一种高精度自复位探针式位移测量装置及测量方法与流程

本发明属于型面测量技术领域，具体涉及一种高精度自复位探针式位移测量装置及测量方法。

背景技术：

塔式太阳能热发电技术属于新能源利用技术，近年来在我国得到了很快的发展，并逐步实现商业化。在塔式太阳能热发电系统中，定日镜是用于会聚太阳能的关键聚光设备，定日镜安装的面形精度对聚光效率有重要影响，并直接影响太阳能光热电站的发电效率，因此需要对定日镜整体型面误差进行准确检测。定日镜一般尺寸较大，需要用特定的检测设备才能对其型面进行检测。长度计是一种集光机电于一体的高精度、数字化长度测量传感器，它与数字显示仪或计算机连接以组成长度测量系统，其采用接触式相对测量的方式，可用于对精密机械、光学零部件几何形位公差的精准检测。然而传统长度计虽然精度较高，但一般量程较小，不能用于大尺寸定日镜的整体型面测量。另外，有些类型的长度计虽然采用磁栅尺或光栅尺作为位移传感器，量程也可以做的比较大，但长度计的探针不能实现自动复位，无法实现自动测量，测量效率较低，无法用于大尺寸定日镜的整体型面在线检测。

技术实现要素：

本发明提供了一种高精度自复位探针式位移测量装置及测量方法，以满足太阳能热发电系统中对大尺寸定日镜整体型面的在线测量需求。结合说明书附图，本发明的技术方案如下：

一种高精度自复位探针式位移测量装置，所述测量装置由底部支撑单元、线性运动单元、线性驱动单元和顶部连接单元组成；

所述线性运动单元与线性驱动单元相对地平行安装在底部支撑单元和顶部连接单元之间，所述底部支撑单元和顶部连接单元平行设置，所述线性驱动单元与线性运动单元连接，以控制线性运动单元中的探针15竖直上下运动，实现自动测量和自动复位；

所述线性运动单元还包括位移传感器，以测量探针15在竖直方向上的位移量。

所述底部支撑单元由连接固定底板1、直线轴承ⅰ19和探针挡板22组成，所述直线轴承ⅰ19安装在连接固定底板1上，探针挡板22滑动安装在连接固定底板1的底部，且直线轴承ⅰ19对应处的探针挡板22的上表面与连接固定底板1的下表面共面。

所述底部支撑单元还包括固定在连接固定底板1的下表面的游离端挡板20和固定端挡板21，所述游离端挡板20和固定端挡板21内部均开有槽，所述探针挡板22滑动安装在游离端挡板20和固定端挡板21的槽内，将固定端挡板21槽内的探针挡板22推向游离端挡板20时，探针挡板22将直线轴承ⅰ19的轴孔遮挡，当探针挡板22被推回至固定端挡板21槽内时，直线轴承ⅰ19的轴孔外露。

所述位移传感器为光栅尺或磁栅尺。

所述线性运动单元由连接固定板ⅰ2、导轨端盖3、磁栅尺4、直线导轨5、磁栅尺读数头6、滑块连接板7、探针固定块8和探针15组成，所述连接固定板ⅰ2垂直安装在底部支撑单元上；所述直线导轨5固定安装在连接固定板ⅰ2上；所述直线导轨5的两端安装有导轨端盖3；所述磁栅尺4平行固定在直线导轨5的一侧；探针固定块8与直线导轨5的滑块之间通过所述滑块连接板7连接，所述探针固定块8固定连接在线性驱动单元的滑动端上；所述磁栅尺读数头6与滑块连接板7固定连接，且磁栅尺读数头6的传感面平行覆盖磁栅尺4的表面；所述探针15与直线导轨5平行设置，探针15的一端固定在探针固定块8内，探针15的另一端正对直线轴承ⅰ19的轴孔。

所述探针15上还安装有弹簧16，所述弹簧16活动地套装在探针15上且安装在直线轴承ⅰ19内。

所述线性驱动单元的驱动源为电动丝杠或气动滑台。

所述线性驱动单元由连接固定板ⅱ11、直线轴承ⅱ12、丝母连接板13、导向轴14、导向轴固定块17和丝杠下端固定块18组成；所述顶部连接单元由连接固定上板9和丝杠电机10组成；

所述丝杠电机10安装在连接固定上板9上；所述连接固定板ⅱ11垂直安装在连接固定上板9与底部支撑单元之间；两个所述直线轴承ⅱ12分别配套安装在两个导向轴14上，两个所述直线轴承ⅱ12对称连接在丝母连接板13两侧；丝杠电机10的丝母安装在丝母连接板13内，带动丝母连接板13沿导向轴14同步运动；所述导向轴14两端通过导向轴固定块17安装在连接固定板ⅱ11上，所述丝杠下端固定块18安装在连接固定板ⅱ11下端，以防止丝母运动脱落。

一种高精度自复位探针式位移测量方法，具体过程为：

s1、整线性运动单元的位置使探针15与底部支撑单元的直线轴承ⅰ19的内径重合，且探针15能在竖直方向上下运动，调整线性运动单元中位移传感器的位置，使其处于待测量状态；

s2、拨动探针挡板22使其覆盖直线轴承ⅰ19的轴孔，开启位移传感器的控制器，开启线性驱动单元，使线性驱动单元带动探针15竖直向下运动，直到探针15的末端与探针挡板22接触，获取位移传感器的初始值；

s3、拨动探针挡板22，露出直线轴承ⅰ19的轴孔，设置线性驱动单元的运动速度，然后通过线性驱动单元带动探针15向下运动，当探针15末端穿过直线轴承ⅰ19的轴孔，接触到被测镜表面时，探针15不再向下运动，通过位移传感器获取探针15接触被测镜时所伸出的位移量，在位移传感器初始值的基础上加上该位移量即为探针15测量长度；

s4、完成测量后，线性驱动单元带动探针15竖直向上运动，直到线性驱动单元运动到上极限位置处停止，此时探针15完成测量回到最上端。

当所述位移传感器为磁栅尺，所述线性驱动单元采用电动丝杠时，所述测量方法具体如下：

s1、调整线性运动单元的位置使探针15与底部支撑单元的直线轴承ⅰ19的内径重合，且探针15能在竖直方向上下运动，调整线性运动单元中的磁栅尺读数头6与磁栅尺4位置，使磁栅尺读数头6的传感面覆盖磁栅尺4的表面；

s2、拨动探针挡板22使其覆盖直线轴承ⅰ19的轴孔，开启磁栅尺读数头6的控制器，开启丝杠电机10，使丝杠电机10驱动探针15竖直向下运动，直到探针15的末端与探针挡板22接触，将此时位置设置为磁栅尺读数头6的零点，再将探针15向上移动磁栅尺4的一个脉冲信号，则磁栅尺读数头6记录并存储该数值作为初始值；

s3、拨动探针挡板22，露出直线轴承ⅰ19的轴孔，设置丝杠电机10的运动速度，然后通过丝杠电机10驱动丝母向下运动，进而带动探针15向下运动，当探针15末端穿过直线轴承ⅰ19的轴孔，接触到被测镜表面时，探针15不再向下运动，通过磁栅尺读数头6在磁栅尺4上的竖直运动位移，获取探针15接触被测镜时探针15伸出的位移，在初始值的基础上加上该位移量即为探针15测量长度；

s4、完成测量后，控制丝杠电机10使丝母向上移动，并带动探针15竖直向上运动，直到丝杠电机10的丝母运动到上极限位置处停止，此时探针15完成测量回到最上端由丝母连接板13。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明所述测量装置采用磁栅尺或光栅尺作为位移传感器，以获得较高的测量精度，且量程可以做的很大，满足实际使用需求；

2、本发明所述测量装置采用气动滑台或电动丝杠作为探针竖直上下运动的驱动源，使这种测量装置具有自复位的测量功能，实现了自动测量，很大程度上缩短了检测时间，提高了测量效率。

3、本发明所述测量装置采用面对面工作的形式实现接触式测量，使整个测量装置结构更显紧凑，且测量流程操作简单方便，同时保证较高的稳定性及可靠性，探针随驱动源下落速度可调整，解决了探针升降运动的不可控性，从而可确保探针球头端与被测平面间接触处的作用力减小，避免探针球头端与被测平面间接触处产生形变，保证了测量精度。

附图说明

图1为本发明所述一种高精度自复位探针式位移测量装置的结构示意图；

图2为本发明所述一种高精度自复位探针式位移测量装置的底部结构示意图；

图3为本发明所述一种高精度自复位探针式位移测量装置中，连接固定板ⅰ的结构示意图；图中：

1、连接固定底板，2、连接固定板ⅰ，3、导轨端盖，4、磁栅尺，

5、导轨端盖，6、磁栅尺读数头，7、滑块连接板，8、探针固定块，

9、连接固定上板，10、丝杠电机，11、连接固定板ⅱ，12、直线轴承ⅱ，

13、丝母连接板，14、导向轴，15、探针，16、弹簧，

17、导向轴固定块，18、丝杠下端固定块，19、直线轴承ⅰ，20、游离端挡板，

21、固定端挡板，22、探针挡板，23、直线导轨限位槽，24、磁栅尺限位槽。

具体实施方式

为进一步阐述本发明所述技术方案，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：

如图1所示，本发明提供了一种高精度自复位探针式位移测量装置，在本实施方式中，所述位移测量装置包括底部支撑单元、线性运动单元、线性驱动单元和顶部连接单元；所述线性运动单元通过连接固定板ⅰ2与底部支撑单元的连接固定底板1螺栓固定，所述线性驱动单元通过连接固定板ⅱ11与底部支撑单元的连接固定底板1螺栓固定，所述顶部连接单元通过连接固定上板9分别与连接固定板ⅰ2和连接固定板ⅱ11的上端通过螺栓固定，且连接固定上板9与连接固定底板1平行，线性运动单元和线性驱动单元采用面对面的工作方式平行设置在由连接固定底板1、连接固定板ⅰ2、连接固定板ⅱ11和连接固定上板9所组成的封闭式长方体内。

如图2所示，所述底部支撑单元由连接固定底板1、直线轴承ⅰ19、游离端挡板20、固定端挡板21和探针挡板22组成，所述连接固定底板1位于整个测量装置的地底部，为所述测量装置提供固定支承平台；所述直线轴承ⅰ19与连接固定底板1通过螺栓连接，所述直线轴承ⅰ19的法兰嵌入到连接固定底板1的下表面的槽内，使直线轴承19的法兰的表面沉入连接固定底板1的下表面一定距离，所述游离端挡板20和固定端挡板21均通过螺栓固定在连接固定底板1的下表面，所述游离端挡板20和固定端挡板21内部均开有支撑探针挡板22的矩形槽，所述探针挡板22滑动安装在游离端挡板20和固定端挡板21的矩形槽内，且探针挡板22的上表面与连接固定底板1的下表面共面，当需对探针15的初始位置进行标定时，将固定端挡板21矩形槽内的探针挡板22推向游离端挡板20，使探针挡板22一端支撑在固定端挡板21的槽内另一端支撑在游离端挡板20的槽内，使探针挡板22正好将直线轴承ⅰ19的轴孔完全遮挡，当无需对探针15的初始位置标定时，探针挡板22被推回至固定端挡板21矩形槽内，探针挡板22由固定端挡板21矩形槽两端支撑，直线轴承ⅰ19的轴孔完全暴露出来，使探针15能够自由穿过直线轴承ⅰ19。

如图1和图3所示，所述线性运动单元由连接固定板ⅰ2、导轨端盖3、磁栅尺4、直线导轨5、磁栅尺读数头6、滑块连接板7、探针固定块8、探针15和弹簧16组成，所述连接固定板ⅰ2的下端与连接固定底板1的上表面通过螺栓连接，且连接固定板2垂直安装在连接固定底板1的上表面，并在连接固定底板1的长度方向具有一定范围的调整量；所述连接固定板ⅰ2中间偏上部位，沿连接固定板ⅰ2长度方向开有直线导轨限位槽23，对直线导轨5安装位置进行机械限位，所述直线导轨限位槽23为矩形槽；在直线导轨限位槽23的一侧开有磁栅尺限位槽24，对磁栅尺4安装位置进行机械限位，所述磁栅尺限位槽24为矩形槽；直线导轨限位槽23和磁栅尺限位槽24都具有较高的平面度以保证测量精度。所述直线导轨5安装在直线导轨限位槽23内并通过螺栓与连接固定板ⅰ2固定连接，且直线导轨5的两端安装有导轨端盖3以防止滑块从直线导轨5上滑落，所述导轨端盖3与连接固定板ⅰ2通过螺栓连接；所述磁栅尺4通过自身背部的粘性物质粘接固定于连接固定板ⅰ2上的磁栅尺限位槽24内，且磁栅尺4两端还与连接固定板2通过螺栓连接，防止磁栅尺4背部的粘性物质粘接失效而脱落，所述滑块连接板7一侧与直线导轨5的滑块通过螺栓连接，所述探针固定块8与滑块连接板7的另一侧通过螺栓连接，且探针固定块8在滑块连接板7上具有长度方向一定范围的调整量，探针固定块8与丝母连接板13固定连接，探针固定块8由丝母连接板13自由支撑，探针固定块8随丝杠电机10的丝母同步运动；所述磁栅尺读数头6与滑块连接板7的侧面通过螺栓连接且具有调整功能，满足磁栅尺读数头6的传感面平行于磁栅尺4的表面，且磁栅尺读数头6的传感面覆盖磁栅尺4的表面，并与保证与磁栅尺4的表面间距在1mm左右，以确保磁栅尺读数头6能正确读取随直线导轨5线性运动的位移脉冲信号。所述探针15与直线导轨5平行设置，探针15的一端为平面，探针15的另一端为球面，探针15的平面一端安装在探针固定块8的固定孔内，且通过顶丝固定在探针固定块8内，探针15的球面一端正对底部支撑单元中与之相配合的直线轴承ⅰ19的轴线，且能穿过直线轴承ⅰ19；探针15一端固定另一端游离的方式可使探针15沿直线导轨5竖直上下运动，所述弹簧16内径大于探针15轴径，且弹簧16外径小于直线轴承ⅰ19外径，所述弹簧16套装在探针15上且以自由状态安装在直线轴承ⅰ19上，所述弹簧16的作用是减轻直线导轨5上滑块负载对被测镜面的作用力，以达到保护被测镜面的效果。

所述线性驱动单元由连接固定板ⅱ11、直线轴承ⅱ12、丝母连接板13、导向轴14、导向轴固定块17和丝杠下端固定块18组成，所述连接固定板ⅱ11下端与连接固定底板1通过螺栓连接，且连接固定板ⅱ11垂直安装在连接固定底板1的上表面，所述直线轴承ⅱ12与丝母连接板13通过螺栓连接，两个直线轴承ⅱ12在丝母连接板13两边对称安装，且两个直线轴承ⅱ12分别配套安装在两个导向轴14上，并可在两个导向轴14上做线性运动；所述丝母连接板13的u型槽与丝杠电机10的丝母外径间隙配合，丝母连接板13与丝母的法兰通过螺栓固定连接；所述导向轴14为光轴且两端的端面中心开有内螺纹，导向轴14两端的导向轴固定块17为l型，l型的导向轴固定块17的一边与连接固定板ⅱ11通过螺栓连接，另一边与导向轴14的端面通过螺栓连接，两个导向轴固定块17为一组对一根导向轴14进行固定，两组导向轴固定块17在连接固定板ⅱ11上对称安装且固定两根导向轴14，两个导向轴14在连接固定板ⅱ11上对称安装，保证丝杠电机10的旋转运动转为丝母的直线运动，并保证丝母在运动过程中的平衡稳定，同时使丝母在运动过程中对探针15不产生任何外力的作用，所述丝杠下端固定块18与连接固定板ⅱ11下端通过螺栓连接，所述丝杠下端固定块18对丝杠电机10的丝杠端进行限位，使丝母在运动过程中不发生脱落。

所述顶部连接单元由连接固定上板9和丝杠电机10组成，所述连接固定上板9分别与连接固定板ⅰ2和连接固定板ⅱ11的上端通过螺栓固定，且连接固定上板9与连接固定底板1平行，所述丝杠电机10由电机和丝杠组合而成的一体件(丝杠即为电机输出轴)且丝杠为自锁性强的梯形丝杠，丝杠电机10的法兰安装在连接固定上板9的上表面，与连接固定上板9下表面的沉头孔通过沉头螺栓连接，丝杠电机10的丝杠端与丝杠下端固定块18的圆形槽间隙配合，工作时由丝杠电机10驱动丝母向下竖直线性运动，从而带动探针15竖直向向下运动，当探针15球头端接触到被测镜表面时不再向下运动，而丝杠电机10的丝母也运动到下极限位置处停止，而滑块连接板7上安装的磁栅尺读数头6与探针15做相同的运动，通过磁栅尺读数头6在磁栅尺4上的竖直运动位移可获取探针15接触被测镜时探针15伸出的长度，通过丝杠电机10可对探针15的速度进行调整，在满足测量效率的情况下仍能达到对被测镜保护的效果；当停止工作时由丝杠电机10驱动丝母向上竖直线性运动，则带动探针15竖直向上运动，直到丝杠电机10的丝母运动到上极限位置处停止，此时探针15在探针固定块8的带动下，回到最上端并由丝母连接板13支撑，通过各构件的相互作用可实现高精度大量程自复位探针式位移测量的效果。

结合上述一种高精度自复位探针式位移测量装置的具体结构，本发明还提供了一种高精度自复位探针式位移测量方法，具体步骤如下：

s1：调整线性运动单元的位置使探针15与直线轴承ⅰ19的内径重合，且探针15具有竖直方向的自由度，使磁栅尺读数头6的传感面平行覆盖磁栅尺4表面且二者之间具有1mm左右的距离；

s2：拨动探针挡板22使其与游离端挡板20接触，此时探针挡板22覆盖直线轴承ⅰ19的轴孔，开启磁栅尺读数头6的控制器，并启动丝杠电机10运行，并带动探针15竖直向下运动，直到探针15的球头端与探针挡板22接触，此时，将此位置设置为磁栅尺读数头6的零点(规定向下为正，向上为负)，再将探针15向上移动磁栅尺4的一个脉冲信号(z信号)，则磁栅尺读数头6记录并存储该数值作为初始值；

s3、拨动探针挡板22使其完全与固定端挡板21接触，此时直线轴承ⅰ19的轴孔暴露出来，设置丝杠电机10的运动速度，然后通过丝杠电机10驱动丝母向下运动，进而带动探针15向下运动，当探针15球头端穿过直线轴承ⅰ19的轴孔，接触到被测镜表面时，探针15不再向下运动，通过磁栅尺读数头6在磁栅尺4上的竖直运动位移可获取探针15接触被测镜时探针15伸出的位移，在初始值的基础上加上该位移量即为探针15测量长度，读取测量长度并在显示器以数值的形式显示；

s4、停止工作时控制丝杠电机10使丝母向上移动，并带动探针15竖直向上运动，直到丝杠电机10的丝母运动到上极限位置处停止，此时探针15回到最上端并由丝母连接板13支撑；

s5、关闭磁栅尺读数头6控制器和丝杠电机10的电源，最终通过各构件的相互作用实现高精度大量程自复位探针式位移测量。

在上述实施例中，所述磁栅尺4和磁栅尺读数头6可采用光栅尺和光栅尺读数头代替，所述电动丝杠可采用气动滑台代替，其功能作用及安装方式与前述类似，此处不再赘述。