一种分层结构的磁控变刚度微纳测头

摘要

本发明涉及微型工件表面特征设备技术领域，具体涉及一种分层结构的磁控变刚度微纳测头；通过设计有测头分层结构和电磁系统，有助于实现可调节的测头系统刚度；通过单独控制圆柱形磁性线圈绕组的电流实现测头系统的刚度调节，可以达到测头系统的各项同性刚度；橡胶垫圈有一定的微形变能力，可以调节磁性线圈绕组和圆柱形永磁体之间的间隙，对安装误差进行调节补偿；采用等边三角形连接体结构的上下端盖，有足够的安装操作空间，且受力均匀，刚度较大，结构稳定，鲁棒性强。

说明书

技术领域

本发明涉及微型工件表面特征设备技术领域，具体涉及一种分层结构的磁控变刚度微纳测头。

背景技术

微系统技术的快速发展，出现了许多微型精密测量仪器，这些仪器的表面尺寸精度一般在微米级别，有一些甚至要求在纳米级别。

电磁式分层变刚度微纳测头在测量微型工件表面特征时，阶梯测杆顶部的测球与被测工件表面接触，接触力沿测杆作用到中心体，使其发生形变，从而与中心体相连的敏感弹性梁产生微小的变形，触发敏感弹性梁上的应变传感器，并通过相应的转换电路记录此测点的坐标值。

目前磁控变刚度微纳测头，存在以下问题：

1、测头的刚度是固定的，不能调节刚度，很难达到各项同性刚度；

2、采用较大刚度的测头，在测量过程中触发传感器需要的接触力更大，极易划伤被测工件表面；

3、采用较小刚度测头，动态响应变慢，谐振频率低，稳定性差；

4、测头在快速接近或远离被测工件时产生的惯性力可能会带来误触发；

5、测球与工件之间的范德华力会对测头的悬挂系统产生潜在的破坏；

6、现有的压杆型变刚度测头，易发生测杆中心偏移。

发明内容

(一)解决的技术问题

本发明目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种分层结构的磁控变刚度微纳测头。

(二)技术方案

一种分层结构的磁控变刚度微纳测头，包括底座、上端盖、下端盖、橡胶垫圈Ⅰ、橡胶垫圈Ⅱ、中心悬挂机构及螺栓；

上端盖和下端盖对称设置在中心悬挂结构两侧，上端盖与中心悬挂结构之间设置有橡胶垫圈Ⅰ，下端盖与中心悬挂结构之间设置有橡胶垫圈Ⅱ；上端盖、橡胶垫圈Ⅰ、中心悬挂机构、橡胶垫圈Ⅱ及下端盖设置有对应的贯通螺纹孔，底座一侧也设置有对应的固定螺纹孔，另一侧设置有连接端头，用于连接三坐标机；

上端盖和下端盖结构相同，均为镂空设计，中心设置有一等边三角形的连接体；连接体的三个端设有磁性线圈绕组，上下端盖的磁性线圈绕组相对设置；

中心悬挂机构包括外圈及安装座，安装座设在外圈中心位置；安装座周向均匀连接有三根刚性横直梁，刚性横直梁外端设有圆柱形永磁体；安装座周向还均匀连接有三根敏感弹性梁，敏感弹性梁外端与外圈连接；敏感弹性梁上下表面均设有应变传感器；安装座面向上端盖侧连接有阶梯测杆，阶梯测杆伸出上端盖并设置有测球；

螺栓穿过贯通螺纹孔并旋进固定螺纹孔，依次将上端盖、橡胶垫圈Ⅰ、中心悬挂机构、橡胶垫圈Ⅱ、下端盖、底座组合为一体；永磁体两端伸入到对应的磁性线圈绕组内。

作为优选技术方案，永磁体的外径小于磁性线圈绕组的内径，留出间隙以保证永磁体的位移空间和装配空间。

作为优选技术方案，应变传感器采用多晶硅应变计，与信号放大电路连接，放大电路与数据采集器连接，数据采集器与电脑连接。

作为优选技术方案，上端盖、下端盖及外圈为铝合金材料；刚性横直梁和安装座的厚度相同，也为铝合金材料；敏感弹性梁为铍青铜材料；阶梯测杆为碳化钨材料；测球为红宝石材料。

作为优选技术方案，阶梯测杆包括锥台段和圆柱段，锥台段底端对应连接安装座中心位置，顶端与圆柱段一端连接，测球设置在圆柱段另一端。

作为优选技术方案，磁性线圈绕组外接可调大小的输入电流。

(三)有益效果

本发明提供了一种分层结构的磁控变刚度微纳测头，具有以下的优点：

1，通过设计有测头分层结构和电磁系统，有助于实现可调节的测头系统刚度；

2，通过单独控制圆柱形磁性线圈绕组的电流实现测头系统的刚度调节，可以达到测头系统的各项同性刚度；

3，橡胶垫圈有一定的微形变能力，可以调节磁性线圈绕组和圆柱形永磁体之间的间隙，对安装误差进行调节补偿；

4，采用等边三角形连接体结构的上下端盖，有足够的安装操作空间，且受力均匀，刚度较大，结构稳定，鲁棒性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的，保护一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的组合结构图；

图2为本发明的爆炸结构图；

图3为本发明中端盖的结构图；

图4为本发明中中心悬挂机构的结构图；

图5为本发明中底座的结构图；

图6为本发明的使用原理图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-上端盖，101-连接体，102-磁性线圈绕组，103-贯通螺纹孔；

2-橡胶垫圈Ⅰ；

3-中心悬挂机构，301-外圈，302-安装座，303-敏感弹性梁，304-刚性横直梁，305-永磁体，306-阶梯测杆，307-测头；

4-橡胶垫圈Ⅱ；

5-下端盖；

6-底座，601-固定螺纹孔，602-连接端头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图1-5，一种分层结构的磁控变刚度微纳测头，包括底座6、上端盖1、下端盖5、橡胶垫圈Ⅰ2、橡胶垫圈Ⅱ4、中心悬挂机构3及螺栓(未画出)；

上端盖1和下端盖5对称设在中心悬挂结构3两侧，上端盖1与中心悬挂结构3之间设置有橡胶垫圈Ⅰ2，下端盖5与中心悬挂结构3之间设置有橡胶垫圈Ⅱ4；上端盖1、橡胶垫圈Ⅰ2、中心悬挂机构3、橡胶垫圈Ⅱ4及下端盖5加工有对应的贯通螺纹孔103，底座6一侧也加工有对应的固定螺纹孔601，另一侧设有连接端头602，用于连接三坐标机；

上端盖1和下端盖5结构相同，均为镂空设计，中心设有一等边三角形的连接体101；连接体101的三个端装有磁性线圈绕组102，上下端盖的磁性线圈绕组102相对设置；

中心悬挂机构3包括外圈301及安装座302，安装座302设在外圈301中心位置；安装座302周向均匀连接有三根刚性横直梁304，刚性横直梁304外端装有圆柱形永磁体305；安装座302周向还均匀连接有三根敏感弹性梁303，敏感弹性梁303外端与外圈301连接；敏感弹性梁303上下表面均贴有应变传感器；安装座302面向上端盖1侧连接有阶梯测杆306，阶梯测杆306伸出上端盖1并装有测球307；

参看图2，将部件对齐，使贯通螺纹孔103、固定螺纹孔601同心；螺栓穿过贯通螺纹孔103并旋进固定螺纹孔601，依次将上端盖1、橡胶垫圈Ⅰ2、中心悬挂机构3、橡胶垫圈Ⅱ4、下端盖5、底座6组合为一体；永磁体305两端伸入到对应的磁性线圈绕组102内。

其中，永磁体305的外径小于磁性线圈绕组102的内径，留出间隙以保证永磁体305的位移空间和装配空间；

其中，阶梯测杆306包括锥台段和圆柱段，锥台段底端对应安装座302中心位置，顶端与圆柱段一端连接，测球307设置在圆柱段另一端。

其中，磁性线圈绕组102外接可调大小的输入电流。

其中，应变传感器采用多晶硅应变计。

在一个实施例里，上端盖1、下端盖5及外圈301为铝合金材料；刚性横直梁305和安装座302的厚度相同，也为铝合金材料；敏感弹性梁303为铍青铜材料；阶梯测杆306为碳化钨材料；测球307为红宝石材料。

在另一个实施例里，相邻的敏感弹性梁303、刚性横直梁304夹角为60°。

现场使用时，应变传感器与信号放大电路连接，放大电路与数据采集器连接，数据采集器与电脑连接，电脑分析收集到的数据，测头在工作过程中可以通过控制线圈电流来实时调节测头的整体刚度，达到变刚度的目的。具体的，根据同极排斥原理，当线圈未通电或电流很小时，线圈对永磁体305连接的中心悬挂机构3产生很小的额外刚度，测头系统处于低刚度模式，测头所产生的测量力小，可以有效的保护被测工件表面；当线圈通电电流较大时，对永磁体305所连接的中心悬挂机构3产生较大的额外刚度，测头系统处于高刚度模式，可以防止惯性力带来的误触发和范德华力吸引破坏悬挂机构，并且保证测头系统的稳定性；且不存在压杆式变刚度测头的中心体偏移的潜在误差。

参看图6，测头在测量过程中会有两个状态，一个“硬”的状态，一个“软”的状态。a表示测头在移动接近工件的过程中采取的是“硬”的状态，在该状态下，测头的刚度K_t＝K₁+K′，其中K₁是测量刚度，K′为抗干扰刚度，能够承受较大的惯性力，测头的移动速度相比传统的可以更快，抗干扰能力较大。b表示当测头达到接近工件的预设阀值时采取的是“软”的状态，撤去电磁场，此时K_t＝K′测头刚度为测量刚度，c表示测头与工件发生接触，测头中心体发生偏转，触发了测头记录下测量点，测头对工件表面的测量力较小，可以保护测量表面。d表示在测头完成触发后离开工件表面时，采取“硬”的状态，可以防止过大的吸引力对测头支撑机构带来的损伤。

上述电控元件的控制方式为现有技术，为了避免叙述累赘，统一在此处说明。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料过着特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。