本發(fā)明屬于機(jī)電一體化技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種差動(dòng)式厚度測量裝置，可應(yīng)用于非接觸式高精度測量實(shí)例中。

背景技術(shù)：

厚度測量是工業(yè)生產(chǎn)過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對測厚裝置進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)具有重要意義。在工程實(shí)踐或其它工業(yè)生產(chǎn)過程中，有時(shí)需高精度地測量物體的厚度，例如軋制高精度鋼材和鋁材的測量，拼裝粉末袋厚度的測量以及縝密儀器的測量等。

厚度測量技術(shù)可分為接觸式測量和非接觸式測量兩種。接觸式測量，由于測厚裝置要與被測對象直接接觸，所以其具有測量精度低、測量點(diǎn)少、效率低、易損傷等缺點(diǎn)，已不能適應(yīng)當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)的要求。目前，非接觸測量技術(shù)主要有x射線測量、放射線測量、放射性測量、超聲波測量、激光測量等。x射線測量和放射線測量因?yàn)槲蘸蜕⑿?yīng)使射線在透射方向上的強(qiáng)度衰減，通過的板帶越厚，射線的強(qiáng)度衰減就越大。放射性測量和超聲波測量，雖然其測量性能和技術(shù)相對先進(jìn)，但是會對環(huán)境和人身造成很大的傷害，超聲波還可能會對測量對象的結(jié)構(gòu)和性能造成破壞。

激光測厚利用光三角測量原理進(jìn)行厚度的測量，既具有非接觸式測量精確性和實(shí)時(shí)性的優(yōu)勢，又避免了接觸式測量和其它非接觸式測量的缺陷，是一種首選的測厚方式。激光三角法測厚是激光測厚的其中一種，人們一直想豐富并完善激光三角法在測厚領(lǐng)域的應(yīng)用，差動(dòng)式厚度測量裝置不僅利用激光三角法測厚原理實(shí)現(xiàn)非接觸式測厚，并且其差動(dòng)式測量結(jié)構(gòu)會進(jìn)一步提高測量的精確性和靈活性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是采用激光三角法測厚原理，設(shè)計(jì)一種差動(dòng)式厚度測量裝置。實(shí)現(xiàn)非接觸式測量，避免接觸式測量效率低、誤差大、易損傷等缺陷。并利用差動(dòng)式測量結(jié)構(gòu)抵消一部分由被測對象的振動(dòng)和彎曲引入的誤差，從而提高測量精度。

本發(fā)明包括驅(qū)動(dòng)部分、齒輪減速對、差動(dòng)微位移傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和測量機(jī)構(gòu)。具體包括：傳感器、安裝板、滑板、鑲條、底托板、導(dǎo)軌、螺母臺板、差動(dòng)螺桿、齒輪減速對、聯(lián)軸器、電機(jī)、安裝架、托架、支撐板、防逆轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、重力平衡機(jī)構(gòu)。

驅(qū)動(dòng)部分選用的是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)通過電機(jī)安裝架和托架固定連接在導(dǎo)軌上。并通過聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)齒輪減速器和差動(dòng)微位移機(jī)構(gòu)，從而將電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為測量機(jī)構(gòu)的直線運(yùn)動(dòng)。

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用差動(dòng)微位移機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)通過螺桿實(shí)現(xiàn)差動(dòng)傳動(dòng)的功能，螺桿的大導(dǎo)程端與支撐板上的螺母旋合，小導(dǎo)程端與螺母臺板旋合，兩端螺旋旋向相反。螺母臺板相對于螺桿大導(dǎo)程端做前旋運(yùn)動(dòng)，相對于螺桿小導(dǎo)程端做后旋運(yùn)動(dòng)，前旋與后旋的位移不相等，差值就是微位移值。

測量機(jī)構(gòu)采用激光位移傳感器。傳感器集成發(fā)射器、光學(xué)接收系統(tǒng)、信號發(fā)生器與信號處理器三個(gè)功能模塊，實(shí)現(xiàn)裝置的非接觸式測量。傳感器通過安裝板固定在滑板上，滑板通過在導(dǎo)軌上滑動(dòng)帶動(dòng)傳感器做直線運(yùn)動(dòng)。通過鑲條和底托板調(diào)整或約束滑板的運(yùn)動(dòng)。

其他輔助機(jī)構(gòu)有防逆轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和重力平衡機(jī)構(gòu)。防逆轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與齒輪減速器的齒輪軸相連，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行檢修等需掉電失去自鎖功能時(shí)，由防逆轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)制動(dòng)鎖緊；重力平衡機(jī)構(gòu)與螺母臺板連接，用于平衡掉一部分重力負(fù)載且可防逆轉(zhuǎn)。

本發(fā)明有益效果如下：

1)、利用差動(dòng)微位移機(jī)構(gòu)微調(diào)、增力、均衡、補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高精度、準(zhǔn)確定位的目的。

2)、采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，將連續(xù)的脈沖數(shù)目轉(zhuǎn)換為離散的機(jī)械位移，避免積累誤差的出現(xiàn)，從而精確的控制測量裝置的運(yùn)動(dòng)距離。

3)、以激光三角法測量原理為基礎(chǔ)，采用激光位移傳感器作為測量機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)非接觸式測量，提高了測量的效率和精確度，避免了對測量儀器以及測量對象的損傷。

附圖說明

圖1為本發(fā)明測量裝置裝配關(guān)系左視圖。

圖2為本發(fā)明測量裝置裝配關(guān)系主視圖。

圖3為本發(fā)明防逆轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖。

圖中，1、傳感器，2、安裝板，3、滑板，4、鑲條，5、底托板，6、導(dǎo)軌，7、螺母臺板，8、定位螺栓，9、差動(dòng)螺桿，10、齒輪減速對，11、聯(lián)軸器，12、電機(jī)，13、安裝架，14、托架，15、支撐板，16、防逆轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，16-1、螺母，16-2、制動(dòng)外錐盤，16-3、銜鐵、16-4、螺釘，16-5、制動(dòng)支撐板，16-6、螺旋線圈，16-7、彈簧，16-8、制動(dòng)器滑桿，16-9、螺母，16-10、內(nèi)錐盤，17、重力平衡機(jī)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步描述。

如圖1、2、3所示，本實(shí)施例包括傳感器1、安裝板2、滑板3、鑲條4、底托板5、導(dǎo)軌6、螺母臺板7、定位螺栓8、差動(dòng)螺桿9、齒輪減速對10、聯(lián)軸器11、電機(jī)12、安裝架13、托架14、支撐板15、防逆轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)16、螺母16-1、制動(dòng)外錐盤16-2、銜鐵16-3、螺釘16-4、制動(dòng)支撐板16-5、螺旋線圈16-6、彈簧16-7、制動(dòng)器滑桿16-8、螺母16-9、內(nèi)錐盤16-10、重力平衡機(jī)構(gòu)17。

本實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)部分選用的是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)12通過電機(jī)安裝架13固定安裝在托架14上，托架14通過螺栓固定在導(dǎo)軌6上。通過的聯(lián)軸器11連接電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸與齒輪減速對10。電機(jī)12輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)過齒輪減速對10以及螺桿9轉(zhuǎn)化成滑板3的直線運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)12為兩相步進(jìn)電機(jī)，步距角為1.8°。

本實(shí)施例的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用差動(dòng)微位移機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)通過差動(dòng)螺桿9實(shí)現(xiàn)其功能，差動(dòng)螺桿9的大導(dǎo)程端與支撐板15上的螺母旋合，小導(dǎo)程端與螺母臺板7旋合。螺母臺板7的運(yùn)動(dòng)距離即為差動(dòng)傳動(dòng)的微位移值，螺母臺板7通過與滑板3固定連接帶動(dòng)測量機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。差動(dòng)螺桿9為單線程梯形螺紋，牙形角α＝30°，前端螺紋與后端螺紋旋向相反。螺桿9前端螺紋的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)為：導(dǎo)程P₂＝1.5mm，公稱直徑d＝10mm，中徑d₂＝9.250mm，大徑d₁＝10.300mm，小徑d₃＝8.200mm(外螺紋)，8.500mm(內(nèi)螺紋)；螺桿9后端螺紋的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)為：導(dǎo)程P₂＝2.0mm，公稱直徑d＝12mm，中徑d₂＝11.000mm，大徑d₁＝12.500mm，小徑d₃＝9.500mm(外螺紋)，10.000mm(內(nèi)螺紋)。

本實(shí)施例的測量機(jī)構(gòu)采用的是OptoNCDT激光位移傳感器。傳感器1被固定在安裝板2上，安裝板2又被固聯(lián)在滑板3上，滑板3可在導(dǎo)軌6上滑動(dòng)，從而帶動(dòng)傳感器1做直線運(yùn)動(dòng)。調(diào)整鑲條4用于調(diào)整滑板與導(dǎo)軌接觸的松緊程度。底托板用于5約束滑板3沿導(dǎo)軌6做直線運(yùn)動(dòng)。

本實(shí)施例的輔助機(jī)構(gòu)有防逆轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和重力平衡機(jī)構(gòu)。由圖2、3知，防逆轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)16與齒輪減速對10的齒輪軸相連。防逆轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)16工作原理是通過控制螺旋線圈16-6的通斷電來控制制動(dòng)外錐盤16-2和內(nèi)錐盤16-10的分合。由于楔形增壓，圓錐形摩擦盤可以使制動(dòng)錐盤分開，此時(shí)錐頂角半角α>arctan u。摩擦副材料為金屬-金屬時(shí)，α≥6～7°；皮革-金屬時(shí)，α≥12°。本機(jī)構(gòu)制動(dòng)外錐盤16-2材料為50Mn，制動(dòng)內(nèi)錐盤16-10材料為45高頻淬火鋼，因此選取α＝15°。重力平衡機(jī)構(gòu)17與螺母臺板7連接，用于平衡重力負(fù)載。為簡化裝置結(jié)構(gòu)，重力平衡機(jī)構(gòu)17的結(jié)構(gòu)比較簡單，其主要構(gòu)件是彈簧，由設(shè)計(jì)估計(jì)知，裝置滑動(dòng)部分的總質(zhì)量M約等于3kg，G＝Mg＝30N。由于滑動(dòng)部分在運(yùn)動(dòng)，所以為了讓彈簧彈力變化范圍變小，盡量減小彈簧的彈性系數(shù)k。這里，取k＝1N/m；彈簧壓縮量Δl＝G/2k＝15mm；則彈簧原長l＝43mm；材料為碳素彈簧鋼C級制造。

本發(fā)明使用工作過程如下：

1)、驅(qū)動(dòng)狀態(tài)

當(dāng)測厚裝置通電之后，步進(jìn)電機(jī)12旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)齒輪減速器10的齒輪軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)差動(dòng)螺桿9進(jìn)行穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動(dòng)。齒輪減速器起到降低轉(zhuǎn)速，增加轉(zhuǎn)矩的作用。這里步進(jìn)電機(jī)12將連續(xù)的脈沖數(shù)目轉(zhuǎn)換為離散的機(jī)械位移，避免了積累誤差的出現(xiàn)，從而精確的控制傳感器1的運(yùn)動(dòng)距離。

2)、傳動(dòng)狀態(tài)

差動(dòng)螺桿9開始轉(zhuǎn)動(dòng)之后，由于其大導(dǎo)程端與支撐板15上的螺母旋合，小導(dǎo)程端與螺母臺板7旋合，因兩端螺紋的旋向相反，所以螺母臺板7的運(yùn)動(dòng)為兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的合成：相對于螺桿大導(dǎo)程端的前旋運(yùn)動(dòng)和相對于螺桿小導(dǎo)程端的后旋運(yùn)動(dòng)。前旋運(yùn)動(dòng)和后旋運(yùn)動(dòng)的差值就是螺母臺板7的位移值。螺母臺板7通過滑板3以及安裝板2與傳感器1固連，當(dāng)螺母臺板7做直線運(yùn)動(dòng)的時(shí)候會帶動(dòng)傳感器1一起運(yùn)動(dòng)。這種差動(dòng)移位機(jī)構(gòu)具有微調(diào)、增力、均衡、補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)，使得傳感器的定位更加精確，移動(dòng)更加敏捷。

3)、測量狀態(tài)

調(diào)整傳感器1的位置，通過發(fā)射激光至被測對象，以及傳感器對反射光的接收和進(jìn)一步處理，輸出被測對象的測量厚度。由于傳感器1集成發(fā)射器、光學(xué)接收系統(tǒng)、信號發(fā)生器與信號處理器三個(gè)功能模塊，使得該測量裝置既達(dá)到了非接觸式測量的目的，又簡化了測量機(jī)構(gòu)。

4)、制動(dòng)狀態(tài)

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)12進(jìn)行檢修等需掉電失去自鎖功能時(shí)，需要有防逆轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)16制動(dòng)鎖緊。同時(shí)，重力平衡機(jī)構(gòu)17通過與螺母臺板7連接，可平衡掉一部分重力負(fù)載，從而起到制動(dòng)作用。