專利名稱：表面形貌測(cè)量用觸針及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種表面形貌測(cè)量?jī)x器，特別涉及一種高精度表面形貌測(cè)量裝置的微細(xì)球狀觸針結(jié)構(gòu)及其制備方法。
背景技術(shù)：
物體表面形狀及表面粗糙度測(cè)量有多種方法，可分為接觸式測(cè)量法與非接觸式測(cè)量法，例如掃描電鏡測(cè)量、原子力顯微鏡測(cè)量，其測(cè)量精度非常高，可達(dá)到物體表面原子形貌之測(cè)量。但是，對(duì)于大多數(shù)實(shí)際工程應(yīng)用而言，并不需要達(dá)到原子表面形貌這樣精確程度，僅需研究物體表面形貌即可。
接觸式測(cè)量裝置(如觸針式輪廓儀)是利用一種特殊觸針以一定速度沿被測(cè)物體表面移動(dòng)，由于物體表面之微觀不平度引起觸針上下運(yùn)動(dòng)，再通過(guò)機(jī)械及電學(xué)轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大及運(yùn)算，從而跟蹤描述出被測(cè)物體表面之形狀。
從以上原理可看出，觸針之幾何形狀對(duì)測(cè)量精度具有重要影響(詳細(xì)請(qǐng)參見(jiàn)“觸針幾何形狀對(duì)粗糙度測(cè)量誤差的影響”，機(jī)械工程師，2003(11)，P.77-78；以及“表面粗糙度及表面形狀的測(cè)量與描述”，中國(guó)計(jì)量，1998(7)，P.47-48)。觸針通常是采用球狀觸頭，所以，球狀觸頭的直徑越小，則測(cè)量精度越高；反之，則測(cè)量精度越小，測(cè)量誤差越大。顯然，最理想的情況是球狀觸頭直徑為零，但是沒(méi)有任何加工方法可以制造這種球狀觸頭。目前技術(shù)條件可以加工直徑為微米級(jí)的球狀觸頭。另外，球狀觸頭的形狀精度也要求特別嚴(yán)格，最好是采用真圓球。
觸針除具有球狀觸頭之外，還需要有一細(xì)桿與球狀觸頭相連，以連接球狀觸頭并起固定作用。
直接一體加工成觸頭部分為真圓球狀的觸針是非常困難的。所以，目前業(yè)界一般是將真圓球與細(xì)桿分別加工制作，然后將二者結(jié)合成完整的觸針。
對(duì)于接觸式測(cè)量裝置而言，由于觸針需要在物體表面滑動(dòng)，所以，觸針需滿足以下要求(1)觸頭直徑小，真圓度高；(2)觸頭與細(xì)桿結(jié)合穩(wěn)定，不易脫落或分離；
(3)觸頭能充分顯露在外，以提高測(cè)量精度及測(cè)量范圍。
請(qǐng)參見(jiàn)圖1，為現(xiàn)有技術(shù)的觸針10剖面結(jié)構(gòu)，它是分別制備好真圓球15以及細(xì)管12，其中細(xì)管12具有中空的內(nèi)腔13；然后采用壓入法將真圓球15壓入細(xì)管12的中空內(nèi)腔13中固定而成。這種結(jié)構(gòu)需精確設(shè)計(jì)細(xì)管12的內(nèi)徑(中空內(nèi)腔13)與真圓球15的直徑相當(dāng)匹配，而且，即使能夠達(dá)到互相緊密配合固定的效果，由于真圓球15大部分被塞入內(nèi)腔13中，僅有三分之一左右球面顯露于外面，使得其測(cè)量范圍受到很大限制。特別是對(duì)于較深的溝槽或凹槽形狀(如光學(xué)元件的外形)測(cè)量時(shí)，常常發(fā)生細(xì)管12的外壁(圖未標(biāo)示)與被測(cè)溝槽側(cè)面相接觸，而真圓球15無(wú)法與被測(cè)面接觸，因此根本無(wú)法應(yīng)用在這里。
為使真圓球能夠顯露更多球面，習(xí)知技術(shù)也有采用粘結(jié)法者。如圖2所示，觸針20包括中空之細(xì)管22以及真圓球25，其中真圓球25利用粘結(jié)劑26結(jié)合于細(xì)管22末端。這種結(jié)構(gòu)中，真圓球25完全依靠覆蓋于細(xì)管22末端及其內(nèi)腔23填充之粘結(jié)劑26之粘合力作用而固定，難以確保結(jié)合穩(wěn)定性，特別是真圓球25本身非常小，且其結(jié)合面不可能完全包覆所有球面，所以，真圓球25容易在測(cè)量物體表面時(shí)受到橫向作用力脫落或分離。
有鑒于此，提供一種測(cè)量精度高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易損壞之觸針結(jié)構(gòu)實(shí)為必要。

發(fā)明內(nèi)容為解決現(xiàn)有技術(shù)的上述問(wèn)題，本發(fā)明之目的在于提供一種測(cè)量精度高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)久的觸針結(jié)構(gòu)，其可應(yīng)用于表面形狀測(cè)量?jī)x器。
本發(fā)明之另一目的在于提供上述觸針的制備方法。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的第一目的，本發(fā)明提供一種表面形貌測(cè)量用觸針，其包括一套管，其一端開(kāi)口并具有一內(nèi)腔；一銷子，其具有第一端及相對(duì)的第二端；及一球狀觸頭，其具有一凹槽；其中，該銷子第一端是插入該觸頭的凹槽內(nèi)固定，第二端是自該套管的開(kāi)口插入套管的內(nèi)腔且固定。
上述銷子與球狀觸頭可通過(guò)粘結(jié)劑粘結(jié)固定，也可利用焊接固定。
上述銷子與套管可通過(guò)粘結(jié)劑粘結(jié)固定，或利用焊接、鉚接固定。
上述球狀觸頭是真圓球。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明第二目的，本發(fā)明提供一種表面形貌測(cè)量用觸針的制備方法，其包括以下步驟
制備一端開(kāi)口且具有一內(nèi)腔的套管；制備一微細(xì)球體，并在該球體表面開(kāi)設(shè)一凹槽；制備銷子，其第一端形狀與凹槽相配、第二端形狀與套管內(nèi)腔相配；將銷子第一端插入凹槽并固定；將銷子第二端插入內(nèi)腔并固定。
上述微細(xì)球體為金屬、紅寶石、陶瓷或超硬合金材料制成。
上述凹槽是利用金剛石工具銑削，研削，超聲波加工，放電加工或者雷射加工方法形成。
該銷子第一端是以粘結(jié)方式或焊接方式固定于凹槽內(nèi)。
該銷子第二端是以粘結(jié)、焊接或鉚接方式固定于該內(nèi)腔。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明觸針的球狀觸頭是采用形狀微細(xì)真圓球，且其大部分表面均露出于套管之外，可具有高測(cè)量精度及準(zhǔn)確度的優(yōu)點(diǎn)；另外，球狀觸頭與套管結(jié)合穩(wěn)定，通過(guò)銷子抵消球狀觸頭所受的橫向作用力，可確保球狀觸頭不易脫落，延長(zhǎng)使用壽命。

圖1是現(xiàn)有技術(shù)利用壓入法固定的觸針的剖面示意圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)粘結(jié)法固定的觸針的剖面示意圖；圖3是本發(fā)明表面形貌測(cè)量用觸針的剖面示意圖。
具體實(shí)施方式下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步之詳細(xì)說(shuō)明。
請(qǐng)參閱圖3，本發(fā)明實(shí)施例提供一種用于高精度物體表面形狀測(cè)量用觸針30，它是表面形狀測(cè)量?jī)x器的主要移動(dòng)測(cè)量部件。該觸針30包括一微細(xì)套管32，直徑微小的球狀觸頭35，及用以連接球狀觸頭35與套管32的圓柱形銷子37。其中，微細(xì)套管32具有一中空?qǐng)A柱形內(nèi)腔33，其內(nèi)徑與銷子37的外徑相當(dāng)或稍大。球狀觸頭35是一圓球體，最好是一真圓球體，其直徑一般是微米級(jí)或毫米級(jí)，且開(kāi)設(shè)有一圓柱形凹槽(圖未標(biāo)示)。該凹槽是由球體外表面延伸至球心處，其形狀及尺寸大小與銷子37相匹配或稍大。銷子37是一圓柱體，其直徑較套管32的內(nèi)徑稍小或相同，長(zhǎng)度較球狀觸頭35的圓柱形凹槽長(zhǎng)。銷子37一端是插入該圓柱形凹槽內(nèi)，并與之緊密固定，例如通過(guò)粘結(jié)劑粘結(jié)，或焊接固定；銷子37的另一端是插入該套管32的圓柱形內(nèi)腔33內(nèi)，并與之緊密固定，例如使用粘結(jié)劑粘結(jié)，焊接固定，或鉚接固定。
上述觸針30的套管32一般是由鋼材，鎢鋼以及超硬合金材料制成。球狀觸頭35可由金屬，紅寶石，陶瓷以及超硬合金制成。銷子37一般可由金屬以及超硬合金材料制成。
上述銷子37也可為其它形狀，例如三角柱形，方形柱體等。這樣，球狀觸頭35的凹槽及套管32的內(nèi)腔33亦相應(yīng)改變成三角柱形，方形柱體等。
下面介紹上述觸針30的制備方法。
首先，分別制造套管32，銷子37以及球狀觸頭35。套管32及銷子37可由機(jī)械加工方法制備，需注意套管32的內(nèi)腔與銷子37一端形狀相配，以利后續(xù)插入。球狀觸頭35制備相對(duì)較復(fù)雜，首先制備真圓球，然后于真圓球中開(kāi)設(shè)與銷子37形狀相配之微小凹槽制得球狀觸頭35。目前可以采用的用于形成微小凹槽的精密加工技術(shù)包括金剛石工具銑削，研削，超聲波加工，放電加工以及雷射加工，當(dāng)然，需要根據(jù)真圓球的材料選擇合適加工技術(shù)。
然后，將銷子37一端插入上述步驟形成的球狀觸頭35的微小凹槽內(nèi)，并利用粘結(jié)劑粘結(jié)固定，或利用焊接方法而固定。如果采用粘結(jié)劑固定，則可以先行于銷子37一端涂覆粘結(jié)劑，再插入該凹槽內(nèi)，待粘結(jié)劑凝結(jié)即可固定。由于銷子37是插入凹槽內(nèi)，所以，涂有粘結(jié)劑的結(jié)合面積較大，可提高結(jié)合強(qiáng)度及穩(wěn)定性，且不占用球狀觸頭35的外表面。無(wú)論粘結(jié)或焊接固定，球狀觸頭35于使用時(shí)，其沿物體表面移動(dòng)時(shí)所受的橫向作用力均可由銷子37承受，不會(huì)因該橫向作用力使球狀觸頭35與銷子37之間的結(jié)合強(qiáng)度受影響而脫落。從而避免現(xiàn)有技術(shù)的粘結(jié)穩(wěn)定性差，易脫落等問(wèn)題。
最后，將銷子37另一端插入套管32之內(nèi)腔33中并固定。銷子37與套管32可使用粘結(jié)劑粘結(jié)固定，焊接固定，或鉚接固定。同樣，銷子37與套管32之間的結(jié)合面積較大，因而有利于提高粘結(jié)強(qiáng)度及穩(wěn)定性。
上述觸針30可應(yīng)用于表面測(cè)量?jī)x器。使用時(shí)，球狀觸頭35沿被測(cè)物體表面移動(dòng)，因表面形狀的凹凸不平引起觸針30上下移動(dòng)，然后經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換，將該上下移動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)放大，運(yùn)算之后即可得出物體表面形狀。由于球狀觸頭35沿物體表面移動(dòng)時(shí)，其與物體表面的接觸點(diǎn)可能產(chǎn)生變化，這種因接觸點(diǎn)變化產(chǎn)生的誤差可通過(guò)運(yùn)算而得以解決。
本發(fā)明觸針30的優(yōu)點(diǎn)包括
(1)測(cè)量精度及準(zhǔn)確性較高。由于球狀觸頭35的直徑非常小，且可采用真圓球，所以，其可測(cè)量的精度較高。另外，球狀觸頭35大部分表面均露出于套管32的外面，所以，即使用于測(cè)量表面較深的凹槽或溝槽時(shí)，球狀觸頭35也可正確與之接觸，避免產(chǎn)生類似現(xiàn)有技術(shù)的誤差。
(2)球狀觸頭35與套管32結(jié)合穩(wěn)定，不易脫落或分離。因銷子37是插入球頭觸頭35及套管32之內(nèi)，所以，兩兩之間接觸面積較大，即使采用粘結(jié)法也可確保其粘結(jié)穩(wěn)定性。除此之外，還可使用焊接、鉚接等固定方法，進(jìn)一步確保結(jié)合穩(wěn)定性。
(3)球狀觸頭35可承受較大橫向作用力，延長(zhǎng)使用壽命。在測(cè)量時(shí)，由于球狀觸頭所受的橫向作用力均被銷子37抵消，所以，即使較大橫向作用力也不易影響球狀觸頭35的結(jié)合穩(wěn)定性，延長(zhǎng)使用壽命。
權(quán)利要求
1.一種表面形貌測(cè)量用觸針，其包括一套管和球狀觸頭，其特征在于所述套管一端開(kāi)口并具有一內(nèi)腔，所述球狀觸頭具有一凹槽；該觸針還包括一固持件，其具有第一端及第二端，所述固持件的第一端是插入所述凹槽內(nèi)固定，第二端是自該套管的開(kāi)口插入所述內(nèi)腔并且與之固定。
2.如權(quán)利要求1所述的表面形貌測(cè)量用觸針，其特征在于該凹槽是自該球狀觸頭的外表面延伸到其球心。
3.如權(quán)利要求1所述的表面形貌測(cè)量用觸針，其特征在于該凹槽的形狀尺寸與該固持件第一端相配合。
4.如權(quán)利要求3所述的表面形貌測(cè)量用觸針，其特征在于該凹槽的形狀為圓柱形、三角柱形或方柱形。
5.如權(quán)利要求4所述的表面形貌測(cè)量用觸針，其特征在于該固持件第一端涂覆有粘結(jié)劑，該第一端與該凹槽粘結(jié)固定。
6.如權(quán)利要求4所述的表面形貌測(cè)量用觸針，其特征在于該固持件第一端與該凹槽焊接固定。
7.如權(quán)利要求1所述的表面形貌測(cè)量用觸針，其特征在于所述套管內(nèi)腔的形狀尺寸與該固持件第二端相配合。
8.如權(quán)利要求7所述的表面形貌測(cè)量用觸針，其特征在于該固持件與套管是粘結(jié)固定、焊接固定或鉚接固定。
9.如權(quán)利要求1所述的表面形貌測(cè)量用觸針，其特征在于所述球狀觸頭是真圓球體。
10.如權(quán)利要求1所述的表面形貌測(cè)量用觸針，其特征在于該球狀觸頭是金屬、紅寶石、陶瓷或超硬合金材料制成。
11.如權(quán)利要求1所述的表面形貌測(cè)量用觸針，其特征在于該套管及固持件是鋼材、鎢鋼或超硬合金材料制成。
12.一種表面形貌測(cè)量用觸針的制備方法，其包括以下步驟制備一端開(kāi)口且具有一內(nèi)腔的套管；制備一微細(xì)球體，并在該球體表面開(kāi)設(shè)一凹槽；制備一固持件，其第一端與凹槽相配、相對(duì)的第二端與套管內(nèi)腔相配；將固持件第一端插入凹槽并固定；將固持組件第二端插入內(nèi)腔并固定。
13.如權(quán)利要求12所述的表面形貌測(cè)量用觸針的制備方法，其特征在于該球體為真圓球。
14.如權(quán)利要求13所述的表面形貌測(cè)量用觸針的制備方法，其特征在于該球體為金屬、紅寶石、陶瓷或超硬合金材料制成。
15.如權(quán)利要求12所述的表面形貌測(cè)量用觸針的制備方法，其特征在于該凹槽是利用金剛石工具銑削，研削，超聲波加工，放電加工或者雷射加工方法形成。
16.如權(quán)利要求12所述的表面形貌測(cè)量用觸針的制備方法，其特征在于該固持件第一端是以粘結(jié)方式或焊接方式固定于凹槽內(nèi)。
17.如權(quán)利要求12所述的表面形貌測(cè)量用觸針的制備方法，其特征在于該固持件第二端是以粘結(jié)、焊接或鉚接方式固定于該內(nèi)腔。
全文摘要
本發(fā)明提供一種表面形貌測(cè)量用觸針，屬于表面精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。所述觸針包括一套管，其一端開(kāi)口并具有一內(nèi)腔；一銷子，其具有第一端及第二端；以及一球狀觸頭，其具有一凹槽；其中，該銷子第一端是插入該凹槽內(nèi)固定，第二端是自該套管的開(kāi)口插入內(nèi)腔且固定。銷子與球狀觸頭可通過(guò)粘結(jié)劑粘結(jié)固定，也可利用焊接固定。銷子與套管可通過(guò)粘結(jié)劑粘結(jié)固定，或利用焊接、鉚接固定。球狀觸頭是真圓球。本發(fā)明之觸針具有測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好，使用壽命長(zhǎng)之優(yōu)點(diǎn)。另外，本發(fā)明還提供該觸針的制備方法。
文檔編號(hào)G01B5/28GK1715826SQ200410027980
公開(kāi)日2006年1月4日 申請(qǐng)日期2004年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月2日
發(fā)明者中川威雄, 劉慶, 陳德成 申請(qǐng)人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司, 鴻海精密工業(yè)股份有限公司