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高精度接触式测头测量力恒定设计方法研究

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  1 引言

  目前,国内外许多测微仪采用的都是接触式测量方法,为了保证测头与被测工件表面稳定接触,必然会存在一种测量力。测量力造成了被测工件表面的微小弹性变形,带来了一定的测量误差。为了得到准确的测量结果,需要进行误差修正。而在测量过程中测量力的变化又引起了被测工件表面的变形量变化,影响了正确的误差修正。在大量程高精度测量中这种影响会更加严重,故有必要进行高精度接触式测头的测量力恒定设计方法的研究,以提高测量结果的精确度。

  对于解决测量力变化太大的问题,目前研究方法尚不多。有的测头采用恒定的电磁力作为测量力,但产生电磁力的电磁线圈在通电时会发热,容易引起测杆的热变形,造成附加的测量误差。瑞士制造的一种TESA MICRO-HITE Plus M 测高仪,采用电动测头,可通过电机的驱动使得测量力恒定,其测量力大小保持在 1N 左右,测量力变化很小,但其结构较复杂,成本很高。不少国内外现有的测微仪产品都是仅利用其

  内部弹簧来产生测量力的,测量力一般为 0.5N。本文从结构设计的角度,提出了一种在 10mm 量程测量范围内使得高精度接触式测头的测量力保持恒定的设计方法。它以动态力平衡为原理,相比其它方法,较为简便可行,经济实用,对于减小测量结果误差,提高测量精度具有一定的理论指导意义。

  2 恒力结构

  所设计的测头恒力结构如图 1 所示。测头壳体 5中装有定磁环 1 和动磁环 3 以及一段螺旋压缩弹簧 2;4 为圆柱形中心测杆,在测量时其运动方向为竖直方向;其中弹簧 2 套在测杆 4 上,它的上端同壳体 5 相接触,下端同测杆 4 相接触;定磁环 1 的上端面同壳体 5 固联,下端面同动磁环 3 的上端面异名磁极相对,3 的下端面联结在测杆 4 上,且 1、3 磁环的轴线、弹簧 2 的轴线与测杆 4 的中心轴线三者互相重合。

  3 设计原理与分析

  3.1 设计原理与理论计算

  在图 1 中,当测头进行测量时,中心测杆 4 带动磁环 3 和弹簧 2 的下端上下运动。弹簧 2 被压缩,对测杆 4 产生一竖直向下的弹力 F1;而定磁环 1 与动磁环 3 相吸,对测杆 4 产生一竖直向上的磁吸力 F2。不难看出,在测杆 4 上下运动的整个量程范围内,F1 同F2 方向始终相反且数值增减变化方向一致,保持着一种动态力平衡。若测杆 4 本身重力大小为 G,忽略结构中摩擦阻力的影响,则可认为测量力 F=G+(F1- F2)。若能在设计中妥善选取两磁环 1、3 与弹簧 2 的材料、形状、尺寸及位置参数,就能使测量力 F 达到所需要的大小并且在全量程范围内变化较小,维持一个近似恒定的数值。

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