一种触针式轮廓仪传感器静态及动态特性的检定装置

技术领域

本发明属于测量装置检定技术领域，更具体地，涉及一种触针式轮廓 仪传感器静态及动态特性的检定装置。

背景技术

目前，高端表面形貌的检测需要达到几个mm范围、纳米级分辨率的 水平。触针式传感器处于触针式轮廓仪的输入端，是整个轮廓仪系统的首 要环节，其性能直接影响仪器系统精度特性。为了适应高端表面形貌的检 测要求，触针式轮廓仪传感器的动、静态特性要求也越来越高。

根据触针式表面粗糙度测量仪校准规范，校检项目中对于触针式轮廓 仪传感器的校检存在三点不足之处。第一，校检项目中，对触针式轮廓仪 传感器静态特性检定，采用刻线样板，其检定范围小。第二，静态检定时， 采用粗糙度参数如Ra(Ra指轮廓算术平均偏差)的示值误差作为误差评定， 数据处理时本身采用了平均效应，缺乏对触针式轮廓仪传感器全范围多个 单点测量的误差评定。第三，整个校检项目不足以检测传感器的动态性能， 即跟随表面形貌快速变化的性能。触针式表面粗糙度测量仪的动态测量校 准设备，采用的是多刻线粗糙度标准样板。多刻线粗糙度标准样板具有高 的精度，但是多刻线粗糙度样板的表面形貌单一，与实际待检测表面形貌 差别大，在校检的过程中不能完全反应触针式轮廓仪传感器在测量实际的 表面形貌时的跟随性能。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种触针式轮廓仪传感 器静态及动态特性的检定装置，旨在解决现有技术中对触针式轮廓仪传感 器检定采用刻线样板，其检定范围小、动态检定时跟随性能检定不充分且 缺乏对触针式轮廓仪传感器全范围多个单点误差评定的问题。

本发明实施例提供了一种触针式轮廓仪传感器静态及动态特性的检定 装置，包括静态位移发生装置、镶嵌在所述静态位移发生装置上的动态位 移发生装置以及用于将静态位移发生装置和动态位移发生装置的位移变化 信号转化为光学信号的位移测量装置；所述静态位移发生装置包括：底座、 右轴承座、左轴承座、滚珠丝杠、斜块、x向直线导轨滑块、第一直线导轨、 第二直线导轨、z向工作台和z向支撑架；斜块固定在x向直线导轨滑块上， x向直线导轨滑块安装在第一直线导轨上，第一直线导轨与底座固定连接； 滚珠丝杠从斜块的中心穿过且两端分别固定在右轴承座和左轴承座上；第 二直线导轨固定在斜块的斜面上；z向工作台与z向支撑架连接，z向支撑 架与底座连接；z向工作台与第二直线导轨之间通过滑动摩擦将第二直线导 轨的x向移动转化为z向工作台的z向运动。

更进一步地，滚珠丝杠包括螺杆、螺母和滚珠，螺杆的一端与外部的 电机连接，另一端从斜块的中心穿过后固定在左轴承座上，螺母通过柔性 铰链与斜块固定连接。

更进一步地，所述斜块包括：斜面、位于斜面中心位置的下方的前、 后两个L型侧壁以及连接所述两个L型侧壁的后壁；斜面上具有用于与第 二直线导轨固定连接的螺纹孔；后壁上具有N个通孔，一个通孔位于后壁 的中心位置且用于使所述螺杆穿过；另N-1个通孔围绕所述一个通孔对称 布置且用于与柔性铰链固定连接；所述N为大于等于5的奇数；前、后两 个L型侧壁的下端伸出斜面宽度部分分别具有一个通孔，两个通孔位于L 型侧壁左右方向的中心位置且与斜块的前后方向上对称布置。

更进一步地，所述斜块的斜面的倾斜度为1∶3～1∶50。

更进一步地，所述z向工作台包括位于中心的柔性部分和外围的刚性 部分；所述刚性部分与所述柔性部分通过柔性铰链连接；所述刚性部分具 有两个中心对称的长方形凸台；所述长方形凸台的外侧与z向工作台的背 面垂直。

更进一步地，所述动态位移发生装置包括压电陶瓷，压电陶瓷镶在z 向工作台中，压电陶瓷的下端面与z向工作台的刚性部分胶接，压电陶瓷 的上端面与z向工作台的柔性部分的下端面胶接。

更进一步地，所述位移测量装置包括：光路支撑板，位于光路支撑板 两侧的第一反射镜和第二反射镜，衍射光栅、位于衍射光栅的两路衍射光 光路上的第三反射镜和第四反射镜，棱镜安装座，依次与棱镜安装座固定 的1/4波片、第一分光棱镜和第二分光棱镜，分别安装在第一分光棱镜两侧 的1/4波片和第三分光棱镜，以及分别位于四路出射光位置的光电接收器； 所述第三反射镜与L型支撑座粘接，所述第四反射镜与可调整支撑座粘接， 所述第三分光棱镜旋转45°角。

本发明提供检定装置可实现高端表面形貌轮廓仪的触针式传感器进行 静、动态检测；填补了国内在触针式轮廓仪传感器动态跟随性能检定上的 空白，同时大大增加了检定的范围。该检定装置的测量值可直接溯源到长 度基准，具有检定精度高、检测速度快、结构简单、成本低等特点。可以 检定装置用于高精度的触针式轮廓仪传感器检验，静态检定范围达10mm， 垂直分辨率达5nm，位置精度达5nm，动态检定频率小于等于200Hz，动 态检定幅值达8μm。

附图说明

图1为本发明实施例提供的触针式轮廓仪传感器静态及动态特性的检 定装置的原理框图；

图2为本发明实施例提供的触针式轮廓仪传感器静态及动态特性的检 定装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的触针式轮廓仪传感器静态及动态特性的检 定装置中静态位移发生装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的静态位移发生装置中斜块的立体结构图；

图5为本发明实施例提供的静态位移发生装置中z向工作台的局部示 意图；

图6(a)为本发明实施例提供的静态位移发生装置中z向工作台的主 视图；图6(b)为本发明实施例提供的静态位移发生装置中z向工作台的 俯视图；

图7(a)为本发明实施例提供的触针式轮廓仪传感器静态及动态特性 的检定装置中位移测量装置的俯视图；图7(b)为本发明实施例提供的触 针式轮廓仪传感器静态及动态特性的检定装置中位移测量装置的左视图；

图8为本发明实施例提供的触针式轮廓仪传感器静态及动态特性的检 定装置中位移测量装置的光路原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例具体涉及触针式轮廓仪传感器的静、动态特性的检定， 尤其涉及高端表面形貌检测的触针式轮廓仪传感器的静、动态特性检测； 图1示出了本发明实施例提供的检定装置的结构，该检定装置包括：静态 位移发生装置110、动态位移发生装置120和位移测量装置130；静态位移 发生装置110是整个系统支撑，动态位移发生装置120镶嵌在静态位移发 生装置110上，与静态发生装置共用z向工作台31，位移测量装置130的 衍射光栅30安装在z向工作台31上，将静、动态位移发生装置的位移变 化信号转化为光学信号。处于该检定装置可对高精度触针式轮廓仪传感器 的静态位置检测精度、动态跟随性能进行检定。静态检定时，由x向步进 电机2驱动静态位移发生装置110产生位移，此时动态位移发生装置120 与静态位移发生装置110相对位置保持不变，位移测量装置130测量衍射 光栅30的位移作为标准信号，与触针式轮廓仪传感器测量的衍色光栅30 位移信号进行比对，实现静态检定。动态检定时，由动态位移发生装置120 产生连续的位移曲线，位移测量装置130测量衍射光栅的位移曲线信号作 为标准信号，与触针式轮廓仪传感器的测量衍色光栅的位移曲线信号进行 比对，实现动态检定。

触针式轮廓仪传感器静、动态特性检定装置工作原理：静态特性检定 时，由计算机发出静态驱动位移信号，通过静态位移发生装置驱动衍射光 栅到达指定位置，位移测量装置测量出标准位移输出，比较触针式轮廓仪 传感器的测量数值，得出检定结果；动态特性检定时，由计算机发出动态 驱动位移信号，通过动态位移发生装置驱动衍射光栅运动，位移测量装置 测量出标准的位移输出，比较触针式轮廓仪传感器的测量数值，得出检定 结果。

本发明公开的触针式轮廓仪传感器静、动态特性的检定装置由静态位 移发生装置、动态位移发生装置、位移测量装置及光电接收器组成。位移 发生装置产生的静、动态位移由位移测量装置测量，作为标准位移输出。 检定时，位移发生装置发生标准的静、动态位移，并分别由待检触针式轮 廓仪传感器感测，传感器感测结果与标准位移输出对比，得出传感器静、 动态特性的检定结果。本发明的优点是：结构简单、检定精度高、检定范 围大、成本低等特点。静态检定范围0～10mm、垂直分辨率可达5nm，位置 精度达到5nm，动态检定频率范围小于等于200Hz，动态检定幅值达到8μm。

在本发明实施例中，如图2、图3所示，静态位移发生装置110由底 座1、电机支架2、电机3、弹性联轴器4、右轴承座垫块5、右轴承座6、 滚珠丝杠7、滚珠丝杠螺母35、柔性铰链36、斜块37、直线导轨滑块38、 第一直线导轨39、左轴承座40、左轴承座垫块41、第二直线导轨34、z向 工作台31、交叉滚柱导轨42、z向支撑架33组成，滚珠丝杠7两端由左轴 承座40和右轴承座6支撑，左轴承座40对齐底座1的左端面，通过左轴 承座垫块41与底座1连接，右轴承座6通过右轴承座垫块5与底座1连接， 滚珠丝杠7的右端与电机3的输出端通过弹性联轴器4相连接，电机支架2 下端前侧与底座1上端固定连接，电机支架2右端与电机3固定连接，滚 珠丝杠7与滚珠丝杠螺母35构成螺旋副，柔性铰链36两端面分别与斜块 37以及滚珠丝杠螺母35固定。斜块37跨过滚珠丝杠7和柔性铰链36固定 于直线导轨滑块38上，直线导轨滑块38与第一直线导轨39构成滚动副， 第一直线导轨39与底座1固定连接，直线导轨34与z向工作台31之间构 成直线滑动副，直线导轨34与斜块37固定连接，z向工作台31与z向支 撑架33之间通过交叉滚珠导轨42连接，z向支撑架33与底座1固定连接。

在本发明实施例中，滚珠丝杠7从柔性铰链36与斜块的中心穿过，充 分利用空间，减少了整个结构的尺寸。滚珠丝杠螺母35通过柔性铰链36 来驱动斜块37做x向运动。斜块37固定在直线导轨滑块38上，直线导轨 滑块38安装在第一直线导轨39上，第一直线导轨39通过螺钉与底座1相 连。柔性铰链36使滚珠丝杠螺母35与斜块37之间的连接为柔性连接，可 消除滚珠丝杠7变形引入的运动误差，提高传动的平稳性，同时柔性铰链 36还能消除部分因工件加工引入的误差，便于整体结构的安装。此外，还 能保证斜块37沿x向运动的直线度仅由直线导轨39与直线导轨滑块38之 间的滚动副决定，从而提高斜块37的运动精度及运动平稳性。利用滚珠丝 杠的大范围驱动达到整个静态位移发生装置的大范围要求，通过选用小导 程的滚珠丝杠，可以提高静态位移发生装置的驱动分辨率。第二直线导轨 34固定在斜块37上，利用第二直线导轨34的高性能表面进行高精度的导 向，减少了斜块的加工工序，同时提高从x到z方向运动换向过程中的响 应速度与稳定性。斜块的倾斜度，不仅起到换向作用，还对驱动信号进行 了机械结构的细分，将x向运动细分为z向的运动，提高驱动的分辨率。z 向工作台31与第二直线导轨34之间通过滑动摩擦副，将导轨的x向移动 转化为z向工作台31的z向运动。z向支撑架33与底座1通过螺钉连接。 交叉滚柱导轨42将z向支撑架33与z向工作台31连接，对z向工作台31 起导向作用，确保z向工作台31的工作范围与运动精度。

静态位移发生装置110采用滚珠丝杠驱动实现x向工作台的大范围进 给，依靠直线导轨的导向作用来维持x运动的直线度与运动平稳性。斜块 上直线导轨与Z向工作台31之间的直线副将x向运动转化为z向运动，直 线导轨的高平面度来保证换向的平稳性与运动的可控性。同时，由步进电 机的电子细分与斜块的机械结构细分实现z方向的高驱动分辨率。解决了 传统检测手段检定范围小的问题，实现了静态检测大范围与高驱动分辨率 的驱动方式。动态位移发生装置通过压电陶瓷驱动衍射光栅运动，整个动 态位移发生装置结构简单，驱动可靠。利用压电陶瓷的驱动曲线与驱动电 压曲线相似的特点，可以产生多变的可控位移驱动，从而使触针式轮廓仪 传感器在检测过程中与实际测量过程中的工况更加接近，更好的反应检定 触针式轮廓仪传感器在实际测量状态的动态特性。驱动位移测量装置基于 光栅衍射位移测量原理实现，光栅信号设计成相位差相差90°的四路信号， 提高光电信号的相位精度和电子学倍频能力，提高了整个检测系统的精度 与可靠性。

在本发明实施例中，滚珠丝杠7由螺杆71、螺母35和滚珠73组成； 螺杆71从柔性铰链与斜块的中心穿过，充分利用空间，减少了整个结构的 尺寸。滚珠丝杠螺母35通过柔性铰链36来驱动斜块37做x向运动。斜块 37固定在直线导轨滑块38上，直线导轨滑块38安装在第一直线导轨39上， 直线导轨39通过螺钉与底座1相连。柔性铰链36使滚珠丝杠螺母35与斜 块37之间的连接为柔性连接，可消除滚珠丝杠7变形引入的运动误差，提 高传动的平稳性，同时柔性铰链36还能消除部分因工件加工引入的误差， 便于整体结构的安装。此外，还能保证斜块37沿x向运动的直线度仅由直 线导轨39与直线导轨滑块38之间的滚动副决定，从而提高斜块37的运动 精度及运动平稳性。利用滚珠丝杠的大范围驱动达到整个静态位移发生装 置的大范围要求，通过选用小导程的滚珠丝杠，可以提高静态位移发生装 置的驱动分辨率。

在本发明实施例中，静态位移发生装置110工作过程为：计算机发出 位移信号，步进电机旋转带动滚珠丝杠旋转，在螺旋副的作用下，滚珠丝 杠螺母产生x方向的移动。斜块由柔性铰链连接滚珠丝杠螺母，在滚珠丝 杠螺母的驱动下，由斜块下方的直线导轨进行导向，进行x方向的运动。 斜块上方固定一个直线导轨，导轨上表面与固定的圆柱构成直线副。从而， 实现z向工作台31沿着交叉滚珠导轨42在z方向上的运动。利用滚珠丝杠 的大范围行程，达到静态位移发生装置的大范围驱动要求。同时选用小导 程的滚珠丝杠、对步进电机的驱动细分以及斜块的机械结构细分，使整个 静态位移发生装置满足大范围与高驱动分辨率的要求。整个测量都可全范 围、单点进行，因此可以对触针式轮廓仪传感器的全范围多点测量精度进 行评定，解决了传统检测只能在粗糙度范围内的示值误差评定的不足。

如图4所示，斜块37的斜面倾斜度为斜面倾斜的程度，用正切值计量 其大小；斜块37的斜面倾斜度的范围为1∶3～1∶50；当倾斜度小于1∶3时， 虽然静态驱动的范围更大，但斜块起到的机械结构细分作用有限，从而静 态驱动过程中的静态驱动分辨率低，达不到要求的高分辨率要求。倾斜度 大于1∶50时，细分效果更加明显，然而机械加工的难度增大，而且会降低 整个静态驱动的工作范围，不能满足静态驱动大范围的要求。

斜块37的顶面是斜面A，倾斜度在斜度范围中选取。斜面上加工了2 个螺纹孔，用于直线导轨的安装。斜面中心位置的下方由前L型侧壁B、 后L型侧壁D及连接L型的后壁C组成。后壁C上有1大4小的五个通孔。 大孔位于后壁C的中心位置，4个小孔围绕大孔布置且关于大孔左右、上 下两两对称。组装时丝杠从大孔中心穿过，四个小孔用于与柔性铰链36的 固定连接。从上往下看，前后L型侧壁B、C的下端伸出斜面宽度部分分 别加工一个通孔。两个通孔的位置关于斜块的前后方向上对称，且位于L 型侧壁左右方向的中心位置。

如图5、6(a)、6(b)所示，Z向工作台31由外围的刚性部分和中心 的柔性部分组成；刚性部分与柔性部分之间通过如图6(a)所示的柔性铰 链结构连接。其中柔性部分相对于刚性部分可以产生相对的位移，其原理 是通过薄的钢板发生弹性变形，并通过悬臂梁式结构对弹性变形进行放大。 从图6(b)中可知，z向工作台31有两个突出的长方形凸台，凸台相对于 中心对称。凸台的外侧与z向工作台31的背面垂直。

第二直线导轨34固定在斜块37上，利用直线导轨34的高性能表面进 行高精度的导向，减少了斜块的加工工序，同时提高从x到z方向运动换 向过程中的响应速度与稳定性。斜块的倾斜度，不仅起到换向作用，还对 驱动信号进行了机械结构的细分，将x向运动细分为z向的运动，提高驱 动的分辨率。z向工作台31与直线导轨34之间通过滑动摩擦副，将导轨的 x向移动转化为z向工作台31的z向运动。z向支撑架33与底座1通过螺 钉连接。交叉滚柱导轨42将z向支撑架33与z向工作台31连接，对z向 工作台31起导向作用，确保z向工作台31的工作范围与运动精度。

电机3通过电机支架2与底座1相连，由螺钉完成电机的固定。弹性 联轴器4将电机3与滚珠丝杠7连接，将电机3的转动转化为滚珠丝杠7 的转动，滚珠丝杠7由左轴承座40和右轴承座6进行支撑。左轴承座垫块 41和右轴承座垫块5分别调整左、右轴承座中心轴线与底座的距离，使滚 珠丝杠7与电机3的中心轴线重合，保证转动过程的运动精度。

衍射光栅30安装在z向工作台31上，其位移与z向工作台31相同， 衍射光栅30的上端面提供触针式轮廓仪传感器的输入信号，衍射光栅的位 移信号由位移测量系统测量获取。

在本发明实施例中，触针式轮廓仪传感器的动态位移发生装置120由 压电陶瓷32、z向工作台31、z向支撑架33等构成。如图4所示，压电陶 瓷32镶在z向工作台31中，下端面与z向工作台31的刚性结构处胶接， 上端面与z向工作台31的柔性部分的下端面胶接，z向工作台31、交叉滚 柱导轨42、z向支撑架33及底座1的连接与静态检定装置相同。

动态位移发生装置120工作过程为：根据动态驱动曲线(正旋波曲线、 三角波曲线、方波曲线等)，由计算机发出相应的驱动指令，PZT驱动根据 计算机信号驱动压电陶瓷32，使压电陶瓷32根据驱动曲线来进行上下伸缩 运动，通过z向工作台31的柔性部分连接衍射光栅30，从而驱动衍射光栅 30与柔性部分共同进行与驱动曲线相同的运动。动态测量过程中压电陶瓷 32的位移曲线与驱动电压信号曲线类似，因此可以灵活的调整动态测量的 驱动曲线，检定时与多刻线样板相比，更能反应出零件表面形貌复杂多变 的特点，从而更全面、更可靠、更精确的检定触针式轮廓仪传感器的动态 特性。

如图7(a)、7(b)、图8所示，位移测量装置130的结构为：激光器 44置于光路支撑板11后侧，第一反射镜45、第二反射镜27分别安装在光 路支撑板11两侧，衍射光栅30下端与z向工作台31的柔性部分上端连接， 第三反射镜10、第四反射镜24分别置于两路衍射光光路上，第三反射镜 10与L型支撑座9粘接，第四反射镜24与可调整支撑座23粘接，1/4波片 22、第一分光棱镜14、第二分光棱镜15依次与棱镜安装座12固定，1/4 波片25、第三分光棱镜21分别安装于第一分光棱镜14的两侧，其中第三 分光棱镜21旋转45°；光电接收器13、17、19、20分别安装于四路出射光 位置。

激光器44由v型夹块43固定于光路底座11上。内套筒28置于外套筒 26内部，外套筒26由螺钉29固定在光路底座11上。第一反射镜45与第 二反射镜27分别安装在外套筒26与内套筒28的端面上，两反射镜的镜面 与套筒的中心轴线呈45°。通过两面反射镜将激光器44发出的激光光路底 座11背面移到正面，完成水平面的平移。第三反射镜10粘接在L型支撑 座9上，改变-1级衍射光的传播方向。1/4波片25调整-1级衍射光的偏振 光的偏振方向。第四反射镜24粘接在可调整支撑座23上，通过调整23使 第四反射镜的角度发生微小改变，从而使+1级衍射光与-1级衍射光在分光 棱镜处无光程差的相交。1/4波片22起调相作用，使+1级衍射光与-1级衍 射光的到达第一分光棱镜14的相位一致。1/4波片25、22通过螺钉固定在 棱镜安装座12上，棱镜安装座固定于光路底座11上。第二分光棱镜15与 第一分光棱镜14平行放置，从第一分光棱镜发出的光路经第二分光棱镜15 分光面后分成两路发出。第三分光棱镜21的安装与第一分光棱镜14成45° 角，从第一分光棱镜发出的另一路光经第三分光棱镜21后分成两路发出。 光电接收器13、16由L型夹板17夹靠在第二分光棱镜的两出射光平面上， 光电接收器19、20由L型夹板18夹靠在第三分光棱镜的两出射光平面上， 分别接收四路光信号。

位移测量装置130的工作原理为：从半导体激光器44发出的光，经反 射镜45、27照射到衍射光栅上，光衍射后分成两路。一路沿反射镜10照 射到1/4波片25，进行相位调制。另一路沿反射镜24照射到1/4波片25， 进行相位调制。由相互垂直的线偏振光变为旋向相反的两圆偏振光，两路 光经相位调制后到达分光棱镜14处，经分光棱镜15、21后变成四路位相 依次相差90°的干涉信号。四路信号的分离，提高了整个检测的精度和可靠 性。四路信号(a、b、c、d)两两进行差动放大，输入后续的处理电路，即 可得到光栅移动的位移信息。

本发明提供检定装置可实现高端表面形貌轮廓仪的触针式传感器进行 静、动态检测；填补了国内在触针式轮廓仪传感器动态跟随性能检定上的 空白，同时大大增加了检定的范围。该检定装置的测量值可直接溯源到长 度基准，具有检定精度高、检测速度快、结构简单、成本低等特点。可以 检定装置用于高精度的触针式轮廓仪传感器检验，静态检定范围达10mm， 垂直分辨率达5nm，位置精度达5nm，动态检定频率小于等于200Hz，动 态检定幅值达8μm。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。