CN112469957A - 表面光洁度触针 - Google Patents

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Abstract

描述了一种表面光洁度触针(50)，该表面光洁度触针包括长形触针轴(52；100)、以及从该长形轴突出的用于接触待测量的表面的接触元件(56；102)。该接触元件(56；102)是可变形的，并且该触针轴包括用于固持该接触元件(56；102)的夹具，该接触元件(56；102)通过夹具而变形。该接触元件(56；102)可以包括金属，例如铬钢或镍钛诺。该接触元件(56；102)包括一个或多个弱化区域(82)，以在被夹具固持时引起所需要的变形。该表面光洁度触针(50)可以与表面光洁度测量测头(20)等一起使用。

Description

表面光洁度触针
本发明涉及表面光洁度触针、尤其涉及具有夹紧在长形触针轴上的可变形的接触元件的表面光洁度触针。
司空见惯的是在工件被机加工后对其进行测量，以确保这些工件满足特定的要求标准。特别地，已知的是测量已经被机床机加工的工件的外形和/或表面光洁度。虽然机加工零件的外形使用在用于切削工件的机床的主轴中承载的扫描测头例行在“机器上”进行测量，但是这种零件的表面光洁度(例如表面粗糙度)典型地使用专用表面光度仪进行“机器外”测量。
典型的表面光度仪包括长形轴，该长形轴具有刚性尖端，以用于接触从轴的远端垂直地延伸的工件。将尖端放置成与待测量的表面接触，并且然后沿该表面推动或拉动该尖端，由此遵循表面的任何精细特征(例如波谷和波峰)。传感器在尖端在水平表面上移动时监测尖端的竖直偏转，由此提供对表面粗糙度的度量。已知的是提供多个不同尖端，例如带金刚石尖端的金属杆或陶瓷盘，这些金属杆或陶瓷盘可以附接至轴以用于进行不同表面光洁度测量任务。
US 2016/0231108描述了一种用于在机床上使用传统上用于获取外形测量值的类型的多向扫描测头测量表面光洁度的设备。特别地，设置了表面光洁度触针，该表面光洁度触针包括长形轴，该长形轴承载了旋转对称的陶瓷盘，该盘从该轴正交地突出。盘的最大直径的区域用作接触感测表面，该接触感测表面与正被测量的表面保持垂直。US 2016/0231108的设备可以因此用于“机器上”表面光洁度测量(例如对孔的内表面进行测量)。
本发明诸位发明人已经发现使用还用于获取外形测量值的类型的机床扫描测头具有多个缺点。例如，为了使触针返回其中性位置而典型地提供的高弹簧力可能导致触针将高的接触力施加至正被测量的物体的表面。这可能导致正被测量的表面损坏(例如表面可能会划伤或者刮伤)。
根据本发明的第一方面，提供了一种表面光洁度触针，包括；
长形触针轴，以及
从所述长形轴突出的用于接触待测量的表面的接触元件，
其特征在于，所述接触元件是可变形的，并且所述触针轴包括用于固持所述接触元件的夹具，所述接触元件通过所述夹具而变形。
本发明因此提供了表面光洁度触针，该表面光洁度触针包括长形触针轴、以及从长形轴上突出的用于接触待测量的表面的接触元件。表面光洁度触针可以与扫描测头或表面光度仪一起使用来测量表面光洁度(例如表面粗糙度或表面波纹度)，但是特别适合与机床扫描测头一起使用。本发明的表面光洁度触针的特征为包括可变形的接触元件，并且触针轴包括用于固持该接触元件的夹具。接触元件在被夹具夹紧时通过夹具而变形，例如以提供接触元件的期望的形状或提供确保接触元件牢固地固定至触针轴的特征。这种布置允许通过夹具就地形成所期望的形状的接触元件，并且还允许根据需要移除和更换接触元件。如下文所解释的，如果触针与对触针施加相对较高返回力的机床测量测头一起使用，则可变形的材料还可以减小对表面的损坏。
接触元件的尺寸可以被确定为测量任何表面光洁度的期望的方面。应当注意到的是，本文中所使用的术语表面光洁度指代比使用标准机床扫描测头触针测量的表面的形式更精细的表面细节。接触元件可以被配置用于测量表面波纹度。接触元件可以被配置用于测量表面粗糙度。表面波纹度和表面粗糙度是表面光洁度的示例。
接触元件的尺寸优选地被确定用于测量所需方面的表面光洁度。例如，接触元件的远端(或尖端)可以具有小于2mm的有效半径。有效半径是接触元件的与表面相接触的部分在与接触元件在表面上沿其移动的方向平行的尺寸上的厚度。在接触元件沿表面移动时，较小有效半径可以因此遵循更精细的特征(例如，在表面的凹部或凹槽的侧壁上上下移动)。合宜地，接触元件可以具有小于1mm的有效半径。合宜地，接触元件可以具有小于0.5mm的有效半径。合宜地，接触元件可以具有小于300μm的有效半径。有利地，接触元件可以具有小于200μm的有效半径。有利地，接触元件具有小于100μm的有效半径。有利地，接触元件具有小于50μm的有效半径。接触元件的物体接触端或尖端越小，可以测量的表面纹理的分辨率就越精细(但是接触元件在使用过程中更容易磨损或损坏)。对于表面粗糙度，可以使用测量的表面纹理的变化来产生“Ra”表面粗糙度值。
有利地，接触元件包括薄的片材。例如，接触元件可以包括厚度小于1mm的片材。有利地，片材的厚度小于0.5mm。优选地，片材的厚度小于0.25mm。优选地，片材的厚度大约为0.1mm。片材可以具有锥形边缘。用于接触物体的表面的区域(边缘)可以因此比薄片的主体薄，以提供上述尺寸的有效半径。
一个或多个接触元件可以由任何合适的材料形成。例如，可以使用陶瓷或玻璃材料。替代性地，一个或多个接触元件可以由金属形成。
形成一个或多个接触元件的材料优选地具有低刚度(以使对正被测量的表面的损坏最小化)。有利地，一个或多个接触元件的杨氏模量(E)小于250GPa。更优选地，一个或多个接触元件的杨氏模量小于150GPa。更优选地，一个或多个接触元件的杨氏模量小于100GPa。更优选地，一个或多个接触元件的杨氏模量小于50GPa。
有利地，材料在机械上也较硬(即减少磨损)。因此，形成一个或多个接触元件的材料优选地具有高硬度。有利地，一个或多个接触元件的硬度(H)大于1GPa。合宜地，一个或多个接触元件的硬度(H)大于2GPa。优选地，一个或多个接触元件的硬度(H)大于5GPa。
一个或多个接触元件的杨氏模量(E)和硬度(H)属性各有其重要意义，但是在为接触元件选择合适的材料时也可以使用刚度与硬度之比(“E/H”比)。特别地，优选的是E/H比尽可能低。例如，E/H比优选地小于50。更优选地，E/H比小于20。更优选地，E/H比为15或更小。更优选地，E/H比小于10。
一个或多个接触元件可以包括任何合适的材料(例如具有上文概述的属性。接触元件可以由多种材料形成。有利地，接触元件包括单一材料。合宜地，(多个)接触元件包括金属；例如，金属盘或金属片材可以形成接触元件。接触元件可以包括钢。例如，接触元件可以包括铬钢，例如瑞典斯德哥尔摩山特维克公司(Sandvik AB)生产的马氏体铬钢“Chromflex”。Chromflex具有210GPa的杨氏模量(E)和5.8GPa的硬度(H)(因此E/H＝36)。替代性地，接触元件可以包括氧化锆(E＝200GPa、H＝11.8GPa、并且E/H＝17)。替代性地，接触元件可以包括滑石(E＝120GPa、H＝5.8GPa、并且E/H＝21)。替代性地，接触元件可以包括N-BK7硼硅酸盐玻璃(E＝82GPa、H＝5.6GPa、并且E/H＝15)。有利地，接触元件可以包括镍钛诺(E＝45GPa、H＝5.5GPa、并且E/H＝8)。
接触元件可以最初形成为大致平面或平坦的元件，该元件通过夹具而变形(即当施加了夹紧力时)。可以通过在夹紧之前适当弱化接触元件的部分来控制所施加的变形，使得在将接触元件夹紧至触针之后获得接触元件的期望的形状。例如，接触元件可以包括一个或多个弱化区域(例如较薄区域)，以在被夹具固持时引起所需要的变形。
夹具所提供的接触元件的变形可以用于各种目的。有利地，夹具使接触元件的一部分变形，以将接触元件不可移动地紧固至夹具。例如，接触元件的内部部分或区段可以通过夹具而变形，以形成突出的唇缘或边沿。这个唇缘于是可以防止接触元件在夹具内的侧向运动，从而减小确保接触元件在使用期间保持在位所需要的夹紧力。
接触元件可以呈任何合适的形状。优选地，接触元件为圆形或卵形形状。有利地，接触元件包括盘。接触元件可以包括多个不同区域，以用于接触表面。例如，接触元件可以包括在其中形成的多个狭缝，该多个狭缝使得多个区域能够从接触元件的平面突出。
在优选的实施例中，夹具使盘变形以形成中空圆锥体，该中空圆锥体具有用于接触表面的***边缘。中空圆锥体的***边缘可以以与纵向轴线成斜角地从长形触针轴突出。有利地，斜角为大约45°。***边缘可以因此形成圆锥体的底部并且圆锥体的顶点可以与触针轴的纵向轴线重合。***边缘被优选地布置成接触待测量的表面；例如，中空圆锥体的***边缘可以具有修圆部并且具有适合于表面光洁度测量的有效半径。中空圆锥体可以包括完整的中空圆锥体(即，***边缘环绕触针圆周的整个360°)或部分的中空圆锥体(即，***边缘仅环绕触针轴的圆周的一部分)。在使用中，使***边缘与物体的表面发生接触，其中触针被适当地定向成使得中空圆锥体从触针轴沿着延伸的方向与表面法线局部对齐。然后，触针可以平移以沿表面移动中空圆锥体，同时保持与表面法线局部对齐。可以根据中空圆锥体在垂直于表面的方向上的移动来确定表面光洁度信息。
如以上所提到的，因此，圆锥体的***边缘可以以45°的斜角从触针轴突出。在这个示例中，将触针定向成与竖直成45°可以用于测量水平表面和竖直表面两者的表面粗糙度；即，***边缘在直径上相反的两部分可以与竖直表面和水平表面两者的表面法线方向对齐。于是，仅通过平移移动(即，无需相对于触针重新定向物体)就可以沿物体的竖直表面和水平表面移动(推动或拉动)触针。
夹具可以以任何合适的方式形成。夹具可以包括一对夹紧元件或夹爪、以及致动器(例如螺栓或螺钉)，该致动器可以被拧紧以将夹紧元件朝向彼此驱动。位于这对夹紧元件之间的接触元件于是可以被夹具固持。夹具可以包括一对相反的夹紧面，这对相反的夹紧面的形状被确定为使接触元件变形成所期望的形状。例如，互补的圆锥体可以用于使平坦的盘变形成中空圆锥体。
夹具可以布置成使由此固持的接触元件永久固持。有利地，夹具允许接触元件可释放地附接至轴。以此方式，可以更换磨损或损坏的接触元件，而不必更换触针的其余部分。这可以允许容易地更换接触元件，并因此允许它们由弹性较小的材料形成。
触针可以仅包括单个接触元件和单个夹具。
有利地，可以提供额外的夹具，以用于夹紧额外的接触元件。以此方式，触针可以包括多个接触元件和多个夹具，该多个夹具用于固持该多个接触元件中的每一个接触元件。多个接触元件可以相对于触针轴具有多个不同取向。例如，接触元件可以从轴沿不同方向突出和/或与轴成不同角度对齐。在优选的实施例中，一个接触元件可以从触针轴的远端沿纵向轴线突出并且其他接触元件可以从轴的侧面突出。于是可以使用不同的接触元件来测量相对于触针轴具有不同取向的表面的表面光洁度。例如，如果触针被竖直地固持，则可以使用从触针轴的远端突出的接触元件来测量水平表面，同时可以使用其他接触元件来测量竖直表面。
触针优选地是不打滑的(即，触针优选地不包括打滑部并且只有接触元件与正被测量的表面接合)。优选地，触针轴可直接附接至扫描测头的触针固持器。优选地，触针轴也是刚性的。有利地，触针轴不包括任何旋转节(转向节)或用于改变接触元件相对于触针轴所附接的扫描测头的触针固持器的取向的类似物。以此方式，接触元件的位置和取向相对于触针轴所附接的扫描测头的触针固持器是不变的。
本发明还扩展到包括上述表面光洁度触针的扫描测头。有利地，扫描测头是机床扫描测头(即，扫描测头适用于机床环境)。于是可以使用扫描测头来获取表面光洁度测量值。扫描测头可以是多向扫描测头。多向扫描测头可以测量附接的触针在多个方向上的偏转而不是测量可以通过现有技术的表面光度仪的单向测量传感器感测的单个方向的偏转。扫描测头优选地包括测头主体和可移动地附接至测头主体的触针固持器。触针可以相对于扫描测头的壳体在两个相互垂直的方向中的任一方向上或在三个相互垂直的方向中的任何方向上可偏转。可以设置至少一个偏转传感器来测量触针固持器相对于测头主体的偏转。如以上所描述的表面光洁度触针(例如经由标准螺纹附接件)附接至触针固持器。
机床扫描测头优选地包括用于测量触针偏转的至少一个偏转传感器。测得的触针偏转在本文中被称为测头数据，并且可以由扫描测头输出(例如通过有线或无线链路)。扫描测头可以包括偏转传感器，该偏转传感器只能测量触针偏转量(而不能测量触针偏转方向)；即，扫描测头可以包括多向单个输出扫描测头，该多向单个输出扫描测头产生仅描述触针偏转量的测头数据。例如，扫描测头可以包括由德国波龙科技有限公司(BlumNovotest GmbH)制造的TC76-Digilog或TC64-Digilog扫描测头或由意大利马波斯(Marposs)公司销售的型号G25测头。替代性地，扫描测头可以包括可以测量任何触针偏转量和触针偏转方向两者的传感器。例如，模拟扫描测头可以产生三个输出信号，这三个输出信号涉及触针端头在三个相互正交的方向上的偏转。由英国的沃顿-安德埃奇的雷尼绍公司(Renishaw pic,Wotton-Under-Edge,UK)制造的SPRINT(OSP-60)探测***是这种扫描测头的示例。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于形成表面光洁度触针的方法，该表面光洁度触针包括长形触针轴和接触元件，该接触元件从该长形轴突出，以用于接触待测量的表面，该方法的特征为将该接触元件夹紧到该长形轴上的步骤，该夹紧步骤使该接触元件变形。以此方式，接触元件(变形时)可以用于表面光洁度测量方法中
本文还描述了一种表面光洁度触针，包括；长形触针轴、以及从长形轴突出的用于接触待测量的表面的接触元件，其中，接触元件包括厚度小于1mm的金属板。触针可以包括本文中也描述的其他特征中的任何一个或多个特征。
本文还描述了一种表面光洁度触针，包括；长形触针轴、以及从长形轴突出的用于接触待测量的表面的接触元件，其中，接触元件由杨氏模量小于150GPa的材料形成。触针可以包括本文中也描述的其他特征中的任何一个或多个特征。
本文还描述了一种表面光洁度触针，包括；长形触针轴、以及从长形轴突出的用于接触待测量的表面的接触元件，其中，接触元件包括变形盘。触针可以包括本文中也描述的其他特征中的任何一个或多个特征。
本文中还描述了一种触针(例如表面光洁度触针)，该触针包括长形触针轴、以及用于接触待测量的表面的接触元件，其中，接触元件包括镍钛诺。触针可以包括本文中也描述的其他特征中的任何一个或多个特征。
本文还描述了一种表面光洁度触针，该表面光洁度触针包括多个夹具、以及由该多个夹具固持的多个接触元件。触针可以包括本文中也描述的其他特征中的任何一个或多个特征。
技术人员应了解的是，上述任何特征可以与下文描述的特定实施例中的任何一个或多个特征相组合。同样地，在方法的背景下描述的特征可以形成设备的一部分，并且反之亦然。
现在将仅通过举例方式、参考附图来描述本发明，在附图中；
图1示出了现有技术表面光度仪设备，
图2示出了现有技术表面粗糙度机床扫描测头，
图3a和图3b示出了本发明的表面光洁度触针，
图4a和图4b更详细地示出了参考图3描述的触针的圆锥形***盘，
图5a示出了本发明的另一个表面光洁度触针，并且图5b是这种表面光洁度触针的照片，
图6a和图6b示出了图5a和图5b的表面光洁度触针的盘，
图7示出了替代性的盘，
图8示出了有效触针半径对表面光洁度测量值的影响，
图9示出了使用图5b的触针测量的各个样品的表面粗糙度测量值的误差，
图10示出了与参考测量值相比，使用包括图5b的触针的机床扫描测头测量的表面粗糙度，并且
图11示出了对于各种触针材料和几何形状随所施加的力而变的接触压力。
参照图1，示意性地展示了现有技术的表面光度仪。表面光度仪包括壳体2，具有纵向轴线L的长形轴4从该壳体延伸。接触元件6从轴4沿方向P垂直地延伸。壳体2包括单向转换器(未示出)，该单向转换器测量轴4由接触元件6沿方向P来回移动而引起的任何偏转。
在使用中，接触元件6与物体10的表面发生接触、并且朝向表面轻微地偏置。然后在与纵向轴线L平行的方向M上移动物体10。物体10与表面光度仪之间的这种相对移动可以通过使物体10、表面光度仪、或者物体和表面光度仪两者移动而施加。相对移动的结果为使得接触元件6在物体10的表面上沿路径12移动(即，被推动或被拉动)。接触元件6还上下移动以遵循表面；这可以在图1的小图中看出，该小图提供了接触元件6的尖端与物体的表面的放大视图。壳体2内的单向转换器输出偏转信号，该偏转信号与接触元件6的竖直偏转(即沿方向P的偏转)相关。对随穿过路径12的偏转信号变化的分析提供了对物体的该区域的表面光洁度的度量。例如，可以计算出平均表面粗糙度或Ra值。
参照图2，将更详细地描述US 2016/0231108的现有技术的表面粗糙度测头20。如上所述，US 2016/0231108的扫描测头是多向扫描测头，该多向扫描测头可以安装至机床的主轴，以允许对工件进行“机器上”测量。
扫描测头20包括测头主体22以及用于固持触针的触针固持器21。触针固持器21通过偏转机构(未示出)附接至测头主体22，并且测头主体22内还设置有转换器23，以用于测量触针固持器21相对于测头主体22的偏转量(即，由附接的触针的偏转引起的)。由转换器23得到的偏转测量值通过发射器单元25传递给测头接口27。测头主体22还可经由工具柄(未示出)附接至机床的主轴。测头20因此可以围绕机床的工作体积移动，并且特别地测头触针可以与待测量的物体的表面发生接触。
传统上这种类型的扫描测头20与能够测量物体的外形的触针一起使用；例如，这种触针可以包括几毫米直径的红宝石球体，该红宝石球体附接至长形轴的远端。确保触针与表面相接合所需要的力的量相对较高。在US 2016/0231108描述的多个不同的示例中，表面粗糙度触针24代替地附接至测头20。表面粗糙度触针24包括长形轴30和接触元件28，该接触元件沿与轴30的纵向轴线L垂直的方向P延伸。接触元件28具有双截头圆锥体的外形，围绕其周向的***边缘26(在图2的小图中示出)具有修圆部。
在使用中，使垂直方向P与待测量的表面的表面法线N平行地对齐，接触元件28从轴30沿垂直方向突出。图2以虚线轮廓示出了物体36的合适的竖直表面34。接触元件28的***边缘26与竖直表面34发生接触，并且测头20然后沿方向M竖直向上移动。为了保持接触元件28的垂直突出方向P与表面法线N的所需对齐，测头20沿方向M竖直地移动，该方向既与触针轴30的纵向轴线L平行又与表面34的平面平行。扫描测头20的转换器23在触针沿表面34被拖动时测量触针偏转量，这些测量的偏转值用于确定表面粗糙度。
本发明诸位发明人已经认识到与上述类型的已知的表面光洁度测量设备相关联的多个缺点。特别地，如果与机床扫描测头一起使用，则典型地与表面光度仪一起使用的大多数表面光洁度触针会产生过大的接触压力。这可能会导致表面刮擦。尽管US 2016/0231108中描述的触针盘几何形状由于增大的有效曲率半径和椭圆形接触尺寸而减小了接触压力，但与所描述的测量测头一起使用时，接触压力仍保持很高。这可能导致正被测量的艺术品的表面损坏，并且可能影响测量精度。如下文中将解释的，在一个方面，本发明提供了被夹紧至触针轴的可变形的接触元件。这允许替换接触元件。而且，接触元件的变形可以确保其牢固地固附至触针轴和/或其采取所需的形状。
图3a和图3b示出了本发明的表面光洁度触针50。触针50包括具有纵向轴线L的长形触针轴52。触针轴52的近端包括螺纹附接构件54，该螺纹附接构件使得触针能够附接至多向扫描测头(未示出)的触针固持器。触针轴52的远端包括呈中空、圆锥形金属盘56外形的接触元件。金属盘56通过楔形固位构件60固持在截头圆锥形凹部58中，该楔形固位构件通过螺栓62附接至触针轴。凹部58、固持构件60、以及螺栓62因此形成了用于固持触针盘的夹具。金属盘56在通过夹紧而变形之后提供了裙状接触元件，该裙状接触元件围绕触针轴52的周向延伸并且沿相对于纵向轴线L成45°的角度的方向Q突出。
在使用中，表面光洁度触针50可以用于测量具有不同取向的多个表面的表面光洁度，而不必重新定向扫描测头。例如，如图3a所示，表面光洁度触针50与水平方向(和竖直方向)成45°的角度倾斜。然后可以沿方向M1移动表面光洁度触针50，以便测量水平表面70的表面光洁度；即，通过水平移动M1沿水平表面70拉动接触元件56，同时固持触针50的扫描测头测量触针偏转。然后可以沿方向M2移动表面光洁度触针50，以便测量竖直表面72的表面光洁度；即，通过竖直移动M2沿竖直表面72拉动接触元件56的直径上相反的部分，同时固持触针50的扫描测头再次测量触针偏转。为了进行水平测量和竖直测量两者，突出的接触元件56保持与表面法线N垂直定向(即，在触针沿方向M1和M2移动时保持方向Q与局部表面法线N对齐，接触元件沿该方向从长形轴突出)。
参考图4a和图4b，描述了用于制造参考图3a和图3b描述的表面光洁度触针50的技术。特别地，将描述用于形成金属盘56的方法，该金属盘使用夹紧动作来提供触针的接触元件。
如图4a所述，提供了平坦的金属盘56’。盘56’包括中心孔口80和环形区域82，该环形区域的材料比盘的其余部分更薄。现在也参考图3b，楔形固位构件60位于螺栓62上，以接合已经放在螺纹螺栓上的平坦的金属盘56’；中心孔口80的直径略大于螺栓螺纹的直径，以提供间隙。然后将螺栓62拧入触针轴中，由此推动平坦的金属盘56’与截头圆锥形凹部58接合。平坦的金属盘56’因此夹在并且夹紧在楔形形状的固持构件60与截头圆锥形凹部58之间，并且拧紧螺栓62来使平坦的金属盘56’变形，以提供图4b和图3b所示的圆锥形金属盘56。这确保了金属盘56被牢固地附接至触针轴并且还使得能够容易地更换金属盘56(例如如果该金属盘发生磨损或损坏)，而不必更换整个表面光洁度触针。
图5a示出了表面光洁度触针的替代性的实施例。具有纵向轴线L的长形触针轴100在其远端处固持有金属盘102(即接触元件)。金属盘102被夹紧在设置在触针轴100的远端处的第一构件104与通过螺栓(未示出)附接至触针轴的第二构件106之间。金属盘102具有周向边缘，该周向边缘延伸超过第一构件和第二构件、并且被布置成接触待测量的表面。边缘具有有效半径Re，如图5a的小图中示出的。图5b是按照图5a的设计制成的表面光洁度触针的照片。图5b的触针中的金属盘102的厚度是100μm，而***边缘具有25μm的有效半径Re。
参照图6a和图6b，展示了上述表面光洁度触针的金属盘102。图6a示出了处于其在被夹紧在第一构件104与第二构件106之间之前的未变形状态的盘102’。第一构件104和第二构件106被布置成通过在拧紧螺栓时发生的夹紧动作来使盘102的内部环形部分变形(弯曲)以形成图6b中示出的唇缘110。唇缘110用于确保盘102被第一构件104和第二构件106牢固地固持在位；即，防止了盘102在表面光洁度测量期间发生侧向移动。
尽管可以使用图6a和图6b中示出的均匀厚度类型的平坦的金属盘，但还可以提供盘114，该盘具有由比盘114的其余部分薄的材料形成的外部边缘区域116，如图7中所示出的。
参照图8和图9，将描述如何使用理论模型来预测图5b中展示的表面光洁度测头的接触元件(即具有带有25μm的有效半径的边缘的盘，该盘在下文中也称为R25μm盘)可以如何准确地测量各种表面的表面粗糙度(Ra)。
图8示出了可以如何在二维上建模表面轮廓120。触针球半径(即圆122的半径)被设定为25μm。通过将触针球划分成均匀地间隔开的竖直网格来将触针球离散化，网格的间距等于粗糙度间距dx。使用圆方程在每个网格点计算触针球几何形状。最初，调整接近距离或间距S，使得触针球上的单个网格点与表面轮廓上的网格点相接触。将边界条件应用于第一间隔点S0，并且将值设定为与参考轮廓相似的高度。
在时间步骤t1，将球位置移动一个样品间距dx，调节间隔S，使得单个网格点与表面轮廓相接触，并且存储间隔和接触点位置。对所有位置重复此过程，直到时间步骤tN。可以如公式1所示地计算出表面轮廓124。
Figure BDA0002739473510000111
图9示出了使用上述模型预测的Ra值的误差，该误差是由于使用图5b中展示表面光洁度测头的接触元件(即R25μm盘)来测量各种Rubert样品的已知的Ra(先前已经使用经校准的表面光度仪测量了样品的Ra)。可以看出，大多数表面可以用好于5％的精度进行测量，并且即使是具有窄的竖直谷部特征的铸件也可以测量，在10％以内。
图10示出了使用图5b中展示的表面光洁度触针测量竖直铣削的Rubert样品时产生的实验结果。特别地，图10中的重叠实线140示出了在Rubert样品的表面上沿着相同路径进行的三次测量。这些实验结果是在1.67μm的样品间距、100mm/min的进给速度、以及每秒1000个点的采样速率下产生的。从图10中还可以看出，在同一位置取得的三个轮廓给出了13.46、13.5和13.5Ra的一致值。因此，这些轮廓彼此具有良好的一致性，而仅可见一些细微的差异。虚线142示出了使用具有小得多的触针半径的表面光度仪测量的相同样品的表面粗糙度。尽管这给出了较低的13.17Ra值，且具有非常相似的轮廓，但应注意，Talysurf轮廓与实验结果不在同一位置，并且其可能是造成差异的原因。因此可以看出，使用图5b中展示的表面光洁度触针可以进行可靠的表面光洁度测量。
参照图11，展示了随所施加的触针力而变的施加至样品的接触压力。专用表面光度仪所施加的标准触针力的示例被示出为虚线144和146，而由现有机床测头施加的力被展示为虚线148。曲线150、152、以及154示出了半径分别为2μm、5μm、以及10μm的标准表面光度仪的带圆锥形尖端触针的接触压力。这种带圆锥形尖端触针的杨氏模量(E)假定为614GPa。曲线160、161、162、以及163示出了有效半径分别为2μm、5μm、10μm、以及25μm的钢盘(210GPa)的接触压力。曲线175、176、177、以及178分别示出了WC(614GPa)、红宝石(435GPa)、玻璃陶瓷(67GPa)、以及镍钛诺(45GPa)的25μm有效半径盘的接触压力。因此可以看出，具有较低E的材料在以一定的力与表面接合时施加较小的接触压力。因此，对于给定的施加力，此类材料的选择还可降低接触压力
技术人员应认识到上述仅仅是本发明的示例。根据本发明还可以提供替代性的触针结构。

Claims (15)

1.一种表面光洁度触针，包括；
长形触针轴，以及
从所述长形轴突出的用于接触待测量的表面的接触元件，
其特征在于，所述接触元件是可变形的，并且所述触针轴包括用于固持所述接触元件的夹具，所述接触元件通过所述夹具而变形。
2.根据权利要求1所述的表面光洁度触针，其中，所述接触元件具有小于100μm的有效半径。
3.根据任一项前述权利要求所述的表面光洁度触针，其中，所述接触元件包括厚度小于1mm的片材。
4.根据任一项前述权利要求所述的表面光洁度触针，其中，所述接触元件由杨氏模量小于150GPa的材料形成。
5.根据任一项前述权利要求所述的表面光洁度触针，其中，所述接触元件包括金属。
6.根据任一项前述权利要求所述的表面光洁度触针，其中，所述接触元件包括铬钢和镍钛诺中的至少一者。
7.根据任一项前述权利要求所述的表面光洁度触针，其中，所述接触元件包括一个或多个弱化区域，以在被所述夹具固持时引起所需要的变形。
8.根据任一项前述权利要求所述的表面光洁度触针，其中，所述夹具使所述接触元件的一部分变形，以将所述接触元件不可移动地紧固至所述夹具。
9.根据任一项前述权利要求所述的表面光洁度触针，其中，所述接触元件包括盘。
10.根据权利要求9所述的表面光洁度触针，其中，所述夹具使所述盘变形以形成中空圆锥体，所述中空圆锥体具有用于接触表面的***边缘。
11.根据任一项前述权利要求所述的表面光洁度触针，其中，所述夹具包括一对相反的夹紧面，这对相反的夹紧面具有形状以使所述接触元件变形成所期望的形状。
12.根据任一项前述权利要求所述的表面光洁度触针，其中，所述夹具允许接触元件可释放地附接至轴。
13.根据任一项前述权利要求所述的表面光洁度触针，包括多个接触元件和多个夹具，所述多个夹具用于固持所述多个接触元件中的每一个接触元件。
14.一种机床扫描测头，包括；测头主体；触针固持器，所述触针固持器可移动地附接至所述测头主体；以及偏转传感器，所述偏转传感器用于测量所述触针固持器相对于所述测头主体的偏转，其中，根据任一项前述权利要求所述的表面光洁度触针被附接至所述触针固持器。
15.一种用于形成表面光洁度触针的方法，所述表面光洁度触针包括长形触针轴、以及从所述长形轴突出的用于接触待测量的表面的接触元件，所述方法的特征为将所述接触元件夹紧到所述长形轴上的步骤，所述夹紧步骤使所述接触元件变形。
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