CN100595513C - 圆柱体直径与形位误差综合测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种圆柱体直径与形位误差综合测量仪，由X、Z移动轴及超精密转台轴构成，能满足圆柱体全局尺寸、计算尺寸、形状误差、位置误差、锥度、非球面特征参数和非球面面轮廓度等测量要求。采用天然花岗岩作为测量仪底座、横梁、立柱、Z轴材料，由横梁、立柱组成龙门式支承结构，X、Z轴均安装光栅尺等组成闭环的超精密光栅位移测量系统，该发明不仅满足圆度圆柱度的高精度测量，而且利用高精度圆柱度仪的柱坐标测量精度方面的优势，可进行一些相关尺寸和形位的超精密零件的测量，不仅解决了一些超精密零件的相关形位和尺寸的超精密精度测量问题，还为精密超精密加工工艺现场增加一种关键的测量手段。

Description

圆柱体直径与形位误差综合测量仪

技术领域

本发明属于精密测试与计量技术领域，尤其涉及一种圆柱体直径与形位误差综合测量仪。

背景技术

几何产品技术规范(Dimensional and Geometrical Product Specification，简称GPS)是机械制造业的重要基础标准，对于圆柱体零件，其尺寸、形位误差和表面粗糙度等对产品的性能(包括使用性能和寿命)有着重要的影响。因此，自从70年代末以来，在国际标准化组织相关技术委员会发布的国际标准基础上，制定了一系列国际标准，即第一代GPS标准。第一代GPS标准存在的主要问题是图纸技术的规范不完整，设计、制造和检验标准的基础理论不统一，设计、制造以及计量工程师之间没有共同的技术语言，无法有效地沟通，其主要原因是国际标准化组织的ISO/TC3(极限与配合，尺寸公差及相关检测)、TC10/SC5(几何公差及相关检测)和TC57(表面纹理及相关检测)等独立的技术委员会在制定相关GPS标准中缺乏有效的协调与合作。第一代GPS标准都是建立在几何学意义上的，其后果已导致产品的平均成本增加占生产费用的20％。随着生产技术和工艺水平的不断提高第一代GPS标准已不适应于产品质量和生产效率进一步提高和生产成本进一步降低的现代化生产的需要，因此，国际标准化组织于1996年将ISO/TC3、ISO/TC57和ISO/TC10/SC5三个技术委员会进行合并，成立了ISO/TC213技术委员会，由该委员会全面负责新一代GPS国际标准体系工作。

新一代GPS标准是以数学为基础语言结构，以计量数学为根基，给出产品功能、技术规范、制造与计量之间的量值传递的数学方法，对设计人员提出了更高的要求，要求设计人员在设计过程中不仅能够根据零件的功能要求对产品零件的尺寸、形位和表面粗糙度等给出合理的参数，而且了解相应的测量与评定方法。

根据新一代GPS标准所规定的各种轮廓的定义，对现有测量仪器提出了挑战，尽管用轮廓测量仪可以测量尺寸和形位误差，由于其不是轮廓误差测量的专用设备，其测量精度相对较低不能满足各相关领域的需求。

根据ISO/DIS14405中对圆柱体尺寸的定义及其测量要求，目前只有三坐标测量机可以实现对圆柱体直径尺寸的测量，但三坐标测量机的测点较少，易漏采特征点，造成测量失真，并且测量效率低，不能作为测量圆柱体直径的通用测量仪器。虽然现在市场上已有比较成熟的圆度仪和圆柱度仪，并且采用了准柱坐标式的测量方法，但只是用来测量圆柱体工件的形位误差，不能满足ISO/DIS14405的要求。新一代GPS标准的实施，是国际上制造水平提升的重要举措，也是我国各相关领域制造能力提升的重要环节。为保证新一代GPS标准在我国的顺利实施，保证国家相关制造领域的轮廓测量问题水利解决，研制适用的圆柱体直径与形位误差综合测量仪是必要的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足而提供一种高精度圆柱体直径与形位误差综合测量仪，实现对圆柱体直径全局尺寸即包括最小二乘直径、最小外接直径和最大内接直径和计算尺寸即包括周长直径、面积直径和体积直径、形状误差即包括圆度、圆柱度、素线直线度、轴线直线度和平面度)、位置误差即包括同轴度、面对轴线的垂直度、轴线对面的垂直度、端面全跳动和径向全跳动、锥度、非球面特征参数和非球面面轮廓度等测量项目的检测。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明包括底座、安装在底座上的立柱、安装在立柱上的横梁，在横梁上粘贴有光栅尺，在横梁的上下前后四个侧面上安装有气浮块，气浮块通过螺纹与支撑板相连接，在支撑板上固定安装有与底座垂直的Z轴支撑块，在Z轴支撑块上部安装有伺服电机，伺服电机通过同步带与同步带轮相连接，同步带轮与主动摩擦轮同轴连接，主动摩擦轮和从动摩擦轮夹持着摩擦杆，摩擦杆与Z轴刚性连接，Z轴通过汽缸杆与支架相连接，支架固定在Z轴支撑块上，Z轴支撑块内部安装有四个气浮块，四个气浮块夹持着Z轴，在Z轴的侧面上粘贴有超精密光栅尺，

在横梁的右端安装有伺服电机，伺服电机通过同步带与同步带轮相连接，同步带轮通过同步带与同步带轮相连接，同步带与Z轴支撑块相连接，

在底座内部安装有转台座，转台座与传动轴轴承座通过紧配合相连接，传动轴轴承座内部安装有隔套和第I轴承、第II轴承，第I轴承、第II轴承与传动轴配合连接，传动轴下端部安装有同步带轮，同步带轮通过同步带与伺服电机相连接，伺服电机固定在连接座上，连接座与转台座相连接，连接座左端安装有角度编码器，角度编码器下端部安装有同步带轮，同步带轮通过同步带与同步带轮相连接，同步带轮与传动轴连接，

连接座固定在传动轴上端，连接座通过销与气浮轴相连接，端盖通过螺钉与连接盘相连接，连接盘通过螺钉与连接盘相连接，连接盘通过螺钉固定在转台座上。

底座、立柱、横梁、Z轴采用天然花岗岩材料。Z轴为长方形立柱。立柱和安装在立柱上的横梁组成龙门式支承结构。

本发明不仅满足ISO/DIS14405中对圆柱体直径全局尺寸和计算尺寸、形状误差(圆柱度、圆度、平面度、素线直线度、轴线直线度)、位置误差、锥度、的绝对距离的测量问题，对新一代GPS标准的推广及应用起到巨大的推动作用。

附图说明

图1是本发明的实施例的系统结构侧视图。

图2是本发明的实施例的系统结构主视图

图3是本发明的实施例中A-A、B-B、C-C剖面图。

具体实施方式

本发明是设计一种能满足圆柱体全局尺寸、计算尺寸、形状误差、位置误差、锥度、非球面特征参数和非球面面轮廓度等测量要求的圆柱体直径与形位误差综合测量机(仪)，包括以下环节：

1、圆柱体直径与形位误差综合测量机(仪)的底座、横梁、立柱、Z轴的材料采用天然花岗岩。

2、如图1所示，两个立柱和横梁组成圆柱体直径与形位误差综合测量机(仪)的龙门式测量结构，Z轴通过四个气浮块与横梁相连，并在四个气浮块的支承下可以沿横梁自由移动以实现X方向的运动。Z轴本身也同样通过四个气浮块支承，即气浮导轨，可以保证Z轴运动的平稳性及其素线直线度。

3、Z轴的运动是这样实现的：如图1、2、3所示，伺服电机通过同步带带动主动摩擦轮，摩擦杆被主动摩擦轮和从动摩擦轮所夹持，主动和从动摩擦轮通过刚性摩擦驱动摩擦杆，摩擦杆和Z轴之间为刚性连接，这样摩擦杆和Z轴同步运动。Z轴形状为长方体，在其四个侧壁上配置有四个气浮块，在Z轴运动过程中，气浮块与其侧壁之间存在微薄气膜，可以保证Z轴的运动直线度，提高运动平稳性，大大降低运动中的摩擦力；同时Z轴的运动直轮29，同步带轮29通过同步带30与伺服电机31相连接，伺服电机31固定在连接座32上，连接座32与转台座23相连接，连接座32左端安装有角度编码器33，角度编码器33下端部安装有同步带轮34，同步带轮34通过同步带35与同步带轮36相连接，同步带轮36与传动轴28连接，连接座37固定在传动轴28上端，连接座37通过销38与气浮轴39相连接，端盖40通过螺钉与连接盘41相连接，连接盘41通过螺钉与连接盘42相连接，连接盘42通过螺钉固定在转台座23上。底座1、立柱2、横梁3、Z轴14采用天然花岗岩材料。Z轴14为长方形立柱。立柱2和安装在立柱2上的横梁3组成龙门式支承结构。

本发明的技术思路是采用天然花岗岩作为测量仪底座、横梁、立柱、Z轴材料，使测量仪具有长时间的精度稳定性，实现高精度的测量；测量X轴、Z轴的测量系统均采用超精密光栅位移测量系统；所有运动轴都采用气体静压支承方式，保证导轨的高精度。

1、测量仪测头为高精度电感传感器接触测头。

2、X向、Z向光栅传感器分辨率为0.1μm，为安装方便，光栅尺采用粘贴方式安装。

3、测量仪配置转台模块，采用气静压轴承，以保证所要求的旋转精度，在旋转驱动系统中，安装角度编码器，以保证等角度采样。

4、采用龙门式支撑结构以保证X轴的精度及稳定性。X、Z导轨及测量机主轴均采用超精密气体静压系统，以保证X向和Z向测头移动的直线精度。

5、电感传感器的X向和Z向移动由伺服电机驱动，有手动和计算机两种控制方式。

本发明是设计一种能满足圆柱体全局尺寸、计算尺寸、形状误差、位置误差、锥度、非球面特征参数和非球面面轮廓度等测量要求的圆柱体直径与形位误差综合测量机(仪)，包括以下环节：

1、圆柱体直径与形位误差综合测量机(仪)的底座、横梁、立柱、Z轴的材料采用天然花岗岩。

2、如图1所示，两个立柱和横梁组成圆柱体直径与形位误差综合测量机(仪)的龙门式测量结构，Z轴通过四个气浮块与横梁相连，并在四个气浮块的支承下可以沿横梁自由移动以实现X方向的运动。Z轴本身也同样通过四个气浮块支承，即气浮导轨，可以保证Z轴运动的平稳性及其素线直线度。

3、Z轴的运动是这样实现的：如图1、2、3所示，伺服电机通过同步带带动主动摩擦轮，摩擦杆被主动摩擦轮和从动摩擦轮所夹持，主动和从动摩擦轮通过刚性摩擦驱动摩擦杆，摩擦杆和Z轴之间为刚性连接，这样摩擦杆和Z轴同步运动。Z轴形状为长方体，在其四个侧壁上配置有四个气浮块，在Z轴运动过程中，气浮块与其侧壁之间存在微薄气膜，可以保证Z轴的运动直线度，提高运动平稳性，大大降低运动中的摩擦力；同时Z轴的运动直线度调整也可以通过调节气浮块与侧壁的间隙来实现。为进一步保证Z向运动的直线度及其平稳性，还配置了Z向气缸导向机构。

4、在横梁和Z轴上均粘贴有分辨率达到0.1μm的光栅尺，组成超精密光栅线位移测量系统作闭环测量反馈系统，以检测X轴及Z轴的运动位移，实现X、Z两个直线运动轴高直线度、最小微进给的要求。其中Z轴的定量行进控制方式为：在Z轴移动之前，通过光栅尺读取Z轴的当前位移；在Z轴移动时，光栅读取Z轴的位移增量，当位移增量等于设定的行程时，计算机会使伺服电机停转，完成Z轴的定量行进。

5、主轴结构为高精密气浮结构，既可以保证高精度，又可以提高其承载能力。

Claims (4)

1、一种圆柱体直径与形位误差综合测量仪，包括底座(1)、安装在底座(1)上的立柱(2)、安装在立柱(2)上的横梁(3)，其特征在于：

在横梁(3)上粘贴有光栅尺(4)，在横梁(3)的上下前后四个侧面上安装有第一气浮块(5)，第一气浮块(5)通过螺纹与支撑板(6)相连接，在支撑板(6)上固定安装有与底座(1)垂直的Z轴支撑块(7)，在Z轴支撑块(7)上部安装有第一伺服电机(8)，第一伺服电机(8)通过第一同步带(9)与第一同步带轮(10)相连接，第一同步带轮(10)与主动摩擦轮(11)同轴连接，主动摩擦轮(11)和从动摩擦轮(12)夹持着摩擦杆(13)，摩擦杆(13)与Z轴(14)刚性连接，Z轴(14)通过汽缸杆(15)与支架(16)相连接，支架(16)固定在Z轴支撑块(7)上，Z轴支撑块(7)内部安装有四个第二气浮块(17)，四个第二气浮块(17)夹持着Z轴(14)，在Z轴(14)的侧面上粘贴有超精密光栅尺(43)，

在横梁(3)的右端安装有第二伺服电机(18)，第二伺服电机(18)通过第二同步带(19)与第二同步带轮(20)相连接，第二同步带轮(20)通过第三同步带(21)与第三同步带轮(22)相连接，第三同步带(21)与Z轴支撑块(7)相连接，

在底座(1)内部安装有转台座(23)，转台座(23)与传动轴轴承座(24)通过紧配合相连接，传动轴轴承座(24)内部安装有隔套(25)和第I轴承(26)、第II轴承(27)，第I轴承(26)、第II轴承(27)与传动轴(28)配合连接，传动轴(28)下端部安装有第四同步带轮(29)，第四同步带轮(29)通过第四同步带(30)与第三伺服电机(31)相连接，第三伺服电机(31)固定在第一连接座(32)上，第一连接座(32)与转台座(23)相连接，第一连接座(32)左端安装有角度编码器(33)，角度编码器(33)下端部安装有第五同步带轮(34)，第五同步带轮(34)通过第五同步带(35)与第六同步带轮(36)相连接，第六同步带轮(36)与传动轴(28)连接，

第二连接座(37)固定在传动轴(28)上端，第二连接座(37)通过销(38)与气浮轴(39)相连接，端盖(40)通过螺钉与第一连接盘(41)相连接，第一连接盘(41)通过螺钉与第二连接盘(42)相连接，第二连接盘(42)通过螺钉固定在转台座(23)上。

2、根据权利要求1所述的圆柱体直径与形位误差综合测量仪，其特征在于：底座(1)、立柱(2)、横梁(3)和Z轴(14)采用天然花岗岩材料。

3、根据权利要求1所述的圆柱体直径与形位误差综合测量仪，其特征在于：Z轴(14)为长方形立柱。

4、根据权利要求1所述的圆柱体直径与形位误差综合测量仪，其特征在于：立柱(2)和安装在立柱(2)上的横梁(3)组成龙门式支承结构。

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