CN110440723A - 一种异型结构零件内曲面表面粗糙度测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异型结构零件内曲面表面粗糙度测量装置，包括基座、测座、Z向运动机构、X向运动机构、旋转台与位移传感器；所述测座用于放置待测零件；所述Z向运动机构竖直设置于基座上；所述X向运动机构与Z向运动机构垂直连接；所述旋转台设置于X向运动机构的末端；所述位移传感器与旋转台连接，旋转台带动位移传感器旋转。采用本发明的一种异型结构零件内曲面表面粗糙度测量装置及测量方法，有效的解决了异型结构零件内曲面表面粗糙度测量效率较低和测量表征不全面等问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种异型结构零件内曲面表面粗糙度测量装置及测量方法，属 于表面粗糙度测量领域技术领域。
背景技术
现行商业化的表面粗糙度测量设备主要以触针式为主，难以适应异型结构 零件特殊的外形结构和测量需求，具体表现在测量零件内曲面的表面粗糙度时 探针仅能到达口部附近测量区域，在测量内曲面更深入位置时存在空间干涉问 题。
面向超光滑表面的表面粗糙度测量通常会使用白光干涉仪等光学轮廓检 测设备，该类设备通常在测量分析功能中会兼容表面粗糙度的测量。该类轮廓 仪多数用于测量精密样片级别的轮廓测量，其工作台承载能力与仪器测量空间 均有限。此外，该类轮廓仪进行零件内曲面的表面粗糙度测量时也会存在空间 干涉、物镜景深限制和视场限制、多角度测量适应性等问题，难以满足异型结 构零件内型面表面粗糙度测量要求。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种异型结构零件内 曲面表面粗糙度测量装置及测量方法，本发明解决了异型结构零件内曲面表面 粗糙度测量效率较低和测量表征不全面等问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种异型结构零件内曲面表面粗糙度测量装置，包括基座、测座、Z向运 动机构、X向运动机构、旋转台与位移传感器；
所述测座用于放置待测零件；所述Z向运动机构竖直设置于基座上；所述 X向运动机构与Z向运动机构垂直连接；所述旋转台设置于X向运动机构的末 端；所述位移传感器与旋转台连接，旋转台带动位移传感器旋转，以适应待测 零件内曲面不同角度位置的测量需求；所述Z向运动机构控制位移传感器Z向 竖直移动，X向运动机构控制位移传感器X向水平移动。
上述方案中，测座为于待测零件形状匹配的专业测座，保证待测零件的稳 定性，提高测量效率和测量数据准确性；Z向运动机构带动位移传感器竖直方 向移动，X向运动机构带动位移传感器水平移动，通过X向运动机构和Z向运 动机构实现传感器于待测零件相对高度调节和对待测零件表面轮粗糙度廓扫 描；旋转台带动位移传感器旋转，实现待测零件内曲面的不同角度位置的测量 需求。
需要说明的是，Z向为竖直方向，X向水平方向。
作为优选，所述位移传感器为白光光谱共聚焦位移传感器。
白光光谱共聚焦位移传感器是光学非接触的点位移传感器，测量分辨率 高，体积小巧，为测量装置的关键传感元件，用于获得待测对象表面微观高度 信息；具有高精度的相对高度测量能力，以及其体积小巧、测量极限角大等优 势。
作为优选，所述位移传感器分辨率为10nm，量程为300μm。
作为优选，所述X向运动机构和Z向运动机构为高精度的位移机构，以实 现高精度轮廓扫描。
作为优选，所述X向运动机构为水平设置的位移导轨，Z向运动机构控制 为竖直设置的位移导轨。
作为优选，还包括分析系统，所述分析系统具有形貌分析软件，与位移传 感器的控制器连接；分析系统通过处理计算传感器测得的轮廓数据组，从而得 到待测零件的表面粗糙度。
一种异型结构零件内曲面表面粗糙度测量方法，如上所述的测量装置，包 括以下步骤：
步骤a：将待测零件开口向上水平置于测座上，初始化测量装置，重置位 移传感器暗噪声；
步骤b：使用测量装置测量0°、90°及0-90°之间至少一个测量位置的 轮廓数据组；
步骤c：将各测量位置的轮廓数据组导入形貌分析软件进行表面粗糙度计 算与处理，得到其表面粗糙度；
步骤d：退出传感器至安全位置，取下待测零件，完成表面粗糙度的测量。
作为优选，步骤b包括以下步骤：
步骤b1：将位移传感器方调到待测角度的测量位置；
步骤b2：调整位移传感器高度至合适位置，保证在轮廓测量扫描过程中位 移传感器与测量位置相对高度不超出测量量程；
步骤b3：位移传感器借助X向运动机构和/或Z向运动机构对测量位置进 行表面粗糙度轮廓扫描，保存各扫描点位置坐标和相对高度，得到测量位置的 轮廓数据组。
作为优选，步骤b3中，测量0°测量位置时使用Z向运动机构实现该测量 位置的表面粗糙度轮廓扫描；进一步的，测量90°测量位置时使用X向运动机 构实现该测量位置的表面粗糙度轮廓扫描；更进一步的，测量0-90°之间的测 量位置时使用X向运动机构和Z向运动机构按一定规律协同插补运动实现该测 量位置的表面粗糙度轮廓扫描。
作为优选，步骤b中，0-90°之间的测量位置选取0-90°之间任意一个或 多个角度的测量位置。
作为优选，步骤b中，0-90°之间选取等差数列排布的多个角度的测量位 置。
需要说明的是，90°为竖直方向，0°为水平方向。
作为优选，每个角度测量位置测量三次，得到三组测量位置的轮廓数据组。
本发明基于白光光谱共聚焦位移传感器高精度的相对高度测量能力，以及 其体积小巧、测量极限角大等优势，方便有效的解决了异型结构零件内曲面表 面粗糙度测量的难题，保证了测量的精度和有效性，满足异型结构零件的加工 及检测要求。
本发明设计了专用的测量底座，较好的保证了测量对象的安全性，提高了 测量效率。本发明的测量方法属于一种非接触测量方式，对被测对象表面无划 伤的风险，测量精度高，满足异型结构零件的测量要求；测量方法中使用旋转 台实现测量角度位置的调节，方便快捷，且具有较好的测量位置重复性，进一 步提高了表面粗糙度测量表征的有效性；测量方法中，采用高精度的X运动机 构向和Z向运动机构实现位置调节和轮廓扫描功能，在测量0-90°位置表面粗 糙度时，需同时使用X和Z向运动机构依据倾斜角度进行协同插补运动，完成 对该位置轮廓数据的测量和扫描，此方法具有较好的测量灵活性，适于异型结 构零件内曲面表面粗糙度测量。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：有效的解决 了异型结构零件内曲面表面粗糙度测量效率较低和测量表征不全面等问题，提 高了零件加工检测效率，有利于异型结构零件的精准化质量调控。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是异型结构零件内曲面表面粗糙度测量装置示意图；
图2是异型结构零件内曲面测量角度示意图。
图中标记：1-基座、2-测座、3-Z向运动机构、4-X向运动机构、5-旋转 台、6-位移传感器、7-待测零件。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互 相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似 目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类 似特征中的一个例子而已。
本实施例的异型结构零件内曲面表面粗糙度测量装置，包括基座1、测座 2、Z向运动机构3、X向运动机构4、旋转台5与位移传感器6；其中，测座2 用于放置待测零件7，Z向运动机构3竖直设置于基座1上，X向运动机构4 与Z向运动机构3垂直连接，旋转台5设置于X向运动机构4的末端，位移传 感器6与旋转台5连接；还包括分析系统，分析系统具有形貌分析软件，与位 移传感器6的控制器连接。
本实施例中，位移传感器6为白光光谱共聚焦位移传感器，分辨率为10nm， 量程为300μm；所述X向运动机构4为水平设置的高精度位移导轨，Z向运动 机构3控制为竖直设置的高精度位移导轨。
以下实施例所使用测量装置均为上述的异型结构零件内曲面表面粗糙度 测量装置。
实施例1
待测零件7为标准的表面粗糙度多刻线样板，标称表面粗糙度Ra值0.37 μm。
按照以下步骤，使用测量装置测量待测零件7九个测量位置(3×3)的表 面粗糙度：
步骤a：将待测零件7水平置于测座2上，初始化测量装置，重置位移传 感器6暗噪声；
步骤b：使用测量装置测量90°测量位置的轮廓数据组；
步骤c：将各测量位置的轮廓数据组导入形貌分析软件进行表面粗糙度计 算与处理，得到其表面粗糙度评价结构；
步骤d：退出传感器至安全位置，取下待测零件7，完成表面粗糙度的测 量。
其中，步骤b包括以下步骤：
步骤b1：将位移传感器6调到90°的测量位置；
步骤b2：调整位移传感器6高度至合适位置，保证在轮廓测量扫描过程中 位移传感器6与测量位置相对高度不超出测量量程；
步骤b3：位移传感器6借助X向运动机构4进行表面粗糙度轮廓扫描，保 存各扫描点X向位置坐标和Z向相对高度，得到测量位置的轮廓数据组。
将所得的轮廓数据组经过形貌分析软件滤波计算处理，得到各测量位置的 表面粗糙度Ra值，如下表格所示：
本实施例表面了本发明的表面粗糙度测量装置及测量方法具备平面表面 粗糙度的测量能力，其多次测量标准多刻线样板的结果均满足要求。
实施例2
待测零件7为异型结构零件，使用测量装置在待测零件7内曲面0°、45°、 90°位置测量表面粗糙度，步骤如下：
步骤a：将待测零件7开口向上水平置于测座2上，初始化测量装置，重 置位移传感器6暗噪声；
步骤b：使用测量装置测量0°、90°及45°测量位置的轮廓数据组；
步骤c：将各测量位置的轮廓数据组导入形貌分析软件进行表面粗糙度计 算与处理，得到其表面粗糙度评价结构；
步骤d：退出传感器至安全位置，取下待测零件7，完成表面粗糙度的测 量。
其中，测量0°测量位置轮廓数据组的步骤如下：
步骤b1：将位移传感器6调到0°的测量位置；
步骤b2：调整位移传感器6高度至合适位置，保证在轮廓测量扫描过程中 位移传感器6与测量位置相对高度不超出测量量程；
步骤b3：位移传感器6借助Z向运动机构3进行表面粗糙度轮廓扫描，保 存各扫描点Z向位置坐标和X向相对高度，得到测量位置的轮廓数据组。
测量90°测量位置轮廓数据组的步骤如下：
步骤b1：将位移传感器6调到90°的测量位置；
步骤b2：调整位移传感器6高度至合适位置，保证在轮廓测量扫描过程中 位移传感器6与测量位置相对高度不超出测量量程；
步骤b3：位移传感器6借助X向运动机构4进行表面粗糙度轮廓扫描，保 存各扫描点X向位置坐标和Z向相对高度，得到测量位置的轮廓数据组。
测量45°测量位置轮廓数据组的步骤如下：
步骤b1：将位移传感器6调到45°的测量位置；
步骤b2：调整位移传感器6高度至合适位置，保证在轮廓测量扫描过程中 位移传感器6与测量位置相对高度不超出测量量程；
步骤b3：位移传感器6借助X向运动机构4和Z向运动机构3按照插补直 线运动进行表面粗糙度轮廓扫描，保存各扫描点位置坐标和相对高度，得到测 量位置的轮廓数据组。
重复测量三次，将所得的轮廓数据组经过形貌分析软件滤波计算处理，得 到各测量位置的表面粗糙度Ra值，如下表格所示：
实施例3
待测零件7为异型结构零件，使用测量装置在待测零件7内曲面0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°位置测量表面粗糙度，步骤如下：
步骤a：将待测零件7开口向上水平置于测座2上，初始化测量装置，重 置位移传感器6暗噪声；
步骤b：使用测量装置测量0°、90°及45°测量位置的轮廓数据组；
步骤c：将各测量位置的轮廓数据组导入形貌分析软件进行表面粗糙度计 算与处理，得到其表面粗糙度评价结构；
步骤d：退出传感器至安全位置，取下待测零件7，完成表面粗糙度的测 量。
其中，测量0°测量位置轮廓数据组的步骤如下：
步骤b1：将位移传感器6调到0°的测量位置；
步骤b2：调整位移传感器6高度至合适位置，保证在轮廓测量扫描过程中 位移传感器6与测量位置相对高度不超出测量量程；
步骤b3：位移传感器6借助Z向运动机构3进行表面粗糙度轮廓扫描，保 存各扫描点Z向位置坐标和X向相对高度，得到测量位置的轮廓数据组。
测量90°测量位置轮廓数据组的步骤如下：
步骤b1：将位移传感器6调到90°的测量位置；
步骤b2：调整位移传感器6高度至合适位置，保证在轮廓测量扫描过程中 位移传感器6与测量位置相对高度不超出测量量程；
步骤b3：位移传感器6借助X向运动机构4进行表面粗糙度轮廓扫描，保 存各扫描点X向位置坐标和Z向相对高度，得到测量位置的轮廓数据组。
测量15°、30°、45°、60°、75°测量位置轮廓数据组的步骤如下：
步骤b1：将位移传感器6调到相应的测量位置；
步骤b2：调整位移传感器6高度至合适位置，保证在轮廓测量扫描过程中 位移传感器6与测量位置相对高度不超出测量量程；
步骤b3：位移传感器6借助X向运动机构4和Z向运动机构3按照插补直 线运动进行表面粗糙度轮廓扫描，保存各扫描点位置坐标和相对高度，得到测 量位置的轮廓数据组。
重复测量三次，将所得的轮廓数据组经过形貌分析软件滤波计算处理，得 到各测量位置的表面粗糙度Ra值，如下表格所示：
综上所述，采用本发明的一种异型结构零件内曲面表面粗糙度测量装置及 测量方法有效的解决了异型结构零件内曲面表面粗糙度测量效率较低和测量 表征不全面等问题，提高了零件加工检测效率，有利于异型结构零件的精准化 质量调控；并且能够测量平面零件的表面粗糙度。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中 披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何 新的组合。
Claims (10)
1.一种异型结构零件内曲面表面粗糙度测量装置，其特征在于：包括基座(1)、测座(2)、Z向运动机构(3)、X向运动机构(4)、旋转台(5)与位移传感器(6)；
所述测座(2)用于放置待测零件(7)；所述Z向运动机构(3)竖直设置于基座(1)上；所述X向运动机构(4)与Z向运动机构(3)垂直连接；所述旋转台(5)设置于X向运动机构(4)的末端；所述位移传感器(6)与旋转台(5)连接，旋转台(5)带动位移传感器(6)旋转，以适应待测零件(7)内曲面不同角度位置的测量需求；所述Z向运动机构(3)控制位移传感器(6)Z向竖直移动，X向运动机构(4)控制位移传感器(6)X向水平移动。
2.如权利要求1所述的异型结构零件内曲面表面粗糙度测量装置，其特征在于：所述位移传感器(6)为白光光谱共聚焦位移传感器。
3.如权利要求1所述的异型结构零件内曲面表面粗糙度测量装置，其特征在于：所述位移传感器(6)分辨率为10nm，量程为300μm。
4.如权利要求1所述的异型结构零件内曲面表面粗糙度测量装置，其特征在于：所述X向运动机构(4)为水平设置的位移导轨，Z向运动机构(3)控制为竖直设置的位移导轨。
5.如权利要求1所述的异型结构零件内曲面表面粗糙度测量装置，其特征在于：还包括分析系统，所述分析系统具有形貌分析软件，与位移传感器(6)的控制器连接。
6.一种异型结构零件内曲面表面粗糙度测量方法，使用权利要求1-5任一项所述的测量装置，其特征在于：包括以下步骤：
步骤a：将待测零件(7)开口向上水平置于测座(2)上，初始化测量装置，重置位移传感器(6)暗噪声；
步骤b：使用测量装置测量0°、90°及0-90°之间至少一个测量位置的轮廓数据组；
步骤c：将各测量位置的轮廓数据组导入形貌分析软件进行表面粗糙度计算与处理，得到其表面粗糙度；
步骤d：退出传感器至安全位置，取下待测零件(7)，完成表面粗糙度的测量。
7.如权利要求6所述的异型结构零件内曲面表面粗糙度测量方法，其特征在于：步骤b包括以下步骤：
步骤b1：将位移传感器(6)方调到待测角度的测量位置；
步骤b2：调整位移传感器(6)高度至合适位置，保证在轮廓测量扫描过程中位移传感器(6)与测量位置相对高度不超出测量量程；
步骤b3：位移传感器(6)借助X向运动机构(4)和/或Z向运动机构(3)对测量位置进行表面粗糙度轮廓扫描，保存各扫描点位置坐标和相对高度，得到测量位置的轮廓数据组。
8.如权利要求7所述的异型结构零件内曲面表面粗糙度测量方法，其特征在于：步骤b3中，测量0°测量位置时使用Z向运动机构(3)实现该测量位置的表面粗糙度轮廓扫描；进一步的，测量90°测量位置时使用X向运动机构(4)实现该测量位置的表面粗糙度轮廓扫描；更进一步的，测量0-90°之间的测量位置时使用X向运动机构(4)和Z向运动机构(3)按一定规律协同插补运动实现该测量位置的表面粗糙度轮廓扫描。
9.如权利要求6所述的异型结构零件内曲面表面粗糙度测量方法，其特征在于：步骤b中，0-90°之间的测量位置选取0-90°之间任意一个或多个角度的测量位置。
10.如权利要求6所述的异型结构零件内曲面表面粗糙度测量方法，其特征在于：步骤b中，0-90°之间选取等差数列排布的多个角度的测量位置。
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