CN103134411B - 一种用于螺纹综合作用尺寸测量的测头机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于螺纹综合作用边界测量的测头机构，包括测头固定端组件和测头运动端组件。本发明通过将测头机构在垂直方向上的运动与测量机转台的转动进行精确联动，可以实现螺纹三维参数的测量，克服了现有螺纹测量仪器以单一截面表达三维螺纹参数的缺点；通过采用该测头机构测量整周或多周螺纹参数，并进行数据处理，可以拟合出被测螺纹工件的实际轴线，克服了现有测量方法不能确定螺纹整体实际轴线的不足；通过采用该测头机构，将全牙测端与被测工件的螺纹啮合进行测量，得到的是基于包络轮廓的螺纹综合作用效果参数，该参数与实际作用效果是最接近的。

Description

一种用于螺纹综合作用尺寸测量的测头机构

技术领域

本发明属于精密测试技术及仪器领域，特别是涉及一种基于包络轮廓的螺纹综合作用尺寸测量测头机构。

背景技术

螺纹联接是机械零部件常用的结合方法之一，伴随着汽车制造、工程机械、航空航天等产业的迅猛发展，螺纹联接作为精密机械重要的联接形式应用日益广泛。螺纹联接的质量对机械产品的综合质量、可靠性、使用寿命往往起着至关重要的作用，特别是随着空间技术和现代武器的发展，对于螺纹联接的精度提出了很高的要求。

目前常用的螺纹测量的方法主要有：轮廓扫描型测量、三坐标测量、激光三角法测量、机器视觉测量等。从螺纹生产工艺过程所产生的螺纹几何量误差种类和国家标准对螺纹参数的定义来看，上述螺纹测量方法和使用的仪器，大都存在一些瑕疵，主要表现在三个方面：

①采用局部测量或者单一截面的测量数据来表达原本定义在三维空间的螺纹参数；

②采用单一参数或者是由单一参数估算出的作用尺寸表达螺纹的综合质量状况；

③采用单截面测量数据，不能确定螺纹整体的实际轴线，轴线的定向和位置误差往往在装配时才得以发现，这对重大零件来说，损失巨大。

鉴于以上所提到的测量仪器的不足，发明一种能实现用三维的测量方法来测量螺纹的综合作用尺寸的仪器装置，以表现最真实的螺纹最终作用效果，弥补现有仪器的不足，就显得格外重要。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种用于螺纹综合作用尺寸测量的测头机构，该机构测量螺纹综合作用尺寸是基于包络轮廓的。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种用于螺纹综合作用尺寸测量仪的测头机构。

所述螺纹综合作用尺寸测量仪包括基座、数控转台、z向导轨、z向滑块、x向导轨、x向滑块和测头机构；所述z向导轨垂直固定在基座上，其上安装有z向滑块，所述z向滑块上固定有所述x向导轨，所述x向导轨上安装有x向滑块，所述x向滑块上固定有所述测头机构；所述数控转台安装在所述基座上，其回转中心轴线与所述基座和所述x向导轨均垂直；

所述测头机构包括测头固定端组件和测头运动端组件；

所述测头固定端组件包括基架、固定在所述基架上的旁向测微仪、固定在所述基架上的导轨和导向套筒；所述导向套筒的一端固定在所述基架上，所述导向套筒的另一端设有弹簧限位螺母，在所述导向套筒的中部设有与其滑动连接的位移滑架支撑滑块，在所述位移滑架支撑滑块和所述基架之间以及所述位移滑架支撑滑块和所述弹簧限位螺母之间均设有压缩弹簧；所述旁向测微仪沿平行于Z轴的方向设置；所述导轨沿平行于X轴方向设置；

所述测头运动端组件包括固定在所述位移滑架支撑滑块上的位移滑架、测端压片组件、两支轴向测微仪、滑块和螺纹测端组件；所述螺纹测端组件包括测端支架和全牙测端，所述全牙测端为其中心面与螺纹规中心轴线共面且其中心面两侧厚度相等的螺纹规纵向切片，所述全牙测端通过设置在其前后两侧的锥顶螺钉与所述的测端支架转动连接；两支所述轴向测微仪沿平行于Z轴的方向设置并固定在所述位移滑架上，两支所述轴向测微仪的测头压在所述全牙测端的顶面上；所述测端压片组件包括固定在所述位移滑架上的测端压片，所述测端压片的上端与测端压片固定板的上部连接，所述测端压片的下端压在所述测端支架的后侧，所述测端压片固定板的下部设有测端压片调节螺钉，所述测端压片调节螺钉顶压在所述测端压片上；所述滑块固定在所述位移滑架上，并与所述导轨配合；所述位移滑架通过分布在其上下两端面的两组片簧组件与所述测端支架连接；每组所述片簧组件均包括上下两个压板和一夹压在它们之间的弹簧片，露在所述压板外的所述弹簧片的一个端部与所述位移滑架固接，露在所述压板外的所述弹簧片的另一端部与所述测端支架固接，两个所述片簧组件、所述位移滑架和所述测端支架形成弹性连接的平行四杆机构。

所述测端支架为沿平行于Z轴布置的杆状部件，所述全牙测端安装在所述测端支架的底部。

所述弹簧片与所述位移滑架固接的端部设有外伸的延长段，所述延长段通过分别位于其上下两面的夹片固定在所述位移滑架。

本发明具有的优点和积极效果是：

一)通过将测头机构在垂直方向上的运动与测量机转台的转动进行精确联动，可以实现螺纹三维参数的测量，克服了现有螺纹测量仪器以单一截面表达三维螺纹参数的缺点；

二)通过采用该测头机构测量整周或多周螺纹参数，并进行数据处理，可以拟合出被测螺纹工件的实际轴线，克服了现有测量方法不能确定螺纹整体实际轴线的不足；

三)通过采用该测头机构，将全牙测端与被测螺纹工件的螺纹啮合进行测量，得到的是基于包络轮廓的螺纹综合作用效果参数，该参数与实际作用效果是最接近的；

四)该测头机构通过两个片簧组件、位移滑架和测端支架形成了一套弹性连接的平行四杆机构，实现了全牙测端在Z轴方向的微动，并且通过压缩弹簧所提供的预压力，解决了测量时全牙测端与被测螺纹的自动啮合问题。

五)该测头机构采用测端下探的结构，不仅能测量各种尺寸的外螺纹，还能测量各种尺寸的内螺纹，特别是小尺寸内螺纹。

附图说明

图1为本发明的爆炸示意图；

图2为本发明的主视图；

图3为图2的俯视图；

图4为图2的侧视图；

图5为本发明测头固定端组件的爆炸示意图；

图6为本发明测头运动端组件的爆炸示意图；

图7为本发明平行四杆机构的原理示意图；

图8为本发明螺纹测端组件的爆炸示意图；

图9为本发明螺纹综合作用尺寸测量仪示意图；

图10为本发明全牙测端与标准螺纹规的关系示意图；

图11为全牙测端中心面示意图。

图中：1-基架，2-夹片，3-弹簧片，4-压板，5-压板，6-锥顶螺钉，7-轴向测微仪，8-测端支架，9-全牙测端，10-旁向测微仪固定夹座，11-旁向测微仪，12-测端压片固定板，13-测端压片调节螺钉，14-测端压片，15-测端支架底板，16-轴向测微仪固定夹座，17-滑块，18-导轨，19-弹簧限位螺母，20-压缩弹簧，21-位移滑架支撑滑块，22-位移滑架，23-导向套筒，24-测头固定端组件，25-测头运动端组件，26-片簧组件，27-测端压片组件，28-螺纹测端组件，29-标准螺纹规，30-全牙测端中心面，201-基座，202-数控转台，203-z向导轨，204-z向滑块，205-x向导轨，206-x向滑块，207-测头机构，208-标准圆柱。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅附图，本发明测头机构207安装在一种螺纹综合作用尺寸测量仪x向滑块206上，如图9所示，所述螺纹综合作用尺寸测量仪包括基座201、数控转台202、z向导轨203、z向滑块204、x向导轨205、x向滑块206和测头机构207。

所述z向导轨203垂直固定在所述基座201上，其上安装有z向滑块204，所述z向滑块204上固定有所述x向导轨205，所述x向导轨205上安装有x向滑块206，所述x向滑块206上固定有所述测头机构207；所述数控转台202安装在所述基座201上，其回转中心轴线与所述基座201和所述x向导轨205均垂直。

请参阅图1～图8、图10和图11，所述螺纹综合作用尺寸测量仪的测头机构207，包括测头固定端组件24和测头运动端组件25；所述测头固定端组件24包括基架1、固定在所述基架1上的旁向测微仪11、固定在所述基架1上的导轨18和导向套筒23；所述导向套筒23的一端固定在所述基架1上，所述导向套筒23的另一端设有弹簧限位螺母19，在所述导向套筒23的中部设有与其滑动连接的位移滑架支撑滑块21，在所述位移滑架支撑滑块21和所述基架1之间以及所述位移滑架支撑滑块21和所述弹簧限位螺母19之间均设有压缩弹簧20；所述旁向测微仪11沿平行于Z轴的方向设置；所述导轨18沿平行于X轴方向设置；所述测头运动端组件25包括固定在所述位移滑架支撑滑块21上的位移滑架22、测端压片组件27、两支轴向测微仪7、滑块17和螺纹测端组件28；所述螺纹测端组件28包括测端支架8和全牙测端9，所述全牙测端9为其中心面30与螺纹规中心轴线共面且其中心面30两侧厚度相等的纵向螺纹规切片，其中心面30为全牙测端9在包含其z向中心线并与其回转中心轴线垂直的剖面，所述全牙测端9通过设置在其前后两侧的锥顶螺钉6与所述的测端支架8转动连接；两支所述轴向测微仪7沿平行于Z轴的方向设置并固定在所述位移滑架22上，两支所述轴向测微仪7的测头压在所述全牙测端9的顶面上；所述测端压片组件27包括固定在所述位移滑架22上的测端压片14，所述测端压片14的上端与测端压片固定板12的上部连接，所述测端压片14的下端压在所述测端支架8的后侧，所述测端压片固定板12的下部设有测端压片调节螺钉13，所述测端压片调节螺钉13顶压在所述测端压片14上；所述滑块17固定在所述位移滑架22上，并与所述导轨18配合；所述位移滑架22通过分布在其上下两端面的两组片簧组件26与所述测端支架8连接；每组所述片簧组件均包括上下两个压板4、5和一夹压在它们之间的弹簧片3，露在所述压板外的所述弹簧片3的一个端部与所述位移滑架22固接，露在所述压板外的所述弹簧片3的另一端部与所述测端支架8固接，两个所述片簧组件26、所述位移滑架22和所述测端支架8形成弹性连接的平行四杆机构。

在本实施例中，所述弹簧片3与所述位移滑架22固接的端部设有外伸的延长段，所述延长段通过分别位于其上下两面的夹片2固定在所述位移滑架22。全牙测端9如图11所示，是两侧带有标准螺纹的纵向切片，是由如图10所示的标准螺纹规沿直径对称切下两侧后形成的具有设定厚度的切片，其中心面30到图11中其上下两端面的距离相等。

所述测端支架8为沿平行于Z轴布置的杆状部件，所述全牙测端9安装在所述测端支架8的底部。

下面结合每一幅图对本发明做进一步说明：

本发明是一种集检测螺纹位置参数和姿态参数的螺纹综合作用尺寸三维测量测头机构207，如图1～图4所示。本测头机构207包括测头固定端组件24和测头运动端组件25两大部分，如图1所示。

测头固定端组件24如图5所示：包括基架1、导轨18、旁向测微仪11及其固定夹座10、弹簧限位螺母19、两支压缩弹簧20、位移滑架支撑滑块21和导向套筒23。其中导向套筒23通过螺钉固定在基架1水平中心线处；两支压缩弹簧20套在导向套筒23上，两支压缩弹簧20相邻的一端均压在位移滑架支撑滑块21上，通过两支压缩弹簧20的弹力差可以改变位移滑架支撑滑块21在X轴方向上的位置，两支压缩弹簧20相远离的一端分别压在导向套筒23和弹簧限位螺母19上；位移滑架支撑滑块21与测头运动端的位移滑架22固定连接，由于位移滑架22是整个测头运动端组件25的一部分，所以通过位移滑架支撑块21在X轴方向上的运动可带动整个测头运动端组件25在X轴方向上运动。这样，利用弹簧的弹性，保持了整个测头运动端组件25在不受力时，在水平方向上保持平衡，受力时相对于测头固定端24在水平方向上能有相对运动。弹簧限位螺母19通过螺纹与导向套筒23旋合，通过调节弹簧限位螺母19的位置，可以调节两压缩弹簧20的弹力，从而调整整个测头运动端组件25在水平方向上的平衡位置。导轨18通过螺钉固接在基架1上，与滑块17配合限制测头运动端组件25的运动只在水平方向进行。旁向测微仪11通过螺钉固定在旁向测微仪固定夹座10上，并通过螺钉固定连接在基架1上。如图4和图5所示，旁向测微仪11的细长杆形测头向下伸出，沿与Z轴平行的方向下探到全牙测端9旋转中心所在的高度，并与测端支架8的左后侧相接触，测量全牙测端9在水平方向的位移δ_x。

测头运动端25如图6所示：包括两个片簧组件26、位移滑架22、两个滑块17、测端压片组件27、两支轴向测微仪7及其固定夹座16和螺纹测端组件28。其中，每个片簧组件26包括一片薄而宽的弹簧片3、上下两个压板4、5，其中弹簧片3设计成薄而宽是为了在保证其在水平面内具有一定刚度的前提下，在垂直面上有一定的弹性，这样，在有外力施加时，弹簧片3在没有被夹压的位置处就能产生一定程度的微小弯曲，其效果等效于一个弹性铰点。两个片簧组件26均通过螺钉连接，片簧组件26上设有两处没有被夹压的裸露处，一处为与测端支架8固接的端部，另一处与位移滑架22固接，设置在夹片2和压板4、5之间。在上下两个压板4、5两端无夹压部件处，两个片簧组件26的两个弹簧片共形成了四个弹性铰点，且四个铰点间均为刚性连接，因此，形成了一套片簧平行四杆机构，如图7所示，这就实现了螺纹测端组件28在垂直方向上的微动功能，保证全牙测端9在与被测螺纹工件的螺纹接触的时候在垂直方向上能自适应调节，实现自动啮合。滑块17通过螺钉与位移滑架22固接，使用了两个滑块，目的是为了保证水平运动的直线度和刚度。两支轴向测微仪7固定在轴向测微仪固定夹座16上，并通过螺钉固接在位移滑架22上；两支垂直放置的轴向测微仪7的底部测端与全牙测端9相接触，直接测量其位置姿态。螺纹测端组件28包括测端支架8、全牙测端9、两个锥顶螺钉6和测端支架底板15，如图8所示。测端支架8向下延伸，是因为测量小直径内螺纹时，由于整个测头机构207在水平方向的尺寸太大，全牙测端9不能深入螺纹孔中，导致无法测量小直径内螺纹，故测端支架8向下延伸，将全牙测端9延伸至一定深度，使其能深入小孔测量内螺纹。测端支架底板15的功能是保证测端支架8底部不变形。全牙测端9被设计成双侧螺纹，目的是使其能同时测量相同类型的内外螺纹而不用更换测端。全牙测端9的中心有一个小的通孔，当其安装到测端支架8时，测端支架上的两个锥顶螺钉6被拧紧，与全牙测端9中心小孔相切，即限制了全牙测端9在z轴方向上的位置，使其只能沿着两个锥顶螺钉6的公共轴线转动。但是由于片簧组件26的作用，其抗扭强度很弱，全牙测端9下放，测量时全牙测端9与被测螺纹工件又是螺纹啮合，被测螺纹工件转动时产生的切向摩擦力势必较大，形成的扭矩易将弹簧片3扭曲，导致全牙测端9在被测螺纹工件切向方向上有产生偏移的趋势。为了避免此偏移的产生，加入了测端压片组件27，如图3、图4和图6所示。测端压片组件27包括测端压片14、测端压片固定板12、测端压片调节螺钉13和两固定螺钉。测端压片14被测端压片固定板12通过两固定螺钉紧固在位移滑架22上，其底部末端顶压在测端支架底板15的一侧，产生一个预压力防止测量时全牙测端9与被测螺纹工件的螺纹相啮合后工件旋转带来的摩擦力矩将整个螺纹测端组件28扭曲产生切向位移。

本发明测头机构207方案的特点是：测头固定端组件24和测头运动端组件25由两支压缩弹簧20和位移滑架支撑滑块21弹性连接，实现了测头运动端组件25在平衡位置两侧的运动；两个片簧组件26与位移滑架22及测端支架8固接形成了一组平行四杆机构，在保证水平切向方向上有足够刚度的基础上，实现了垂直方向上的微动功能，保证全牙测端9在与被测螺纹工件的螺纹接触的时候在垂直方向上能自适应调节，实现自动啮合；螺纹测端组件28采用向下延伸，探入式测量，不仅能测量各种尺寸外螺纹，也能测量包括小直径工件在内的内螺纹；全牙测端9采用多齿结构，此测端与被测螺纹啮合后测量得到的是综合作用参数，且最接近实际作用效果；全牙测端9采用双面螺纹结构，测量同一种参数的内螺纹和外螺纹时不必更换测头，排除了安装误差的干扰；采用测端压片组件27能够防止测量时全牙测端9与被测螺纹工件的螺纹啮合旋转产生的扭矩将片簧组件26扭曲，使全牙测端9产生切向位移；采用三个测微仪实现了包括螺纹综合作用倾角，测头垂直方向上的位移和测头水平方向上的位移这三个参数的组合测量，并通过这三个参数即可得到包括齿形变化、螺纹升角变化和螺距变化等多种因素综合影响而导致的螺纹综合作用位置姿态参数变化值，能够测绘出螺纹的实际作用形貌特征。

本发明的工作原理：

将上述测头机构207的基架1固定安装在螺纹综合作用尺寸测量仪的x向滑块206上，x向滑块206能相对于x向导轨205做水平方向上的运动，x向导轨205固联在z向滑块204上，并能沿z向导轨203做垂直方向上的运动，在测头机构207的前端设置一数控转台202，被测螺纹工件放置在数控转台202中央并紧固。测量前，x向滑块206推动测头机构207做水平运动，并使全牙测端9向数控转台202回转中心水平移动，使其与被测螺纹工件的螺纹啮合，在压缩弹簧20的压力下，测头运动端组件25受压产生水平运动，同时压缩弹簧20推动全牙测端9对被测螺纹工件产生压力，使全牙测端9向被测螺纹工件压紧；由于有片簧组件26、位移滑架22、测端支架8组成的平行四杆机构，全牙测端9在垂直方向上可以小幅自由运动，因此全牙测端9在压力下可以和被测螺纹自动找正啮合。测量时，测头运动端组件25相对于测头固定端组件24有水平方向上的微位移，此位移由旁向测微仪11测得，其值为δ_x；另外，两支轴向测微仪7由于是与位移滑架22相固接的，在垂直方向上没有相对位移，而螺纹测端组件28由于是与片簧组件26相固接的，受外力时在垂直方向上有微动，所以垂直固定的两支轴向测微仪7能直接感应全牙测端9在垂直方向上的微位移；两支轴向测微仪7的测头端位移值分别为δ₁和δ₂，且两支轴向测微仪7相对于全牙测端9的回转中心所在的z轴对称布置，则全牙测端9在垂直方向上的相对位移δ_z＝(δ₁+δ₂)/2；另外，全牙测端9的倾斜也能由这两支轴向测微仪7测得，设两轴向测微仪7测头端部在水平方向上的距离为d，全牙测端9的倾角α＝arctan(|δ₁-δ₂|/d)。这样，在被测螺纹工件的某一个截面内进行测量，可得到δ_x、δ_z两个位置参数和α姿态参数的测量值，即测量得到了被测螺纹工件的螺纹作用效果相对于标准螺纹作用效果的变化量。并且在测量时，整个测头机构207随着转台带动被测螺纹工件转动的角度而精确上升或下降相应高度，通过这种精确的联动实现全牙测端9与被测螺纹工件的螺纹的精确旋合，同时由于转台的转动，就在被测螺纹工件整个圆周多个截面上进行了上述的测量，得到了各个截面螺纹的综合作用位置姿态数据；再汇总一周或多周采集数据进行处理，拟合出被测螺纹工件回转轴线，并以此回转轴线为基准，绘制出螺纹综合作用效果的详细位置姿态三维图，并由此计算出螺纹的综合作用边界尺寸，以此边界来判定螺纹的综合作用效果质量。

本发明通过在测头运动端25的位移滑架22上固定两支轴向测微仪7，与全牙测端9相接触，测量全牙测端9垂直方向位移及其倾斜角度，并在测头固定端组件内设置一支旁向测微仪11，用于测量全牙测端9在水平方向上的位移；其特点在于：测量的是螺纹的综合作用尺寸，包括水平位移、垂直位移和倾斜角度；测量出的数据评判标准是基于包络轮廓的；水平运动是通过滑块导轨副和两支弹簧实现的；垂直运动是通过两个片簧机构实现的；倾斜是绕着两个锥顶螺钉6的共同轴线旋转实现的；全牙测端9是被往下放置并且是具有双面螺纹的，能够测量各种尺寸工件的内外螺纹，特别是小尺寸工件的内螺纹；防止片簧平行四杆机构及螺纹测端组件28测量时被切向扭矩扭动变形的功能是通过一套测端压片组件来完成的。这种结构既能有效实现测量所需的所有运动，又能测量多种尺寸工件的内外螺纹，且系统刚度高，精度稳定性好，能很好地满足新型的测量任务。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于螺纹综合作用边界测量的测头机构，其特征在于，包括测头固定端组件和测头运动端组件；

所述测头固定端组件包括基架、固定在所述基架上的旁向测微仪、固定在所述基架上的导轨和导向套筒；所述导向套筒的一端固定在所述基架上，所述导向套筒的另一端设有弹簧限位螺母，在所述导向套筒的中部设有与其滑动连接的位移滑架支撑滑块，在所述位移滑架支撑滑块和所述基架之间以及所述位移滑架支撑滑块和所述弹簧限位螺母之间均设有压缩弹簧；所述旁向测微仪沿平行于Z轴的方向设置；所述导轨沿平行于X轴方向设置；

所述测头运动端组件包括固定在所述位移滑架支撑滑块上的位移滑架、测端压片组件、两支轴向测微仪、滑块和螺纹测端组件；所述螺纹测端组件包括测端支架和全牙测端，所述全牙测端为其中心面与螺纹规中心轴线共面且其中心面两侧厚度相等的螺纹规纵向切片，所述全牙测端通过设置在其前后两侧的锥顶螺钉与所述的测端支架转动连接；两支所述轴向测微仪沿平行于Z轴的方向设置并固定在所述位移滑架上，两支所述轴向测微仪的测头压在所述全牙测端的顶面上；所述测端压片组件包括固定在所述位移滑架上的测端压片，所述测端压片的上端与测端压片固定板的上部连接，所述测端压片的下端压在所述测端支架的后侧，所述测端压片固定板的下部设有测端压片调节螺钉，所述测端压片调节螺钉顶压在所述测端压片上；所述滑块固定在所述位移滑架上，并与所述导轨配合；所述位移滑架通过分布在其上下两端面的两组片簧组件与所述测端支架连接；每组所述片簧组件均包括上下两个压板和一夹压在它们之间的弹簧片，露在所述压板外的所述弹簧片的一个端部与所述位移滑架固接，露在所述压板外的所述弹簧片的另一端部与所述测端支架固接，两个所述片簧组件、所述位移滑架和所述测端支架形成弹性连接的平行四杆机构；所述测端支架为沿平行于Z轴布置的杆状部件。

2.根据权利要求1所述的用于螺纹综合作用边界测量的测头机构，其特征在于，所述全牙测端安装在所述测端支架的底部。

3.根据权利要求1所述的用于螺纹综合作用边界测量的测头机构，其特征在于，所述弹簧片与所述位移滑架固接的端部设有外伸的延长段，所述延长段通过分别位于其上下两面的夹片固定在所述位移滑架。