專利名稱：框架式結(jié)構(gòu)自適應(yīng)表面形貌儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自適應(yīng)測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及自適應(yīng)表面形貌儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
目前科研院校及工礦企業(yè)使用的表面形貌儀從結(jié)構(gòu)上可分為兩種類型，一類是立柱式結(jié)構(gòu)，另一類是小型便攜式結(jié)構(gòu)。下面以英國泰勒索夫公司的產(chǎn)品為例，對(duì)這兩類儀器的結(jié)構(gòu)及存在的缺陷分別加以分析。
立柱式結(jié)構(gòu)該類儀器的基本結(jié)構(gòu)如

圖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，上面套裝由柱內(nèi)絲杠121帶動(dòng)可沿立柱12上下垂直移動(dòng)的掛架，掛架正側(cè)面裝一個(gè)傾角可以微調(diào)的直線行走箱13，行走箱下部是移動(dòng)部件131。移動(dòng)部件的下面吊裝一只高靈敏度微位移傳感器14。調(diào)整掛架高度和行走箱位置使傳感器14觸針141與被測表面15作恰當(dāng)接觸后，掛架即被自動(dòng)鎖住。檢測時(shí)只有行走箱帶動(dòng)傳感器直線移動(dòng)，由觸針對(duì)試件做表面形貌仿形檢測，取得的信息經(jīng)傳感器輸出至計(jì)算機(jī)16進(jìn)行后續(xù)處理。如果配裝Y方向步進(jìn)工作臺(tái)可進(jìn)行三維形貌測量。這類儀器的不足之處為其一，受儀器結(jié)構(gòu)限制不能測量大型部件；其二，受儀器結(jié)構(gòu)和傳感器動(dòng)態(tài)范圍的限制，不能適應(yīng)對(duì)旋轉(zhuǎn)體或凹凸體等非平面試件的檢測。這是由于檢測時(shí)僅有行走箱帶動(dòng)傳感器作直線平行移動(dòng)，因此儀器的檢測范圍只能取決于傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。高靈敏度微位移傳感器動(dòng)態(tài)范圍一般只能做到±0.5毫米以內(nèi)。面對(duì)旋轉(zhuǎn)體或凹凸體這類非平面試件常常力不從心，因?yàn)橛稍嚰喞a(chǎn)生的高差變化早已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳感器的使用要求，在這種情況下只能被迫花費(fèi)大量機(jī)時(shí)和人工借助于仿形工具完成檢測工作。即使采用動(dòng)態(tài)范圍達(dá)±3毫米的激光干涉?zhèn)鞲衅魇骨闆r有所改善，但整臺(tái)儀器的售價(jià)高昂，難以推廣使用。其三，這種結(jié)構(gòu)的儀器重量達(dá)100kg、體積為685×400×700mm左右。由于體積大、重量重、難以在生產(chǎn)現(xiàn)場攜帶使用。
便攜式結(jié)構(gòu)這類儀器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，它實(shí)際上就是超小型化設(shè)計(jì)的水平直線行走箱21與數(shù)據(jù)處理電路22和小型微位移傳感器23的集合；傳感器23固定在一高度調(diào)整塊24上，調(diào)整塊可沿一豎直的滑軌支架25上、下移動(dòng)；不具備垂直方向自動(dòng)定位功能；由自備電池或外接直流供電器驅(qū)動(dòng)。使用時(shí)依靠手工分別調(diào)整傳感器觸針231的垂直和水平位置，檢測過程中行走機(jī)構(gòu)拖帶傳感器水平直線移動(dòng)，試件26的表面形貌信息由傳感器觸針仿形取得，再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，最后由液晶顯示器223顯示計(jì)算結(jié)果。目前長度小于120mm(不包括傳感器)、重量小于1.5kg的袖珍型產(chǎn)品已經(jīng)廣泛使用。這類儀器的不足之處為其一，儀器結(jié)構(gòu)過于簡單，只能進(jìn)行單線檢測，沒有擴(kuò)展功能的余地，不能進(jìn)行三維表面形貌測量。其二，受儀器結(jié)構(gòu)和傳感器動(dòng)態(tài)范圍的限制，不能適應(yīng)對(duì)旋轉(zhuǎn)體或凹凸體等非平面試件的檢測，其原因與立柱式結(jié)構(gòu)的形貌儀相同其三，使用的小型微位移傳感器，其動(dòng)態(tài)范圍和精度都差于立柱式儀器所用傳感器，使上述缺陷顯的更加突出。
本發(fā)明的目的是為克服常規(guī)表面形貌儀的缺陷，提出一種框架式結(jié)構(gòu)自適應(yīng)表面形貌儀，使其不但能夠進(jìn)行大型或超大型部件的二維、三維表面形貌測量，以及凹凸體或旋轉(zhuǎn)體等非平面形狀試件的二維、三維表面形貌測量，便于在各種情形的生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行測量，而且具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、測量速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明提出一種框架式結(jié)構(gòu)自適應(yīng)表面形貌儀，由一塊組裝平臺(tái)和三根以上立柱組成框架，該組裝平臺(tái)上面裝有一組由微分細(xì)化步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)作X-Y Z三個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)的模塊組成的三軸工作臺(tái)；其中，所說的負(fù)責(zé)垂直方向移動(dòng)的Z軸模塊的運(yùn)動(dòng)部件上裝有吊架，該吊架上安裝有微位移傳感器，以及控制該傳感器在框架的三維空間里作任意曲線移動(dòng)的計(jì)算機(jī)及存貯在其中的自適應(yīng)測量程序。所說的傳感器還連有對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行放大的前置放大器；該前置放大器可由激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器、交流差動(dòng)信號(hào)處理器、可變?cè)鲆嬗性吹屯V波器這三部分組成。所說的立柱安裝有可微調(diào)的機(jī)構(gòu)，使其長度可微調(diào)，該立柱底部可安裝磁性柱座和護(hù)套。所說的直線運(yùn)動(dòng)模塊包括小螺距精密滾珠絲杠和精密直線滾珠軸承及相應(yīng)的安裝附件；所說的Z軸運(yùn)動(dòng)模塊還可配裝精密細(xì)分光柵尺。
利用本發(fā)明所述的自適應(yīng)框架總成及自適應(yīng)測量技術(shù)可以設(shè)計(jì)制造出功能獨(dú)特地框架式結(jié)構(gòu)自適應(yīng)表面形貌測量儀；這種結(jié)構(gòu)的儀器實(shí)現(xiàn)了在生產(chǎn)現(xiàn)場檢測；解決了非平面形狀試件、大型及超大型部件的二維、三維表面形貌測量這三道難題，為表面形貌測量技術(shù)開拓出一個(gè)新的領(lǐng)域；具有廣闊的市場前景。
附圖簡要說明圖1為已有的一種立柱式結(jié)構(gòu)表面形貌測量儀示意圖。
圖2為已有的一種便攜式結(jié)構(gòu)表面形貌測量儀示意圖。
圖3為本發(fā)明的安裝平臺(tái)與立柱結(jié)構(gòu)實(shí)施例示意圖。
圖4為本發(fā)明的x-y雙軸直線運(yùn)動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)實(shí)施例示意圖。
圖5為本發(fā)明的z軸運(yùn)動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)實(shí)施例示意圖。
圖6為本發(fā)明的自適應(yīng)表面形貌測量儀的總體結(jié)構(gòu)及應(yīng)用實(shí)施例之一示意圖。
圖7為本發(fā)明的自適應(yīng)表面形貌測量儀的總體結(jié)構(gòu)及應(yīng)用實(shí)施例之二示意圖。
圖8為本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)及前置放大器電路實(shí)施例示意圖。
圖9為本發(fā)明的軟件窗口及伺服、計(jì)算子程序流程實(shí)施例框圖。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的自適應(yīng)表面形貌測量儀的實(shí)施例結(jié)合圖3-圖9分別詳細(xì)說明如下如圖3、圖4、圖5所示，本實(shí)施例由一塊組裝平臺(tái)31和四根立柱32組成框架(也可為三根，如圖6所示)，平臺(tái)上面裝有一組由高精度直線運(yùn)動(dòng)模塊41、42、43組成的三軸工作臺(tái)；由微分細(xì)化步進(jìn)電機(jī)411、421、431驅(qū)動(dòng)的工作臺(tái)承擔(dān)X-Y-Z三個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)任務(wù)。Z軸模塊43負(fù)責(zé)垂直方向移動(dòng)，在它的運(yùn)動(dòng)部件上裝有用來安裝高精度微位移傳感器的吊架434。安裝在自適應(yīng)框架上的傳感器可以在框架所構(gòu)成的三維空間內(nèi)精確定位；也可以說，傳感器能在框架的三維空間里按照計(jì)算機(jī)設(shè)定的任意曲線移動(dòng)。采用高質(zhì)量硬鋁合金制作的組裝平臺(tái)和立柱必須有足夠的剛度，以確保自適應(yīng)框架總成穩(wěn)定工作。立柱32底部安裝磁性柱座321和護(hù)套322；磁性柱座可以將框架總成吸附固定在大型試件上，護(hù)套則用于防止立柱擦傷試件表面，可以采用聚四氟乙烯等耐磨損高分子材料制作。支撐組裝平臺(tái)的立柱可安裝有調(diào)節(jié)螺母323，使其具備長度微調(diào)功能，使平臺(tái)處于良好的水平狀態(tài)。
組成三軸工作臺(tái)的高精度直線運(yùn)動(dòng)模塊，其核心部件采用高質(zhì)量的小螺距精密滾珠絲杠412、422、432和精密直線滾珠軸承413、423、433及相應(yīng)的安裝附件；精密滾珠絲杠可以保證直線運(yùn)動(dòng)模塊的高精度重復(fù)定位要求；采用精密直線滾珠軸承可以保證運(yùn)動(dòng)模塊高精度直線移動(dòng)。運(yùn)動(dòng)模塊是由二相微分細(xì)化步進(jìn)電機(jī)411、421、431驅(qū)動(dòng)的；這種電機(jī)驅(qū)動(dòng)小螺距滾珠絲杠不但可以大輻度減小工作臺(tái)最小步進(jìn)量，還可以減少步進(jìn)積累誤差。由于在垂直方向?qū)χ本€運(yùn)動(dòng)模塊具有更高的定位要求，還可為Z軸運(yùn)動(dòng)模塊配裝精密細(xì)分光柵尺(圖中未示出)，構(gòu)成運(yùn)動(dòng)模塊實(shí)際位移量的反饋環(huán)節(jié)，計(jì)算機(jī)將根據(jù)電機(jī)實(shí)際步進(jìn)量和模塊實(shí)際位移量計(jì)算出差補(bǔ)量，及時(shí)加以修正。以這種模式構(gòu)成的直線運(yùn)動(dòng)模塊將可獲得更高地重復(fù)定位精度?？蚣芸偝砂凑毡銛y式要求設(shè)計(jì)，重量輕于4kg、體積小于250mm×200mm×200mm.可以根據(jù)實(shí)際用途，恰當(dāng)?shù)乜s小或擴(kuò)大框架的體積。
圖6為本發(fā)明的自適應(yīng)表面形貌測量儀的總體結(jié)構(gòu)及應(yīng)用實(shí)施例之一示意圖，本實(shí)施例適用測量小型試件。圖中，直線運(yùn)動(dòng)模塊41、42、43及各自的步進(jìn)電機(jī)411、421、431與框架31、磁性柱座321、傳感器吊架434等構(gòu)成三立柱模式自適應(yīng)框架，小試件91就放在框架下方傳感器下面的待測位置。便攜計(jì)算機(jī)81利用傳感器連接電纜812實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸入和向傳感器前置放大器供電，利用控制信號(hào)電纜811與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器61的控制信號(hào)輸入接口連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)直線運(yùn)動(dòng)模塊41、42、43的控制；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出由電機(jī)連接電纜611、621、631分別與步進(jìn)電機(jī)411、421、431連接，最終完成驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作。電源裝置71通過驅(qū)動(dòng)器電源線711向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電；便攜計(jì)算機(jī)即可以使用自備電池，也可以通過計(jì)算機(jī)外接電源線721由電源裝置71供電；該電源裝置備有可充電池組，以備無市電插座或強(qiáng)干擾場所使用。
圖7為本發(fā)明的自適應(yīng)表面形貌測量儀的總體結(jié)構(gòu)及應(yīng)用實(shí)施例之二示意圖，本實(shí)施例適用測量大型試件。圖里的自適應(yīng)框架采用四立柱模式，其余結(jié)構(gòu)與圖6完全相同；圖中表示的是現(xiàn)場測量大型部件表面形貌示意圖。軋鋼機(jī)軋輥92，重量達(dá)10以上，以前，要在現(xiàn)場測量其三維表面形貌幾乎不可能，現(xiàn)在利用四個(gè)磁性柱座321將自適應(yīng)框架直接固定在軋輥上面，調(diào)整好傳感器觸針的位置之后即可進(jìn)行測量，非?？旖莘奖恪?br> 本實(shí)施例的自適應(yīng)測量系統(tǒng)由安裝在自適應(yīng)框架上的高靈敏度微位移傳感器及前置放大器總成、計(jì)算機(jī)、專用軟件包、微分細(xì)化步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電源、組成，如圖8、9所示。它的作用是控制自適應(yīng)框架總成按照計(jì)算機(jī)程序規(guī)定的模式對(duì)平面試件或凹凸體、旋轉(zhuǎn)體等非平面試件進(jìn)行二維、三維表面形貌測量。
微位移傳感器及前置放大器總成采用性能價(jià)格比較高的觸針電感式結(jié)構(gòu)，也可以采用性能更好但價(jià)錢昂貴的激光干涉微位移傳感器及相應(yīng)的前置放大器總成。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的自適應(yīng)表面形貌測量儀的觸針電感式微位移傳感器結(jié)構(gòu)及前置放大器總成實(shí)施例和本發(fā)明專用軟件包的軟件窗口及伺服、計(jì)算子程序流程實(shí)施例框圖結(jié)合圖8、圖9分別詳細(xì)說明如下如圖8所示，圖中虛線框51是本實(shí)施例的觸針電感式微位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；其中，金剛石尖觸針511與微型圓柱磁心512構(gòu)成微動(dòng)結(jié)構(gòu)，針尖上升通過支點(diǎn)引起磁心下降，反之會(huì)引起磁心上升，當(dāng)磁心在空心管狀差動(dòng)變壓器510的線圈內(nèi)上下移動(dòng)時(shí)，會(huì)引起上下兩個(gè)差動(dòng)線圈的磁通量發(fā)生變化，磁心上升時(shí)上線圈磁通量增加其電感量也增大而下線圈磁通量則減少其電感量也隨之減小，反之則線圈的磁通量和電感量變化情況相反。差動(dòng)線圈信號(hào)輸出端515、516、線圈中點(diǎn)輸出端514與外部電阻R9、R10、R11、電位器W2構(gòu)成一個(gè)交流檢測橋路，檢測信號(hào)由W2滑動(dòng)端及線圈中點(diǎn)輸出端514送往交流差動(dòng)信號(hào)處理器進(jìn)行處理；其中，電位器W2是為調(diào)整橋路零點(diǎn)所設(shè)。橋路工作所需的穩(wěn)幅正弦波激勵(lì)信號(hào)由差動(dòng)變壓器輸入端514引入。
如圖8所示，本實(shí)施例的前置放大器電路由激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器、交流差動(dòng)信號(hào)處理器、可變?cè)鲆嬗性吹屯V波器這三部分組成。
激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器是由文式電橋正弦波發(fā)生器和調(diào)幅-穩(wěn)幅電路組成的；其中，運(yùn)放IC1A、電容C1、C2、電阻R5、R8、R7構(gòu)成文氏電橋正弦波發(fā)生器，運(yùn)放IC1A第1腳所接二極管D3、D4起保護(hù)作用。結(jié)型場效應(yīng)管T、電容C3、電阻R4、R6、可變電阻W3構(gòu)成穩(wěn)幅電路。對(duì)管T1、T2、電阻R1、R2、R3、R18、R19、電位器W1、二極管D1、D2構(gòu)成調(diào)幅及穩(wěn)幅誤差放大電路，調(diào)整電位器W1可設(shè)定振幅的大小，其中，對(duì)管T1、T2是誤差放大器，放大后的誤差信號(hào)經(jīng)D1整流和R1、C1濾波后引至場效應(yīng)管T的柵極實(shí)現(xiàn)調(diào)幅-穩(wěn)幅控制，正弦波信號(hào)由運(yùn)放IC1A第1腳輸出；D2是T2基極的保護(hù)二極管。
高速比較器IC2、精密電容器開關(guān)IC3、電阻R12、R14、R15組成交流差動(dòng)信號(hào)處理器；其中，IC2、R12、R14、R15構(gòu)成快速過零比較器，由運(yùn)放IC2第7腳產(chǎn)生與正弦波激勵(lì)信號(hào)同頻同相的對(duì)稱方波信號(hào)以供IC3使用。交流檢測橋路輸出的信號(hào)引入IC3第1、2腳，由精密電容器開關(guān)IC3將交流差動(dòng)信號(hào)處理為相應(yīng)的脈動(dòng)直流信號(hào)，經(jīng)IC3第6、15腳輸出。
運(yùn)放IC1B、電容C4、電阻R13、R16、R17、可變電阻W4構(gòu)成一階可變?cè)鲆嬗性吹屯V波器；此電路能夠穩(wěn)定有效地濾除信號(hào)中的脈動(dòng)成份還能大范圍的調(diào)整濾波器增益，其中，R13、C4是一階低通網(wǎng)絡(luò)，交流差動(dòng)信號(hào)處理器輸出的脈動(dòng)直流信號(hào)經(jīng)R13輸入，W4用于調(diào)整濾波器增益，調(diào)整增益也就是調(diào)整傳感器的檢測靈敏度，使本實(shí)施例傳感器能夠靈活適應(yīng)不同的使用要求。
至此，可以看出觸針電感式微位移傳感器及前置放大器總成實(shí)施例的工作過程是金剛石尖觸針511上下位移引起微型圓柱磁心512下上位移，再由空心管狀差動(dòng)變壓器510的差動(dòng)線圈將此位移量變換成相應(yīng)的交流差動(dòng)信號(hào)，經(jīng)交流檢測橋路將此信號(hào)檢出后再由交流差動(dòng)信號(hào)處理器將交流差動(dòng)信號(hào)處理為相應(yīng)的脈動(dòng)直流信號(hào)，再由可變?cè)鲆嬗性吹屯V波器進(jìn)行低通濾波和放大后最終完成位移量的檢測和電壓轉(zhuǎn)換，代表觸針位移量的直流電壓將由IC1B第7腳輸出給計(jì)算機(jī)后續(xù)處理。用具有調(diào)幅-穩(wěn)幅功能的正弦信號(hào)發(fā)生器激勵(lì)差動(dòng)變壓器和交流檢測橋路，可以保證傳感器將位移量變換成直流電壓時(shí)工作可靠，性能穩(wěn)定。
圖9是本發(fā)明專用軟件包的軟件窗口及伺服、計(jì)算子程序流程實(shí)施例框圖，本實(shí)施例的軟件采用主頁窗口及子窗口附加選擇菜單運(yùn)行模式，可在WIN3X、95、98操作系統(tǒng)下運(yùn)行(如用戶需要，可提供DOS操作系統(tǒng)版本)。當(dāng)選中本發(fā)明實(shí)施例軟件組標(biāo)并激活后，顯示器將首先顯示表面形貌測量主頁，里面有傳感器定位操作窗口、二維形貌測量窗口、三維形貌測量窗口這三個(gè)選擇項(xiàng)。下面，對(duì)這三個(gè)窗口及所調(diào)用的伺服和計(jì)算子程序流程分別加以敘述。
一．傳感器定位操作子窗口此窗口直接提供左右行、前后行、上升下降這六個(gè)虛擬按鈕和預(yù)置左右行、前后行這兩個(gè)小窗口，分別控制X、Y、Z三個(gè)軸的伺服驅(qū)動(dòng)子程序運(yùn)作，由各軸的伺服驅(qū)動(dòng)子程序通過數(shù)據(jù)通道輸出步進(jìn)脈沖及轉(zhuǎn)動(dòng)方向邏輯電平等控制信號(hào)到各自的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)按照操作意圖轉(zhuǎn)動(dòng)；可以使用鼠標(biāo)或指定熱鍵直接控制虛擬按鈕進(jìn)行傳感器定位操作，也可以先用鼠標(biāo)選擇預(yù)置小窗口里的預(yù)置內(nèi)容，然后從計(jì)算機(jī)鍵盤鍵入預(yù)置數(shù)進(jìn)行實(shí)際運(yùn)作。伺服驅(qū)動(dòng)子程序在運(yùn)行中如果從數(shù)據(jù)通道接收到直線運(yùn)動(dòng)模塊41、42、43發(fā)來的限位報(bào)警信號(hào)會(huì)立即停止運(yùn)作，確保精密滾珠絲杠412、422、432的安全，同時(shí)還會(huì)在監(jiān)視器顯示該直線運(yùn)動(dòng)模塊限位報(bào)警提示。處于傳感器的特殊需求，Z軸伺服驅(qū)動(dòng)子程序在運(yùn)行時(shí)會(huì)啟動(dòng)傳感器中點(diǎn)自停伺服子程序和保護(hù)傳感器子程序；中點(diǎn)自停伺服子程序可以保證實(shí)際定位操作時(shí)當(dāng)傳感器隨Z軸下降，觸針逼近試件表面，進(jìn)而接觸試件表面，最后當(dāng)傳感器輸出達(dá)到中點(diǎn)立即指令Z軸運(yùn)動(dòng)模塊43停止，使得傳感器自動(dòng)處于正、負(fù)方向均等的最佳初始狀態(tài)當(dāng)進(jìn)行X、Y軸實(shí)際定位操作或者進(jìn)行表面形貌測量時(shí)，假如傳感器觸針遇到異常的凸峰使得傳感器輸出已達(dá)到正向最大值，如果觸針再繼續(xù)升高就會(huì)損壞觸針或傳感器差動(dòng)線圈，保護(hù)傳感器子程序以傳感器正向最大值為界限會(huì)立即指令當(dāng)前正在運(yùn)行的直線運(yùn)動(dòng)模塊停止運(yùn)作以保證傳感器的安全。由于儀器在實(shí)際使用中隨時(shí)要進(jìn)行傳感器定位操作，所以此操作窗口在本發(fā)明實(shí)施例軟件組標(biāo)被激活后即始終處于前臺(tái)位置，隨時(shí)可以使用。
二．二維形貌測量窗口此窗口里面有已設(shè)置參數(shù)顯示子窗口、常用二維形貌設(shè)置菜單、二維測量基本設(shè)置菜單、二維常規(guī)測量子菜單、二維仿形測量子菜單這五項(xiàng)內(nèi)容。
已設(shè)置參數(shù)顯示子窗口負(fù)責(zé)顯示當(dāng)前的測量模式、形貌參數(shù)、采樣長度、垂直放大量這四個(gè)參數(shù)的設(shè)置內(nèi)容，并對(duì)設(shè)置缺項(xiàng)進(jìn)行提示，其顯示內(nèi)容隨使用者對(duì)上述四個(gè)參數(shù)內(nèi)容的選擇而更新變化。
常用二維形貌設(shè)置菜單以虛擬按鈕方式提供兩組最常用的參數(shù)設(shè)置內(nèi)容，只需用鼠標(biāo)或指定熱鍵一次即可完四個(gè)參數(shù)的設(shè)置，內(nèi)容將立即在已設(shè)置參數(shù)顯示子窗口顯示出來，非?？旖莘奖銓?shí)際應(yīng)用中，這個(gè)設(shè)置菜單可以滿足大部分的使用要求。
二維測量基本設(shè)置菜單用于常用設(shè)置菜單不能滿足要求或者要修改單項(xiàng)設(shè)置內(nèi)容的情況，此菜單提供上述四個(gè)參數(shù)可選設(shè)置內(nèi)容的全部虛擬按鈕和自定義設(shè)置方式，每設(shè)置一個(gè)參數(shù)，已設(shè)置參數(shù)顯示子窗口將立即顯示或更新其內(nèi)容。
二維常規(guī)測量子菜單用于測量較平整的試件；在完成對(duì)上述四個(gè)參數(shù)的設(shè)置并且使傳感器觸針處于良好起始位置的時(shí)候，才能使用此菜單，在它下面只有讀取處理已有數(shù)據(jù)和采集處理二維形貌信息這兩個(gè)虛擬按鈕。如果選擇前者按鈕并且鍵入數(shù)據(jù)名和存取路徑之后，計(jì)算機(jī)會(huì)讀取這個(gè)數(shù)據(jù)文件并按照上述四個(gè)參數(shù)的設(shè)置內(nèi)容所預(yù)先指定的規(guī)范將此數(shù)據(jù)提供給計(jì)算國標(biāo)形貌參數(shù)子程序或計(jì)算全形貌參數(shù)子程序進(jìn)行計(jì)算處理，如果選擇后者按鈕，計(jì)算機(jī)則按照上述四個(gè)參數(shù)的設(shè)置內(nèi)容所預(yù)先指定的規(guī)范先調(diào)用X軸伺服采樣子程序控制X軸直線運(yùn)動(dòng)模塊41及模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣裝置進(jìn)行移動(dòng)和采樣，由傳感器觸針仿形取得表面形貌數(shù)據(jù)，然后再將這組數(shù)據(jù)提供給相應(yīng)的計(jì)算形貌參數(shù)子程序進(jìn)行計(jì)算處理。
計(jì)算國標(biāo)形貌參數(shù)子程序?qū)ｉT用于計(jì)算處理國家標(biāo)準(zhǔn)GB1031-83號(hào)所規(guī)定的Ra、Ry、Rz、Sm、S、ηp、Tp這七個(gè)表面形貌參數(shù)。
計(jì)算全形貌參數(shù)子程序用于計(jì)算處理保括國標(biāo)所規(guī)定的形貌參數(shù)在內(nèi)的國內(nèi)外80個(gè)形貌參數(shù)，主要用于科研教學(xué)等部門和行業(yè)，其參數(shù)內(nèi)容可根據(jù)需要隨時(shí)擴(kuò)充；為了測量Rpk、Rvk、Rk、Mr1、Mr2這一類需要用特殊曲線表征的參數(shù)，還專門設(shè)有特殊參數(shù)曲線設(shè)定服務(wù)子程序。
表面形貌數(shù)據(jù)的計(jì)算處理結(jié)果經(jīng)顯示二維形貌計(jì)算結(jié)果和顯示二維形貌曲線這兩個(gè)子程序歸納整理后由顯示器顯示輸出，還可以調(diào)用打印計(jì)算結(jié)果、打印形貌曲線、保存計(jì)算結(jié)果、保存形貌曲線這四個(gè)服務(wù)子程序隨時(shí)打印或保存測量結(jié)果。
二維仿形測量子菜單適用于凹凸體、旋轉(zhuǎn)體這類試件的二維形貌測量。此菜單提供設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)輪廓曲線、采集處理標(biāo)準(zhǔn)輪廓曲線表面形貌、自適應(yīng)仿形采集處理二維表面形貌這三個(gè)虛擬按鈕。前兩只按鈕用于測量圓和橢圓這兩種標(biāo)準(zhǔn)輪廓曲線的試件，具體做法是選擇設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)輪廓曲線按鈕，根據(jù)試件的實(shí)際形狀按照菜單的提示選擇圓形還是橢圓形測量，并且鍵入圓半徑數(shù)或者橢圓長、短半軸數(shù)。再選擇采集處理標(biāo)準(zhǔn)輪廓曲線表面形貌按鈕，計(jì)算機(jī)會(huì)按照前面所設(shè)置的數(shù)據(jù)擬合出一條圓或者橢圓的曲線數(shù)據(jù)提供給標(biāo)準(zhǔn)曲線仿形二軸伺服采樣子程序，該子程序會(huì)控制自適應(yīng)框架的X軸運(yùn)動(dòng)模塊41和Z軸運(yùn)動(dòng)模塊43帶著傳感器按照這條曲線移動(dòng)，同時(shí)指令模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣裝置開始采集數(shù)據(jù)，取得試件的表面形貌數(shù)據(jù)。
自適應(yīng)仿形采集處理二維表面形貌按鈕用于測量非標(biāo)準(zhǔn)輪廓的非平面試件，它將首先啟動(dòng)自適應(yīng)二維輪廓仿形子程序，該子程序會(huì)同時(shí)控制自適應(yīng)框架的X軸運(yùn)動(dòng)模塊41和帶著傳感器的Z軸運(yùn)動(dòng)模塊43以及模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣裝置運(yùn)行，先對(duì)試件的表面輪廓進(jìn)行仿型測量，取得一條實(shí)際輪廓曲線，然后再啟動(dòng)扣除二維輪廓背景伺服采樣子程序，這個(gè)子程序?qū)⒁赃@條實(shí)際輪廓曲線為樣板，指令X軸模塊41、Z軸模塊43帶著傳感器按照這條曲線的軌跡移動(dòng)，同時(shí)指令模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣裝置采集數(shù)據(jù)完成扣除輪廓背景下的表面形貌數(shù)據(jù)采集。自適應(yīng)仿形測量技術(shù)是本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)，其具體實(shí)現(xiàn)過程請(qǐng)看后面表述。在本菜單下對(duì)形貌數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算、結(jié)果顯示、打印或保存結(jié)果的程序與常規(guī)測量子菜單下所用到的程序是共用的，其過程也完全相同，這里不再重復(fù)。
三．三維形貌測量窗口此窗口里面有已設(shè)置參數(shù)顯示子窗口、三維測量基本設(shè)置菜單、三維常規(guī)測量子菜單、三維仿形測量子菜單這四項(xiàng)內(nèi)容。
已設(shè)置參數(shù)顯示子窗口負(fù)責(zé)顯示測量模式、線間距、點(diǎn)間距、采樣線數(shù)、采樣長度、垂直放大量這六個(gè)參數(shù)的設(shè)置內(nèi)容，并對(duì)設(shè)置缺項(xiàng)進(jìn)行提示，其顯示內(nèi)容隨使用者對(duì)上述六個(gè)參數(shù)內(nèi)容的選擇而更新變化。
三維測量基本設(shè)置菜單提供上述六個(gè)參數(shù)可選設(shè)置內(nèi)容的全部虛擬按鈕和自定義設(shè)置方式，每設(shè)置一個(gè)參數(shù)，已設(shè)置參數(shù)顯示子窗口將立即顯示或更新其內(nèi)容。
三維常規(guī)測量子菜單用于測量較平整的試件；與二維測量子菜單一樣，只有在完成對(duì)上述六個(gè)參數(shù)的設(shè)置并且使傳感器觸針處于良好起始位置的時(shí)候，才能使用此菜單，在它下面只有讀取處理已有數(shù)據(jù)和采集處理三維形貌信息這兩個(gè)虛擬按鈕。如果選擇前者按鈕并且鍵入數(shù)據(jù)名和存取路徑之后，計(jì)算機(jī)會(huì)讀取這個(gè)數(shù)據(jù)文件并按照上述六個(gè)參數(shù)的設(shè)置內(nèi)容所預(yù)先指定的規(guī)范將此數(shù)據(jù)提供給三維形貌參數(shù)計(jì)算子程序進(jìn)行計(jì)算處理。如果選擇后者按鈕，計(jì)算機(jī)則按照上述六個(gè)參數(shù)的設(shè)置內(nèi)容所預(yù)先指定的規(guī)范先調(diào)用二軸伺服采樣子程序控制X軸運(yùn)動(dòng)模塊41及模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣裝置同時(shí)運(yùn)作，先采集取得一條線的表面形貌數(shù)據(jù)，再指令Y軸運(yùn)動(dòng)模塊42移動(dòng)一個(gè)線間距，然后再控制X軸運(yùn)動(dòng)模塊41及模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣裝置移動(dòng)并采集取得下一條線的表面形貌數(shù)據(jù)，一直到符合上述參數(shù)預(yù)先設(shè)定的采樣線數(shù)為止，最后再將這組數(shù)據(jù)提供給三維形貌參數(shù)計(jì)算子程序進(jìn)行計(jì)算處理。
三維形貌參數(shù)計(jì)算子程序可用于計(jì)算處理國內(nèi)外較常用的30個(gè)形貌參數(shù)，主要用于科研教學(xué)等部門和行業(yè)，其參數(shù)內(nèi)容可根據(jù)需要隨時(shí)擴(kuò)充；為了測量一些需要用特殊曲面表征的參數(shù)，還專門設(shè)有特殊參數(shù)曲面設(shè)定服務(wù)子程序。
三維表面形貌數(shù)據(jù)的計(jì)算處理結(jié)果經(jīng)顯示三維形貌圖形和顯示三維形貌計(jì)算結(jié)果這兩個(gè)子程序歸納整理后由顯示器顯示輸出，還可以調(diào)用打印三維形貌圖形、打印三維形貌計(jì)算結(jié)果、保存三維形貌圖形、保存三維形貌數(shù)據(jù)、保存計(jì)算結(jié)果這五個(gè)服務(wù)子程序隨時(shí)打印或保存測量結(jié)果。
三維仿形測量子菜單用于凹凸體、旋轉(zhuǎn)體這類試件的三維形貌測量，這個(gè)菜單提供設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)輪廓曲面、采集處理標(biāo)準(zhǔn)輪廓曲面表面形貌、自適應(yīng)仿形采集處理三維表面形貌這三個(gè)虛擬按鈕。這個(gè)子菜單的構(gòu)思和運(yùn)作流程與二維仿形測量子菜單沒有太大的區(qū)別；對(duì)于前兩個(gè)按鈕，只不過將設(shè)置曲線改為設(shè)置曲面，將采集曲線改為采集曲面，仿形二軸伺服采樣子程序改為仿形三軸伺服采樣子程序；同樣，將第三個(gè)按鈕調(diào)用的自適應(yīng)二維輪廓仿形子程序和扣除二維輪廓背景伺服采樣子程序改為自適應(yīng)三維輪廓仿形子程序和扣除三維輪廓背景伺服采樣子程序，也就是說，將X或X-Z控制模式改成了X-Y或X-Y-Z控制模式。由于增加了Y軸控制項(xiàng)，其程序內(nèi)容也相應(yīng)復(fù)雜一些。仿形采集的三維形貌數(shù)據(jù)將被送往三維形貌參數(shù)計(jì)算子程序進(jìn)行計(jì)算處理。因?yàn)樵摮绦蚝拖鄳?yīng)的顯示、打印、保存等服務(wù)子程序是共用的，其具體運(yùn)作過程不再敘述。
由于自適應(yīng)框架總成只攜帶傳感器運(yùn)動(dòng)，負(fù)載很小；為了盡量節(jié)省能源應(yīng)該選用小型微分細(xì)化步進(jìn)電機(jī)和與之配套的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，這方面的上市產(chǎn)品規(guī)格比較豐富，可根據(jù)需要靈活選擇。
本發(fā)明的自適應(yīng)測量技術(shù)可以快捷方便地自動(dòng)完成凹凸體、旋轉(zhuǎn)體這類非平面試件的二維、三維表面形貌測量。技術(shù)的關(guān)鍵是在計(jì)算機(jī)的控制下，吊裝在自適應(yīng)框架總成上的傳感器可以在框架所構(gòu)成的三維空間內(nèi)精確定位；測量分兩步進(jìn)行，第一步，先對(duì)試件表面輪廓進(jìn)行自適應(yīng)仿型，第二步，扣除試件輪廓背景，檢測表面形貌參數(shù)。下面講述其具體實(shí)現(xiàn)過程一．對(duì)非平面試件的表面輪廓進(jìn)行自適應(yīng)仿型計(jì)算機(jī)先指令X軸直線運(yùn)動(dòng)模塊沿水平方向步進(jìn)一小格，微位移傳感器的觸針隨著試件輪廓升高或降低，其輸出也會(huì)有一個(gè)相應(yīng)的變化值，計(jì)算機(jī)根據(jù)這個(gè)值計(jì)算出差補(bǔ)量，指令Z軸直線運(yùn)動(dòng)模塊沿觸針變化方向差補(bǔ)移動(dòng)，使傳感器輸出恢復(fù)到X軸步進(jìn)前的初始值，緊接著X軸直線運(yùn)動(dòng)模塊再繼續(xù)步進(jìn)下一小格，計(jì)算機(jī)再次指令Z軸直線運(yùn)動(dòng)模塊差補(bǔ)修正，使得傳感器輸出重新回到初始值；就是說，試件輪廓升高或降低多少，Z軸模塊就帶著微位移傳感器升高或降低多少。由于X軸每次步進(jìn)量非常小，這樣可以確保輪廓高度的變化量遠(yuǎn)小于傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，這樣一步一步地自適應(yīng)測量下去，一直進(jìn)行到測量表面形貌所規(guī)定的X軸直線運(yùn)動(dòng)模塊水平移動(dòng)總量為止。每經(jīng)過一次步進(jìn)和修正，計(jì)算機(jī)就會(huì)獲得一個(gè)差補(bǔ)值，這一系列的差補(bǔ)值代表著試件表面的輪廓信息。計(jì)算機(jī)對(duì)這一組數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納整理之后，可以得到試件表面的一條輪廓曲線；這就意味著儀器依靠自身的自適應(yīng)測量功能進(jìn)行了一次自適應(yīng)表面輪廓仿型。
二．扣除試件輪廓背景，檢測表面形貌參數(shù)以這條輪廓曲線為樣板，受計(jì)算機(jī)控制的自適應(yīng)框架總成將帶著微位移傳感器依照這條曲線從起始坐標(biāo)重新移動(dòng)，這一步驟就叫做扣除試件輪廓背景。這時(shí)候，傳感器的觸針就好象是在一個(gè)比較平坦的試件上移動(dòng)一樣，可以通行無阻地完成對(duì)表面形貌信息的仿真檢測。對(duì)檢測信息，計(jì)算機(jī)將借助相應(yīng)的形貌測量計(jì)算軟件進(jìn)行后續(xù)處理，這里不再敘述。如果要執(zhí)行三維測量，在測完一條曲線之后，計(jì)算機(jī)會(huì)指令框架總成的Y軸模塊前進(jìn)一個(gè)預(yù)先設(shè)定好的間隔，然后繼續(xù)進(jìn)行下一條輪廓曲線仿型和扣背景形貌檢測，一直到符合預(yù)先設(shè)定的曲線數(shù)為止；這就相當(dāng)于傳感器觸針一條線一條線地掃描出一小塊面積，所獲信息由計(jì)算機(jī)借助三維形貌測量計(jì)算軟件進(jìn)行后續(xù)處理。
權(quán)利要求
1．一種框架式結(jié)構(gòu)自適應(yīng)表面形貌儀，其特征在于，由一塊組裝平臺(tái)和三根以上立柱組成框架，該組裝平臺(tái)上面裝有一組由微分細(xì)化步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)作X-Y-Z三個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)的模塊組成的三軸工作臺(tái)；其中，所說的負(fù)責(zé)垂直方向移動(dòng)的Z軸模塊的運(yùn)動(dòng)部件上裝有吊架，該吊架上安裝有微位移傳感器，以及控制該傳感器在框架的三維空間里作任意曲線移動(dòng)的計(jì)算機(jī)及存貯在其中的自適應(yīng)測量程序。
2．如權(quán)利要求1所述的框架式結(jié)構(gòu)自適應(yīng)表面形貌儀，其特征在于，所說的傳感器還連有對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行放大的前置放大器。
3．如權(quán)利要求2所述的框架式結(jié)構(gòu)自適應(yīng)表面形貌儀，其特征在于，所說的前置放大器由激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器、交流差動(dòng)信號(hào)處理器、可變?cè)鲆嬗性吹屯V波器這三部分組成。
4．如權(quán)利要求1所述的框架式結(jié)構(gòu)自適應(yīng)表面形貌儀，其特征在于，所說的立柱安裝有可微調(diào)的機(jī)構(gòu)，該立柱底部安裝有磁性柱座和護(hù)套。
5．如權(quán)利要求1所述的框架式結(jié)構(gòu)自適應(yīng)表面形貌儀，其特征在于，所說的直線運(yùn)動(dòng)模塊包括小螺距精密滾珠絲杠和精密直線滾珠軸承及相應(yīng)的安裝附件；所說的Z軸運(yùn)動(dòng)模塊還可配裝精密細(xì)分光柵尺。
全文摘要
本發(fā)明屬于自適應(yīng)測量技術(shù)領(lǐng)域,由一塊組裝平臺(tái)和三根以上立柱組成框架,組裝平臺(tái)上裝有一組由微分細(xì)化步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)作X－Y－Z三個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)的模塊組成的三軸工作臺(tái);負(fù)責(zé)垂直方向移動(dòng)的Z軸模塊的運(yùn)動(dòng)部件上裝有吊架,吊架上安裝有微位移傳感器,及控制該傳感器在框架的三維空間里作任意曲線移動(dòng)的計(jì)算機(jī)及存貯在其中的自適應(yīng)測量程序。本發(fā)明能在各種情形的生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行測量,其結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、測量速度快、精度高。
文檔編號(hào)G01C15/00GK1232172SQ99102970
公開日1999年10月20日 申請(qǐng)日期1999年3月12日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月12日
發(fā)明者郭炎, 陳大融 申請(qǐng)人:清華大學(xué)