摘 要

触针式表面轮廓测量仪以其测量的稳定性和可靠性，在表面计量学方法中经久不衰。零件表面的复杂化要求测量仪器越来越精密化，并对表面形貌作出快速而准确的测量和评定，触针式位移传感器的动静态特性对表面形貌的快速评定有很重要的意义。因此本文要设计一种利用光学计量系统的触针式位移传感器。

论文主要研究了触针式位移传感器的结构，由机械式的杠杆式触针和光学式的测量系统组成，将触针探头的微位移转换为仪器镜片的机械位移，利用光学干涉原理测量系统来测量内部的机械位移。根据通用的表面轮廓测量仪微位移传感器提出技术要求：垂直方向的量程5mm，分辨率小于10nm。结构设计的工作包含机械部分进行数学建模；对触针的理论分析设计；杠杆的形状设计，并分析此测量方法引起的非线性误差；光学元器件的选型，光路的设计，光学原理分析。同时，对杠杆触针进行了数学模型的建立，基于MATLAB仿真分析其接触特性，测量力的特性及响应过程中的动态响应力，用ANSYS软件对所设计的整个杠杆测量系统进行模态分析，求得其固有频率和在某一固有频率下的模态振型，最后通过设计实验进行分析、验证理论结果，对触针式传感器进行动态指标和静态指标的测试。

结果表明：稳定测量时系统的误差可以在2μm内，垂直方向的量程大于5mm，通过误差补偿等技术（本文未展开讨论），测试标准样板的Ra值与标定值非常接近，符合设计要求。

本文的特色：比较完善地设计设计出一种利用激光干涉条纹来反映表面形貌的触针式位移传感器，将接触式的触针式传感器和非接触式的光学式结合在一起，特点是触针—镜面结构，利用干涉原理实现非接触测量作为测量结果的输出，具有两者的优点：测量速度快，稳定可靠，测量精度高，范围广，可应用于研究机构和工业现场。

关键词：触针式表面轮廓测量仪；触针式位移传感器；动态特性；静态特性

Abstract

The stylus surface profile measuring instrument is enduring in the surface metrology method with its stability and reliability. The complication of the surface requires more and more precision measurement of the measuring instruments to evaluate the surface morphology rapidly and accurately. The dynamic and static characteristics of the stylus displacement sensors have great significance to the rapid evaluation of the surface morphology. Therefore, the paper is aim to design a stylus displacement sensor using an optical metering system.

The structure of the stylus displacement sensor is studied. It is composed of a lever-type stylus and an optical measuring system of the mechanical structure. The micro-displacement of the stylus probe is converted into the mechanical displacement of the instrument, using the optical interference principle measurement system to measure the internal mechanical displacement. According to micro-displacement sensor of the general surface profile measuring instrument, we proposed technical requirements: the vertical direction of the range of 5mm, resolution less than 10nm. The design of the structure includes the mechanical part of the mathematical modeling; the theoretical analysis of the stylus design; lever shape design, and analysis of this measurement method caused by non-linear error; optical components selection, optical design, optical principle analysis At the same time, the mathematical model of the lever contact is established. Based on MATLAB simulation, the contact characteristics, the characteristics of the measurement force and the dynamic response force in the response process are analyzed. The ANSYS software is used to analyze the whole lever measurement system, the natural frequency and the modal shape at a certain frequency are obtained. Finally, the experimental results are analyzed and the theoretical results are verified. The dynamic and static indexes of the stylus sensor are tested.

The results show that: In the case of stable measurement, the error of the system can be within 2μm, the range of vertical direction is greater than 5mm. Through the error compensation technology (this article is not discussed), the test sample template Ra is close to the calibration value, which meet the design requirements.

The characteristics of this paper: The paper design a complete stylus displacement sensor using of laser interference fringes to reflect the surface morphology of the stylus displacement sensor, which combine a contact of the stylus sensor and non-contact optical method. The feature is characterized by touch Needle-mirror structure, using the interference principle to achieve non-contact measurement as the measurement results output, which has the advantages of both: fast measurement, stable and reliable, high precision, wide range, can be applied to research institutions and industrial occations.

Key Words: stylus surface profile measuring instrument; stylus displacement sensor; dynamic characteristics; static characteristics

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的目的和意义 1

1.2 触针式轮廓仪国内外研究现状和发展趋势 1

1.2.1国际上的技术发展和研究概况 2

1.2.2国内研究现状和发展趋势 3

1.3本文的主要工作及研究内容 4

第2章 传感器总体结构设计 5

2.1系统实施的方案 5

2.2触针测量系统的结构设计 6

2.2.1杠杆材料的选择 6

2.2.2杠杆形状 6

2.3干涉传感测量系统的结构设计 7

2.3.1结构设计 7

2.3.2干涉原理 7

2.4光学器件参数的选择 8

2.5触针位移测量系统总体结构 10

2.6触针式位移传感器的模态分析 12

2.7本章小结 16

第3章 传感器系统的结构分析 17

3.1触针的形状 17

3.2触针接触时得弹塑性特性 18

3.3非线性误差分析 19

3.3.1杠杆测量点引起的非线性误差 19

3.3.2杠杆计量点引起的非线性误差 21

2.4本章小结 23

第4章 测量系统模型的建立和动静态特性分析 24

4.1静态参数 24

4.2触针测量力 26

4.3触针损伤预防指数 28

4.4触针拾取系统的动态响应 29

4.4.1频率响应 30

4.4.2机械振动 34

4.5本章小结 34

第5章 实验与分析 35

5.1精度测试实验 35

5.1.1实验平台的搭建 35

5.1.2精度测试 36

5.2标准多刻线样板的测量实验 38

5.3本章小结 40

总结与展望 41

参考文献 42

附录 44

1. 精度测试数据 44

2. matlab生成随机表面仿真程序 49

致谢 52

第1章 绪论

1.1 课题研究的目的和意义

随着制造业技术的发展和工艺水平的提高，对零件的表面形貌的要求也越来越高，从简单的二维表征特性表面到复杂的三维几何形貌表面，从静态测量到跟随式动态测量，从以前的测量几个孤立参数到现在的反映表面形貌特征的三十多个参数^[1][1]，机械零件越来越复杂，越来越精密，从生产发展的历史来看,机械加工精度的提高总是与测量技术的发展水平紧密相关的。没有测量，就没有科学，测量的精度和效率在一定程度上影响到科学技术的水平，也是机械工业发展的基础和先决条件之一^[2][2]。

零件表面的复杂化要求测量仪器越来越精密化，并对表面形貌作出快速而准确的测量和评定，从而更好的反馈到制造中，生产出高质量的零件，而测量仪器最关键的部分就是传感器的设计，本文要设计一种利用光学计量系统的触针式位移传感器，目前国际国内还没有对这种传感器作出系统的研究，在评定和测量的过程中，触针式表面轮廓测量仪稳定可靠，并对环境要求低，对被测工件的斜率不敏感，适用于测量同时含有形状和纹理特征的零件，而光学式计量系统精度高，该传感器兼具两者优点，本文选择这种传感器进行结构设计是很有意义的。触针式位移传感器的静态和动态特性对表面形貌快速准确的评定和测量有着很重要的意义。传感器的参数直接影响到测量结果，不管是针尖的外形，针尖的半径，测量时的倾斜度，还是杠杆形状，棱镜的选型，都是设计传感器应当考虑的，因此本文对轮廓测量仪的输入端，即传感器，进行结构设计和动静态特性分析，并且通过实验进行测试，验证传感器的参数，对触针式传感器作系统的研究，这也是本文研究的意义所在。

通过本次的毕业设计，目的是设计出一种利用激光干涉条纹来反映表面形貌的触针式位移传感器，它将接触式的触针式传感器和非接触式的光学式结合在一起，特点是利用了触针—镜面结构，利用干涉原理实现非接触测量作为测量结果的输出，具有两者的优点：测量速度快，稳定可靠，测量精度高，范围广，可应用于研究机构和工业现场，涉及到的有机械结构、光学计量系统，对触针的接触特性进行动静态特性分析，分析误差，最后通过实验测试、验证。

1.2 触针式轮廓仪国内外研究现状和发展趋势

触针式测量仪器经久不衰，虽然其在测量过程中有可能产生划痕、低扫描速度、测量区域有限的缺点，但其测量结果可靠，测量范围大^[3][3]。因此触针式轮廓仪一直是各国的国家标准和国际制定标准的依据，国际上关于它的研究也不断在进行。

1.2.1国际上的技术发展和研究概况

20世纪以前，人们只能通过触摸法和观察法来对物体表面评定^[4][4]，1929年德国的Schmaltz对表面微观不平行度的高度参数进行定量测量标志着表面参数分析评定被工业生产所关注；1936年美国Abbott研制了第一台车间用的粗糙度轮廓仪，是Bendix公司测微计分厂表面轮廓仪的先驱；1940年英国Taylor- Hobson公司研制了Talysurf系列表面粗糙度测量仪^[5][5]，1984年推出高分辨率的Form-Talysurf系列产品，最具典型特征的产品非球面测量系统Form-Talysurf PGI 1250A 粗糙度轮廓仪，如图2.1所示，PGI 1250A 采用柱面光栅干涉原理，解决了陡峭非球面的测量问题并实现了全自动高精度测量，主要技术参数：导轨直线度0.11μm/200mm，12.5mm的粗糙度测量范围，0.8nm的分辨率，形状误差精度50-80nm；德国Hommel公司的T系列的轮廓仪有便携式、台式和便携式一身、高精度和同时测量多个轮廓参数的特点；日本Mitutoyo公司生产的Surftest系列轮廓仪可测量各种复杂表面；美国Veeco公司的Dektak 3ST型表面测量系统如图2.2所示，其触针式轮廓仪最高分辨率达0.1nm。

图2.2 Dektak 3ST型表面测量系统

图2.1 Form-Talysurf PGI 1250A 粗糙度轮廓仪