CN104634255A - 一种用于步距规测量的非接触式测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于步距规测量的非接触式测量装置，属于测量技术领域。基体9固定在水平面上，导轨6固定安装于基体9的上表面；工作台8安装于导轨6上；位移机构10的一端固定于基体9上，另一端固定于工作台8上；调整机构5固定于工作台8上，并位于导轨6的正上方，调整机构5的轴线与导轨6平行。激光器1固定在基体9上表面上，其光轴与导轨6平行；桥框7固定于基体9上表面上，并跨在导轨6的两侧；瞄准定位系统2固定于桥框7上。环境传感器3固定于激光器1与被测物步距规40之间一位置。材料传感器11固定于被测物步距规40上。本发明可准确测步距规的工作长度，采用非接触测量，测量值可溯源，测量数据准确可靠。

Description

一种用于步距规测量的非接触式测量装置

技术领域

本发明涉及一种用于步距规测量的非接触式测量装置，属于测量技术领域。

背景技术

步距规，也叫节距规，阶梯规，英文名称为：step gage。它是一种实物标准器，由若干精密的量块直线排列，永久固定于一个坚固的框架中，框架表面进行喷塑或镀层保护处理，可用于检测机床工作台移动精度和校准三坐标测量机示值误差，便于调整机床以补偿误差，提高设备定位精度；也可满足测高仪、千分尺、卡尺等(仪器)万能量具的高效校准需求。

步距规的应用在国外相对成熟，我国近十年来引进了大量的步距规，大部分用于坐标测量机的校准和数控机床的检测。目前国内也已经有生产步距规的厂家，关于步距规生产的国家标准以及关于步距规校准的国家技术规范都已出版。

目前，德国、日本、韩国等国家都已研制建立了步距规校准装置，通常采用在坐标测量机上接触式的测量方法，但成本较高。也有采用量块比较测量的方法进行校准的，但是由于步距规尺寸链太多，无法做到每个尺寸值都校准，并且由于手工比较测量，定位不准确，也影响了校准的准确度。在我国，步距规已经广泛应用，在步距规的校准方法上也进行积极的探索，但是基本上也还是采用坐标测量机上直接测量和与量块比较测量的方法进行校准。因为国防系统的特殊需求，相对其它行业而言步距规的应用具有范围广，精度要求高的特点，中航工业北京长城计量测试技术研究所早在十多年前已经开展步距规的校准工作，同时对步距规的校准技术进行研究。在应用接触法对步距规进行校准的时候发现，由于机械加工技术的进步，坐标测量机的精度日益提高，然而由于测头的定位精度具有不可逾越的局限性，使得应用接触法进行步距规的校准很难有所突破，难以达到量值传递的需求，因此在利用非接触式(光电显微镜)进行瞄准定位方面进行了一些探索和研究。

发明内容

本发明的目的是为了克服针对步距规的接触式测量方法存在的问题，提出一种用于步距规测量的非接触式测量装置。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明是一种用于步距规测量的非接触式测量装置，其特征在于：其包括：激光器(1)、瞄准定位系统(2)、环境传感器(3)、控制系统(4)、调整机构(5)、导轨(6)、桥框(7)、工作台(8)、基体(9)、位移机构(10)和材料传感器(11)。

激光器(1)的作用是：测量被测物步距规(40)的测量端面与激光器(1)之间的相对距离，称为测量距离。

瞄准定位系统(2)的作用是：瞄准被测物步距规(40)的测量端面。

环境传感器(3)的作用是：监测所述用于步距规测量的非接触式测量装置的环境温度、湿度和压力，并将各测量值输出至控制系统(4)。

材料传感器(11)的作用是：监测被测物步距规(40)的温度，并将测量值输出至控制系统(4)。

控制系统(4)的功能是：①接收激光器(1)测量得到的测量距离数据；②接收环境传感器(3)发送来的环境温度、湿度和压力数据；③接收材料传感器(11)发送来的被测物步距规(40)的温度数据；④向位移机构(10)发送移动指令和停止指令。⑤根据环境传感器(3)发送来的环境温度、湿度、压力以及被测物步距规(40)的温度数据对激光器(1)发送来的测量距离进行修正，得到修正测量值。

调整机构(5)的作用是：调整被测物步距规(40)的测量轴线导轨(6)平行，并与激光器(1)的光轴重合。

位移机构(10)的作用是：推动工作台(8)在导轨(6)上运动。

所述基体(9)采用大理石材料。

所述导轨(6)采用空气静压导轨。

所述系统各部件的连接关系为：

基体(9)固定在水平面上，导轨(6)固定安装于基体(9)的上表面；工作台(8)安装于导轨(6)上，工作台(8)可沿导轨(6)运动；位移机构(10)的一个端面固定于基体(9)上，另一个端面固定于工作台(8)上；调整机构(5)固定于工作台(8)上，并位于导轨(6)的正上方，调整机构(5)的轴线与导轨(6)平行。测量时，被测物步距规(40)固定安装于调整机构(5)的上表面；材料传感器(11)固定于被测物步距规(40)上。

激光器(1)固定在基体(9)上表面上，其光轴与导轨(6)平行；桥框(7)为桥型结构，其固定于基体(9)上表面上，并跨在导轨(6)的两侧；瞄准定位系统(2)固定于桥框(7)上，并且当调整机构(5)和被测物步距规(40)在导轨(6)上移动时，瞄准定位系统(2)能够瞄准被测物步距规(40)的各测量端面。

环境传感器(3)固定于激光器(1)与被测物步距规(40)之间一位置。

所述用于步距规测量的非接触式测量装置的工作过程为：

步骤0：设置符号i为一变量，并设置其初始值为1，i∈[1,N]，N为被测物步距规(40)的测量端面的数量。

步骤1：利用调整机构(5)调整被测物步距规(40)的测量轴线与导轨(6)平行，并与激光器(1)的光轴重合。

步骤2：控制系统(4)向位移机构(10)发送移动指令。

步骤3：位移机构(10)接收到移动指令后，推动工作台(8)在导轨(6)上，向瞄准定位系统(2)的方向运动。

步骤4：当被测物步距规(40)的第i个测量端面到达瞄准定位系统(2)的瞄准位置时，瞄准定位系统(2)产生瞄准信号，并将瞄准信号发送至激光器(1)；激光器(1)接收到瞄准信号，记录当前测量距离，并将其发送给控制系统(4)；控制系统(4)采集环境传感器(3)和材料传感器(11)的实时数据。

所述实时数据包括环境温度、湿度、压力以及被测物步距规(40)的温度。

步骤5：控制系统(4)根据环境传感器(3)发送来的环境温度、湿度、压力以及材料传感器(11)发送来的被测物步距规(40)的温度数据对激光器(1)发送来的当前测量距离进行修正，得到当前修正测量值。

步骤6：变量i的值自增1，同时位移机构(10)继续推动工作台(8)在导轨(6)上，向瞄准定位系统(2)的方向运动，重复步骤4至步骤6的操作，直到瞄准定位系统(2)瞄准完成被测物步距规(40)的所有端面，控制系统(4)向位移机构(10)发送停止指令。

步骤7：位移机构(10)接收到停止指令后，终止操作。

经过上述步骤的操作，使用所述用于步距规测量的非接触式测量装置完成对被测物步距规(40)的所有测量端面的非接触式测量。

有益效果

本发明提出的用于步距规测量的非接触式测量装置与已有针对步距规的接触式测量方法相比较，具有如下优点：

①实时采集环境参数和步距规的温度信息，提高了测量精度。

②实现了步距规的非接触测量只需要一个运动轴，相对于接触式测量至少需要两个运动轴，简化了机械结构，同时提高了测量精度。

③测量过程实现自动测量，减少了环境对测量的影响，提高了工作效率。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中用于步距规测量的非接触式测量装置的结构的示意图；

图2为本发明具体实施方式中图1中所述用于步距规测量的非接触式测量装置在移除位移机构(10)以后的右视图(其不包含)；

其中，1-激光器、2-瞄准定位系统、3-环境传感器、4-控制系统、5-调整机构、6-导轨、7-桥框、8-工作台、9-基体、10-位移机构、11-材料传感器、12-第1测量端面、13-第2测量端面、14-第3测量端面、15-第4测量端面、16-第5测量端面、17-第6测量端面、18-第7测量端面、19-第8测量端面、40-被测物步距规。

具体实施方式

下面通过附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细描述。

本实施例中的用于步距规测量的非接触式测量装置，其结构如图1所示，其包括：激光器1、瞄准定位系统2、环境传感器3、控制系统4、调整机构5、导轨6、桥框7、工作台8、基体9、位移机构10和材料传感器11。

激光器1的作用是：测量被测物步距规40的测量端面与激光器1之间的相对距离，称为测量距离。激光器1采用稳频633nm的He-Ne激光波长作为长度测量基准。

瞄准定位系统2的作用是：瞄准被测物步距规40的测量端面。瞄准定位系统2采用光电显微镜，其瞄准重复性为20nm。

环境传感器3的作用是：监测所述用于步距规测量的非接触式测量装置的环境温度、湿度和压力，并将各测量值输出至控制系统4。

材料传感器11的作用是：监测被测物步距规40的温度，并将测量值输出至控制系统4。

控制系统4的功能是：①接收激光器1测量得到的测量距离数据；②接收环境传感器3发送来的环境温度、湿度和压力数据；③接收材料传感器11发送来的被测物步距规40的温度数据；④向位移机构10发送移动指令和停止指令。⑤根据环境传感器3发送来的环境温度、湿度、压力以及被测物步距规40的温度数据对激光器1发送来的测量距离进行修正，得到修正测量值。

调整机构5的作用是：调整被测物步距规40的测量轴线导轨6平行，并与激光器1的光轴重合。

位移机构10的作用是：推动工作台8在导轨6上运动。

基体9采用大理石材料；导轨6采用空气静压导轨。

基体9固定在水平面上，导轨6固定安装于基体9的上表面；工作台8安装于导轨6上，工作台8可沿导轨6运动；位移机构10的一个端面固定于基体9上，另一个端面固定于工作台8上；调整机构5固定于工作台8上，并位于导轨6的正上方，调整机构5的轴线与导轨6平行。测量时，被测物步距规40固定安装于调整机构5的上表面；材料传感器11固定于被测物步距规40上。

激光器1固定在基体9上表面上，其光轴与导轨6平行；桥框7为桥型结构，其固定于基体9上表面上，并跨在导轨6的两侧；瞄准定位系统2固定于桥框7上，并且当调整机构5和被测物步距规40在导轨6上移动时，瞄准定位系统2能够瞄准被测物步距规40的各测量端面。

环境传感器3固定于激光器1与被测物步距规40之间一位置。

所述用于步距规测量的非接触式测量装置的工作过程为：

步骤0：设置符号i为一变量，并设置其初始值为1，i∈[1,8]。

步骤1：利用调整机构5调整被测物步距规40的测量轴线与导轨6平行，并与激光器1的光轴重合。

步骤2：控制系统4向位移机构10发送移动指令。

步骤3：位移机构10接收到移动指令后，推动工作台8在导轨6上，向瞄准定位系统2的方向运动。

步骤4：当被测物步距规40的第i个测量端面到达瞄准定位系统2的瞄准位置时，瞄准定位系统2产生瞄准信号，并将瞄准信号发送至激光器1；激光器1接收到瞄准信号，记录当前测量距离，并将其发送给控制系统4；控制系统4采集环境传感器3和材料传感器11的实时数据。

所述实时数据包括环境温度、湿度、压力以及被测物步距规40的温度。

步骤5：控制系统4根据环境传感器3发送来的环境温度、湿度、压力以及材料传感器11发送来的被测物步距规40的温度数据对激光器1发送来的当前测量距离进行修正，得到当前修正测量值。

步骤6：变量i的值自增1，同时位移机构10继续推动工作台8在导轨6上，向瞄准定位系统2的方向运动，重复步骤4至步骤6的操作，直到瞄准定位系统2瞄准完成被测物步距规40的所有端面，控制系统4向位移机构10发送停止指令。

步骤7：位移机构10接收到停止指令后，终止操作。

经过上述步骤的操作，使用所述用于步距规测量的非接触式测量装置完成对被测物步距规40的所有测量端面的非接触式测量。

以上所述本发明仅为本发明的较佳实例，并不用以限制本发明。凡是在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于步距规测量的非接触式测量装置，其特征在于：其包括：激光器(1)、瞄准定位系统(2)、环境传感器(3)、控制系统(4)、调整机构(5)、导轨(6)、桥框(7)、工作台(8)、基体(9)、位移机构(10)和材料传感器(11)；

基体(9)固定在水平面上，导轨(6)固定安装于基体(9)的上表面；工作台(8)安装于导轨(6)上，工作台(8)可沿导轨(6)运动；位移机构(10)的一个端面固定于基体(9)上，另一个端面固定于工作台(8)上；调整机构(5)固定于工作台(8)上，并位于导轨(6)的正上方，调整机构(5)的轴线与导轨(6)平行；测量时，被测物步距规(40)固定安装于调整机构(5)的上表面；材料传感器(11)固定于被测物步距规(40)上；

激光器(1)固定在基体(9)上表面上，其光轴与导轨(6)平行；桥框(7)为桥型结构，其固定于基体(9)上表面上，并跨在导轨(6)的两侧；瞄准定位系统(2)固定于桥框(7)上，并且当调整机构(5)和被测物步距规(40)在导轨(6)上移动时，瞄准定位系统(2)能够瞄准被测物步距规(40)的各测量端面；

环境传感器(3)固定于激光器(1)与被测物步距规(40)之间一位置。

2.如权利要求1所述的一种用于步距规测量的非接触式测量装置，其特征在于：激光器(1)的作用是：测量被测物步距规(40)的测量端面与激光器(1)之间的相对距离，称为测量距离。

3.如权利要求1或2所述的一种用于步距规测量的非接触式测量装置，其特征在于：瞄准定位系统(2)的作用是：瞄准被测物步距规(40)的测量端面。

4.如权利要求1或2所述的一种用于步距规测量的非接触式测量装置，其特征在于：环境传感器(3)的作用是：监测所述用于步距规测量的非接触式测量装置的环境温度、湿度和压力，并将各测量值输出至控制系统(4)；材料传感器(11)的作用是：监测被测物步距规(40)的温度，并将测量值输出至控制系统(4)。

5.如权利要求1或2所述的一种用于步距规测量的非接触式测量装置，其特征在于：控制系统(4)的功能是：①接收激光器(1)测量得到的测量距离数据；②接收环境传感器(3)发送来的环境温度、湿度和压力数据；③接收材料传感器(11)发送来的被测物步距规(40)的温度数据；④向位移机构(10)发送移动指令和停止指令；⑤根据环境传感器(3)发送来的环境温度、湿度、压力以及被测物步距规(40)的温度数据对激光器(1)发送来的测量距离进行修正，得到修正测量值。

6.如权利要求1或2所述的一种用于步距规测量的非接触式测量装置，其特征在于：调整机构(5)的作用是：调整被测物步距规(40)的测量轴线导轨(6)平行，并与激光器(1)的光轴重合。

7.如权利要求1或2所述的一种用于步距规测量的非接触式测量装置，其特征在于：位移机构(10)的作用是：推动工作台(8)在导轨(6)上运动。

8.如权利要求1或2所述的一种用于步距规测量的非接触式测量装置，其特征在于：所述基体(9)采用大理石材料。

9.如权利要求1或2所述的一种用于步距规测量的非接触式测量装置，其特征在于：所述导轨(6)采用空气静压导轨。

10.如权利要求1或2所述的一种用于步距规测量的非接触式测量装置，其特征在于：其工作过程为：

步骤0：设置符号i为一变量，并设置其初始值为1，i∈[1,N]，N为被测物步距规(40)的测量端面的数量；

步骤1：利用调整机构(5)调整被测物步距规(40)的测量轴线与导轨(6)平行，并与激光器(1)的光轴重合；

步骤2：控制系统(4)向位移机构(10)发送移动指令；

步骤3：位移机构(10)接收到移动指令后，推动工作台(8)在导轨(6)上，向瞄准定位系统(2)的方向运动；

步骤4：当被测物步距规(40)的第i个测量端面到达瞄准定位系统(2)的瞄准位置时，瞄准定位系统(2)产生瞄准信号，并将瞄准信号发送至激光器(1)；激光器(1)接收到瞄准信号，记录当前测量距离，并将其发送给控制系统(4)；控制系统(4)采集环境传感器(3)和材料传感器(11)的实时数据；

所述实时数据包括环境温度、湿度、压力以及被测物步距规(40)的温度；

步骤5：控制系统(4)根据环境传感器(3)发送来的环境温度、湿度、压力以及材料传感器(11)发送来的被测物步距规(40)的温度数据对激光器(1)发送来的当前测量距离进行修正，得到当前修正测量值；

步骤6：变量i的值自增1，同时位移机构(10)继续推动工作台(8)在导轨(6)上，向瞄准定位系统(2)的方向运动，重复步骤4至步骤6的操作，直到瞄准定位系统(2)瞄准完成被测物步距规(40)的所有端面，控制系统(4)向位移机构(10)发送停止指令；

步骤7：位移机构(10)接收到停止指令后，终止操作；

经过上述步骤的操作，使用所述用于步距规测量的非接触式测量装置完成对被测物步距规(40)的所有测量端面的非接触式测量。