绕其支点旋转，触针走过的轨迹是一段弧线，这会不可避免地引起测量误差，而且测量误差会随着量程的增大而增大，从而产生量程和测量精度的矛盾，使得杠杆触针式轮廓仪的量程受到极大的限制。华中科技大学研发的大量程轮廓测量系统(Yang Xudong，Xie Tiebang. Alarge range non-contact profilometer. Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering, Third International Symposium on Precision Mechanical Measurements, 2006, ν 6280 I :628014)，通过零点追踪的方式让杠杆的偏转角度停留在一个很小的角度以避免较大的误差。但这种方案有结构复杂，影响测量效率等缺点。

发明内容
针对以上问题，本发明提出了一种圆弧式轮廓仪，该轮廓仪具有结构简单、测量范围大、测量精度高和成本低等特点。本发明提供了一种圆弧式轮廓仪测头，包括精密回转轴、精密轴承、精密圆弧块、 光栅传感器、连杆和探针；所述头端连杆、中端连杆和尾端连杆依次刚性头尾相接，头端连杆和尾端连杆相互平行，中端连杆分别与头端连杆和尾端连杆垂直；所述头端连杆的头端固定连接有探针，尾端连杆的中间设置有精密圆弧块，该精密圆弧块上面上贴有光栅。所述精密圆弧块中间设置有圆孔，精密圆弧块通过圆孔内接轴承；所述轴承内圈设置有与其配合的回转轴。所述回转轴外端有轴承内圈压紧螺母和轴承外圈压紧盖，回转轴里端固定在安装架上。所述回转轴内端固定在安装架上。所述读数头设置在光栅上面。所述圆弧式轮廓仪测头的测量方法，包括如下步骤(1)测量开始、通过标准量块标定出探针触端位置与圆弧块表面光栅读数关系；(2)测头固定测量机或数控机床上，按照测量轨迹移动，保持探针触端与曲面紧密接触；(3)移动过程中采集测头位置数据，同时采集测头光栅数据；(4)复合测头位置数据和测头光栅数据，处理得出被测曲面轨迹；
(5)测量完成。本发明提供的圆弧式轮廓仪测头主要包括探针、连杆、精密圆弧块、光栅传感器、 精密回转轴和精密轴承等组成。其特征在于在测头回转轴上装有精密的圆弧块，圆弧块上贴有光栅。通过直接测量测头的回转角度来得到测头探针尖端的准确位置，这样既可以避免传统轮廓仪测头杠杆前端几何非线性误差又可以扩大测量范围。让测头的回转角度不再是限制测量精度和测量范围致命因素。另外，由于本发明是直接记录测头的回转角度，所以又可以避免传统轮廓仪所具有的由杠杆转动角度与传感器输出的位移探测信号之间的非线性关系而产生的测量误差。


图1是本发明的正面示意图；图2是本发明的侧面剖视图；图3是本发明的测量方法流程图；其中1探针，2头端连杆，3中端连杆，4尾端连杆，5精密圆弧块，6光栅，7限位块， 8安装架，9读数头，10轴承，11回转轴，12轴承内圈压紧螺母，13轴承外圈压紧盖。
具体实施例方式参见图1-2，一种圆弧式轮廓仪测头，包括精密回转轴、精密轴承、精密圆弧块、光栅传感器、连杆和探针；所述头端连杆、中端连杆和尾端连杆依次刚性头尾相接，头端连杆和尾端连杆相互平行，中端连杆分别与头端连杆和尾端连杆垂直；所述头端连杆的头端固定连接有探针，尾端连杆的中间设置有精密圆弧块，该精密圆弧块上面上贴有光栅。所述精密圆弧块中间设置有圆孔，精密圆弧块通过圆孔内接轴承；所述轴承内圈设置有与其配合的回转轴。所述回转轴外端有轴承内圈压紧螺母和轴承外圈压紧盖，回转轴里端固定在安装架上。所述回转轴内端固定在安装架上。所述读数头设置在光栅上。面。通过直接测量测头的回转角度来得到测头探针尖端的准确位置，这样既可以避免传统轮廓仪测头杠杆前端几何非线性误差又可以扩大测量范围。让测头的回转角度不再是限制测量精度和测量范围致命因素。另外，由于本发明是直接记录测头的回转角度，所以又可以避免传统轮廓仪所具有的由杠杆转动角度与传感器输出的位移探测信号之间的非线性关系而产生的测量误差。图中探针1在被测物上滑动时，精密圆弧块、头端连杆、中端连杆和尾端连杆一起围绕回转轴作精密转动，读数头通过光栅记录精密圆弧块的转动距离S, S除以精密圆弧块的半径得到测头的回转角度，再通过正余玄关系计算探针尖端到回转中心的X，Y坐标距离。然后加上回转中心在轮廓仪坐标空间中位置就可以计算出被测物每一点的准确坐标位置。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方式
仅限于此，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的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
权利要求
1.一种圆弧式轮廓仪测头，其特征在于包括精密回转轴、精密轴承、精密圆弧块、光栅传感器、连杆和探针；所述头端连杆、中端连杆和尾端连杆依次刚性头尾相接，头端连杆和尾端连杆相互平行，中端连杆分别与头端连杆和尾端连杆垂直；所述头端连杆的头端固定连接有探针，尾端连杆的中间设置有精密圆弧块，该精密圆弧块上面上贴有光栅。
2.如权利要求1所述一种圆弧式轮廓仪测头，其特征在于所述精密圆弧块中间设置有圆孔，精密圆弧块通过圆孔内接轴承；所述轴承内圈设置有与其配合的回转轴。
3.如权利要求2所述一种圆弧式轮廓仪测头，其特征在于所述回转轴外端有轴承内圈压紧螺母和轴承外圈压紧盖，回转轴里端固定在安装架上。
4.如权利要求2所述一种圆弧式轮廓仪测头，其特征在于所述回转轴内端固定在安装架上ο
5.如权利要求2所述一种圆弧式轮廓仪测头，其特征在于所述读数头设置在光栅上
6.基于权利要求1所述圆弧式轮廓仪测头的测量方法，其特征在于 包括如下步骤(1)测量开始、通过标准量块标定出探针触端位置与圆弧块表面光栅读数关系；(2)测头固定测量机或数控机床上，按照测量轨迹移动，保持探针触端与曲面紧密接触；(3)移动过程中采集测头位置数据，同时采集测头光栅数据；(4)复合测头位置数据和测头光栅数据，处理得出被测曲面轨迹；(5)测量完成。
全文摘要
本发明公开了一种圆弧式轮廓仪测头及其测量方法，该圆弧式轮廓仪测头包括探针、连杆、精密圆弧块、光栅、回转轴和精密轴承组成。本测头通过直接测量精密圆弧块的转动角度来准确得到探针尖端的实际坐标，从而避免传统轮廓仪测头所具有针尖实际坐标和测得坐标有偏差和由杠杆转动角度与传感器输出的位移探测信号之间的非线性关系而产生的测量误差等缺点。消除了转动角度对量程的限制，具有测量量程大、结构简单和精度高等优点。
文档编号G01B11/24GK102183217SQ201110064718
公开日2011年9月14日 申请日期2011年3月17日 优先权日2011年3月17日
发明者张良, 王昊, 费致根, 郭俊杰 申请人:西安交通大学