CN101701786B

CN101701786B - 低热膨胀石英量棒、其标定方法及其应用

Info

Publication number: CN101701786B
Application number: CN2009101850055A
Authority: CN
Inventors: 费业泰; 王晨晨; 程文涛; 杨睿嫦; 尚平
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2029-10-28
Also published as: CN101701786A

Abstract

低热膨胀石英量棒、其标定方法及其应用，其特征是石英量棒的结构形式为设置低热膨胀系数的石英棒为主体，两端套装金属套筒，两端金属套筒的端面上各有一锥窝，两个端面上的锥窝其锥角和深度相同，两端锥窝中心线重合。本发明受温度影响很小、使用时所需采点数目少，能有效降低测量温度误差、加工精度和数据拟合误差对量块的工作长度的影响，尤其适用于关节式坐标测量机参数标定。

Description

低热膨胀石英量棒、其标定方法及其应用

技术领域

本发明属于关节式坐标测量机技术领域，具体地说是用于关节式坐标测量机标定用的低热膨胀量块。

背景技术

关节式坐标测量机通常由各测量臂串联各旋转关节和线位移关节形成开链结构，开链结构的末端为测量机的测头，如全关节坐标测量机和平行关节臂坐标测量机等。有的关节可以绕其自身轴线转动，有的关节可以沿其自身轴线平移。为记录关节转动量或线位移量，各相对运动的关节都装有角度传感器或位移传感器，在使用测量机进行坐标测量时，测量机测头坐标是以测量机结构参数与其各关节角度、位移等为变量的函数。未标定的关节式坐标测量机测头位置误差往往很大，不能满足使用要求，为保证测量机整体精度，需要对测量机各项参数进行标定进而补偿各项主要误差。标定过程是用被标定测量机与高精度测量仪器或标准件比对的过程，从而可以获得测量机更精确的几何参数。

一种标定方法是用待标定关节式测量机测量较高精度的量块，用量块工作长度为标准量来与测量机的测量结果进行比对。同时改变量块在测量空间的位置、姿态，以获得关节式测量机在不同姿态时的测量误差，通过对这些数据的计算来获得测量机各项几何参数。

量块是由两个相互平行的测量面之间的距离来确定其工作长度的高精度量具，其工作长度为计量器具的长度标准。通过对计量仪器、量具和量规等示值误差的检定等方式，使机械加工中各种制成品的尺寸能够溯源到长度基准。量块一般用铬锰钢等特殊合金钢或线膨胀系数小、性质稳定、耐磨以及不易变形的其它材料制成，市场上的量块大多用合金钢或是陶瓷材料。使用量块对关节式坐标测量机进行参数标定的方法是可行的，但目前使用的量块有很多缺陷：

1、热变形误差较大

一般使用的量块多为钢合金量块，钢量块的温度线膨胀系数按照国家标准的数值即a_s＝(11.5±1)×10^-6/℃。按膨胀计算公式，ΔL＝[a_s×(t_s-20)]×l，t_s为量块在测量时的测量温度(℃)，l为被测量块的标称长度(m)。根据公式，标称长度500mm，膨胀系数12×10^-6/℃的量块，在温度变化1℃的情况下，ΔL＝6um。这样，在非恒温环境下，量块使用环境3～5℃的变化，就会给测量带来20um～30um的系统误差，严重影响量块的使用精度。所以，在使用量块做标准器件来传递比对，长度大的量块受温度影响很大。所以，在使用长量块为柔性关节式坐标测量机做大量程的参数标定时，量块的温度变形就会是测量误差中的一个重要因素，直接影响了标定数据的准确性。

2、工作面加工精度要求高

量块具有两个互相平行的工作面，以工作面之间的距离来确定其工作长度。两个工作面的平面度和平行度精度会直接影响到量块的精度，高等级量块对加工的要求很高，从而导致高精度量块价格也比较高。

3、量块使用时，会带来拟合误差

在使用量块标定测量系统(三坐标测量机、关节式坐标测量机等)时，一般的使用方法是先以量块的其中一个工作面做参考面，在上面取至少三个点形成平面，然后再在量块的另一工作面取一点，以此点到拟合面的距离为量块的工作长度，这种测量方法，需要测至少4个点。如在参考面上采点超过三点，则采用最小二乘拟合等方法拟合出被测量面，再来计算出测量长度。量块两工作面的平行度和平面度，采样点采点的数量和位置，还有用于拟合平面的数学方式，都会对得出的量块工作长度有较大影响。

发明内容

本发明是为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种受温度影响很小、使用时所需采点数目少，能有效降低测量温度误差、加工精度和数据拟合误差对量块的工作长度的影响的低热膨胀石英量棒及其标定方法，以适用于关节式坐标测量机参数标定。

本发明解决技术问题采用如下的技术方案：

本发明低热膨胀石英量棒的结构特点是所述石英量棒的结构形式为：设置低热膨胀系数的石英棒为主体，两端套装金属套筒，所述两端金属套筒的端面上各有一锥窝，所述两个端面上的锥窝其锥角和深度相同，两端锥窝中心线重合。

本发明低热膨胀石英量棒的结构特点也在于设置所述锥窝的锥角θ为90°～120°。

本发明低热膨胀石英量棒的标定方法的特点是采用半径为R的两只标准球，将所述标准球分别置于两个端面上的锥窝中，使球面与锥窝面相切，用测长仪标定两标准球之间的球心距，所标定的球心距即为所述石英量棒在测球半径为R下的工作长度；

本发明低热膨胀石英量棒的使用方法的特点是以石英棒为量块主体，以两端锥窝为工作面，工作长度为卡在两个端面上的锥窝中的标定用球的球心距。

与现有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明所采用的石英量棒受温度变化影响较小

石英具有耐高温性强及热膨胀系数低的特点，其密度(Density)为2.2×10³kg/m³，热膨胀系数(Coefficient of expansion)在25～300℃时，膨胀系数为0.56×10^-6/℃，本发明使用石英棒做量块，会使得量块受温度影响而带来得测量误差很小。例如长度为500mm，膨胀系数为0.6×10^-6/℃的石英棒，在温度变化1℃的情况下，形变ΔL＝0.3um。石英材料的低膨胀系数使石英量棒的工作长度受温度影响很小，具有比钢合金量块热稳定性好的特性。

2、本发明中石英量棒加工要求较低

本发明量棒中的石英棒不需要加工，其两端的金属套筒在加工时只要求锥窝的圆锥面圆锥度较好即可，对圆锥面的锥角误差和粘合两锥窝的两中心线夹角误差都要求不高，用较高精度仪器对整个石英量棒标定后便可使用。

3、本发明使用时所需采点数少，无拟合误差

在使用传统量块标定测量机时，需要采至少4点，工作面的平面度误差还会带来数据的拟合误差。而使用这种端部带有锥窝的石英量棒时，只需采两点，无需数据拟合过程。

附图说明

图1为本发明石英量棒剖面图。

图2为本发明石英量棒装夹在三自由度夹具架上以便标定关节式坐标测量机的示意图。

图3为无结构误差的石英量棒标定补偿示意图。

图4为存在结构误差的石英量棒标定补偿示意图。

图中标号：1为待标定测量机测头，2为锥窝，3为金属套筒，4为低热膨胀胶层，5为石英棒，6为石英棒夹具架。

以下是通过具体实施方式，结合附图对本发明做进一步说明。

具体实施方式

参见图1、图2，设置低热膨胀系数的石英棒5为主体，两端套装金属套筒3，两端金属套筒的端面各有一锥窝2，两端面上的锥窝2其锥角和深度相同，两端锥窝中心线重合。具体实施中，锥窝的锥角θ设置为90°～120°。

锥窝2是用于定位关节式坐标测量机的待标定测量机测头1，表面需仔细研磨加工，使其圆锥度较好。

金属套筒3和石英棒5之间采用胶结合方式，选用热膨胀系数低、热稳定性好的粘胶形成低热膨胀胶层4，实现粘合固定。在粘合金属套筒3时，以其中一个套筒端面为基准，尽可能地调整使两锥窝中心线重合。

本实施例中，低热膨胀石英量棒的标定方法是采用半径为R的两标准球，将标准球分别置于两端锥窝中，使球面与锥窝面相切。使用较高精度的测长仪对两球球心距进行检定，多次测量求均值后，记录下两标定钢球的球心距，所标定的球心距即为石英量棒在测球半径为R的之下的工作长度。

在标定石英量棒时，如果标定用钢球与实际测头直径有一定差值，按公式(1)补偿石英棒标定差值后便可得到实际测头中心距。

本实施例中低热膨胀石英量棒的使用方法是以石英棒5为量块主体，以两端锥窝2为工作面，工作长度为卡在两端锥窝2中的标定用球的球心距。这一使用方法以石英棒为量块主体，用精磨锥窝为工作面代替传统的平面，量棒的工作长度为卡在两锥窝的标定用球的球心距。在使用石英量棒标定时，先将量棒夹持固定在夹具台上，然后只需将测头卡在量棒两端的锥窝中采得两点，根据量棒标定值获得这两点的空间距离。由于是使用锥窝而不是平面来定位测量机测头，本发明石英量棒更适于用作关节式坐标测量机的标定。

使用时，石英量块棒被夹持在夹具架6上，标定过程如下：

为了标定量块的工作参数，可用精度较高的比长仪或光栅测长机来标定量块。由于用直接测量的方法来获得锥窝的参数较困难，只能用间接测量的方法来标定。先用一对与测头半径相同的钢球卡在量块的左右两个锥窝中，用测长机的两个测量平面与被测钢球相切，测得值减去钢球直径即为球心距。但标定时，一般很难获得与待标定测量机测头半径完全相同的钢球，可以使用尺寸相近的标准球代替，这样石英量棒的标定值与使用值就会存在一定偏差，可以将差值补偿后再使用。

下面是对补偿量的详细分析，计算补偿量的大小和分析补偿后的残余误差量的大小。

①图3是在理想情况下，石英量棒两端锥窝的中心线重合，锥角都为θ，测头半径为R₂，两标定用球半径都为R₁。L₁为石英量棒标定值，L₂为实际使用时测头的中心距。

在理想状况时，补偿值公式为：

L_{1} - L_{2} = 2 \frac{(R_{1} - R_{2})}{\sin \frac{θ}{2}} - - - (1)

②图4是在实际情况下石英量棒结构误差示意图。由于量棒两端的锥窝的锥角本身会存在一定的偏差，而且中心线也不在同一方向上，两套筒锥窝的锥角分别有Δθ₁和Δθ₂的偏差，锥窝中心线与锥顶连线也分别有Δα₁和Δα₂的偏差角度，这使得补偿公式有一定变化。

在使用半径为R₁的钢球标定石英棒时，标定值L₁为：

L_{1} = \sqrt{{(L + \frac{R_{1} \cdot \cos Δ a_{1}}{\sin \frac{θ + Δ θ_{1}}{2}} + \frac{R_{1} \cdot \cos {Δa}_{2}}{\sin \frac{θ + Δ θ_{2}}{2}})}^{2} + {(\frac{R_{1} \cdot \sin {Δa}_{1}}{\sin \frac{θ + {Δθ}_{1}}{2}} - \frac{R_{1} \cdot \sin {Δa}_{2}}{\sin \frac{θ + Δ θ_{2}}{2}})}^{2}} - - - (2)

同理可得，在使用半径为R₂的测头时，测头球心距离L₂为：

L_{2} = \sqrt{{(L + \frac{R_{2} \cdot \cos Δ a_{1}}{\sin \frac{θ + Δ θ_{1}}{2}} + \frac{R_{2} \cdot \cos {Δa}_{2}}{\sin \frac{θ + Δ θ_{2}}{2}})}^{2} + {(\frac{R_{2} \cdot \sin {Δa}_{1}}{\sin \frac{θ + {Δθ}_{1}}{2}} - \frac{R_{2} \cdot \sin {Δa}_{2}}{\sin \frac{θ + Δ θ_{2}}{2}})}^{2}} - - - (3)

由上面的式子可以得出，补偿值为L₁-L₂，补偿公式应为：

L_{2} - L_{1} = \sqrt{{(L + \frac{R_{1} \cdot \cos Δ a_{1}}{\sin \frac{θ + Δ θ_{1}}{2}} + \frac{R_{1} \cdot \cos {Δa}_{2}}{\sin \frac{θ + Δ θ_{2}}{2}})}^{2} + {(\frac{R_{1} \cdot \sin {Δa}_{1}}{\sin \frac{θ + {Δθ}_{1}}{2}} - \frac{R_{1} \cdot \sin {Δa}_{2}}{\sin \frac{θ + Δ θ_{2}}{2}})}^{2}} -

(4)

\sqrt{{(L + \frac{R_{2} \cdot \cos Δ a_{1}}{\sin \frac{θ + Δ θ_{1}}{2}} + \frac{R_{2} \cdot \cos {Δa}_{2}}{\sin \frac{θ + Δ θ_{2}}{2}})}^{2} + {(\frac{R_{2} \cdot \sin {Δa}_{1}}{\sin \frac{θ + {Δθ}_{1}}{2}} - \frac{R_{2} \cdot \sin {Δa}_{2}}{\sin \frac{θ + Δ θ_{2}}{2}})}^{2}} &NotEqual; 2 \frac{(R_{1} - R_{2})}{\sin \frac{θ}{2}}

由于石英量棒的安装加工误差量Δθ₁、Δθ₂、Δα₁、Δα₂难以直接测得，而且按公式(4)的补偿也较麻烦。实际补偿时，在安装加工误差不大时，可直接按照公式(1)进行补偿，补偿后仍会存在一定的残余误差，可忽略不计。下面是一组实际算例，反映了残余误差的大小。

令：待标定关节式坐标测量机测头半径为R₂，标定用球半径为R₁，锥窝角度为θ，两锥窝加工误差分别为Δθ₁和Δθ₂，两锥窝安装误差分别为Δα₁和Δα₂。

设定锥窝顶点距离L为500mm，θ为90°，测头半径为R₂为4.997mm。

下表中，公式(4)为当石英量棒存在结构误差时，由于标定用球半径与测头球半径不同而产生的实际应补偿量，即按公式(4)计算；公式(1)为为方便计算，忽略结构误差，按理想状况补偿量，即按公式(1)计算。

表1公式误差

R₁(mm)	R₂(mm)	Δθ₁	Δθ₂	Δα₁	Δα₂	公式(4)(mm)	公式(1)(mm)	残余误差(um)
									5.0	4.997	0°	0°	0°	0°	-8.485	-8.485	0
5.0	4.997	0.25°	0.25°	0.25°	0.25°	-8.467	-8.485	0.018
									5.0	4.997	0.5°	0.5°	0.5°	0.5°	-8.448	-8.485	0.037
5.0	4.997	1°	1°	1°	1°	-8.411	-8.485	0.074
									5.1	4.997	0.25°	0.25°	0.25°	0.25°	-290.692	-291.328	0.636
5.1	4.997	0.5°	0.5°	0.5°	0.5°	-290.054	-291.328	1.274
									5.1	4.997	1°	1°	1°	1°	-288.775	-291.328	2.553

由上表可以看出，当标定用球和实际测头半径不同时，随锥窝偏角不同，会存在一定的公式误差。在标定用球半径与测头半径相差较小时，残余误差很小，可以忽略不计，使用公式(1)或(4)都可；当标定用球半径差和偏角较大时，公式残余误差在微米量级。所以，在实际标定过程中，应尽量使用与测头半径相同或相近的钢球来标定，半径差越小，残余误差越小。而在实际加工和装配时，是比较容易做到控制加工和装配误差在0.1°以内的，在根据公式(1)补偿后，残余误差很小，在0.01um量级，相比其它误差，可以忽略不计；而且温度对整个石英量棒的影响也十分有限，1℃的温度变化对500mm石英量棒造成的长度变化约为0.3um左右，远远小于传统的钢合金量块。所以，这种低加工成本、低温度膨胀的石英量棒，具有较高的使用前景。

由于是使用锥窝而不是平面来定位测头，本发明更适于用作关节式坐标测量机的标定。

Claims

1.一种低热膨胀石英量棒在标定关节式坐标测量机时的使用方法，所述石英量棒的结构形式为：设置低热膨胀系数的石英棒(5)为主体，两端套装金属套筒(3)，所述金属套筒(3)的端面上各有一锥窝(2)，所述两个端面上的锥窝(2)其锥角和深度相同，两端锥窝中心线重合；所述低热膨胀石英量棒在标定关节式坐标测量机时的使用方法的特征是：

石英量棒按以下方式进行标定：采用半径为R₁的两只标准球，将所述标准球分别置于两个端面上的锥窝中，使球面与锥窝面相切，用测长仪标定两标准球之间的球心距，所标定的球心距即为所述石英量棒在测球半径为R₁下的工作长度，即标定值L₁；

标定关节式坐标测量机时，先将石英量棒固定在夹具台上，再只需将测量机的测头卡在石英量棒两端锥窝中采得两点，根据所述石英量棒的标定值获得测量机测头在这两点的空间距离L₂；

由式(1)给出补偿值：

L_{1} - L_{2} = 2 \frac{(R_{1} - R_{2})}{\sin \frac{θ}{2}} - - - (1);

式(1)中θ为石英量棒两端锥窝的锥角，R₂为测头的半径。