一种接触式扫描测头及其测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种接触式扫描测头及其测量方法。它以气浮轴承为旋转轴，测量杆的摆臂的顶端为一个圆弧面,它的圆心与气浮轴承的旋转中心重合，圆弧光栅贴合在圆弧面上，摆臂的底端与气浮轴承连接；圆弧光栅读数头固定在测量杆的正上方；测量臂的一端固定在气浮轴承上，另一端安装红宝石测针。本发明基于杠杆原理，借助于一个小型的气浮轴承，提供了一种低接触力、高精度、可扫描的测量机构，实现对工件面形的快速检测。本发明提供的测头与检测工件的接触力可调整到无限小，杠杆的旋转中心采用小型的气浮轴承，从而保证了检测精度。同时，采用传统的光栅检测单元，在同等精度条件下大幅降低了设备的成本。
【专利说明】一种接触式扫描测头及其测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种低接触力、高精度、可扫描的测头及其测量方法，属于光学非球面、自由曲面的检测和制造【技术领域】。
【背景技术】
[0002]非球面的检测一直是非球面加工过程中的关键技术。目前除了英国的TaylorHobson外，在接触式检测仪器中，几乎找不到其它方便的非球面检测设备。三坐标联动测量装置是目前非球面加工中常用的设备，但其测量速度比较慢，且精度低于2个微米的设备价格昂贵。另外，基于测长仪的轮廓检测系统也用于目前的非球面检测，但这一系统不仅测量速度慢，并且它与工件的接触力比较大，难以满足非球面加工的检测要求。目前，加工的非球面一般都选择了英国的Taylor Hobson作为检测手段。但这一设备价格高，且维修成本也很高。
[0003]非球面的加工需要一种低成本，且在与工件低接触力条件下，能实现快速且高精度的检测手段。
【发明内容】
[0004]本发明针对现有非球面检测技术所存在的不足，提供一种结构简单，价格低，且在低接触力条件下，可快速提供被检非球面的高精度轮廓数据的测头及其测量方法。
[0005]实现本发明目的的技术方案是:提供一种接触式扫描测头，它包括测量杆、测量臂和旋转轴；所述的旋转轴为一个气浮轴承；所述测量杆包括摆臂和圆弧光栅，摆臂的顶端为一个圆弧面，所述圆弧面的圆心与气浮轴承的旋转中心重合，圆弧光栅贴合在圆弧面上，摆臂的底端与气浮轴承连接；摆臂的二侧分别安装左限位挡块和右限位挡块；圆弧光栅读数头固定在测量杆的正上方，光栅读数头通过引出的光栅线缆与光栅信号处理装置的光栅信号输入接口连接；所述测量臂的一端固定在气浮轴承上，另一端安装红宝石测针；气浮轴承连接测量臂和测量杆；气浮轴承上安装有接触力调节螺母。
[0006]所述的接触式扫描测头，气浮轴承的径向跳动小于0.1微米。
[0007]本发明技术方案还包括一种采用如上所述的接触式扫描测头的测量方法，包括如下步骤:
(1)将接触式扫描测头固定在水平导轨上；移动水平导轨，把测头移动到被测非球面一端的起始点；将工件与测头的红宝石测针相接触，通过配重调整器调节红宝石测针与工件接触处的接触力；调整工件高度，保证在测头扫描整个非球面过程中，保持光栅读数的有效性；
(2)移动水平导轨，使测头的红宝石测针以0.5?2mm/s范围内的一个固定速度在被测非球面的表面进行扫描；按I?100HZ的采样频率记录水平导轨的位移位置和测头的光栅读数(XiJi),其中，Xi为采样点的水平导轨的位移位置，为测头的光栅读数，即测量杆偏离中心位置的距离； (3)将测量到的数据A)按
Xi = X1-r2 sin(ih&￡a-, Zi = r2 cos(the￡a-1k&tax)进行处理，得到被测非球面的轮廓数据0Λ zi');其中:ih— 二 a tan( —) + ^- , —tax = 4 , ^和分别为测头的测量
?2 Δ Γ1
杆的摆臂长度、测量臂的长度和红宝石测针的长度；
(4)经数据处理，得到被测非球面与理论面形之间的误差数据。
[0008]进一步的技术方案，上述接触式扫描测头的测量方法，T1与的比值为可调节，检测精度随■^与G比值的增大而提高。
[0009]由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点:
1、本发明提供的测头具有目前非球面测量仪所提供的测头的所有优点，其测量精度可通过提高光栅精度得以实现；测头的成本只有英国TalySurf提供的测量仪所带测头的约1/20，可大大节约测量成本。
[0010]2、可通过调节配重，方便的调节测头与工件的接触力；测头的行程(测量范围)可做到几十个厘米，甚至更大，远大于英国Taylor Hobson测头的测量范围，且可保证全测量行程上的测量精度小于0.5微米。
[0011]3、本发明提供的测头不仅可用于测量非球面，它同样适用于任何轮廓检测仪器或三坐标测量仪。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本发明提供的测头的结构示意图；
图2是利用本发明加工的测头检测一个标准平面镜获得的轮廓误差数据；
图3是利用本发明加工的测头检测一个标准球面镜获得的轮廓误差数据；
图中，1、圆弧光栅；2、光栅读数头；3、测量杆的摆臂；4、配重调整器；5、气浮轴承；
6、测量臂；7、红宝石测针；8、光栅线缆；9、测量杆的左限位挡块；10、测量杆的右限位挡块。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步阐述。
[0014]实施例1:
参见附图1，它是本实施例提供的一种接触式扫描测头的结构示意图；测头包括测量杆、测量臂和旋转轴；旋转轴为一个气浮轴承5 ;测量杆包括摆臂3和圆弧光栅1，摆臂3的顶部为一个圆心在气浮轴承5旋转中心的圆弧面，圆弧光栅I贴合在所述的圆弧面上，摆臂3的底部与气浮轴承5连接；测量杆的摆臂3的二侧分别安装测量杆的左限位挡块9和右限位挡块10 ;圆弧光栅读数头2固定在测量杆的正上方；所述测量臂6的一端固定在气浮轴承5上，另一端安装红宝石测针7 ;气浮轴承5连接测量臂6和测量杆；气浮轴承5上安装有接触力调节螺母4 ;光栅读数头2通过引出的光栅线缆8与光栅信号处理装置的光栅信号输入接口连接。
[0015]本实施例中，气浮轴承5的径向跳动小于0.1微米。
[0016]在本实施例中，按本发明技术方案设计加工的测头，将其用于检测一个口径为135mm的标准平面镜。
[0017]本实施例提供的标准平面镜的具体检测步骤如下:
1.将本实施例提供的测头固定在一个数控的水平导轨上。测头的光栅信号线及水平导轨的光栅信号线及数控线缆连接到一个数控系统上。
[0018]2.通过移动水平导轨，把测头移动到标准平镜的左侧，并让工件与测头接触，使光栅读数接近O点。
[0019]3.通过数控系统，使测头随水平导轨按指定的移动速度向标准平镜的右侧移动，同时启动水平导轨和测头光栅读数的实时采样，并把采样数据Oi A)保存的文件。
[0020]4.对测量到的数据(?,Zi)作如下处理:
I
Xi = X1-r2 sm( ikeia -1h&iax)，
I
Zi = r2 cos(lheia- tkeiax)，
其中:Omia = a tan( —) + ^ , Ikstax = , ^和^分别是测头的摆臂长度、测量臂长
Γ2 “rI
度和红宝石测针的长度。在本实施例中:rx = 62.5 , r2 = 82.5 , = 25.0。
[0021]5.对上述处理后的数据?A1)进行分析处理，得到被测平面与理论面形之间的误差数据，其结果如图2所示。
[0022]实施例2:
按实施例1技术方法加工一个测头，用于对一个口径为40mm,曲率半径为_22.5069mm的标准球面镜进行检测。
[0023]本实施例提供的标准球面镜的具体检测步骤如下:
1.如图1所示，设计加工一个实际的气浮测头，并把它固定在一个数控的水平导轨上。测头的光栅信号线及水平导轨的光栅信号线及数控线缆连接到一个数控系统上。
[0024]2.通过移动水平导轨，把测头移动到标准球面镜的左侧，并让工件与测头接触，使光栅读数接近O点。
[0025]3.通过数控系统，使测头随水平导轨按指定的移动速度向标准球面镜的右侧移动，同时启动水平导轨和测头光栅读数的实时采样，并把采样数据(?.?)保存的文件。
[0026]4.对测量到的数据(AA)作如下处理:
I
Xi = K1-r2 sin( ikeia - th&iax)，
Zi = r2cos(theia~ikeiax),
其中:ik— = a tan( j-) + ^ , tkeiax = , ^&和分别是测头的摆臂长度、测量臂长度和红宝石测针的长度。在本实施例中:
5 = 62.5,^=82.5,,3 = 25.0^
[0027]5.对上述处理后的数据ΟΛΑ')进行分析处理，得到被测球面与理论面形之间的误差数据，其结果如图3所示。
【权利要求】
1.一种接触式扫描测头，其特征在于:它包括测量杆、测量臂和旋转轴；所述的旋转轴为一个气浮轴承(5);所述测量杆包括摆臂(3)和圆弧光栅(I )，摆臂(3)的顶端为一个圆弧面，所述圆弧面的圆心与气浮轴承(5)的旋转中心重合，圆弧光栅(I)贴合在圆弧面上，摆臂(3)的底端与气浮轴承(5)连接；摆臂(3)的二侧分别安装左限位挡块(9)和右限位挡块(10);圆弧光栅读数头(2)固定在测量杆的正上方，光栅读数头(2)通过引出的光栅线缆(8)与光栅信号处理装置的光栅信号输入接口连接；所述测量臂(6)的一端固定在气浮轴承(5)上，另一端安装红宝石测针(7);气浮轴承(5)连接测量臂(6)和测量杆；气浮轴承(5)上安装有接触力调节螺母(4)。
2.根据权利要求1所述的一种接触式扫描测头，其特征在于:气浮轴承(5)的径向跳动小于0.1微米。
3.一种采用权利要求1所述的接触式扫描测头的测量方法，其特征在于包括如下步骤: (1)将接触式扫描测头固定在水平导轨上；移动水平导轨，把测头移动到被测非球面一端的起始点；将工件与测头的红宝石测针相接触，通过配重调整器调节红宝石测针与工件接触处的接触力；调整工件高度，保证在测头扫描整个非球面过程中，保持光栅读数的有效性； (2)移动水平导轨，使测头的红宝石测针以0.5?2mm/s范围内的一个固定速度在被测非球面的表面进行扫描；按I?100HZ的采样频率记录水平导轨的位移位置和测头的光栅读数(?),其中，' 为采样点的水平导轨的位移位置，Zi为测头的光栅读数，即测量杆偏离中心位置的距离； (3)将测量到的数据(?,9)按 Xism(iheia-1hetax) , Z1- r2 cos(iketa- tkeiax)进行处理，得到被测非球面的轮廓数据，,,,;其中:—<3 = atan(^) +寻，tkeiax=r和r分别为测头的测量 、xi >zi )r.% “rI 1Λ杆的摆臂长度、测量臂的长度和红宝石测针的长度； (4)经数据处理，得到被测非球面与理论面形之间的误差数据。
4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于:调节^与的比值，检测精度随q与 比值的增大而提高。
【文档编号】G01B11/24GK104197853SQ201410248712
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年6月6日 优先权日:2014年6月6日
【发明者】仇谷烽, 崔旭东 申请人:苏州大学