CN103727869A

CN103727869A - 袖珍三坐标测长仪

Info

Publication number: CN103727869A
Application number: CN201310430614.9A
Authority: CN
Inventors: 雷孔成
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-09-22
Filing date: 2013-09-22
Publication date: 2014-04-16
Also published as: WO2015039404A1

Abstract

本发明‘袖珍三坐标测长仪’，一种‘虚拟测长仪器’，它以三坐标空间测量的方式测量全世界各种‘传统单(双)坐标测长仪器’(例如万能测长仪、立式测长仪、圆柱度测量仪、测高仪、便携式孔板测量仪等)的所有测量对象(例如块规、卡规、环规、塞规、量棒、内外螺纹、螺纹环规、螺纹塞规、圆柱、圆球、孔板等)的几何尺寸和形位公差，其测量的精度和效率远高于各种‘传统单(双)坐标测长仪器’，其成本、价格，体积、重量反而远低于‘传统单(双)坐标测长仪器’，其需求市场远大于各种‘传统单(双)坐标测长仪器’。

Description

袖珍三坐标测长仪

技术领域

本发明‘袖珍三坐标测长仪’所属技术领域，按‘国际专利分类表’(IPC)分类：G‘部’，物理；G01‘大类’，测量；G01B‘小类’，长度、厚度或类似线性尺寸的计量；G01B7／00‘大组’，以采用电或磁的方法为特征的计量设备；G01B7／400‘小组’，用于测量各点的坐标。它的技术领域按IPC分类为G01B7／400，属坐标测量仪器技术领域。

背景技术

本发明‘袖珍三坐标测长仪’，目的是要更新换代各种传统单机‘测长仪器’。这些传统单机‘测长仪器’，例如万能测长仪(卧式测长仪)、立式测长仪、测高仪、圆柱度测量仪、轮廓测量仪等，它们的测量对象主要是块规长度，环规内径、外径，内螺纹、外螺纹中径，高度，圆柱外径，球的直径，塞规厚度，圆柱度，圆柱母线的直线度等。都是单机单轴一维全手动测量，带进误差源，又不能修正误差，譬如万能测长仪测量环规直径，这个被测件安装在工作台上，被测尺寸线往往与仪器测量轴线不重合，这就需要进行零件找正，通过寻找零件拐点来实现，需要手动调整工作台的五个自由度，测量精度和效率受到很大局限。即使传统单机‘测长仪器’如万能测长仪加数显、计算机，也只是单轴数显，单轴误差修正，判断拐点，而工作台沿X、Y、Z轴移动，工作台绕Y、Z的转动，工作台这五个自由度的运动仍然是手动，单轴一维手动测量，不能全方位修正误差，它的测量功能还是制造厂家定义的功能，用户不能通过自编软件定义测量功能，更不能通过软件扩展测量功能，所以它的‘传统单机仪器’的本质并未改变。如果用通用‘三坐标测量仪’测量各种传统单机‘测长仪器’的测量对象，三轴三维全自动采集几个测量点的空间坐标值，计算机作数据处理、显示、存储，全方位修正误差(不管被测尺寸线与仪器测量轴线是否重合，不用找正拐点)，一定是高精度、高效率测量。虽然如此，但是通用‘三坐标测量仪’成本、价格高，体积、重量大，不适合更新换代成本、价格低，体积、重量小的传统单机‘测长仪器’。本发明‘袖珍三坐标测长仪’，它测量各种传统单机‘测长仪器’的测量对象的几何尺寸和形位公差，其测量效果跟通用‘三坐标测量仪’一样高精度、高效率，而成本、价格，体积、重量反而低于传统单机‘测长仪器’，更低于通用‘三坐标测量仪’，仅为其若干分之一。一台本发明‘袖珍三坐标测长仪’能测量各种传统单机‘测长仪器’的所有测量对象，按相应的测量软件运行，增加一个单机的测量对象，只需要增加一段测量软件，也就是说，用户可以根据被测对象编制测量软件，用户自己定义测量功能，扩展测量功能，成为‘虚拟测量仪器’(virtualinstrument)，资料介绍(搜索‘虚拟仪器VS传统仪器’)，‘虚拟仪器’是本世纪的发展方向，它必将替代相对应的‘传统单机仪器’。本发明‘袖珍三坐标测长仪’是更新换代各种传统单机‘测长仪器’性价比最高的坐标测量仪器。‘袖珍三坐标测长仪’配上或者不配微型CCD摄像头都可以是最完善的‘袖珍孔板测量仪’。对于孔板的综合参数(开孔直径dm，开孔圆度Dd，孔板厚度E，上游端面平面度P，上下游端面平行度DE，开孔圆筒部分长度e，上游端面与开孔圆筒边缘之间的锐度rk，表面粗糙度Ra)，‘袖珍三坐标测长仪’都可以以三坐标的形式自动测量它们，其中e、rk、Ra可以用扫描软件测量，也可以另配CCD微型摄像头和粗糙度头测量，两种孔板测量仪等效，都可谓‘袖珍孔板测量仪’。据说国外目前还没有这类孔板测量仪，它们仍然用分散单机在实验室测量，不能现场测量孔板。十多年前面世的便携式孔板测量仪，现在看出有四个弊病：1、X-轴测头和Z-轴测头两测杆是分离的而不是共用的，Z-轴测微仪与X-轴光栅没有偶联，X-轴测头也没有跟Z-轴测微仪相连接，x的坐标值没有相应的z值，z的坐标值也没有相应的x值，形成不了空间坐标值，不是空间测量，影响测量精度和效率；2、它测量孔板内径再测量外径时，要手动卸装X-轴测头，严重影响测量精度和效率；3、它的Z-轴测微仪没有双向恒定测力发出采样脉冲的功能，影响测量精度和效率；4、它测量e、rk专门制造的测量显微镜，制造成本高，手动测量，影响测量精度和效率。‘便携式孔板测量仪’的这四个弊病，现在‘袖珍孔板测量仪’全部克服了。按国际标准规定，石油天然气输送管道中使用的差压式流量计的节流孔板的综合参数，必须定期作例行检查，这就是‘孔板测量仪’的任务。

发明内容

本发明‘袖珍三坐标测长仪’，测量各种传统单机‘测长仪器’的测量对象，测量效果与通用‘三坐标测量仪’一样高精度、高效率；同时，它的成本、价格，体积、重量反而低于单机‘测长仪器’，更低于通用‘三坐标测量仪’，仅为其若干分之一。它是测量各种传统单机‘测长仪器’的测量对象的性价比最高的坐标测量仪器。如何实现这些特征呢?首先，坐标测量仪都要有测头(这里用接触式测头)，通用‘三坐标测量仪’有，‘袖珍三坐标测长仪’也要有。通用‘三坐标测量仪’的测头的测杆探测球，接触被测件时，受到以探测球为中心的任意辐射方向的测力达到设定值时，都会发出采样脉冲。这种测头相当完善，适合于通用‘三坐标测量仪’，但造价昂贵。而‘袖珍三坐标测长仪’的测头，根据它的测量对象，不用如此完善，经分析和实践证明，测头的探测球只需要在X-Z平面内相互垂直的两轴三向X+、X-、Z+探测被测工件，三个方向中任意一方向接触工件，达到设定测力时，该测头也会发出采样脉冲，这就够了。工作台的Y-轴、W-轴的移动量、转动量不用测头探测定位，用步进电机驱动，其位移量、转动量是计算机送数控制，其位移数字已在计算机内。这种X-Z测头是这样实现的：用一台具有双向测力恒定时发采样脉冲信号的Z-轴测微仪和一套由‘水平恒定测力筒’构成的X-轴恒定测力发采样脉冲的驱动机构，在X-Z平面内相互垂直耦合，两轴共用Z-轴测微仪的测杆，这就构成了本发明‘袖珍三坐标测量仪’X-Z测头，既保障有通用‘三坐标测量仪’测头的性能、作用，又使该测头成本降低到几十分之一。第二、通用‘三坐标测量仪’的X、Y、Z、W各轴都安装了价格昂贵的精密光栅传感器和旋转编码器，而‘袖珍三坐标测长仪’，只需要X、Z轴安装光栅传感器，而Y轴不用安装光栅传感器，W旋转方向不用安装旋转编码器，仅以步进电机代替了光栅传感器和旋转编码器以及直流电机的作用，既能按要求送数，也能驱动，同时也保证了与通用‘三坐标测量仪’安装的光栅传感器和旋转编码器相同的作用。这方面，成本也降低到几十分之一。第三、通用‘三坐标测量仪’的Y-轴和Z-轴的最大测量行程一般是相等而且接近X-轴的最大测量行程，如FD-S500型，Sy=Sz=400-Sx=500，其测量容积V=SxXSyXSz.‘袖珍三坐标测长仪’，根据它的测量对象，经过分析和实践证实，选择Y-轴最大测量行程Sy=5毫米，根据各规格而异，平均取X-轴最大测量行程Sx=300，Z-轴最大测量行程Sz=25，其测量容积仅为通用‘三坐标测量仪’的几百分之一，体积、重量、材料成本相应降低，‘袖珍三坐标测长仪’与通用‘三坐标测量仪’都有跟测量对象相适应的测量容积。第四、‘袖珍三坐标测长仪’使用的软件与通用‘三坐标测量仪’使用的软件大同小异，‘袖珍三坐标测长仪’的软件跟通用‘三坐标测量仪’软件，测相同对象时可以通用，‘袖珍三坐标测长仪’使用的软件可以跟通用‘三坐标测量仪’一样先进，并不因此增加‘袖珍三坐标测长仪’的成本，跟传统单机‘测长仪器’相比，取消了工作台的手动调整机构，倒反而更降低了成本。所以‘袖珍三坐标测长仪’保留通用‘三坐标测量仪’的特性，又根据‘袖珍三坐标测长仪’测量对象的特点，整合前述四方面的发明内容，在成本、价格，体积、重量诸方面优于各类传统单机‘测长仪器’，也优于通用‘三坐标测量仪’。用三坐标空间测量的方式测量单轴量，通过空间坐标值在计算机内的数据处理、显示，不管两轴线是否重合，都能高精度、高效率测量。本发明‘袖珍三坐标测长仪’可以由用户按需要自编测量软件，自定义测量功能，它是测量各类传统单机‘测长仪器’的测量对象的性价比最高的坐标测量仪器。再说孔板的综合参数完全可以用‘袖珍三坐标测长仪’作三坐标测量，其中的e、rk可以用扫描软件测量，也可以配用一台微型CCD摄像头来测量，两者是等效的，都是目前最完善的‘袖珍孔板测量仪’。

实施方式(通过附图加以说明)：

附图1是Z-轴双向测力恒定发出采样脉冲的测微仪的测杆示意图，当探测头1受到轴向双向测力时，信号电平从10号电线输出，外壳2与滑套6相互固定，2、6均为金属材料制成，而上下两个3号弹簧接头，固定在4号滑杆上，1是与外壳2连接在一起的探测头，当探头1受其轴向压力或拉力(即测力)时，滑套6在4号滑杆上滑动，同时外壳2在滑柱8上滑动，8号滑柱是绝缘材料制成，上下两组弹簧5分别受压和拉，直到外壳2与上电极9(受压)或下电极7(受拉)接触，电线10输出信号电平。接触头所受的力，即测力就是上下弹簧5受压受拉变形产生的力，弹簧变形的长度就是外壳2在滑柱8上向上或向下滑动，直到接触到上电极9或下电极7，外壳2所经历的距离d，弹簧受压、拉产生的力，即接触头上受到的测力F=2kd，k为弹性系数，接触头1上受到的测力达到设定值时，10号线发出采样电平信号。

附图2是Z-轴双向测力恒定发出采样脉冲的测微仪示意图，测杆1就是附图1所示的测杆，测杆上端与光栅尺主光栅5相连接，可以在滑轨2中上下移动，当直流电机驱动上滑轮8逆时针转动时，滑轮线牵引测杆1向下移动，探测头接触工件后，滑轮线还继续把测杆向下压，直到图1中的测杆外壳2接触到上电极9时电线10(图2的4)发出信号，通到电路板6，从而产生单脉冲11，同时光栅5输出位移数字12，这个脉冲便是测杆接触头在被测工件上产生恒定测力后出现的。这个单脉冲有四个作用：把当时的光栅数字采入计算机，使驱动直流马达停止并保持或反转，采样的声音警示9，采样的灯光警示10。当测杆反向运动时，达到恒定测力时也会产生单脉冲和光栅数字。

附图3是水平恒定测力筒的示意图，测量头可以固定在地电极筒7上，弹簧接头3(左右两头各一个)，固定在滑杆5两端，地电极筒7与滑套6固定，滑套6可以在滑杆5上左右滑动，左右两根弹簧8分别固定在左右弹簧接头3和滑套6上，当跟地电极筒连接的测量头受到向左的力时，滑套6向左移动，右边弹簧受拉，左边弹簧受压，直到地电极筒7接触到左电极9，电线输出信号电平，进入图2中4号位置，产生脉冲11，该脉冲的作用与图2中4产生的脉冲是同样的作用。正负电极间的静态距离设为d，左右弹簧受压(或拉)变形的长度也为d，测量头受的力，即测力F=2kd，k为弹簧的弹性系数。测量头反向运动时，同样的效果。

附图4所示为X-轴驱动组，该图是把附图3的水平恒定测力筒连接在X-轴驱动系统中，图中3就是附图3所示的水平恒定测力筒，1为从动轮，5为主动轮和驱动马达，4为驱动托板。工作时，3的地电极筒与图6的滑块2相连接。

附图5所示为光栅传感器的安装图，它是测头X-轴的测量标尺，读数头2和尺体3相对移动，读数头2连接在图6导轨的滑块2的上面，1为信号输出电缆，接入计算机接口箱。

附图6是滑动导轨安装图，1为导轨，2为滑块。

附图7是‘袖珍三坐标测长仪’的X-Y测头系统机构示意图，1，8是左右支架，2是附图5的光栅传感器的尺体，3就是图4的X-轴驱动系统的3水平恒定测力筒，7是图6的滑动导轨的导轨1，这三部件平行安装于左右支架1和8上，X-驱动系统的水平恒定测力筒3的地电极筒与导轨滑块后侧面连接，5是光栅传感器动尺头，它固定于导轨滑块的上面，4是Z-轴恒定测力测微仪，它与X-轴导轨相互垂直通过6安装于导轨滑块的前侧面。这时X-轴驱动马达转动，动滑轮牵动水平恒定测力筒，带动滑块和固定在上面的Z-轴测微仪以及光栅读数头在导轨7上滑动，光栅传感器有位移数字输出，测杆探测头如遇工件且测力达设定值，水平恒定测力筒发出采样信号电平，经Z-轴测微仪输出采样脉冲，将X、Y、Z、W的坐标值采入计算机，当X、Y、Z、W各轴同时运动时，测杆探测球在x+／x-／z+／z-四个方向的任意一个方向受到的测力达到设定值时，在图2的Z-轴测微仪的11号线输出采样脉冲，采集各轴数字，在计算机内形成测量点的坐标值(x，y，z，w)供数据处理和控制用。

图8是本发明‘袖珍三坐标测长仪’的系统示意图，左边是系统主机图，它由图7的X-Y测头机构3和基座4组成，基座4中有圆工作台，可以在步进电机的驱动下作360度旋转，也可以在步进电机的驱动下在Y-轴向定量移动，基座中还有吸附被测工件的微型抽气泵等。图8的1是计算机接口箱，2是计算机。

用本专利可以开发三类若干规格新仪器：1、袖珍三坐标测长仪；2袖珍孔板测量仪；3、双向测力恒定发采样信号的立式测微仪；4、双向测力恒定发采样信号的卧式探测仪。

Claims

1.本发明‘袖珍三坐标测长仪’，一种‘虚拟测长仪器’，用户可以自定义测长功能，它具有通用‘三坐标测量仪’的高精度、高效率测量的特性，同时它的成本、价格，体积、重量又远低于通用三坐标测量仪，也低于传统单机‘测长仪器’。它配上微型CCD摄像头构成‘袖珍孔板测量仪’。

2.‘权利1’所涉及的‘袖珍三坐标测长仪’，其主机是由X-Z测头和基座组成。

3.‘权利2’所涉及的‘X-Z测头’，是由双向测力达到恒定值时发出采样脉冲信号的‘Z-轴测微仪’和由水平恒定测力筒、光栅、导轨及直流马达组成的X-轴双向测力恒定时发采样脉冲的‘X-驱动机构’，在‘X-Z平面内相互垂直耦合，两轴共用Z-轴测微仪的测杆。测杆探测头在X+、X-、Z+的任意一个方向达到恒定测力即发出采样脉冲，该脉冲把各轴位移数字(即该点的三维空间坐标值)采入计算机按测量软件作数据处理，使驱动马达停止或者反向，声、光显示采样状况，这便是‘X-Z测头’。

4.‘权利3’所涉及的‘Z-轴测微仪’，双向测力达到设定值时，发出采样脉冲，该脉冲把当时的各轴的位移数字记入显示器或采入计算机，该脉冲还使驱动马达停止或反转，声、光提示采样状况。

5.‘权利3’所涉及的X-轴双向测力恒定发采样脉冲的X-轴驱动系统的水平恒定测力筒，测杆探测球在X-轴向产生正／负测力，达到设定值时发出采样脉冲，把当时各轴的位移数字记入显示器或采入计算机，该脉冲还使驱动马达停止或反转，声、光提示采样状况。