CN101377415A - 偏角的精密测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏角的精密测量方法，主要原理是采用高精度激光测量仪(或CCD测量仪器)，结合高精度转动平台，测量出被测物体的相应点的高度值，通过建立的特定数学模型换算得到角度值。测量仪器无需接触被测物体的表面，消除了人为取点因素的影响，通过数学模型快速准确地计算和拟合出曲线方程并计算待测物体待测面的偏角。

Description

偏角的精密测量方法

【技术领域】

本发明涉及测量方法，尤其是涉及一种测量偏转角度的方法。

【背景技术】

随着科技的发展，对加工精度的要求越来越高，对很多零部件某些部位的平行度加工要求也非常高。如随着硬盘技术的飞速发展，硬盘转速要求越来越高，伴随而来的是对硬盘驱动架的精度要求也越来越高，其中对驱动架装磁头部位的偏角(即平行度)要求尤其严格，因此需要对偏角进行精密测量。通常情况下是采用推表或用CMM机(Coordinate MeasuringMachining，三坐标测量机)测量，由于硬盘驱动架是长而薄的悬臂结构，这种接触式测量由于存在接触力，会大大降低测量精度，且是逐点测量，速度很慢。逐点测量时取点的位置也会因为操作人员不同而有差异，导致测量结果不精确。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种精确测量偏角的方法，本发明还可以提供一种快速测量偏角的方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种偏角的精密测量方法，其特征在于包含以下步骤：

发射激光；

测量激光与待测物的待测面呈不同角度时待测面的投影高度；

根据测得的数据得出待测面的偏角。

其中：测量激光与待测物的待测面呈不同角度时待测面的投影高度包含以下步骤：

测量待测面在某一横截面上的第一端点相对于基准面的投影高度；

发射的所述激光与待测面绕一固定的旋转中心相对旋转不同的角度；

测出不同角度时待测面第一端点相对于所述基准面的投影高度；

重复上述步骤，测出不同角度时待测面在同一横截面上的第二端点相对于所述基准面的投影高度。

其中：根据测得的数据得出待测面的偏角包含以下步骤：

将上述投影高度值和旋转角度值输入计算模块，计算得出所述角度与待测面第一端点相对于所述基准面的投影高度的关系曲线1或第二端点相对于所述基准面的投影高度的关系曲线2；

根据所述关系曲线1与关系曲线2计算出待测面相对于所述基准面的偏角X1。

其中：测量待测面第一端点或第二端点相对于基准面的投影高度时，发射的所述激光与待测面相对旋转至少二次，所述关系曲线1或关系曲线2是根据下列方程式求出：

Y＝rsin(a+X)+c

Y：第一端点或第二端点相对于所述基准面的投影高度；

X：以所述旋转中心为圆心，发射的激光与待测面相对旋转的角度；

c：所述旋转中心与所述基准面的高度差；

r：第一端点或第二端点与所述旋转中心之间的半径；

a：在初始状态下，连接第一端点或第二端点与旋转中心，该连线与所述基准面的夹角。

其中：测量待测面第一端点或第二端点相对于基准面的投影高度时，发射的所述激光与待测面相对旋转至少五次，所述关系曲线1和关系曲线2根据最小二乘法拟合得出。

其中：发射的所述激光与待测面绕一固定的旋转中心相对旋转不同的角度时所述待测物体固定，发射的所述激光转动。

其中：发射所述激光的激光发射仪转动或所述激光发射仪固定而发射出的激光转动。

其中：发射的所述激光与待测面绕一固定的旋转中心相对旋转不同的角度时所述激光方向固定，所述待测物体转动。

其中：还包含以下步骤：

测量放置所述待测物体的安置台相对于所述基准面的偏角X0；

测量出所述偏角X1后，根据偏角X1和偏角X0的差得出所述待测面相对于基准面的偏角。

其中：所述安置台相对于所述基准面的偏角X0是通过重复权利要求1的步骤对标准件进行测量获得。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明采用非接触方式进行测量，可以排除取点的人为因素的影响，提高精度；

2.本发明采用激光测量，可以在短时间内获得多角度下不同的投影高度值并通过计算模块进行计算，快速测量偏角；

3.本发明采用标准件进行调校，消除机器自身的影响，进一步提高精度。

【附图说明】

图1 为本发明待测物体结构示意图

图2 为本发明激光测量仪与待测物体的位置示意图

图3 为本发明激光测量仪与待测物体相对旋转示意图

图4 为本发明曲线方程推导示意图

图5 为本发明偏角与投影高度的曲线关系示意图

其中：

1-待测物体    12-中悬臂     22-激光接收头

11-上悬臂     13-下悬臂     3-基准面

111-第二端点  2-激光测量仪  4-旋转中心

112-第一端点   21-激光发射头

下面结合附图对本发明进行进一步的说明。

【具体实施方式】

本发明的主要原理是采用高精度激光测量仪(或CCD测量仪器，CCD为电荷耦合器件)，结合高精度转动平台，测量出被测物体的相应点的高度值，通过建立的特定数学模型换算得到角度值。

如图1所示，待测物体1以硬盘驱动架为例，其有上悬臂11、中悬臂12和下悬臂13。这三个悬臂架上用于安装读写硬盘的磁头，硬盘的磁碟在相邻悬臂架之间的空间内旋转。目前磁盘的转速已经由以前的7000多转/分钟上升到了12000-15000转/分钟，对悬臂架的平行度提出了更高的要求，悬臂架不能有大的偏角，否则容易对高速旋转下的磁盘产生损伤。因此在出厂前需要对悬臂架的偏角(或平行度)进行精密检测。

本发明的测量原理如下：

如图2所示，激光测量仪2包含激光发射头21和激光接收头22，待测物体1硬盘驱动架放置在激光发射头21和激光接收头22之间。三个悬臂架表面平整，初始状态下，三个悬臂架与基准面3是基本平行的，激光束在垂直于基准面3及三个悬臂架发射。在激光束照射后，悬臂架会在激光接收头22留下与悬臂架厚度相应的阴影。以上悬臂11的上表面某一横截面为例，如果其与基准面3不平行，存在偏角，那么第二端点111和第一端点112的就不会在同一个高度。当激光束从左右不同的方向发出时，第二端点111和第一端点112的投影高度会不同。当激光束激光测量仪2与待测物体1相对转动一定角度，同一端点的投影高度会发生相应变化。

如图3所示，假设激光测量仪2与待测物体1相对旋转中心4逆时针转动，上悬臂架11上表面在某一横截面的第一端点112，其在激光接收头22上相对于基准面3的投影高度为Y，旋转中心4与基准面3的高度差为c，第一端点112与旋转中心4之间的半径为r。在初始状态，待测物体1与激光测量仪2未发生相对转动时，连接第一端点112与旋转中心4，该连线与基准面3的夹角为a。

在激光测量仪2相对于待测物体1的转动角度X的情况下，对于第一端点112，其相对于基准面3的高度可用下面的算式表达：

Y＝rsin(a+X)+c                  (1)

上式中，Y、X为已知数，r、a、c均为未知数，因此需要测量三次，获得三组方程以求解出方程式中的常量，从而得出第一端点112相对于基准面3的高度的表达式。从表达式(1)可知，该方程式为一正弦曲线(如图5所示)。

假设激光测量仪2与待测物体1相对旋转中心4顺时针转动，或逆时针方向转动较大角度，上悬臂架11上表面在同一横截面的第二端点111在激光接收头22上相对于基准面3的投影高度为Y，旋转中心4与基准面3的高度差为c，第二端点111与旋转中心4之间的半径为r。在初始状态，待测物体1与激光测量仪2未发生相对转动时，连接第一端点112与旋转中心4，该连线与基准面3的夹角为b。第二端点111的表达式为：

Y＝rsin(b+X)+c                   (2)

由于前面已经计算出c，那么通过两次的测量，就可以通过解方程得出曲线2。

如图5所示，曲线1和曲线2会产生一个交点，该点对应的旋转角度为X1，对应的投影高度为Y1，表明激光测量仪2与待测物体1相对旋转中心4角度为X1时，上表面第一端点112与第二端点111相对于基准面3在同一高度，即此时待测面(上表面)与基准面3是平行的，此角度X1即为该待测物体1相对于基准面3的转角，即偏角。

同理可以获得中悬臂12或下悬臂13各表面的曲线和偏角。

上述基准面3是一个理想的不存在的水平面，在实际测量中放置待测物体1机器的安置台相对于基准面3会有一个偏角。因此先做一个标准件进行调校，消除机器自身偏角的影响。按照上述方法，可以得出标准件与理想基准面3的偏角，设为X0。如图3，X1与X0之间的差即为消除机器自身偏角影响后，待测物体1与基准面3之间的偏角。

采用解方程的方法，由于所取数据较少，得到的曲线方程误差较大。为了得到更高精度，可取很多组X，Y值，通过最小二乘法来拟合函数Y＝rsin(a+X)+c和Y＝rsin(b+X)+c。理论上可取无限组数据来拟合，数据越多，曲线方程越精确。综合考虑成本效率，取5组数据比较合适。

激光测量仪2与待测物体1的相对旋转可以采用：待测物体1固定，激光发射仪2转动；或激光发射仪2固定，待测物体1转动的方法；还可以采用激光发射仪2和待测物体1均固定，但是发射出的激光角度发生变化等方法。从实践来说，待测物体1固定激光发射仪2转动的方法比较容易实现。

本发明的具体实施步骤如下：

1.将标准件Master放置在激光测量仪1的激光发射头11和激光接收头12中间；

2.激光发射头11启动，发出激光束；

3.记录激光接收头12输出的标准件Master下表面第一端点的高度数据，此时相对旋转角度为0；

4.以一固定点为圆心，激光测量仪1或待测物体2旋转一确定角度；

5.记录激光接收头12输出的标准件Master第一端点的高度数据和旋转角度值；

6.多次重复步骤4-5，获得多组测量数据；

7.计算模块通过解曲线方程(1)或通过最小二乘法拟合出正弦曲线，得出标准件与理想基准面3的原始偏角X0；

8.用待测物体1取代标准件；

9.重复步骤2-7；

10.计算模块通过解曲线方程(2)或最小二乘法拟合出正弦曲线，得出待测物体1与理想基准面3的偏角X1；

11.计算模块根据偏角X1与偏角X0的差得出待测物体1相对于标准件的偏角。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种偏角的精密测量方法，其特征在于包含以下步骤:

发射激光；

测量激光与待测物的待测面呈不同角度时待测面的投影高度；

根据测得的数据得出待测面的偏角。

2.如权利要求1所述偏角的精密测量方法，其特征在于:测量激光与待测物的待测面呈不同角度时待测面的投影高度包含以下步骤:

测量待测面在某一横截面上的第一端点相对于基准面的投影高度；

发射的所述激光与待测面绕一固定的旋转中心相对旋转不同的角度；

测出不同角度时该第一端点相对于所述基准面的投影高度；

重复上述步骤，测出不同角度时待测面在同一横截面上的第二端点相对于所述基准面的投影高度。

3.如权利要求1所述偏角的精密测量方法，其特征在于:根据测得的数据得出待测面的偏角包含以下步骤:

将上述投影高度值和旋转角度值输入计算模块，计算得出所述角度与待测面第一端点相对于所述基准面的投影高度的关系曲线1或第二端点相对于所述基准面的投影高度的关系曲线2；

根据所述关系曲线1与关系曲线2计算出待测面相对于所述基准面的偏角X1。

4.如权利要求3所述的偏角的精密测量方法，其特征在于:测量待测面第一端点或第二端点相对于基准面的投影高度时，发射的所述激光与待测面相对旋转至少二次，所述关系曲线1或关系曲线2是根据下列方程式求出:

Y＝rsin(a+X)+c

Y:第一端点或第二端点相对于所述基准面的投影高度；

X:以所述旋转中心为圆心，发射的激光与待测面相对旋转的角度；

c:所述旋转中心与所述基准面的高度差；

r:第一端点或第二端点与所述旋转中心之间的半径；

a:在初始状态下，连接第一端点或第二端点与旋转中心，该连线与所述基准面的夹角。

5.如权利要求3所述的偏角的精密测量方法，其特征在于:测量待测面第一端点或第二端点相对于基准面的投影高度时，发射的所述激光与待测面相对旋转至少五次，所述关系曲线1和关系曲线2根据最小二乘法拟合得出。

6.如权利要求2所述的偏角的精密测量方法，其特征在于:发射的所述激光与待测面绕一固定的旋转中心相对旋转不同的角度时所述待测物体固定，发射的所述激光转动。

7.如权利要求6所述的偏角的精密测量方法，其特征在于:发射所述激光的激光发射仪转动或所述激光发射仪固定而发射出的激光转动。

8.如权利要求2所述的偏角的精密测量方法，其特征在于:发射的所述激光与待测面绕一固定的旋转中心相对旋转不同的角度时所述激光方向固定，所述待测物体转动。

9.如权利要求3所述的偏角的精密测量方法，其特征在于还包含以下步骤:

测量放置所述待测物体的安置台相对于所述基准面的偏角X0；

测量出所述偏角X1后，根据偏角X1和偏角X0的差得出所述待测面相对于基准面的偏角。

10.如权利要求9所述的偏角的精密测量方法，其特征在于:所述安置台相对于所述基准面的偏角X0是通过重复权利要求1的步骤对标准件进行测量获得。

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