CN102494621A - 一种大尺寸轴类零件外径测量仪 - Google Patents

Abstract

一种大尺寸轴类零件外径测量仪，利用圆周三点触测法的测量原理，主要有基座、张角臂、光栅定尺和套筒组成，两个张角臂和基座之间采用锥度过盈配合，基座上竖直设有套筒，套筒内竖直设有光栅定尺，光栅定尺的前端设有可伸缩移动的传感器触头，传感器触头穿过基座中心处设置在两个张角臂的中间，光栅定尺的上端设有顶块，套筒上端设有压垫及端盖。本发明工作原理为采用圆周三点触测法的间接测量法测量圆柱外径。采用固定角度的两张角臂结构，把被测工件直径的变化直接通过光栅尺触头的位移反应出来，既保证了测量精度，又解决了极角变化引起的误差放大问题。

Description

一种大尺寸轴类零件外径测量仪

技术领域

本发明涉及一种测量工具，特别是一种大尺寸轴类零件外径测量仪。

背景技术

当前对于小型轴类工件外径的常规尺寸测量相对比较容易，可采用卡尺或外径千分尺进行测量。但在对较大轴类直径测量方面其测量精度和测量方法则显得不足，目前行业公认的方法为使用大型的卡尺或千分尺，但是测量方法费时，且很难达到规定的精度要求。其他国内外尝试研究过的测量方法有十几种，分为机械测量方法和光电测量方，具体方法如下。

1、机械测量方法。①游标卡尺测直径：主要用于测量公差等级大于IT10的工件。为减小测量误差，卡尺测量臂不能太长，测量范围常在1000mm以下。②弦高弓长法：通过直接测量被测工件某段圆弧的弓高和弦长，可间接测量出直径。该方法测量范围大，操作很简便，但由于采用误差放大原理，故测量精度不高。对于不完整圆的外径，一般采用这种方法。③围绕法：通过测量周长间接测量直径，测量范围较大，测量对象只适用于卧式零件，且所测表面必须为连续圆柱面。测量精度受拉紧力影响较大。

2、光电测量方法。①滚轮法：采用标准滚轮与被测件在一定压紧力下无滑动对滚，通过两轮转数比和标准轮直径可以算出被测件直径。转数可以由光电编码器进行测量，测量范围可达50～20000mm，精度可达到0.02um。对不连续圆面不适宜测量。②标志法：用一个尺子作为基准尺，对被测工件进行在线的无接触测量，利用在被测件上贴标记间接测量计算得到被测件直径。测量精度达到IT6级，测量范围达到500～24000mm。限制型条件为被测件必须是匀速旋转。③经纬仪法：采用经纬仪测角，标尺定长，间接计算出直径。特点是通用型好，测量范围大，精度比较高，但现场安装调整困难。④激光扫描测量法：采用多面反射镜旋转，激光束经扫描透镜平行扫向工件。通过对工件遮挡光纤时间内光束扫过光栅长度的计量便可求得直径。因透镜口径限制，该测量方法只适用较小直径（通常小于50mm直径）工件测量。如采用对称光路，则可不需大口径透镜，从而将扫描法原理应用与大尺寸测量。

上述各种方法在测量范围、精度、简便程度、成本等各方面各有特色，但也存在各种限制，难以得到推广使用。其中机械测量方法中的弓高弦长法和光电测量法中的经纬仪法在测量范围、简便程度、测量精度方面各有优点，如能结合二者方法特点，可望达到较好的测量效果。

光栅尺属光电传感器，多运用在精密机加工和数控机床上，用来精密测量物体的位移，光栅测量位移的实质是以光栅栅距为一把标准尺子对位称量进行测量。光栅尺本身栅格刻划的尺寸精度可以达到0.02mm，经过莫尔条纹放大和电子细分后测量精度可以达到0.01um，可完全满足一般工件尺寸测量精度要求。光栅尺是由读数头、光栅和接口组成。光栅上均匀地刻有透光和小透光的线条，一般情况下，线条数按所测精度刻制，为了判别出运动方向，线条被刻成相位上相差90°的两路。当读数头运动时，接口电路的光电接收器分别产生A相和B相两路相位相差90°的脉冲波。光栅移动产生的莫尔条纹与电子电路以及单片机相结合可完成对位移量和位移方向的自动测量。

发明内容

为了解决经纬仪方法中张角变化引起的误差放大和误差变化，弓高弦长法中测量弓高和弦长不易等问题，本发明提供一种结构简单、测量方便快捷、精度稳定性高的大尺寸轴类零件外径测量仪。

为了解决上述技术问题采用以下技术方案：一种大尺寸轴类零件外径测量仪，利用圆周三点触测法的测量原理，主要有基座、张角臂、光栅定尺和套筒组成，两个张角臂和基座之间采用锥度过盈配合，基座上竖直设有套筒，套筒内竖直设有光栅定尺，光栅定尺的前端设有可伸缩移动的传感器触头，传感器触头穿过基座中心处设置在两个张角臂的中间，光栅定尺的上端设有顶块，套筒上端设有压垫及端盖。

所述基座上设有V型间隙，顶块为V型顶块，光栅定尺安装在V型顶块和基座的V型间隙之间，并在基座上通过锁紧螺栓对光栅定尺进行锁紧。

所述的传感器触头发出方波信号，经四倍频辨向计数电路变换后得到位置和方向信息送AT89S51单片机处理，得到被测工件直径测量值送LCD显示。

本发明工作原理为采用圆周三点触测法的间接测量法测量圆柱外径，根据光栅尺读数和两张角臂张角值，利用直角三角形边角关系求解轴的半径。利用直线光栅尺作为测量传感器，配合后续信号处理电路，保证测头位置和移动方向的准确测量。采用固定角度的两张角臂结构，把被测工件直径的变化直接通过光栅尺触头的位移反应出来，既保证了测量精度，又解决了极角变化引起的误差放大问题。

圆周三点触测法的测量原理：两个成固定角度的张角臂与被测轴径相切于两点，位于两张角臂夹角中分线上的直线光栅尺的可伸缩触头与被测轴径接触于一点，利用直角三角形边角关系来求解出轴的半径，从而间接测量出轴的外径。

附图说明

   图1为本发明的结构示意图。

   图2为图1A-A向剖视图。

   图3为图1B-B向剖视图。

   图4为本发明的工作原理图。

图5为本发明的数据处理与显示框图。

具体实施方式

如图1所示，一种大尺寸轴类零件外径测量仪，利用圆周三点触测法的测量原理，主要有由张角臂1、光栅定尺5、基座3、顶块8、套筒4、锁紧螺栓9、信号处理电路、单片机、液晶显示屏（LCD）等组成。张角臂1的断面采用双圆弧顶凹型结构，测量时，通过调整张角臂双圆弧顶与工件外径接触，保证测量时张角臂与被测工件轴线的垂直度。两个张角臂1对称的设置在基座3的下面，张角臂1和基座3之间采用锥度过盈配合，张角值由基座上两锥孔轴线夹角确定。基座3上竖直设有套筒4，套筒4内竖直设有光栅定尺5，光栅定尺5的前端设有可伸缩移动的传感器触头2，套筒4为光栅定尺5提供防护和提供拿持部位；基座3上设有V型间隙，顶块8为V型顶块，光栅定尺5安装在V型顶块8和基座3的V型间隙之间，并在基座3上通过锁紧螺栓9对光栅定尺5进行锁紧，确保传感器触头2相对两张角臂1的对中度。套筒4上端设有压垫6及端盖7，压垫6和端盖7固定光栅定尺5，通过调整压垫6厚度和旋转套筒端盖7可与V型顶块8和锁紧螺栓9配合调整传感器触头的轴向位置。

如图2所示，用存在张角的两个张角臂1和位于两张角臂角度中分线位置的传感器触头，对轴外径实现三点接触，利用直角三角形边角关系来求解出轴10的半径，从而间接测量出轴的外径。取总张角为2θ，顶杆长度为X，则轴的半径R为： 

当θ角一定时，R与X存在线性关系。

本发明中采用2θ角为一定值的双张角臂结构，X采用直线光栅尺触头测量，X值随被测轴径R值变化而变化，二者为线性正比关系。

如图3所示，传感器触头与被测工件触点位置随不同测量轴径伸缩变化，传感器触头发出方波信号，经四倍频辨向计数电路变换后得到位置和方向信息，并送AT89S51单片机处理，得到被测工件直径测量值送LCD显示。

采用固定角度张角臂结构，可排除变张角测量法的精度误差放大问题。在光栅尺的测量精度为± 5 μm，张角臂张角加工精度为2θ＝110± 0.005°，测量直径为最大值1000mm时，仪器精度误差为0.029mm，测量直径为最小值200mm时，仪器精度误差为0.024mm。其中光栅尺测量精度造成的误差为定值，仪器精度误差值的改变主要由张角臂张角加工误差沿触头伸长方向放大引起。

本发明可以通过采用不同的张角大小、张角臂长度、直线光栅尺触头伸缩长度范围，形成系列化规格品种，满足不同直径或直径范围的测量要求；可对大尺寸轴类零件外径进行离线或在机静态测量。

Claims (4)

1.一种大尺寸轴类零件外径测量仪，利用圆周三点触测法的测量原理，主要有基座、张角臂、光栅定尺和套筒组成，其特征在于：两个张角臂和基座之间采用锥度过盈配合，基座上竖直设有套筒，套筒内竖直设有光栅定尺，光栅定尺的前端设有可伸缩移动的传感器触头，传感器触头穿过基座中心处设置在两个张角臂的中间，光栅定尺的上端设有顶块，套筒上端设有压垫及端盖。

2.根据权利要求1所述的大尺寸轴类零件外径测量仪，其特征是：所述基座上设有V型间隙，顶块为V型顶块，光栅定尺安装在V型顶块和基座的V型间隙之间，并在基座上通过锁紧螺栓对光栅定尺进行锁紧。

3.根据权利要求1所述的大尺寸轴类零件外径测量仪，其特征是：所述张角臂的断面采用双圆弧顶凹型结构。

4.根据权利要求1所述的大尺寸轴类零件外径测量仪，其特征是：所述的传感器触头发出方波信号，经四倍频辨向计数电路变换后得到位置和方向信息送AT89S51单片机处理，得到被测工件直径测量值送LCD显示。

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