CN106225718A - 轮廓检测测头、检测仪及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种轮廓检测测头、检测仪及检测方法，其中，所述轮廓检测测头包括：连接杆，其顶端用于固定至检测仪机体上；探头位，其顶部设置在连接杆的底端，其底部用于提供探头安装位；第一探头，设置在探头位底部的第一探头安装位，用于以第一模式进行轮廓检测；第二探头，设置在探头位底部的第二探头安装位，用于以第二模式进行轮廓检测。从而能够使得不同模式检测的数据进行参考，便于不同模式之间检测参数的调整，继而能够提高检测效率的同时提高轮廓检测精度。

Description

轮廓检测测头、检测仪及检测方法

技术领域

本发明涉及仪器检测传感技术领域，具体涉及一种轮廓检测测头、检测仪及检测方法。

背景技术

1929年德国科学家Schmaltz研制出了第一台触针式的轮廓记录仪，该仪器利用了光学杠杆放大原理测量表面轮廓。继此之后，英国Taylor Hobson公司也投入到表面轮廓仪的研发当中并取得不小成就。随着传感检测技术的发展，表面形貌测量的分辨率与精度大大提高，能达到亚微米甚至纳米级别。如今，表面形貌的测量方式大致分为五种：机械触针式测量、光学探针式测量、干涉显微测量、扫描电子显微镜(SEM)和扫描探针显微镜(SPM)，其中，由于直接接触被测表面，其测量结果稳定可靠，机械触针式测量在工业领域被应用广泛。

机械触针式测量为了测量表面微小的间距和峰谷，需要使用极细的针尖，触针针尖在机构自身重力、外部机械力或者电磁力的作用下与被测表面紧密贴合。在扫描过程中，载物台或者触针沿着一定方向平行移动，使***逐点采样，从而获得被测表面的轮廓曲线。这种接触式测量仪的缺点是：(a)采样速度慢，效率低；(b)由于被测表面硬度的不确定性，触针可能会划伤被测表面，所以不适用于软质材料的检测；(c)由于针尖半径的限制无法测量出超精密表面测量所关心的轮廓中高频部分，因而不适用于超精密表面的检测。

针对机械触针式的各项弊端，又应运而生了非接触式的表面轮廓检测仪，其中包括将机械测头更换为激光测头。但非接触式表面轮廓检测仪在解决了传统机械触针式测量仪的三大弊端的同时，带来了一个更大的问题，那就是不稳定，精度不够高。例如，(a)被测工件的材料反射率直接影响测量结果；(b)被测表面需要十分光洁，灰尘或者油污都会影响测量结果；(c)在测量含有较大倾斜角的轮廓表面时，会造成信号失真或畸变等。

因此，如何在提高检测效率的同时提高轮廓检测精度成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于如何在提高检测效率的同时提高轮廓检测精度。

为此，根据第一方面，本发明实施例公开了一种轮廓检测测头，包括：

连接杆，其顶端用于固定至检测仪机体上；探头位，其顶部设置在连接杆的底端，其底部用于提供探头安装位；第一探头，设置在探头位底部的第一探头安装位，用于以第一模式进行轮廓检测；第二探头，设置在探头位底部的第二探头安装位，用于以第二模式进行轮廓检测。

可选地，第一探头为激光式测头，第二探头位接触式测头。

可选地，在轮廓检测时，第一探头的检测轨迹位于第二探头的检测轨迹前方。

可选地，还包括：旋转台，设置在连接杆的顶端，用于可拆卸将连接杆固定至检测仪机体上。

可选地，旋转台还用于驱动连接杆运动。

根据第二方面，本发明实施例公开了一种轮廓检测仪，包括：

上述的轮廓检测测头；立柱，用于置放轮廓检测测头，还用于驱动轮廓检测测头延Z轴方向移动；平面轨道，用于向立柱提供X轴和/或Y轴平动的轨道；检测位，设置在平面轨道下方，用于向待测轮廓提供放置位。

可选地，轮廓检测仪位三坐标测量机。

根据第三方面，本发明实施例公开了一种轮廓检测方法，包括：

第一探头自预设探测路径的起始点依次探测待测轮廓得到待测轮廓的初测曲线；第二探头根据从初测曲线提取出的曲率信息调整测量频率以完成沿预设探测路径的第二探头的探测。

可选地，在第一探头探测至预设探测路径的终止点后，旋转台驱动探头位移动至下一预设探测路径，并驱动探头位调整姿态，以使在进行下一预设探测路径探测时，第一探头位于第二探头的前方。

可选地，第二探头的测量频率与提取出的曲率信息的弯曲度成正比。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明实施例提供的轮廓检测测头、检测仪及检测方法，由于将第一探头和第二探头设置在同一探头位上，因此，在对待测轮廓进行轮廓检测时，能够通过第一探头以第一模式进行轮廓检测，通过第二探头以第二模式进行轮廓检测，从而能够使得不同模式检测的数据进行参考，便于不同模式之间检测参数的调整，继而能够提高检测效率的同时提高轮廓检测精度。

作为优选的技术方案，第二探头的测量频率与提取出的曲率信息的弯曲度成正比，从而在利用第二探头以第二模式进行轮廓检测时，能够自适应调整其测量频率，继而能够进一步实现效率和精度的统筹。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例中一种轮廓检测测头结构示意图；

图2为本发明实施例中一种轮廓检测仪结构示意图；

图3为本发明实施例中一种轮廓检测方法流程图；

图4为本发明实施例中一种轮廓检测过程示意。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

请参考图1，为本实施例公开的一种轮廓检测测头，该轮廓检测测头包括：连接杆1、探头位2、第一探头3和第二探头4，其中：

连接杆1其顶端用于固定至检测仪机体上。通常，轮廓检测测头设置在轮廓检测仪(例如三坐标测量机)上，通过驱动检测测头的移动来实现对待检测对象进行轮廓检测。因此，本实施例中，通过连接杆1来实现将测头固定到检测仪机体上。

探头位2其顶部设置在连接杆1的底端，其底部用于提供探头安装位。在具体实施例中，连接杆1的顶端连接到检测仪机体上，连接杆1的底端可以设置探头位2。在具体实施例中，探头位2的底部可以连接探头，以实现对待测对象进行相应的轮廓检测。

第一探头3设置在探头位2底部的第一探头安装位，用于以第一模式进行轮廓检测。本实施例中，探头位2底部设置至少两个探头安装位，请参考图1，至少两个探头位可以并排设置，例如采用左右并排的方式，以实现该至少两个探头位一前一后的布置。在本实施例中，以两个探头位为例进行说明，第一探头3设置在第一探头安装位，在本实施例中，第一探头3为激光式测头，第一探头3可以为例如激光传感器(laser probe，LP)等非接触式传感器，以提高轮廓检测效率。在具体实施例中，第一探头3可以采取翼板加螺钉连接，方便拆卸安装。

第二探头4设置在探头位2底部的第二探头安装位，用于以第二模式进行轮廓检测。在本实施例中，第二探头4为接触式测头，以提高检测精度。具体地，本实施例中，第二探头4可以是接触触发式传感器(touch-trigger probe，TP)。

本实施例中，在对待测对象进行轮廓检测时，第一探头3的检测轨迹位于第二探头4的检测轨迹前方。亦即，第一探头3可以先于第二探头4对轮廓数据进行收集、整理等工作，以给予第二探头4的采集频率做预判。

为了实现测头的旋转和/或与检测仪机体可拆卸连接，在具体实施例中，该轮廓检测测头还可以包括：旋转台5，旋转台5设置在连接杆1的顶端，用于可拆卸将连接杆1固定至检测仪机体上。具体地，旋转台5还用于驱动连接杆1运动，该运动可以是例如旋转，当然，也可以是通过其它的辅助轨道进行平动。以旋转台连接，可实现不同进给方向的扫描。

本实施例还公开了一种轮廓检测仪，请参考图2，该轮廓检测仪包括：上述实施例公开的轮廓检测测头10、立柱20、平面轨道30和检测位，其中：

轮廓检测测头10用于对待测对象进行轮廓检测。

立柱20用于置放轮廓检测测头10，还用于驱动轮廓检测测头10延Z轴方向移动。具体地，可以通过连接杆1的顶端连接到立柱20上，当然，在可选的实施例中，连接杆1可以通过旋转台5连接到立柱20上，从而使得测头能够绕Z轴方向转动。

平面轨道30用于向立柱20提供X轴和/或Y轴平动的轨道。在具体实施例中，将立柱20可移动地设置在平面轨道30上，从而，为立柱20提供了沿X轴和/或Y轴平动的轨道支撑。

检测位设置在平面轨道30下方，用于向待测轮廓提供放置位。

在可选的实施例中，轮廓检测仪位三坐标测量机。

本实施例还公开了一种轮廓检测方法，请参考图3，该轮廓检测方法包括如下步骤：

步骤S100，第一探头自预设探测路径的起始点依次探测待测轮廓得到待测轮廓的初测曲线。通常，第一探头为非接触式测头，因此能够较为全面地得到待测轮廓的大致轮廓曲线(初测曲线)，通过该初测曲线能够初步判断轮廓的形状、平坦度、曲率等信息，该初步判断可以是比较高效的。

步骤S200，第二探头根据从初测曲线提取出的曲率信息调整测量频率以完成沿预设探测路径的第二探头的探测。在具体实施例中，第二探头的测量频率与提取出的曲率信息的弯曲度成正比，具体地，在第一探头得到初测曲线后，可以从该初测曲线信息中提取出曲率信息，根据该曲率信息能够调整第二探头的测量频率，例如弯曲度较高时，测量频率可以加大，从而能够更密地检测，当弯曲度较低比较平坦时，可以减小测量频率，加大测量步长，从而能够快速完成检测。

在优选实施例中，在执行步骤S100时，在第一探头探测至预设探测路径的终止点后，旋转台驱动探头位移动至下一预设探测路径，并驱动探头位调整姿态，以使在进行下一预设探测路径探测时，第一探头位于第二探头的前方。

为便于本领域技术人员理解，下文以具体示例对检测过程进行说明。请参考图4，为本实施例中对某一待测对象进行轮廓检测的测量过程中的不同时刻示意，图4示意了(1)、(2)、(3)、(4)、(5)和(6)个不同的检测过程，该检测过程的探测路径有l1、l2、l3、l4和l5，例如在对路径l1进行扫描时，可得到l1的轮廓线，此为个性化扫描。具体地：

可以预先确定好起始扫描点(预设探测路径的起始点)，以及X、Y正方向后，由LP探测路径l1的起始点。当LP捕捉到突变信号时，表明LP已到达曲面位置，此时，可以记录坐标值，即LP进入待测曲面的边界点(即为路径的起始点)。此时，桥式支撑架上控制Y轴移动的伺服电机锁死，测量***无法在Y轴方向移动。同时，旋转台的伺服电机锁死，传感器无法绕着Z轴进行转动。

接着，测量***沿着X轴正方向移动，当TP移动到边界点(预设探测路径的起始点)时，TP对其进行重新测量，并将结果整合到***，记录为起始点。此时，如果与LP记录的坐标值误差较大，机器报警，开启保护***，所有运动停止，该坐标值误差可以根据经验确定。

在沿着X正方向扫描的过程中，LP一直在前段探测，保持以预设的ΔX单位长度测量路径l1，以获得表面轮廓点的坐标信息。此时的坐标信息用于两个不同的处理***，一方面通过收集的信息进行数字化，然后拟合成初测曲线，并从中提取出曲率信息；另一方面根据预设的曲率判据进行信号的负反馈，调整TP的测量频率，以完成自适应采样。这里的判据，通常可以采用曲率，当TP扫描部分的曲率ki大于预设曲率值k0时，扫描频率增大；当TP扫描部分的曲率ki小于预设曲率值k0时，扫描频率降低。而由于TP的精度更高，所以结合TP的测量结果，对初测曲线的关键点进行修正，最终拟合成最终曲线。如图4(2)中，为测量过程中，不同的状态相位示意。

当LP捕捉到突变信号时，表明LP已经到达路径的末端，记录该突变信号的坐标值，即LP离开曲面的边界点(预设探测路径的终止点)。接着，测量装置继续沿着X正方向移动d+Δd(d为TP测杆的中心轴与LP发出的激光束之间的水平距离，Δd为测量仪器预设值)。

当TP移动到边界点(预设探测路径的终止点)时，对其进行重新测量，并将结果整合到***，拟合成曲线。此时，如果与LP记录的坐标值误差较大，机器报警，开启保护***，所有运动停止，具体参见上述实施例，在此不再赘述。

当TP完成路径终止点的测量后，旋转台伺服电机解锁，并绕着Z轴旋转90°，变为LP在左，TP在右，接着，旋转台伺服电机锁死，以对路径l2进行测量，由此，在对路径l2进行测量时，也使得LP在TP之前。

桥式支撑架上控制Y轴移动的伺服电机解锁，测量装置沿Y轴正方向移动ΔY。然后，桥式支撑架上控制Y轴移动的伺服电机锁死。在完成路径l2的测量后，旋转台再次旋转90°，以沿路径l3进行测量。

此时，LP根据焦点是否为测量台面来判断是否已进入曲面。如是，则继续向X方向移动，直到遇到信号的突变点，即为曲面轮廓线的边界点，完成了路径l3的测量。重复上述步骤，可以对其它路径l4、l5等进行测量。

本实施例提供的轮廓检测测头、检测仪及检测方法，由于将第一探头和第二探头设置在同一探头位上，因此，在对待测轮廓进行轮廓检测时，能够通过第一探头以第一模式进行轮廓检测，通过第二探头以第二模式进行轮廓检测，从而能够使得不同模式检测的数据进行参考，便于不同模式之间检测参数的调整，继而能够提高检测效率的同时提高轮廓检测精度。

在优选的实施例中，第二探头的测量频率与提取出的曲率信息的弯曲度成正比，从而在利用第二探头以第二模式进行轮廓检测时，能够自适应调整其测量频率，继而能够进一步实现效率和精度的统筹。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种轮廓检测测头，其特征在于，包括：

连接杆(1)，其顶端用于固定至检测仪机体上；

探头位(2)，其顶部设置在所述连接杆(1)的底端，其底部用于提供探头安装位；

第一探头(3)，设置在所述探头位(2)底部的第一探头安装位，用于以第一模式进行轮廓检测；

第二探头(4)，设置在所述探头位(2)底部的第二探头安装位，用于以第二模式进行轮廓检测。

2.如权利要求1所述的轮廓检测测头，其特征在于，所述第一探头(3)为激光式测头，所述第二探头(4)位接触式测头。

3.如权利要求2所述的轮廓检测测头，其特征在于，在轮廓检测时，所述第一探头(3)的检测轨迹位于所述第二探头(4)的检测轨迹前方。

4.如权利要求1-3任意一项所述的轮廓检测测头，其特征在于，还包括：

旋转台(5)，设置在所述连接杆(1)的顶端，用于可拆卸将所述连接杆(1)固定至检测仪机体上。

5.如权利要求4所述的轮廓检测测头，其特征在于，所述旋转台(5)还用于驱动所述连接杆(1)运动。

6.一种轮廓检测仪，其特征在于，包括：

如权利要求1-5任意一项所述的轮廓检测测头(10)；

立柱(20)，用于置放所述轮廓检测测头(10)，还用于驱动所述轮廓检测测头(10)延Z轴方向移动；

平面轨道(30)，用于向所述立柱(20)提供X轴和/或Y轴平动的轨道；

检测位，设置在所述平面轨道(30)下方，用于向待测轮廓提供放置位。

7.如权利要求6所述的轮廓检测仪，其特征在于，所述轮廓检测仪位三坐标测量机。

8.一种轮廓检测方法，其特征在于，包括：

第一探头自预设探测路径的起始点依次探测待测轮廓得到待测轮廓的初测曲线；

第二探头根据从所述初测曲线提取出的曲率信息调整测量频率以完成沿所述预设探测路径的第二探头的探测。

9.如权利要求8所述的轮廓检测方法，其特征在于，还包括：

在所述第一探头探测至所述预设探测路径的终止点后，旋转台驱动探头位移动至下一预设探测路径，并驱动所述探头位调整姿态，以使在进行下一预设探测路径探测时，所述第一探头位于所述第二探头的前方。

10.如权利要求8或9所述的轮廓检测方法，其特征在于，所述第二探头的测量频率与所述提取出的曲率信息的弯曲度成正比。