CN102288116A

CN102288116A - 液位变量与齿轮变量组合高精度测量计量方法及装置

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Publication number: CN102288116A
Application number: CN 201110128213
Authority: CN
Inventors: 周泉清
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-05-18
Filing date: 2011-05-18
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2031-05-18
Also published as: CN102288116B

Abstract

一种液位变量与齿轮变量组合高精度测量计量方法及装置，包括液压容器或油缸液位变量精确测量计量装置、齿轮变量组合器、电子信息控制装置三大部分组成，装有活塞的大口径液压容器或油缸底端连接连通小口径测量管；齿轮变量组合器为齿轮箱内安装多个相啮合的大齿轮、小齿轮，齿轮周长传动比即为齿轮变量计数的放大倍数和缩小倍数；电子信息控制装置为相互电连接的计算机、控制器及红外电子测量尺、步进电机；齿轮变量组合器的输出的齿条或测量头、液压容器或油缸的活塞连杆与被测物件进行紧密吻合，进行准确定位和测量。本发明测量计量精度高，零点定位准确，广泛应用于数控机床、瞄准器、精密仪器、均衡压力器、标准长度砝码等领域，为工农业生产、国防建设和科学研究提供了一种新型测量计量仪器及工具。

Description

液位变量与齿轮变量组合高精度测量计量方法及装置

技术领域

本发明涉及测量计量技术领域，具体涉及一种采用液压容器或油缸的液位变量与多组齿轮传动的齿轮变量相组合的液位变量与齿轮变量组合高精度测量计量方法及装置。

背景技术

在工农业生产、国防建设和科学研究工作中，需要对物体进行长度、位移等进行精确计量，如机械工业生产中常用的伺服电机、位移传感器、游标卡尺等等，这些测量仪器和测量工具，往往由于不能对起始零点准确定位、不能对测量终点准确定位，造成微观测量出现很大误差；电机、齿轮、轴承、轴瓦等机械部件的运动都存在不同的间隙，不同的误差，因此，伺服电机很难精确接受数控编程的理想位移数据指令和控制；机械、轴承轴瓦精度低，间隙大，径向和横向的跳动大，累计误差大，严重制约了光电传感器及其它测量仪器准确采集数据信号，制约了测量计量及位移精确提高到微米级、纳米级；由于机械传动部份本身存在间隙误差，即使先进的精密机床也在20-50微米左右，所以精密机床无法使加工出来的零部件达到微米乃至更高级别的纳米级；即使再精密的机床，长时间的磨损，间隙逐步增大，按既定的编程，就会出现不同程度的误差，机床越旧磨损越大，间隙误差越大，相对新机床，加工出来的零部件误差也越不标准，相同工艺生产的机床，加工出来的产品不配套现象常常出现；激光红外测距仪本来可以很精确测量，但由于机械传动的误差，导致不能准确确定起始计数的零点，无法采集到准确信号，也就不能准确确定结束计数的终点，采集得到的数据也是误差数据；同样，来回往复运动时，会出现多次起始计数的零点，由于传动部件的间隙误差，每次采集起始计数的零点就有多次误差，加上多次往复传动，也导致了出现多次累计间隙误差，加工出来的零部件达不到设计要求。因此，传统计量技术和计量装置无法满足飞速发展的工农业生产、国防建设和科研工作的需求，制约着科学技术的发展和应用，成为物理测量计量领域中的技术难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：解决上述现有技术存在的问题，而提供一种液位变量与齿轮变量组合高精度测量计量方法及装置，广泛应用于长度、位移及数控机床的精确测量计量，达到微米或纳米级的高精度，为科学技术的发展和应用提供一种简单、适用、科技含量高的高精度测量计量与位移控制方法及计量工具。

本发明采用的技术方案是：这种液位变量与齿轮变量组合高精度测量计量方法是：

1）将被测物件置于液压容器或油缸液位变量精确测量计量装置与齿轮变量组合器之间，确定液压容器或油缸液位变量精确测量计量装置与被测物件紧密吻合无间隙，并在齿轮变量组合器受外力推动时，确定消除间隙、克服物件质量、摩擦阻力情况下的真实零位或位移；或者将液压容器或油缸液位变量精确测量计量装置与伺服电机输出端或推动装置输出端紧密吻合，确定输出端克服阻力、摩擦力、消除间隙后的真实零点或位移；

2）先将被测物件紧靠液压容器或油缸液位变量精确测量计量装置的活塞连杆，与液压容器或油缸连通的可视读数管必定出现第一次位移数据时，确认活塞连杆与被测物件的紧密吻合定位，不再推动液压容器或油缸的活塞连杆，继续保持被测物件紧靠液压容器或油缸液位变量精确测量计量装置的活塞连杆的紧密吻合，并将液压容器或油缸连通的可视读数管第一次出现位移数据作为零点定位及零点计数的起始；

3）转动齿轮变量组合器的输入齿轮，使齿轮变量组合器的输出端推动被测物件，与液压容器或油缸连通的可视读数管第二次出现位移数据时，确认齿轮变量组合器是在消除传动部件间隙、克服摩擦力和被测物件质量后，被测物件产生位移的真实数据，继续推动物件，继续产生位移数据，加上上述第二次的位移数据，等于整个位移数据；

4）在可视读数管旁安装红外电子测量尺，测量出被测物件位移导致液位变量后放大的位移数据，以可视读数管第一次出现位移数据时的数值作为本发明测量计量的零点起始值，后续位移数据在这个基础上，开始计数，监测可视读数管液位变量的红外电子测量尺，及时将采集的信号数据送入电脑处理，进行零点定位和后续累计计量；

5）转动齿轮变量组合器的输入齿轮，齿轮变量组合器输出端继续推动被测物件位移，液压容器或油缸的活塞连杆被动位移，采集齿轮计数和/或可视读数管的读数计数，即可得到被测物件的长度或位移的高精度测量计量数据，可数控并与编程的理想数据相匹配；

6）齿轮变量组合器输入端设有信号点，齿轮转动时，由红外电子测量尺采集到该信号点的信号数据，根据设计需要，可设多个信号点，将齿轮转动周长更加细致划分，这个信号数据传递到电脑，电脑进行数据处理，供控制器按电脑预设程序使用；可视读数管侧端装有红外电子测量尺，液位变量的位移长度被红外电子测量尺读出数据，转换到电脑进行数据处理，供控制器按电脑预设程序使用。

本发明的液位变量与齿轮变量组合高精度测量计量装置，包括液压容器或油缸液位变量精确测量计量装置、齿轮变量组合器、电子信息控制装置三大部分组成，液压容器或油缸液位变量精确测量计量装置为装有活塞的大口径液压容器或油缸底端连接连通小口径测量管，测量管上标有可视度量读数尺，即可视读数管；齿轮变量组合器为齿轮箱内安装多个相啮合的大齿轮、小齿轮，齿轮周长传动比即为齿轮变量计数的放大倍数和缩小倍数；电子信息控制装置为相互电连接的计算机、控制器及红外电子测量尺、步进电机；电子信息控制装置的步进电机输出端连接传动齿轮变量组合器的输入齿轮，齿轮变量组合器的输入齿轮旁安装有红外电子测量尺，红外电子测量尺、步进电机都与控制器电连接，控制器与计算机连接并进行双向通信，在液压容器或油缸液位变量精确测量计量装置的可视读数管旁也安装有红外电子测量尺，该红外电子测量尺也与控制器电连接；齿轮变量组合器的输出齿轮与齿条或测量头啮合连接，齿条或测量头、液压容器或油缸精确测量计量装置的活塞连杆都与被测物件进行紧密吻合，准确定位和测量计数。

上述液压容器或油缸液位变量精确测量计量方法是：采用装有活塞的大口径液压容器或油缸，液压容器或油缸底端连接连通小口径测量管，液压容器或油缸内充有液压油，测量时，大口径液压容器或油缸的活塞连杆与被测物件接触而推进一小段距离，或大口径液压容器或油缸内放入被测物件，大口径液压容器或油缸排出的液压油进入小口径测量管产生放大倍数的位移，根据小口径测量管上标有的可视度量读数尺读出被测物件的长度、位移或体积精确数据。

功能原理：液压容器或油缸直径大于可视度量尺测量管直径，例如采用圆形液压容器或油缸，直径大，而安装之上的可视读数尺测量管直径小，液压容器或油缸活塞移动的距离与横截面之积为排出的液压油体积，排出的这些液压油全部进入可视度量读数尺测量管，即可视读数管，由于可视度量读数尺测量管截面积成倍小于液压容器或油缸的截面积，所以，在可视度量尺测量管移动的距离就成倍放大。计算公式为：

设液压容器或油缸的液位变量体积为V_大，

设液压容器或油缸的液位变量高度为h，

设液压容器或油缸的半径为R，面积为πR²，

则液压容器或油缸的液位变量体积V_大＝πR²h；

又设可视读数管的液位变量体积为V_小，

可视读数管的液位变量长度为L，

可视读数管的半径为r，面积为πr²；

则可视读数管的液位变量体积V_小＝πr²L。

因液压容器或油缸的液位变量排出液体体积V_大等于可视读数管的液位变量进入的液体体积V_小，所以V_大＝V_小，亦即πR²h＝πr²L， L/h=R²/r²。如果液压容器或油缸半径为1米、可视读数管半径为0.1毫米，则放大倍数L/h=R²/r²=(1000毫米)²/（0.1毫米）²=1亿倍。

按圆柱形液压容器或油缸半径为1米和圆柱形可视读数管半径为0.1毫米比例，化作微米为100 0 000微米比100微米，半径长度比为10000:1 。

截面积比计算为：

1 000 000x1 000 000x3.14= 3 140 000 000 000平方微米

100x100x3.14=31400平方微米

面积比为: 100 000 000:1，那么，液压容器或油缸的活塞压缩1微米时，有3140 000 000 000立方微米的液压油进入到截面积为31400平方微米的可视读数管内，行程距离长度为100 000 000微米，可视位移放大了一亿倍。同样，肉眼很难发现的液压容器或油缸的活塞位移0. 00001微米时，流入可视读数管的液压油行程距离长度是1000微米，即肉眼可视长度为1毫米，精确巧妙地测出了肉眼很难发现的活塞位移0.00001微米的微小变化。

根据这个原理，想要准确知道活塞位移的距离为微纳米级，从可视读数管放大出来的数据就可以确定。如液压容器或油缸与可视读数管的直径比是100：1时, 截面积比为10000：1，等积转换长度比也为10000：1，即活塞位移1微米，可视读数管读数为10000微米，活塞位移0.1微米，可视读数管读数为1000微米，即1毫米，这样就完全可通过光电仪器准确测出放大后可视读数管的数据，掌握和控制活塞的微纳米级变化。结合实际应用，根据不同需求，任意调节液压容器或油缸半径与可视读数管半径比1000：1乃至10000：1，完全可以满足不同机床、不同行业、不同机械特殊结构条件下对体积小而加工精密度高的要求，零点定位可准确确定为微纳米级。

当外力逐步推动物件移动，传动部件的间隙将初步减小，克服物件本身质量、摩擦阻力后，直到消除全部间隙，这一刻才是位移开始计数真正的零点。同时物件与液压容器的活塞连杆紧密配合，物件和液压容器的活塞同步被推动，液压容器的可视读数管出现液位变量后放大的数据，这个数据是按设计要求得到位移的微米级或纳米级数据。如液压容器或油缸的直径与读数管直径比是100：1时, 截面积比为10000：1，等积转换长度比也为10000：1，即活塞位移1微米，可视读数管读数为10000微米，活塞位移0.1微米，可视读数管读数为1000微米，即1毫米，也就是物件被推动位移了0.1微米。

上述技术方案中，所述的齿轮变量组合器为齿轮箱内安装多个工字型齿轮；每个工字型齿轮的上齿轮为大齿轮，下齿轮为小齿轮，或者上齿轮为小齿轮，下齿轮为大齿轮，大齿轮和小齿轮同轴，相邻工字型齿轮的小齿轮与大齿轮啮合，齿轮周长传动比即为齿轮变量计数的放大倍数或缩小倍数。

根据周长公式：Ｃ＝２π r，

设大齿轮的周长C大小齿轮周长C小

设大齿轮半径为R大小齿轮半径为r小

设齿轮箱内工字型齿轮的大齿轮分别为第一组大齿轮，周长为C大1、第二组大齿轮C大2、第三组大齿轮C大3，所有大齿轮它们的周长全部分别相等，齿数相等，模数相同。

设齿轮箱内工字型齿轮的小齿轮分别为第一组小齿轮C小1、第二组小齿轮C小2、第组三小齿轮C小3，所有小齿轮它们的周长全部分别相等，齿数相等，模数相同。

设每组大齿轮周长与小齿轮周长比为10：1，全部大齿轮与小齿轮模数相同。

第一组大齿轮与第一组小齿轮为同轴同步转动，则大齿轮转动一周，小齿轮也转动一周。大齿轮转动一周为10cm，小齿轮转动一周为1cm。

第二组大齿轮与第二组小齿轮为同轴同步转动，第二组大齿轮转动一周，第二组小齿轮也转动一周，大齿轮转动一周为10cm，小齿轮转动一周为1cm。由于第一组小齿轮咬合第二组大齿轮，第一组小齿轮与第二组大齿轮的周长为1：10，也就是第一组小齿轮转动10圈，第二组大齿轮才转动1圈，由于第一组大齿轮与第一组小齿轮为同轴同步运动，那么，第一组大齿轮和第一组小齿轮同时转10圈，第二组大齿轮才转动1圈。依次类推，第一组齿轮转100圈，第三组大齿轮和第三组小齿轮转1圈，第一组大齿轮转1000圈，第四组大齿轮和第四组小齿轮转1圈，第一组大齿轮转10000圈，第五组大齿轮和第五组小齿轮转1圈，按大齿轮周长10cm，小齿轮周长1cm计算，第一组大齿轮转10000 0cm，第五组小齿轮转动为1cm，第一组大齿轮与第五组小齿轮转动比为100000：1，第一组大齿轮转1圈为10cm，第五组小齿轮转动为0.00001cm即0.0001毫米，也就是0.1微米。

第一组大齿轮初始主动转动，通过多级齿轮组合转动，与最后一组小齿轮转动，放大或缩小倍数的计算公式为:

(C大1/C小1) ×(C大2/C小2) ×(C大3/C小3)……×(C大n/C小n)=缩小倍数；反之，由最后一组小齿轮的被动转动变为主动转动，而之前第一组大齿轮主动转动变为最后一组被动转动，成为放大倍数。

这些多个工字型齿轮连接组合转动，达到精确测量、精确位移的目的。微纳米级的测量计量及微纳米级的位移控制得以实现。

上述技术方案中，所述的齿轮变量组合器的输出齿轮与齿条或测量头啮合，齿条或测量头连接并推动被测物件。

上述技术方案中，齿轮变量组合器内的多个齿轮均为一大一小的组合齿轮，大小齿轮的周长比为10：1，齿数比为10∶1，模数相同，或者根据要求，设计大齿轮与小齿轮模数相同，不同周长比，不同的齿数比，其中单数值序号的大齿轮可选择性地作为输入端与步进电机连接传动，双数值序号的大齿轮可选择性地作为输出端与齿条或测量头啮合连接传动，以获得不同精度的测量计数。

上述液压容器或油缸的可视读数管旁安装红外电子测量尺，红外电子测量尺输出信号连接至控制器，与此同时，齿轮变量组合器的输入齿轮端安装有输入齿轮红外电子测量尺，输入齿轮红外电子测量尺输出信号同样连接至控制器，控制器与计算机连接，进行双向通信，控制器输出控制信号连接至步进电机，步进电机输出连接并传动齿轮变量组合器的输入齿轮。

本发明方法及装置原理：

1. 将液压容器或油缸及可视读数管按不同要求设计，要求可视在微米级，可将液压容器或油缸与可视读数管半径设计为100：1，那么面积比为10000：1，等积转换后，长度比为1：10000，那么，活塞或物体位移1微米，可视读数管读数为10000微米，即10毫米。在实际测量中，先将推动活塞运动的连杆紧靠被测物件，当可视读数管第一次出现位移数据时停止下来，保持与被测物件零间隙紧密吻合，记下可视读数管的数据，以此作为液压变量测量的零点定位，也就是可视读数管端的红外电子测量尺将此时数据作为下一步统计数据的起始零点；

2. 将齿轮变量组合器按不同要求设计，要求位移数据放大或缩小为微米级，可将同样齿轮结构的5组齿轮组合在齿轮箱中，如5个模数相同的大齿轮周长均为10厘米，小齿轮周长均为1厘米，齿轮齿数比也为10：1，那么，从第一组开始大齿轮转动一圈为10厘米，第一组小齿轮转动一圈为1cm，相对第一组情况下，第五组小齿轮转动为0.00001cm即0.0001毫米，也就是0.1微米，实现齿轮放大倍数或缩小倍数的计量计数；

3、采用齿轮变量组合器的输出齿条或测量头靠紧被测物件，再次依靠可视读数管，就可以确定将这些齿轮传动间隙化整为零，即当齿轮转动，位移逐步将误差间隙缩小，直到克服摩擦力、物件质量，推动物件产生位移的同时，原来靠紧油缸活塞连杆的被测物件会在此时位移，继续推动连杆与活塞，使可视读数管第二次出现位移增加的数据，此时才是本发明真正测量计量的真实位移数据。本发明的测量仍以可视读数管第一次出现位移作为计量的开始，电脑从第一次记录液位变量的起始零点，第二次克服阻力、齿轮间隙、物件质量后，记录下物件位移导致液位变量的数据，此刻，可采取2种测量计数，即液位继续变量，红外电子测量尺继续计数，或齿轮继续转动变量，红外电子测量尺继续采集信号数据。2种测量数据都可输入电脑，按电脑编程的理想数据，电脑指令控制器，达到准确控制位移和精确测量的目的。

本发明解决了现有技术长度、位移测量计量精度低、零点起始值误差大的问题，本发明巧妙地利用液压容器或油缸液位变量精确测量计量方法及装置，能实现微纳米级的测量计量，能准确确定起始的零点定位；本发明还巧妙地利用齿轮变量组合器的万倍、十万倍、百万倍……的放大和缩小测量计量长度，位移数据，因而本发明具有双重微纳米级长度、位移的测量计量，因而精度极高，测量计量的数量级远远超出了现有技术的测量计量级数，特别是本发明充分利用液压容器或油缸液位变量精确测量计量装置的可视读数管，并以两次出现的位移数据来确定液压容器或油缸活塞连杆与被测物件的精密配合，以及确定齿轮变量组合器消除传动间隙、克服物件质量及摩擦阻力后，其输出端齿条或测量头推动测量被测物件的零点起始值。因为只有液压容器或油缸的活塞连杆与被测物件为零间隙的紧密配合，以及齿轮变量组合器完全消除传动间隙后推动和测量计量被测物件的长度、位移，才是最准确、最科学的测量计量。因此，本发明测量计量不仅能达到微纳米级，而且零点起始定位准确、无误差，本发明的测量计量精度极高，在工农业生产、国防建设和科学研究工作，应用极其广泛，填补了高精度测量计量工具的空白，是一种方便、适用、科技含量高的新型测量计量仪器及工具。

附图说明：

图1为本发明结构原理示意图

附图标注说明：

1——液压容器或油缸，2——液压油，3——可视读数管，

4——可视读数管红外电子测量尺，5——活塞连杆，

6——被测物件，7——齿条，8——输出齿轮，9——控制器，

10——计算机，11——输入齿轮红外电子测量尺，12——步进电机，

13——齿轮箱，14——齿轮轴，15——第一级输入齿轮，

16——第二级输入齿轮，17——第三级输入齿轮，

18——第一级输出齿轮，19——第二级输出齿轮，

20——第三级输出齿轮，21——大齿轮，22——小齿轮。

具体实施方式：

参见附图，本发明的液位变量与齿轮变量组合高精度测量计量方法是：

上述的齿轮变量组合器为齿轮箱内安装多个工字型齿轮，模数相同；每个工字型齿轮的上齿轮为大齿轮，下齿轮为小齿轮，模数相同，或者上齿轮为小齿轮，下齿轮为大齿轮，模数相同，大齿轮和小齿轮同轴，相邻工字型齿轮的小齿轮与大齿轮啮合，齿轮周长传动比即为齿轮变量计数的放大倍数或缩小倍数。

上述齿轮变量组合器的输出齿轮与齿条或测量头啮合，齿条或测量头连接并推动被测物件。

上述齿轮变量组合器内的多个齿轮均为一大一小的组合齿轮，大小齿轮的齿数比为10∶1，周长比为10：1，或设计不同齿数比，不同周长比，得到不同要求的测量精度，其中单数值序号的大齿轮可选择性地与步进电机连接传动，双数值序号的大齿轮可选择性地与齿条或测量头啮合连接传动，以获得不同精度的测量计数。

Claims

1.一种液位变量与齿轮变量组合高精度测量计量方法，其特征在于：

2.一种液位变量与齿轮变量组合高精度测量计量装置，其特征在于包括液压容器或油缸液位变量精确测量计量装置、齿轮变量组合器、电子信息控制装置三大部分组成，液压容器或油缸液位变量精确测量计量装置为装有活塞的大口径液压容器或油缸底端连接连通小口径测量管，测量管上标有可视度量读数尺，即可视读数管；齿轮变量组合器为齿轮箱内安装多个相啮合的大齿轮、小齿轮，齿轮周长传动比即为齿轮变量计数的放大倍数和缩小倍数；电子信息控制装置为相互电连接的计算机、控制器及红外电子测量尺、步进电机；电子信息控制装置的步进电机输出端连接传动齿轮变量组合器的输入齿轮，齿轮变量组合器的输入齿轮旁安装有红外电子测量尺，红外电子测量尺、步进电机都与控制器电连接，控制器与计算机连接并进行双向通信，在液压容器和油缸液位变量精确测量计量装置的可视读数管旁也安装有红外电子测量尺，该红外电子测量尺也与控制器电连接；齿轮变量组合器的输出齿轮与齿条或测量头啮合连接，齿条或测量头、液压容器或油缸精确测量计量装置的活塞连杆都与被测物件进行紧密吻合，进行准确定位和测量。

3.根据权利要求1所述的液位变量与齿轮变量组合高精度测量计量方法，其特征在于：液压容器或油缸液位变量精确测量计量装置为装有活塞的大口径液压容器或油缸底端连接连通小口径测量管，测量管上标有可视度量读数尺，即可视读数管。

4.根据权利要求3所述的液位变量与齿轮变量组合高精度测量计量方法，其特征在于：采用装有活塞的大口径液压容器或油缸，液压容器或油缸底端连接连通小口径测量管，液压容器或油缸内充有液压油，测量时，大口径液压容器或油缸的活塞连杆与被测物件接触而推进一小段距离，或大口径液压容器或油缸内放入被测物件，大口径液压容器或油缸排出的液压油进入小口径测量管产生放大倍数的位移，根据小口径测量管上标有的可视度量读数尺读出被测物件的长度、位移或体积精确数据。

5.根据权利要求2所述的液位变量与齿轮变量组合高精度测量计量装置，其特征在于：齿轮变量组合器为齿轮箱内安装多个工字型齿轮，模数相同；每个工字型齿轮的上齿轮为大齿轮，下齿轮为小齿轮，模数相同，或者上齿轮为小齿轮，下齿轮为大齿轮，模数相同，大齿轮和小齿轮同轴，相邻工字型齿轮的小齿轮与大齿轮啮合，齿轮周长传动比即为齿轮变量计数的放大倍数或缩小倍数。

6.根据权利要求2所述的液位变量与齿轮变量组合高精度测量计量装置，其特征在于：液压容器或油缸的可视读数管旁安装红外电子测量尺，红外电子测量尺输出信号连接至控制器，与此同时，齿轮变量组合器的输入齿轮端安装有输入齿轮红外电子测量尺，输入齿轮红外电子测量尺输出信号同样连接至控制器，控制器与计算机连接，进行双向通信，控制器输出控制信号连接至步进电机，步进电机输出连接并传动齿轮变量组合器的输入齿轮。

7.根据权利要求2所述的液位变量与齿轮变量组合高精度测量计量装置，其特征在于：齿轮变量组合器的输出齿轮与齿条或测量头啮合，齿条或测量头连接并推动被测物件。

8.根据权利要求1所述的液位变量与齿轮变量组合高精度测量计量方法，其特征在于：齿轮变量组合器内的多个齿轮均为一大一小的组合齿轮，大小齿轮的齿数比为10∶1，周长比为10：1，或设计不同齿数比，不同周长比，得到不同要求的测量精度，其中单数值序号的大齿轮可选择性地与步进电机连接传动，双数值序号的大齿轮可选择性地与齿条或测量头啮合连接传动，以获得不同精度的测量计数。