CN100398990C - 旋转型球径测量仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种旋转型球径测量仪及其测量方法，该旋转型球径测量仪的工作平台上位于一正三角形的角顶位置垂直地设置三根等高的支撑杆，一步进电机固定在底座上，该步进电机通过联轴器和位于所述的工作平台之上的旋转臂一端的转轴连接，另一端固定所述的长度测微器的测量杆，该测量杆垂直于工作平台，所述的长度测微器的测量杆与所述的旋转臂一端转轴的距离等于所述的三根支撑杆所构成的等边三角形的中心到所述的旋转臂转轴的距离；一微机的一条线路连接一驱动器，该驱动器接所述的步进电机；另一条线路连接长度测微器，控制长度测微器测量杆的运动和接收长度测微器的测量杆测量的矢高数据并进行数据处理。

Description

旋转型球径测量仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量仪器，尤其是一种球形元件曲率半径测量的旋转型球径测量仪及其测量方法。

技术背景

高精度球形元件在精密机械和航天工业中的应用越来越广泛，在光学生产的加工制造过程中也大量需要对具有球形元件形状的透镜的曲率半径进行测量的情况，因此，球形元件的曲率半径测量是测试领域的重要课题之一。一般在对光学球形元件进行测量时，利用光学的测试方法虽然精度较高，但只能测量对光具有反射或折射性质的球形元件，而对不具备光学性质的球形元件不能进行测量。对不是光学元件的球形元件曲率半径的测量普遍采用金属样板，简易球径测微器或环形球径仪。对不同曲率半径的球形元件，通常需配套制作金属样板，并只能固定使用，不可连续测量。环形球径仪也只能够进行简单的测量，它的测量方法主要为“弓高弦长”法，它的测量原理主要是先由长度测微器测量出矢高，然后再根据公式算出球形元件的曲率半径。然而对这种测量仪器进行精度分析可知，测量精度是随着测环的半径变化的，也随着待测球形元件的曲率半径发生变化的。目前解决这一矛盾的方法是准备多套不同半径的测环，针对不同的待测球形元件曲率半径和不同的测量精度使用不同的半径的测环，由于首先必须粗估待测球形元件曲率半径，然后做出判断，选用合适的测环，再进行细测，而且在测量不同的待测球形元件曲率半径时，须选用不同半径的测环，这样在仪器使用过程中就不可避免地装卸和更换不同半径的测环，从而引进了很多的随机误差和人为误差，大大降低了测量精度。并且不同半径的测环数目有限，并且只有几套固定半径的测环，因此测量待测球形元件时，不可能所有的待测球形元件的测量精度都能达到所标称的最高精度。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供一种旋转型球径测量仪及其测量方法，其结构应简单紧凑，可以即时显示待测球形元件的曲率半径和精度。它可以对精度进行分析和判断，然后自动调节旋转角度到达所需的位置再进行测量，还可以对同一球形元件进行多次测量，以使其达到高的测量精度。另外，由于不涉及测环零部件的装卸和更换，所以大大减小了随机误差和人为误差所带来的影响。

本发明的技术解决方案如下：

一种旋转型球径测量仪，由微机、驱动器、步进电机、旋转臂、长度测微器、工作平台、支撑工作平台的第一底座和第二底座和三根等高的支撑杆组成，所述的工作平台上位于一等边三角形的角顶位置垂直地设置所述的三根等高的支撑杆，所述的步进电机固定在所述的第一底座上，该步进电机通过联轴器和位于所述的工作平台之上的旋转臂一端的转轴连接，所述旋转臂的另一端固定所述的长度测微器的测量杆，该测量杆垂直于工作平台，所述的长度测微器的测量杆与所述的旋转臂一端转轴的距离等于所述的三根支撑杆所构成的等边三角形的中心到所述的旋转臂转轴的距离；所述的微机的一条线路连接驱动器，该驱动器接所述的步进电机；另一条线路连接长度测微器，控制长度测微器测量杆的运动和接收长度测微器的测量杆测量的矢高数据并进行数据处理。

利用上述旋转型球径测量仪测量球形元件曲率半径的方法，包括如下步骤：

1、启动：

打开电源，微机自动地使步进电机的步数初值为零，即旋转臂一端上的测量杆的中心与以工作平台上三根支撑杆所构成的正三角形的中心重合，长度测微器的探头处于缩回状态；

2、将待测球形元件轻放到所述的支撑杆上，校零：

将待测球形元件轻放到所述的三根支撑杆上，使待测球形元件的表面与三根支撑杆同时接触，仪器开始工作后，微机令长度测微器的测量杆伸出，并使所述的探头轻轻接触到待测球形元件的表面，并将此时长度测微器的读数自动设为初始零值，然后缩回探头，完成校零过程；

3、第一个矢高测量：

微机自动通过驱动器驱动步进电机旋转一定的步数，使旋转臂旋转到一定的角度位置，然后令长度测微器的测量杆伸出，使探头接触待测球形元件的表面，这时长度测微器就得到了第一个矢高数值，然后缩回测量杆；

4、数据处理：

微机利用曲率半径的计算公式和精度计算公式并根据测得的第一个矢高数值计算出待测球形元件曲率半径的初始值和此时的实际测量精度，此时微机自动把此时的测量精度与要求的精度进行比较，如果此时的实际测量精度比所要求的精度高，本仪器就不需进行第二次测量；

所述的曲率半径的计算公式

$R=\frac{r^2}{h}(1-\cos \mathrm{\θ})+\frac{h}{2}\±\mathrm{\ρ}---\left(1\right)$

式中：R为待测球形元件的曲率半径；

h为由长度测微器测得的矢高数值；

r为旋转臂的长度；

θ为旋转臂的转角；

ρ为支撑杆的顶端小球的半径；

说明：对于一个凹形的球形元件，使用小球的正值(+ρ)，对于一个凸形的球形元件使用小球的负值(-ρ)，

精度计算公式：

$\mathrm{\ΔR}=\±\sqrt{{[\frac{1}{2}-\frac{r^2}{h^2}(1-\cos \mathrm{\θ})]}^2{\mathrm{\Δh}}^2+{\left[\frac{2r}{h}(1-\cos \mathrm{\θ})\right]}^2{\mathrm{\Δr}}^2+{\left(\frac{r^2}{h}\sin \mathrm{\θ}\right)}^2{\mathrm{\Δ\θ}}^2+{\mathrm{\Δ\ρ}}^2}---\left(2\right)$

式中：ΔR为待测球形元件曲率半径的测量精度；

Δh为长度测微器的已知的测量矢高精度；

Δr为旋转臂的已知的长度制造精度；

Δθ为旋转臂的已知的旋转精度；

Δρ为支撑杆的顶端小球半径的制造精度；

5、第二次矢高测量并进行数据处理：

如果此时的实际测量精度比所要求的精度低，微机就自动进行第二次矢高测量，此时微机动根据公式和公式反推出旋转臂所需要旋转的角度θ，然后根据旋转臂所需要旋转的角度换算出步进电机所需走的步数，微机指令驱动器控制步进电机走到所需要的步数，再自动伸出测量杆，使探头接触待到测球形元件的表面，微机从长度测微器获得第二个矢高数值，经数据处理得到相应精度的待测的球形元件的曲率半径数值；

6、如果此时的实际测量精度仍比所要求的精度低，则重复第5步；

7、最后微机将测得的球形元件的曲率半径数值和测量精度自动显示在显示屏上。

本发明具有以下优点：

1、本发明仪器的结构简单紧凑，外形尺寸小，可连续测量，测量精度高，并且全部测量过程为自动测量过程。

2、测量时可以通过多次改变旋转臂角度尺寸来提高测量精度，而且可以根据测量精度的需要来确定旋转臂的角度，还可以即时显示待测球形元件的曲率半径尺寸，并给出实际的测量精度数值。

3、测量时无须更换和装卸零部件，使用方便，大大减小了装卸过程所带来的随机误差和人为误差的影响。

4、该旋转型球径测量仪不需要在每次测量时先用标准平晶来进行零位校准。

附图说明

图1为本发明旋转型球径测量仪的结构示意图。

图2为本发明的机械装置主视图。

图3为本发明的机械装置俯视图。

图4为本发明的机械装置右视图。

图5为本发明的机械装置左视图。

图6为本发明的长度测微器的主视图。

图7为本发明的长度测微器的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

首先参阅图1，图1为本发明旋转型球径测量仪的结构示意图。由图可见，本发明旋转型球径测量仪由长度测微器5、步进电机3、驱动器2、微机1、旋转臂4、工作平台8、底座7-1、7-2和支撑杆6-1、6-2、6-3组成。

微机1有两条线路连接：一条连接步进电机3的驱动器2，以便给驱动器2输出脉冲信号，再由驱动器2通过数据线输出步进电机3的转动控制信号；另一条连接长度测微器5，以便接收长度测微器5的测量信号，再由微机1根据公式程序计算出待测球面的曲率半径和精度。

由于微机1、驱动器2和步进电机3是以数据线连接，所以微机1可以通过驱动器2来控制步进电机3的步数、方向和速度。也由于微机1和长度测微器5是以数据线相连接，因此，微机1也控制着长度测微器5的测量杆的运动和接受长度测微器5的测量数据。

机械主体部分主要有旋转臂4、工作平台8、底座7-1、7-2和三根支撑杆6-1、6-2、6-3组成。参阅图2、图3、图4和图5，步进电机3固定在底座7-1上，步进电机3通过联轴器9和旋转臂4连接，这样，步进电机3就可把传动传递给旋转臂4，由于旋转臂4旋转时所走的路线经过三个支撑杆6-1、6-2、6-3所构成的等边三角形的中心，因此，旋转臂4的旋转相当于测环半径的变化，旋转臂4旋转的角度可以通过简单的公式换算成测环半径的尺寸数值，再由长度测微器5测量所得的矢高数值，就可以根据“弓高弦长法”原理公式计算出待测球形元件的曲率半径数值，曲率半径的计算公式为：

$R=\frac{r^2}{h}(1-\cos \mathrm{\θ})+\frac{h}{2}\±\mathrm{\ρ}---\left(1\right)$

式中：R为待测球形元件的曲率半径；

h为由长度测微器5测得的矢高数值；

r为旋转臂4的长度；

θ为旋转臂4的转角；

ρ为支撑杆6的顶端小球的半径。

说明：对于一个凹形的球形元件，使用小球的正值(+ρ)，对于一个凸形的球形元件使用小球的负值(-ρ)。

由曲率半径的计算公式(1)可推导出精度计算公式：

$\mathrm{\ΔR}=\±\sqrt{{\left(\frac{\∂R}{\∂h}\right)}^2{\mathrm{\Δh}}^2+{\left(\frac{\∂R}{\∂r}\right)}^2{\mathrm{\Δr}}^2+{\left(\frac{\∂R}{\∂\mathrm{\θ}}\right)}^2{\mathrm{\Δ\θ}}^2+{\left(\frac{\∂R}{\∂\mathrm{\ρ}}\right)}^2{\mathrm{\Δ\ρ}}^2}$

即

$\mathrm{\ΔR}=\±\sqrt{{[\frac{1}{2}-\frac{r^2}{h^2}(1-\cos \mathrm{\θ})]}^2{\mathrm{\Δh}}^2+{\left[\frac{2r}{h}(1-\cos \mathrm{\θ})\right]}^2{\mathrm{\Δr}}^2+{\left(\frac{r^2}{h}\sin \mathrm{\θ}\right)}^2{\mathrm{\Δ\θ}}^2+{\mathrm{\Δ\ρ}}^2}---\left(2\right)$

式中：ΔR为待测球形元件曲率半径的测量精度；

Δh为长度测微器5的已知的测量矢高精度；

Δr为旋转臂4的已知的长度制造精度；

Δθ为旋转臂4的已知的旋转精度；

Δρ为支撑杆6的顶端小球半径的制造精度。

因为旋转臂4的长度r，长度测微器5的测量矢高精度Δh，旋转臂4的长度的制造精度Δr，旋转臂4的旋转精度Δθ，支撑杆6的顶端小球的半径制造精度Δρ为已知数，所以待测球形元件曲率半径的测量精度ΔR只与矢高h，旋转臂4的转角θ参数有关。

因此，微机1可由测得的第一个矢高值根据公式(2)计算出此时的测量精度，如果此时的测量精度比所要求的精度高，则不需要进行第二次测量，如果此时的测量精度比所要求的精度低，则须进行第二次测量，这时可根据公式(1)和公式(2)反推出所需达到精度要求的旋转臂4的旋转角度θ的数值。

然后由微机1根据旋转臂4所需的旋转角度数值θ，通过步进电机3的驱动器2来控制步进电机3转动，从而带动旋转臂4转动，当旋转臂4转到所需的旋转角度θ后，再由长度测微器5测量出第二个矢高值，最后由微机1根据第二个矢高值计算出所能达到精度要求的球形元件的曲率半径。

参阅图6、图7，本发明的长度测微器5为德国HEIDENHAIN公司的增量式长度计，选用HEIDENHAIN-METRO系列长度计中的MT2500，它由探头5-1、测量杆5-2、本体5-3组成。探头5-1相对于测量杆5-2和本体5-3可以移动，长度测微器5就是通过探头5-1的移动来精确测量长度位移的。参阅图2，在本发明的机械结构中，长度测微器5的测量杆5-2穿过旋转臂4的一端的孔，并且固定在旋转臂4上，在旋转臂4旋转的过程中，长度测微器5随着旋转臂4一起旋转，在旋转臂4到达所需的角度位置后，再由长度测微器5来测量待测球形元件的矢高数值。

本发明仪器的使用方法包括如下步骤：

1、启动；

在使用本发明旋转型球径测量仪前，必须使本仪器处于初始状态，启动本仪器后，微机1自动地使步进电机3的步数初值为零，即旋转臂4一端上的长度测微器5的测量杆5-2的中心与以工作平台8上三个支撑杆6-1、6-2、6-3所构成的正三角形的中心重合，并且使长度测微器5的探头5-1的初始状态为缩回状态。

2、将待测球形元件轻放到工作平台8上的支撑杆6-1、6-2、6-3上，校零；

测量时，把待测球形元件轻放到工作平台8上的支撑杆6-1、6-2、6-3上，使待测球形元件的表面与三个支撑杆6-1、6-2、6-3同时接触，这时，本仪器开始工作后，微机1令长度测微器5的测量杆5-2伸出，并使长度测微器5的探头5-1轻轻接触到待测球形元件的表面，并将此时长度测微器5的读数自动设为初始值零，然后把长度测微器5的探头5-1缩回，以免旋转臂4在旋转过程中长度测微器5的探头5-1与待测球形元件的表面发生碰撞，这样本发明仪器就自动完成了校零过程。

3、第一个矢高数值测量：

然后微机1自动通过驱动器2驱动步进电机3旋转一定的步数，也就是使旋转臂4旋转到一定的角度位置。然后微机1再令长度测微器5的测量杆5-1伸出，使长度测微器5的探头5-1接触待测球形元件的表面，这时长度测微器5就得到了第一个矢高数值，然后把长度测微器5的测量杆5-2缩回到原来的状态。

4、数据处理：

这时微机1就会自动根据测得的第一个矢高数值计算出待测球形元件曲率半径的初始值和此时的实际测量精度，此时微机1会自动把此时的测量精度与要求的精度进行比较，如果此时的实际测量精度比所要求的精度高，本仪器就不需进行第二次测量；

5、第二次矢高测量并进行数据处理：

如果此时的实际测量精度比所要求的精度低，本仪器就会自动进行第二次测量，此时微机1会自动根据公式1和公式2反推出旋转臂4所需要旋转的角度，然后根据旋转臂4所需要旋转的角度换算出步进电机3所需走的步数。再由微机1自动通过驱动器2控制步进电机3走到所需要的步数，也即旋转臂4旋转到所需的角度位置。微机1会自动再使长度测微器5的测量杆5-2伸出，使长度测微器5的探头5-1接触待到测球形元件的表面，这时长度测微器5就得到了第二个矢高数值，这样由第二个矢高数值就可得到所能达到精度要求的待测球形元件的曲率半径数值。

6、如果此时的实际测量精度仍比所要求的精度低，则重复第5步；

7、最后在微机1显示屏上自动显示待测球形元件的曲率半径数值和此时的测量精度。

本发明装置的外形尺寸小，结构简单紧凑，全部测量过程为自动测量过程。而且可以根据测量精度的要求来测量待测球形元件的曲率半径的尺寸。另外，对同一个球形元件也可以进行变参量的多次测量，这样就减小了测量过程中随机误差和人为误差对测量精度的影响。

Claims (2)

1.一种旋转型球径测量仪，其特征在于它由微机(1)、驱动器(2)、步进电机(3)、旋转臂(4)、长度测微器(5)、工作平台(8)、支撑工作平台(8)的第一底座(7-1)和第二底座(7-2)和三根等高的支撑杆(6-1、6-2、6-3)组成，所述的工作平台(8)上一等边三角形的角顶位置垂直地设置所述的三根等高的支撑杆(6-1、6-2、6-3)，所述的步进电机(3)固定在所述的第一底座(7-1)上，该步进电机(3)通过联轴器(9)和位于所述的工作平台(8)之上的旋转臂(4)一端的转轴连接，该旋转臂(4)的另一端固定所述的长度测微器(5)的测量杆，该测量杆垂直于工作平台(8)，该旋转臂(4)在所述的步进电机(3)的驱动下绕其转轴在所述的工作平台(8)的平行平面内转动时，所述的长度测微器(5)的测量杆与所述的旋转臂(4)一端转轴的距离等于所述的三根支撑杆(6-1、6-2、6-3)所构成的等边三角形的中心到所述的旋转臂(4)转轴的距离；所述的微机(1)的一条线路连接驱动器(2)，该驱动器(2)接所述的步进电机(3)；另一条线路连接长度测微器(5)，控制长度测微器(5)测量杆的运动和接收长度测微器(5)测量杆测量的矢高数据并进行数据处理。

2.利用权利要求1所述的旋转型球径测量仪测量球形元件曲率半径的方法，其特征在于包括如下步骤：

①启动：

打开电源后，微机(1)自动地使步进电机(3)的步数初值为零，即旋转臂(4)一端上的长度测微器(5)的测量杆(5-2)的中心与以工作平台(8)上三根支撑杆(6-1、6-2、6-3)所构成的正三角形的中心重合，长度测微器(5)的探头(5-1)处于缩回状态；

②将待测球形元件轻放到所述的支撑杆(6-1、6-2、6-3)上，校零：

将待测球形元件轻放到所述的三根支撑杆(6-1、6-2、6-3)上，使待测球形元件的表面与三根支撑杆同时接触，仪器开始工作后，微机(1)令长度测微器(5)的测量杆(5-2)伸出，并使所述的探头(5-1)轻轻接触到待测球形元件的表面，并将此时长度测微器(5)的读数自动设为初始零值，然后缩回探头(5-1)，完成校零过程；

③第一个矢高测量：

然后微机(1)自动通过驱动器(2)驱动步进电机(3)旋转一定的步数，使旋转臂(4)旋转到一定的角度位置，然后令长度测微器(5)的测量杆(5-1)伸出，使探头(5-1)接触待测球形元件的表面，这时长度测微器(5)就得到了第一个矢高数值，然后缩回测量杆(5-2)；

④数据处理：

微机(1)利用曲率半径的计算公式和精度计算公式并根据测得的第一个矢高数值计算出待测球形元件曲率半径的初始值和此时的实际测量精度，此时微机(1)会自动把此时的测量精度与要求的精度进行比较，当此时的实际测量精度比所要求的精度高，本仪器就停止进行第二次测量；

所述的曲率半径的计算公式

$R=\frac{r^2}{h}(1-\cos \mathrm{\θ})+\frac{h}{2}\±\mathrm{\ρ}---\left(1\right)$

式中：R为待测球形元件的曲率半径；

h为由长度测微器(5)测得的矢高数值；

r为旋转臂(4)的长度；

θ为旋转臂(4)的转角；

ρ为支撑杆(6)的顶端小球的半径；

对于一个凹形的球形元件，使用小球的正值+ρ，对于一个凸形的球形元件使用小球的负值-ρ，精度计算公式：

$\mathrm{\ΔR}=\±\sqrt{{[\frac{1}{2}-\frac{r^2}{h^2}(1-\cos \mathrm{\θ})]}^2{\mathrm{\Δh}}^2+{\left[\frac{2r}{h}(1-\cos \mathrm{\θ})\right]}^2{\mathrm{\Δr}}^2+{\left(\frac{r^2}{h}\sin \mathrm{\θ}\right)}^2{\mathrm{\Δ\θ}}^2+{\mathrm{\Δ\ρ}}^2}---\left(2\right)$

式中：ΔR为待测球形元件曲率半径的测量精度；

Δh为长度测微器(5)的已知的测量矢高精度；

Δr为旋转臂(4)的已知的长度制造精度；

Δθ为旋转臂(4)的已知的旋转精度；

Δρ为支撑杆(6-1、6-2、6-3)的顶端小球半径的制造精度；

⑤第二次矢高测量并进行数据处理：

当此时的实际测量精度比所要求的精度低，微机(1)就自动进行第二次矢高测量，此时微机(1)自动根据公式(1)和公式(2)反推出旋转臂(4)所需要旋转的角度θ，然后根据旋转臂(4)所需要旋转的角度换算出步进电机(3)所需走的步数，微机(1)指令驱动器(2)控制步进电机(3)走到所需要的步数，再自动伸出测量杆(5-2)，使探头(5-1)接触待到测球形元件的表面，微机(1)从长度测微器(5)获得第二个天高数值，经数据处理得到相应精度的待测的球形元件的曲率半径数值；

⑥当此时的实际测量精度仍比所要求的精度低，则重复第5步；

⑦最后微机(1)将测得的球形元件的曲率半径数值和测量精度自动显示在显示屏上。

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