CN112113527A - 一种精准测量弱刚性薄形零件厚度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于弱刚性薄形零件检测技术领域，具体涉及一种精准测量弱刚性薄形零件厚度的装置及方法。该装置包括基板，基板上设有与基板转动配合的真空回转工作台，真空回转工作台的两侧对称设有两个竖直导轨，两个竖直导轨之间设有横向导轨，横向导轨的两端分别与竖直导轨滑动连接；横向导轨上设有与横向导轨滑动连接的测量探针。本发明通过旋转真空回转工作台和调整测量探针的横向位移，对置于真空回转工作台上的弱刚性薄形零件的两个测量面对应的各个位点的坐标进行螺线式扫描检测，通过计算得到待测零件各个检测位点的厚度值，从而获取弱刚性薄形零件表面的形变信息，对弱刚性薄形零件的加工应用具有重要指导作用。

Description

一种精准测量弱刚性薄形零件厚度的装置及方法

技术领域

本发明属于弱刚性薄形零件检测技术领域，具体涉及一种精准测量弱刚性薄形零件厚度的装置及方法。

背景技术

弱刚性薄形零件通常指刚度差、易变形，精度要求高的薄形零件，其口径厚度比值通常大于10:1，关键部位精度要求达到IT5-IT7级，如玻璃片、铝片、铜片等等，被广泛应用于各种精密制造行业中，例如航空、航天、国防以及高科技民间应用等领域。

弱刚性薄形零件由于应力及重力作用从而存在复杂的变形情况，精准测量其厚度较为困难。目前现有的厚度测量方法主要有激光三角法、电容法、射线法等。激光三角法只能测量透明的样品；电容法由于两极固定,测量范围较小且电介质的改变对测量带来巨大的繁琐工作量；射线法不易实现在线扫描，且需要经常进行矫正，以及其他技术都具有一定的局限，不适合对弱刚性薄形零件厚度进行精准测量。本发明提供一种装置与方法，可对其实现对弱刚性薄形零件厚度的精准测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精准测量弱刚性薄形零件厚度的装置，利用该装置进行弱刚性薄形零件厚度的检测方法是本发明的另一个目的。

基于上述目的，本发明采用如下技术方案：一种精准测量弱刚性薄形零件厚度的装置，包括基板，基板上设有与基板转动配合的真空回转工作台，真空回转工作台的两侧对称设有竖直导轨，竖直导轨的底部固定于基板上；两个竖直导轨之间设有横向导轨，横向导轨的两端分别与竖直导轨滑动连接；横向导轨上设有与横向导轨滑动连接的测量探针。

进一步地，真空回转工作台的上表面开设有多个同轴的环形槽，真空回转工作台的侧面开设有贯穿真空回转工作台的气孔，气孔的一侧由堵头密封，气孔的另一侧连接抽气装置；环形槽的槽内底面开设有与气孔相连通的通孔。

进一步地，多个同轴的环形槽的槽内深度一致。

进一步地，基板上设有圆台，真空回转工作台设于圆台上；基板上还设有与基板转动连接的旋转杆，旋转杆贯穿圆台与真空回转工作台固定连接。

进一步地，测量探针在横向导轨上横向移动时经过真空回转工作台的中心。

进一步地，真空回转工作平台的上表面边缘或外周设有角度刻度标识。

进一步地，竖直导轨上设有调节横向导轨上下移动的调节旋钮。

利用上述装置对弱刚性薄形零件的厚度进行测量的方法，包括如下步骤：

(1)将待测弱刚性薄形零件置于真空回转工作台上，利用测量探针对弱刚性薄形零件在初始位点处的厚度d₀进行测量；

(2)分别对待测弱刚性薄形零件的两个面进行螺线型扫描，得到待测弱刚性薄形零件的两个面的初始位点坐标，分别为B₁(x_b1,y_b1,z_b1)和B₂(x_b2,y_b2,z_b2)，同时测定两个面的多个对应采样点坐标P_i(x_i,y_i,z_i),(i＝1,2,3,4，···n)和P_j(x_j,y_j,z_j),(j＝1,2,3,4，···n)；

(3)由步骤(1)和步骤(2)获取的对应位点的坐标值信息计算得到P_i或P_j采样点处的厚度值d，d＝z_i-(z_b1-d₀-(z_j-z_b2))，且i＝j；

(4)依据步骤(1)～(3)中获取单个采样点处的厚度值，推得弱刚性薄形零件的第n个检测位点处的厚度值d_n，d_n的计算公式为：d_n＝z_ni+z_nj+(d₀-z_b1-z_b2),(i,j＝1,2,3,4,···n)，且i＝j，其中n表示第n个待测位点，z_ni、z_nj分别表示第n个采样点处对应的弱刚性薄形零件两个测量面的z轴坐标值。

进一步地，步骤(1)对弱刚性薄形零件在初始位点处的厚度d₀进行测量的具体过程如下：

A.将待测弱刚性薄形零件置于真空回转工作台上，对真空回转工作台进行抽真空，对弱刚性薄形零件进行真空吸附；

B.将测量探针在横向导轨上的位置初始化；将横向导轨向下移动至测量探针与弱刚性薄形零件相接触，以弱刚性薄形零件的上表面作为第一次测量面；以初始化后测量探针垂直指向第一次测量面的位点为初始检测位点，该初始检测位点的坐标为(x₀,y₀,d₀)。

进一步地，步骤(2)中分别对待测弱刚性薄形零件的两个面进行螺线型扫描，获取待测弱刚性薄形零件的两个面的初始位点坐标B₁和B₂以及两个面的多个对应采样点坐标P_i(x_i,y_i,z_i),(i＝1,2,3,4，···n)和P_j(x_j,y_j,z_j),(j＝1,2,3,4，···n)，具体过程如下：

①.停止对真空回转工作台抽真空，释放弱刚性薄形零件，使其处于自然状态，测得此时初始检测位点在自然状态下的位置坐标B₁为(x_b1,y_b1,z_b1)；

②.匀速转动真空回转工作台，同时将测量探针向横向导轨的端部方向匀速移动，得到一系列测量点的坐标P_i(x_i,y_i,z_i),(i＝1,2,3,4，···n)；

③.将弱刚性薄形零件翻转，使其另一面作为第二次测量面，将测量探针在横向导轨上的位置初始化，测得第二次测量面的初始测量位置坐标B₂(x_b2,y_b2,z_b2)，其中，x_b1＝x_b2,y_b1＝y_b2；

④.匀速反向转动真空工作台，同时将测量探针向横向导轨的同一端部方向匀速移动，其中，真空工作台的反转速率与步骤②中真空工作台的转动速率相同，测量探针的移动速率与步骤(4)中测量探针的移动速率相同；得到一系列测量点的坐标P_j(x_j,y_j,z_j),(j＝1,2,3,4，···n)。

进一步地，步骤B和步骤③中测量探针在横向导轨上的初始位置为测量探针垂直指向真空回转工作台上表面的中心。

本发明提供一种能够对弱刚性薄形零件厚度进行检测的装置以及利用该装置进行弱刚性薄形零件厚度检测的方法，通过旋转装置中的真空回转工作台，同时调整测量探针的横向位移，对置于真空回转工作台上的弱刚性薄形零件的各个位点的坐标进行螺线式扫描检测，将弱刚性薄形零件进行翻转后，再次对弱刚性薄形零件的另一面对应的位点坐标进行螺线式扫描检测，结合本发明提供的计算公式，计算得到弱刚性薄形零件各个位点的厚度值，从而获取弱刚性薄形零件表面的形变信息，对弱刚性零件的制造及应用具有重要指导作用。

本发明方法通过以基准点作为参照，扫描获取弱刚性薄形零件的两面各个对应位点的坐标信息，经计算得到弱刚性薄形零件不同位点处的厚度值信息，具有检测精度高的优点。

附图说明

图1为本发明装置的整体结构示意图；

图2为放置待测零件后装置的整体结构示意图；

图3为本发明装置的侧面结构示意图；

图4为真空回转工作台与基板组合时的示意图；

图5为真空回转工作台与基板组合时俯视示意图；

图6为图5中的A-A向剖面视图；

图7为真空回转工作台的示意图；

图8为本发明方法计算原理示意图；

图9为本发明方法中对真空回转工作台和待测零件的定位标识示意图。

图中：1、基板；2、圆形平台；3、真空回转工作台；4、支撑柱；5、环形槽；6、气孔；7、通孔；8、竖直导轨；9、横向导轨；10、测量探针；11、连接件；12、弱刚性薄形零件。

具体实施方式

实施例1

一种精准测量弱刚性薄形零件厚度的装置，如图1～7所示，包括基板1，基板1上设有圆形平台2，圆形平台2上设有与圆形平台2转动配合的真空回转工作台3，真空回转工作台3的台面呈圆形，真空回转工作台3底部中心设有支撑柱4，支撑柱4的顶部与真空回转工作台3固定连接，支撑柱4的底部与基板1转动连接，基板1内设有驱动支撑柱4转动的伺服电机(图中未示出)。

真空回转工作台3的上表面开设有多个同轴的环形槽5，多个同轴的环形槽5的槽内深度一致。真空回转工作台3的侧面开设有贯穿真空回转工作台3的气孔6，气孔6的一侧由堵头密封，气孔6的另一侧连接抽气装置，如真空泵；环形槽5的槽内底面开设有与气孔6相连通的通孔7。

利用真空泵等抽气装置通过气孔6、连通环形槽5与气孔6的通孔7对环形槽5进行持续抽气，使得真空回转工作台3上表面的多个环形槽5形成负压，能够对放置于真空回转工作台3上表面的弱刚性薄形零件12进行吸附固定。

真空回转工作台3的两侧均设有竖直导轨8，竖直导轨8的底部固定于基板1上，设于真空回转工作台3两侧的两个竖直导轨8以真空回转工作台3中心成中心对称。两个竖直导轨8之间设有横向导轨9，横向导轨9的两端分别与竖直导轨8滑动连接；横向导轨9上设有与横向导轨9滑动连接的测量探针10，测量探针10顶部连接有与横向导轨9滑动配合的连接件11，该连接件11在横向导轨9上的滑动可以采用如下方式，如第一种方式：在横向导轨9上固定滚珠丝杠，测量探针10顶部的连接件11与滚珠丝杠的螺母固定连接，利用伺服电机带动滚珠丝杠的螺杆转动，驱动测量探针10顶部的连接件11在横向导轨9上移动，即带动测量探针10在横向导轨9上移动。第二种方式：采用如电动窗帘轨道的电驱动组件形式。

将两个竖直导轨8在真空回转工作台3的两侧呈中心对称设置，使得测量探针10在横向导轨9上横向移动时经过真空回转工作台3的中心。竖直导轨8上设有调节横向导轨9上下移动的调节旋钮(图中未示出)，调节旋钮采用电驱动方式，利用调节旋钮对横向导轨9的上下移动位移进行调节。

将待测弱刚性薄形零件12置于真空回转工作台3上，通过同时旋转真空回转工作台3和移动测量探针10，使得置于真空回转工作台3上的待测弱刚性薄形零件12能够随着真空回转工作台3的转动而转动，利用探针对置于真空回转工作台3上的待测弱刚性薄形零件12多个位点进行厚度检测。

实施例2

一种利用实施例1中的精准测量弱刚性薄形零件厚度的装置进行弱刚性薄形零件厚度的测量方法，如图8和图9所示，以待测弱刚性薄形零件为铜片为例，对本发明弱刚性薄形零件进行厚度检测计算的方法，具体步骤如下：

(1)将待测弱刚性薄形零件12置于真空回转工作台3上，对真空回转工作台3进行抽真空，对弱刚性薄形零件12进行真空吸附。

(2)将测量探针10在横向导轨9上的位置初始化，即测量探针10在横向导轨9上的初始位置为测量探针10垂直指向真空回转工作台3上表面的中心。将横向导轨9向下移动至测量探针10与弱刚性薄形零件12相接触，以弱刚性薄形零件12的上表面作为第一次测量面；以初始化后测量探针10垂直指向第一次测量面的位点为初始检测位点，该初始检测位点的坐标为(x₀,y₀,d₀)。

(3)停止对真空回转工作台3抽真空，释放弱刚性薄形零件12，使其处于自然状态，测得此时初始检测位点在自然状态下的位置坐标B₁为(x_b1,y_b1,z_b1)。

探针接触被测弱刚性薄形零件12，以初始检测位点作为参考点，在测量过程中，真空回转工作台3停止抽真空并释放零件后，零件会恢复其自然状态，将其原有的变形进行恢复，而零件原有的形变正是需要测量的对象。测量过程中探针会随着零件表面的起伏作一定量的上下移动，通过探针上下的位置移动量来检测弱刚性薄形零件12的表面形状，整个测量过程中探测始终保持与零件表面接触。

此外，真空回转工作平台3对弱刚性薄形零件12进行吸附固定时，使得弱刚性薄形零件12产生的形变属于微米级，当真空回转工作平台3对弱刚性薄形零件12进行释放使其处于自然状态时，由于弱刚性薄形零件12因被吸附产生的形变处于微米级，故测量探针对弱刚性薄形零件不存在挤压效应。

(4)匀速转动真空回转工作台3，同时将测量探针10向横向导轨9的端部方向匀速移动，得到一系列测量点的坐标P_i(x_i,y_i,z_i),(i＝1,2,3,4，···n)，真空回转工作台3停止转动，测量探针10停止移动。

(5)将弱刚性薄形零件12翻转，使其另一面作为第二次测量面，将测量探针10在横向导轨9上的位置初始化，即测量探针10在横向导轨9上的初始位置为测量探针10垂直指向真空回转工作台3上表面的中心，测得第二次测量面的初始测量位置坐标B₂(x_b2,y_b2,z_b2)，其中，x_b2＝x_b1,y_b1＝y_b2，即B₁与B₂为弱刚性薄形零件12的两个面上对应的一对点，并将这一对点作为基准点，两个点之间的间距记为基准点处的厚度d₀，即AB₁的间距为d₀。

(6)匀速反向转动真空工作台，同时将测量探针10向横向导轨9的同一端部方向匀速移动，其中，真空工作台的反向转动速率与步骤(4)中真空工作台的转动速率相同，测量探针10的移动速率与步骤(4)中测量探针10的移动速率相同；得到一系列测量点的坐标P_j(x_j,y_j,z_j),(j＝1,2,3,4，···n)，该一系列测量点的纵横轴坐标与步骤(4)中获取的一系列测量点的纵横轴坐标存在一一对应关系，即P_i、P_j是一系列相对应的点对，其关系为：x_i＝x_j，y_i＝y_j，i＝j。

此外，为确保翻转后的弱刚性薄形零件12的第二次测量面获取的各个位点的纵横坐标与第一次测量面获取的各个位点的纵横坐标存在一一对应关系，采用在真空回转工作台3以及弱刚性薄形零件12上进行划线标记，如图9所示，在真空回转工作台3上表面标有角度的刻度(0-360°)，第一个测量面检测时，在弱刚性薄形零件12的侧面上做四个记号，如图9中三角符号标识，并记录此时三角符号标识对应的角度刻度值；将弱刚性薄形零件12翻转后，根据第一次测量记录的角度刻度值，与被测工件测面的记号保持对应，保证两次测量的相对位置不变。

除标识之外，并采用对弱刚性薄形零件12进行上下翻转方式，翻转后的弱刚性薄形零件12与翻转前弱刚性薄形零件12的位置重叠，保持翻转后弱刚性薄形零件12在真空回转工作台3上的位置不变。

(7)测量结束，将测量探针10向上移动；并对步骤(1)～(6)中获取的坐标数据进行拟合计算得到弱刚性薄形零件12第n个检测位点处的厚度值d_n，d_n的计算公式为：d_n＝z_ni+z_nj+(d₀-z_b1-z_b2),(i,j＝1,2,3,4,···n)，该公式的具体推导过程如下：

①.差值Δ为采样点P_j的纵坐标z_j与基准点B₂纵坐标z_b2的差值Δ＝(z_j-z_b2)；

②.点A为第一次测量时点B₁对应的另一面的点，点A的纵坐标为点B₁的纵坐标减去AB₁的间距即基准点的实际厚度d₀，即点A的空间坐标为(x_i,y_i,z_b1-d₀)；

③.第一次测量面的坐标即A点纵坐标与差值Δ_n的差：

(x_i,y_i,z_b1-d₀-Δ)＝(x_i,y_i,z_b1-d₀-(z_j-z_b2))；

④.则待测点P_j或P_i处(如图8所示，P_j与P_i为弱刚性薄形零件两个面的对应位点，满足i＝j,x_i＝x_j,y_i＝y_j的条件)的厚度为第一次测量时上表面的点P_j和下表面的点D的纵坐标之差：

d＝z_i-(z_b1-d₀-(z_j-z_b2))，即d＝z_i-z_b1+d₀+z_j-z_b2；

⑤.设每次分别采样n个点i,j＝1,2,3,4,…n，则有：

d_n＝z_ni+z_nj+(d₀-z_b1-z_b2),(i,j＝1,2,3,4,···n)；

其中，d₀、z_b1、z_b2为常量，z_ni、z_nj表示弱刚性薄形零件的两个检测面对应的第n个检测位点处的z轴坐标数据，且当n＝b时，d_n＝d₀,即基准点。

通过本实施例方法对弱刚性薄形零件进行各个位点的坐标进行检测，经计算得到各个位点处的厚度值，由于被测对象是弱刚性薄形零件，存在一定的形变，不是绝对的等厚，通过检测每个采样点处的厚度值可以看出来弱刚性薄形零件的面形变化的趋势，对弱刚性薄形零件的加工利用具有重要意义。

Claims (10)

1.一种精准测量弱刚性薄形零件厚度的装置，其特征在于，包括基板，基板上设有与基板转动配合的真空回转工作台，所述真空回转工作台的两侧对称设有竖直导轨，所述竖直导轨的底部固定于基板上；所述两个竖直导轨之间设有横向导轨，所述横向导轨的两端分别与竖直导轨滑动连接；所述横向导轨上设有与横向导轨滑动连接的测量探针。

2.根据权利要求1所述的精准测量弱刚性薄形零件厚度的装置，其特征在于，所述真空回转工作台的上表面开设有多个同轴的环形槽，所述真空回转工作台的侧面开设有贯穿真空回转工作台的气孔，所述气孔的一侧由堵头密封，所述气孔的另一侧连接抽气装置；所述环形槽的槽内底面开设有与气孔相连通的通孔。

3.根据权利要求2所述的精准测量弱刚性薄形零件厚度的装置，其特征在于，所述多个同轴的环形槽的槽内深度一致。

4.根据权利要求3所述的精准测量弱刚性薄形零件厚度的装置，其特征在于，所述测量探针在横向导轨上横向移动时经过真空回转工作台的中心。

5.根据权利要求4所述的精准测量弱刚性薄形零件厚度的装置，其特征在于，所述真空回转工作平台的上表面边缘或外周设有角度刻度标识。

6.根据权利要求5所述的精准测量弱刚性薄形零件厚度的装置，其特征在于，所述竖直导轨上设有调节横向导轨上下移动的调节旋钮。

7.一种利用权利要求1～6任一所述装置对弱刚性薄形零件的厚度进行测量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将待测弱刚性薄形零件置于真空回转工作台上，利用测量探针对弱刚性薄形零件在初始位点处的厚度d₀进行测量；

(2)分别对待测弱刚性薄形零件的两个面进行螺线型扫描，得到待测弱刚性薄形零件的两个面的初始位点坐标，分别为B₁(x_b1,y_b1,z_b1)和B₂(x_b2,y_b2,z_b2)，同时测定两个面的多个对应采样点坐标P_i(x_i,y_i,z_i),(i＝1,2,3,4，···n)和P_j(x_j,y_j,z_j),(j＝1,2,3,4，···n)；

(3)由步骤(1)和步骤(2)中获取的对应位点的坐标值信息计算得到P_i或P_j采样点处的厚度值d，d＝z_i-(z_b1-d₀-(z_j-z_b2))，且i＝j；

(4)依据步骤(1)～(3)中获取单个采样点处的厚度值，推得弱刚性薄形零件的第n个检测位点处的厚度值d_n，d_n的计算公式为：d_n＝z_ni+z_nj+(d₀-z_b1-z_b2),(i,j＝1,2,3,4,···n)，且i＝j，其中n表示第n个待测位点，z_ni、z_nj分别表示第n个采样点处对应的弱刚性薄形零件两个测量面的z轴坐标值。

8.根据权利要求7所述对弱刚性薄形零件的厚度进行测量的方法，其特征在于，所述步骤(1)对弱刚性薄形零件在初始位点处的厚度d₀进行测量的具体过程如下：

A.将待测弱刚性薄形零件置于真空回转工作台上，对真空回转工作台进行抽真空，对弱刚性薄形零件进行真空吸附；

B.将测量探针在横向导轨上的位置初始化；将横向导轨向下移动至测量探针与弱刚性薄形零件相接触，以弱刚性薄形零件的上表面作为第一次测量面；以初始化后测量探针垂直指向第一次测量面的位点为初始检测位点，该初始检测位点的坐标为(x₀,y₀,d₀)。

9.根据权利要求8所述对弱刚性薄形零件的厚度进行测量的方法，其特征在于，所述步骤(2)中分别对待测弱刚性薄形零件的两个面进行螺线型扫描，获取待测弱刚性薄形零件的两个面的初始位点坐标B₁和B₂以及两个面的多个对应采样点坐标P_i(x_i,y_i,z_i),(i＝1,2,3,4，···n)和P_j(x_j,y_j,z_j),(j＝1,2,3,4，···n)，具体过程如下：

①.停止对真空回转工作台抽真空，释放弱刚性薄形零件，使其处于自然状态，测得此时初始检测位点在自然状态下的位置坐标B₁为(x_b1,y_b1,z_b1)；

②.匀速转动真空回转工作台，同时将测量探针向横向导轨的端部方向匀速移动，得到一系列测量点的坐标P_i(x_i,y_i,z_i),(i＝1,2,3,4，···n)；

③.将弱刚性薄形零件翻转，使其另一面作为第二次测量面，将测量探针在横向导轨上的位置初始化，测得第二次测量面的初始测量位置坐标B₂(x_b2,y_b2,z_b2)，其中，x_b1＝x_b2,y_b2＝y_b2；

④.匀速反向转动真空工作台，同时将测量探针向横向导轨的同一端部方向匀速移动，其中，真空工作台的反转速率与步骤(4)中真空工作台的转动速率相同，测量探针的移动速率与步骤(4)中测量探针的移动速率相同；得到一系列测量点的坐标P_j(x_j,y_j,z_j),(j＝1,2,3,4，···n)。

10.根据权利要求9所述对弱刚性薄形零件的厚度进行测量的方法，其特征在于，所述步骤B和步骤③中测量探针在横向导轨上的初始位置为测量探针垂直指向真空回转工作台上表面的中心。

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