CN100427885C - 三点联动式可变径球面曲率测量仪器及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种用于测量球面元件的曲率半径和弧形轮廓度的三点联动式可变径球面曲率测量仪器及测量方法，三点联动式可变径球面曲率测量仪器由光栅尺、步进电机、单片机、显示器、滚珠丝杠、滑杆、导杆、滑块、支撑杆、工作平台和底座组成。测量方法是首先在测环半径的某一初始位置测出第一个矢高，然后使测环半径发生变化，到达另一个位置后，再测出第二个矢高，最后由单片机根据测量公式计算出待测球面元件的表面曲率半径和此时的测量精度。此外，它还具有测量结果的即时显示，连续测量，测量精度高，无需平晶重复校验的特点。

Description

三点联动式可变径球面曲率测量仪器及测量方法

技术领域

本发明涉及一种光学精密测量仪器，尤其是一种球面元件表面曲率半径的三点联动式可变径球面曲率测量仪器及测量方法。

技术背景

在光学生产的加工制造过程中大量需要对具有球面元件形状透镜的曲率半径进行测量，因此，球面元件的曲率半径测量是测试领域的重要课题之一。在利用机械接触式的测量方法中，一般采用样板，简易球径测微器或环形球径仪。对不同曲率半径的球面元件，通常需要配套样板，并只能固定使用，不可连续测量。环形球径仪也只能进行简单的测量，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面元件的曲率半径。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，也随着待测球面元件的曲率半径发生变化。目前解决这一矛盾的方法是准备多套不同半径的测环，针对不同的待测球面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面元件曲率半径，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面元件曲率半径时，须选用不同半径的测环，这样在面对大小不同的球面元件时，就不可避免地频繁地装卸和更换不同半径的测环，而且还引进了很多的随机误差和人为误差，大大降低了测量精度。由于不同半径的测环数目有限，一般只有几套固定半径的测环，因此测量待测球面元件时，不可能所有的待测球面元件的测量精度都能达到所期望的最高精度。

发明内容

本发明的目的是提供了一种三点联动式可变径球面曲率测量仪器及测量方法，该仪器结构紧凑，使用方便，自动测量，测量结果的即时显示，连续测量，测量精度高，无需平晶重复校验，不涉及测环的装卸和更换，以减小随机误差和人为误差所带来的影响。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种三点联动式可变径球面曲率测量仪器，特征在于其构成包括；工作平台置于底座上，通过胀紧套将长度测微器的测杆夹持部分由该工作平台的下方垂直地穿过该工作平台而固定，且该长度测微器的测杆及其相连的测量触头在工作平台的上方可垂直地上下滑动；在所述的工作平台上，以长度测微器的中轴线的交点为中心等角度辐射状均匀分布三个长条形的槽，每个槽内分别固定一根导杆，每根导杆的轴线都经过该中心，其中一根导杆上设有一主动滑块，另两根导杆上各设有一被动滑块；

工作平台下面固定步进电机和滚珠丝杠，该步进电机通过联轴器与滚珠丝杠相连，该滚珠丝杠套设的螺母与主动滑块连结在一起，该主动滑块上垂直地固定一支撑杆，该主动滑块还固连着两根滑杆，该两根滑杆分别与两个被动滑块相连，每一被动滑块上各垂直地固定一支撑杆，步进电机带动滚珠丝杠，从而带动滑块上的三个支撑杆同步联动；

所述的三根支撑杆在所述的工作平台的垂足构成的中心同所述的长度测微器的测杆的中轴线与工作平台的交点重合；

所述的单片机有两条线路：一条数据线连接步进电机，向步进电机输出转动控制信号；另一条数据线连接长度测微器，接收长度测微器的数据信号，测量数据经该单片机处理或存入存储器或显示在显示器上。

利用所述的三点联动式可变径球面曲率测量仪器测量球面曲率半径的方法，其特征在于包括下列步骤：

①准备：接好数据线与电源线，打开电源、单片机、显示器和步进电机，然后在显示器中打开测量球面曲率半径的测量软件，向其输入待测球面元件的物体直径大小和测量精度的要求，然后在显示器的页面中单击“开始”按钮；

②单片机自动驱动步进电机转动，使主动滑块和被动滑块移动到初始位置，单片机自动把主动滑块和被动滑块的初始位置置为零，然后把标准平晶轻放在所述的支撑杆上，并将长度测微器的读数置为零，置零后取下标准平晶，然后在显示器的页面中单击“下一步”按钮；

③第一个矢高测量：把待测球面元件轻放在支撑杆上，使三个支撑杆的端部小球均与待测球面元件接触，这时单片机自动控制长度测微器测量第一个矢高，把第一个矢高的测量值h₁自动存储到单片机中，把待测球面元件从支撑杆上取下，然后在显示器的页面中单击“下一步”按钮；

④第二个矢高测量：单片机再自动驱动步进电机转动，带动主动滑块和被动滑块移动，当主动滑块和被动滑块移动一定距离r₁₂后，单片机会自动把主动滑块和被动滑块所走过的位移存储到单片机中，当主动滑块和被动滑块停止运动后，再将待测球面元件轻放到支撑杆上，使三个支撑杆的端部小球均与待测球面元件接触，此时，单片机会自动控制长度测微器测量第二个矢高，把第二个矢高测量值h₂存储到单片机中，把待测球面元件从支撑杆上取下，然后在显示器的页面中单击“下一步”按钮；

⑤单片机根据下列公式自动处理存储的数据：

$R=\frac{h_2+h_1}{2}+\frac{(h_2+h_1)r_{12}^2}{2{(h_2-h_1)}^2}+\frac{r_{12}\sqrt{h_1{h}_2[{(h_2-h_1)}^2+r_{12}^2]}}{{(h_2-h_1)}^2}\±t$

式中：R为待测球面元件的表面曲率半径，

      h₁为第一次测量的矢高，

      h₂为第二次测量的矢高，

      t为支撑杆端部小球半径，

      r₁₂为两次测量时测环半径的相对位移量，

对于一个凹形的待测球面元件，我们使用支撑杆端部小球的正值(+t)；对于一个凸形的待测球面元件，我们使用支撑杆端部小球的负值(-t)；

⑥将待测球面元件的表面曲率半径R和此时的测量精度自动显示在显示器上；

⑦最后在显示器的页面中单击“完成”按钮，单片机控制步进电机(1)反转，使主动滑块和被动滑块(12)到原始位置，这时测量仪器处于原始状态，测量过程全部结束。

进行重复测量和多样品测量时，则只需重复步骤③至步骤⑥。

一种三点联动式可变径球面曲率测量仪器，其特征为它由长度测微器、步进电机、单片机、显示器、滚珠丝杠、滑杆、导杆、滑块、支撑杆、工作平台和底座零部件组成。

本发明具有以下优点：

1.仪器的可变径测环结构简单新颖，外形尺寸较小，支撑杆定位精度高。

2.在测量过程中，不需要确切知道三个支撑杆与其中心的绝对距离，只需要知道三个支撑杆的相对位移和两个矢高测量值即可计算出待测球面元件的表面曲率半径。

3.测量过程为自动测量过程，并且测环半径(即支撑杆与其中心的距离)可自动连续变化，因此不存在更换与拆卸球环所带来的人为误差和随机误差，提高了测量精度和可靠度。

4.待测球面元件的表面曲率半径和测量精度可以同时在显示器上显示出来，并且测量结果是即时显示的。此外还可以对同一待测球面元件进行多次重复测量和变精度测量。

附图说明

图1为本发明三点联动式可变径球面曲率测量仪器的三点联动的机构简图。

图2为本发明三点联动式可变径球面曲率测量仪器机械结构的主视图。

图3为本发明三点联动式可变径球面曲率测量仪器机械结构的俯视图。

图4为本发明三点联动式可变径球面曲率测量仪器机械结构的仰视图。

图5为本发明的长度测微器的主视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明测量仪器作进一步详细描述。

首先参阅图1，一种三点联动式可变径球面曲率测量仪器，它主要有单片机和显示器(图中未示)、长度测微器9、步进电机1、滚珠丝杠6、滑杆7、导杆10、主动滑块4、被动滑块12、支撑杆11、工作平台14和底座13组成。

单片机有两条线路：一条数据线连接步进电机1，单片机通过数据线输出步进电机1的转动控制信号(步数、方向和速度)；另一条数据线连接长度测微器9，以便接收长度测微器9的测量数据信号。单片机通过步进电机1和长度测微器9的协同移动来实现对待测球面元件的曲率半径测量。

参阅图2，图3，图4，一种三点联动式可变径球面曲率测量仪器，它的具体机械结构为：工作平台14的中心有一个长度测微器9，工作平台14通过胀紧套8与长度测微器9的外部的夹持部分连接，长度测微器9的测杆可相对工作平台14垂直自由滑动。在工作平台14上，三个长方形的槽均匀分别在长度测微器9的周围，并且三个槽是以长度测微器9的中心为中心呈等角度辐射状分布，每个槽内分别固定着个导杆10，每个导杆10的轴心线都经过长度测微器9的中心，导杆10上有可自由滑动的主动滑块4和被动滑块12，主动滑块4和被动滑块12上固定着支撑杆11，支撑杆11是用来支撑待测球面元件的。而工作平台14下面固定着步进电机1和滚珠丝杠6，步进电机1通过联轴器2与滚珠丝杠6连接，滚珠丝杠6上的螺母5与主动滑块4固连在一起，此外，主动滑块4上还固连着两根滑杆7，这样，主动滑块4、被动滑块12在滑杆7和导杆10的共同作用下发生同步移动，而固定在三个滑块4、12上的支撑杆11也同步发生相对移动，并且移动的位移是相等的。所以这种平面连杆机构可以保证，在移动的过程中，三个支撑杆11的中心始终与长度测微器9的中心重合。

在本发明仪器的测量过程中，不需要确切知道三个支撑杆11与其长度测微器9中心的绝对距离，只需要知道三个支撑杆11的相对位移和两个矢高测量值即可计算出待测球面元件的表面曲率半径。测量时，首先使三个支撑杆11处在与长度测微器9的中心等距离的位置，并假设此时的位置为初始位置，此时再让长度测微器9测出第一个矢高数值，然后由单片机向步进电机1发出转动信号，使步进电机1带动滚珠丝杠6转动，滚珠丝杠6上的螺母5会把旋转运动转换为直线运动，从而固连在螺母5上的主动滑块4也进行直线运动，主动滑块4再通过滑杆7和导杆10使两个被动滑块12与其同时进行直线移动，这样固定在三个滑块4、12上的支撑杆11也会随着主动滑块4、被动滑块12一起进行直线移动，当主动滑块4、被动滑块12到达某一位置后，记下此时的位置，也即主动滑块4、被动滑块12所走过的位移，再由长度测微器9测出第二个矢高数值，然后单片机把测量所得的数据代入测量公式进行计算，即可计算出待测球面元件的曲率半径和此时的测量精度。

测量公式如下：

$R=\frac{h_2+h_1}{2}+\frac{(h_2+h_1)r_{12}^2}{2{(h_2-h_1)}^2}+\frac{r_{12}\sqrt{h_1{h}_2[{(h_2-h_1)}^2+r_{12}^2]}}{{(h_2-h_1)}^2}\±t$

式中  R为待测球面元件的表面曲率半径，

      h₁为第一次测量的矢高，

      h₂为第二次测量的矢高，

      t为支撑杆端部小球半径，

      r₁₂为两次测量时测环半径的相对位移量(也即滑块所走过的位移)

说明：对于一个凹形的待测球面元件，我们使用支撑杆端部小球的正值(-t)；对于一个凸形的待测球面元件，我们使用支撑杆端部小球的负值(-t)，

最后单片机把测量结果输出到显示器上。另外，由于本测量过程为自动测量过程，不涉及如环形球径仪那样的测环的装卸和更换，所以大大减小了随机误差和人为误差所带来的影响，提高了仪器的测量精度和可靠度。

参阅图5，本发明的长度测微器为德国HEIDENHAIN公司的增量式长度计，选用HEIDENHAIN-METRO系列长度计中的MT2500，它由测量触头9-1、测杆9-2、测杆夹持部分9-3、数据线9-4、本体9-5组成。测量触头9-1相对于测杆9-2和本体9-5可以自由移动，长度测微器就是通过触头9-1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9通过它的测杆夹持部分9-3，还有胀紧套8与工作平台14相连，这样的配合中心定位精度非常高。长度测微器9的测杆9-2相对于工作平台14可以垂直自由移动，长度测微器9是通过触头9-1来轻触待测球面元件的表面进行矢高测量的。测量完成后，长度测微器9就把测量数据输出到单片机，然后由单片机进行数据处理。

本发明仪器的使用方法如下：

在使用前，接好数据线与电源线，打开电源、单片机、显示器和步进电机，然后在显示器中打开测量球面曲率半径的测量软件，向其输入待测球面元件的物体直径大小和测量精度的要求，以便单片机确定滑块所走的位移大小。然后在显示器的页面中单击“开始”按钮。

然后单片机自动驱动步进电机1转动，从而使主动滑块4、被动滑块12移动到初始位置，单片机自动把主动滑块4和被动滑块12的初始位置置为零，然后把标准平晶轻放在所述的支撑杆11上，并使长度测微器9的读数置为零，置零后把标准平晶取下，然后在显示器的页面中单击“下一步”按钮。

然后把待测球面元件轻放在支撑杆11上，使三个支撑杆11的端部小球均与待测球面元件接触，这时单片机自动控制长度测微器9，使长度测微器9测量第一个矢高，把第个矢高的测量值自动存储到单片机中。然后把待测球面元件从支撑杆11上取下，然后在显示器的页面中单击“下一步”按钮。

然后单片机自动驱动步进电机1转动，从而带动主动滑块4和被动滑块12移动。当主动滑块4和被动滑块12到达一定的距离后，单片机会自动把滑块所走过的位移存储到单片机中，当主动滑块4和被动滑块12停止运动后，把待测球面元件再轻放到支撑杆11上，使三个支撑杆11的端部小球均与待测球面元件接触，此时，单片机会自动控制长度测微器9，使长度测微器9测量第二个矢高，把第二个矢高测量值存储到单片机中，把待测球面元件从支撑杆11上取下，然后在显示器的页面中单击“下一步”按钮。

然后单片机会根据下列公式自动处理存储的数据：

$R=\frac{h_2+h_1}{2}+\frac{(h_2+h_1)r_{12}^2}{2{(h_2-h_1)}^2}+\frac{r_{12}\sqrt{h_1{h}_2[{(h_2-h_1)}^2+r_{12}^2]}}{{(h_2-h_1)}^2}\±t$

式中：R为待测球面元件的表面曲率半径，

      h₁为第一次测量的矢高，

      h₂为第二次测量的矢高，

      t为支撑杆端部小球半径，

      r₁₂为两次测量时测环半径的相对位移量。

对于一个凹形的待测球面元件，我们使用支撑杆端部小球的正值(+t)；对于一个凸形的待测球面元件，我们使用支撑杆端部小球的负值(-t)。

自动计算出待测球面的表面曲率半径和此时的测量精度，并把测量结果输出到显示器上，通过显示器显示出来，最后在显示器的页面中单击“完成”按钮。

然后单片机控制步进电机1反转，使滑块4、12回到原始位置，这时测量仪器处于原始状态，测量过程全部结束。

在本发明仪器的测量过程中，不需要确切知道三个支撑杆11与其长度测微器9中心的绝对距离，只需要知道三个支撑杆11的相对位移和两个矢高测量值即可计算出待测球面元件的表面曲率半径。另外，由于本测量过程为自动测量过程，不涉及如环形球径仪那样的测环的装卸和更换，所以大大减小了随机误差和人为误差所带来的影响，提高了仪器的测量精度和可靠度。

经试用表明，本发明仪器结构紧凑，使用方便，自动测量，测量结果的即时显示，连续测量，测量精度高，无需平晶重复校验，不涉及测环的装卸和更换，减小了随机误差和人为误差所带来的影响。

Claims (3)

1.一种三点联动式可变径球面曲率测量仪器，特征在于其构成包括；工作平台(14)置于底座(13)上，通过胀紧套(8)将长度测微器(9)的测杆夹持部分(9-3)由该工作平台(14)的下方垂直地穿过该工作平台(14)而固定，且该长度测微器(9)的测杆(9-2)及其相连的测量触头(9-1)在工作平台(14)的上方可垂直地上下滑动；在所述的工作平台(14)上，以长度测微器(9)的中轴线与工作平台(14)的交点为中心等角度辐射状均匀分布三个长条形的槽，每个槽内分别固定一根导杆(10)，每根导杆(10)的轴线都经过该中心，其中一根导杆上设有一主动滑块(4)，另两根导杆上各设有一被动滑块(12)；

工作平台(14)下面固定步进电机(1)和滚珠丝杠(6)，该步进电机(1)通过联轴器(2)与滚珠丝杠(6)相连，该滚珠丝杠(6)套设的螺母(5)与主动滑块(4)连结在一起，该主动滑块(4)上垂直地固定一支撑杆(11)，该主动滑块(4)还固连着两根滑杆(7)，该两根滑杆(7)分别与两个被动滑块(12)相连，每一被动滑块(12)上各垂直地固定一支撑杆(11)，步进电机(1)带动滚珠丝杠(6)，从而带动滑块上的三个支撑杆(11)同步联动；

所述的三根支撑杆(11)在所述的工作平台(14)的垂足构成的中心与所述的长度测微器(9)的测杆的中轴线与工作平台(14)的交点重合；

所述的单片机有两条数据线：一条数据线连接步进电机(1)，向步进电机(1)输出转动控制信号；另一条数据线连接长度测微器(9)，接收长度测微器(9)的测量数据信号，测量数据经该单片机处理或存入存储器或显示在显示器上。

2.利用权利要求1所述的三点联动式可变径球面曲率测量仪器测量球面曲率半径的方法，其特征在于包括下列步骤：

①准备：接好数据线与电源线，打开电源、单片机、显示器和步进电机，然后在显示器中打开测量球面曲率半径的测量软件，向其输入待测球面元件的物体直径大小和测量精度的要求，然后在显示器的页面中单击“开始”按钮；

②单片机自动驱动步进电机(1)转动，使主动滑块(4)和被动滑块(12)移动到初始位置，单片机自动把主动滑块(4)和被动滑块(12)的初始位置置为零，然后把标准平晶轻放在所述的支撑杆(11)上，并将长度测微器(9)的读数置为零，置零后取下标准平晶，然后在显示器的页面中单击“下一步”按钮；

③第一个矢高测量：把待测球面元件轻放在支撑杆(11)上，使三个支撑杆(11)的端部小球均与待测球面元件接触，这时单片机自动控制长度测微器(9)测量第一个矢高，把第一个矢高的测量值h₁自动存储到单片机中，把待测球面元件从支撑杆(11)上取下，然后在显示器的页面中单击“下一步”按钮；

④第二个矢高测量：单片机再自动驱动步进电机(1)转动，带动主动滑块(4)和被动滑块(12)移动，当主动滑块(4)和被动滑块(12)移动一定距离r₁₂后，单片机会自动把主动滑块(4)和被动滑块(12)所走过的位移存储到单片机中，当主动滑块(4)和被动滑块(12)停止运动后，再将待测球面元件轻放到支撑杆(11)上，使三个支撑杆(11)的端部小球均与待测球面元件接触，此时，单片机会自动控制长度测微器(9)测量第二个矢高，把第二个矢高测量值h₂存储到单片机中，把待测球面元件从支撑杆(11)上取下，然后在显示器的页面中单击“下一步”按钮；

⑤单片机根据下列公式自动处理存储的数据：

$R=\frac{h_2+h_1}{2}+\frac{(h_2+h_1)r_{12}^2}{2{(h_2-h_1)}^2}+\frac{r_{12}\sqrt{h_1{h}_2[{(h_2-h_1)}^2+r_{12}^2]}}{{(h_2-h_1)}^2}\±t$

式中：R为待测球面元件的表面曲率半径，

      h₁为第一次测量的矢高，

      h₂为第二次测量的矢高，

      t为支撑杆(11)端部小球半径，

r₁₂为两次测量时测环半径的相对位移量，

对于一个凹形的待测球面元件，我们使用支撑杆端部小球半径t的正值；对于一个凸形的待测球面元件，我们使用支撑杆端部小球半径t的负值；

⑥将待测球面元件的表面曲率半径R和此时的测量精度自动显示在显示器上；

⑦最后在显示器的页面中单击“完成”按钮，单片机控制步进电机(1)反转，使主动滑块(4)和被动滑块(12)回到原始位置，这时测量仪器处于原始状态，测量过程全部结束。

3、根据权利要求2所述的测量球面曲率半径的方法，其特征在于进行重复测量和多样品测量时，则只需重复步骤③至步骤⑥。

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