CN106352842B - 一种用于圆盘类零件平面度和平行度计量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于圆盘类零件平面度和平行度计量的装置，本发明基于极坐标系下的运动采点计量，极坐标系下的极径运动由气体静压直线导轨实现，极角运动由气体静压转台实现，导轨采用柔性连接器驱动提高运动精度，转台采用减薄设计提高装置稳定性，两者独立固定在基座上，构成精密极坐标系计量基准，避免复合运动耦合引入的计量误差，计量时工件置于气体静压转台上做旋转运动，位移传感器置于气体静压直线导轨做直线运动，位移传感器返回工件表面相对高度数据，经拟合计算获得工件平面度、平行度。本发明的结构简单、操作方便，适用于复杂工业环境下，现场计量圆盘类零件平面度、平行度。

Description

一种用于圆盘类零件平面度和平行度计量的装置

技术领域

本发明属于计量领域，具体涉及一种用于圆盘类零件平面度和平行度计量的装置。

背景技术

随着工业技术的发展，对于精密零件的需求越来越迫切，特别是盘类、回转类机械运动零部件。表征该类零件精度的常用指标是平面度、平行度。目前许多盘类零件的平面度、平行度计量依赖于三坐标测量机和激光干涉仪。

三坐标测量机在平面度、平行度测量中的使用最为广泛。三坐标测量机通过空间采点测量拟合工件表面形貌，能够适应绝大部分形位精度计量。但是由于其X、Y、Z三轴通过串联关系连接，导致误差传递和累积，因此其测量精度很难进一步提高，而且测量设备本身依靠精密光栅尺反馈数据，对安装环境温度和湿度均有较高的要求。

激光干涉仪能够胜任绝大部分精密平面测量，测量精度可达纳米级，并且是全域测量，测量结果更加客观，置信度更高。但是其测量范围受平晶大小限制，而大尺寸、高精度平晶一直是业界的瓶颈。同时激光干涉仪对环境湿度、温度和振动也都提出了很高的要求，使用、维护成本高，操作复杂，无法测量非透明零件的平行度，导致激光干涉仪一般只应用于特定的精密光学元件测量领域。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于圆盘类零件平面度和平行度计量的装置。本发明的结构简单、操作方便，适用于复杂工业环境下，现场计量圆盘类零件平面度、平行度。

本发明的用于圆盘类零件平面度和平行度计量的装置，其特点是，所述的装置包括基座、气体静压直线导轨单元、气体静压转台单元和位移传感器，其中，所述的气体静压直线导轨单元含有侧导轨条、上导轨条、载物板、连接板、滑块、柔性连接器和滚珠丝杠。气体静压转台单元含有壳体、上止推板、节流器、转子、下止推板、带轮Ⅰ、同步带和带轮Ⅱ。其连接关系是，所述的气体静压直线导轨单元、气体静压转台单元并列固定在基座上。位移传感器固定在气体静压直线导轨单元的载物板上。

所述的两条侧导轨条平行固定在基座上，两条上导轨条分别与侧导轨条对应设置，并固定连接在侧导轨条上。所述的侧导轨条与上导轨条之间构成“[ ]”型半封闭区，滑块置于“[ ]”型半封闭区内，位于基座的上表面。所述的滑块分别与基座上表面、上导轨条下表面、侧导轨条侧面滑动连接，滑块的四周与“[ ]”型半封闭区中间设置有间隙Ⅰ。所述的基座的表面开有凹槽，滚珠丝杠固定在凹槽的底部，滚珠丝杠上连接有柔性连接器，柔性连接器与滑块下表面固定连接，滚珠丝杠通过柔性连接器带动滑块滑动，用于滑块的定位与驱动。所述的滑块上表面与连接板固定连接，连接板上固定连接有载物板。

所述的转子的上、下表面平行，转子的上表面固定有圆形的上止推板，转子的下表面固定有圆形的下止推板，节流器固定在壳体内，转子穿过节流器的内孔，转子的外圆面与节流器的内孔面之间设置有间隙Ⅱ。所述的上止推板下表面与节流器的上表面之间，下止推板上表面与节流器的下表面之间均设置有间隙Ⅲ。所述的带轮Ⅰ与下止推板固定连接，伺服电机固定在壳体侧面，带轮Ⅱ与伺服电机转轴固定，同步带分别与带轮Ⅰ、带轮Ⅱ连接，同步带、带轮Ⅰ、带轮Ⅱ之间形成传动副，通过伺服电机的转轴带动下止推板、转子和上止推板的旋转。

所述的间隙Ⅰ、间隙Ⅱ和间隙Ⅲ为均匀间隙。所述的滑块中开有内部导气孔和节流孔，压缩空气通过滑块内部导气孔经过节流孔流出，在间隙Ⅰ中形成气膜用于支撑滑块的无摩擦滑移运动。所述的节流器中开有内部导气孔和节流孔，压缩空气通过节流器的内部导气孔经过节流孔流出，在间隙Ⅱ和间隙Ⅲ中形成气膜用于支撑下止推板、转子和上止推板的无摩擦旋转运动。

所述的连接板的上表面高于上导轨条的上表面。

所述的上止推板、节流器、转子、下止推板为同轴心设置。

所述的位移传感器为接触式位移传感器、非接触式位移传感器中的一种。

所述的基座材料采用花岗岩、铸铁或人造大理石中的一种。

本发明的用于圆盘类零件平面度和平行度计量的装置是基于极坐标系下的运动采点计量。极坐标系下的极径运动由气体静压直线导轨单元实现；极坐标系下的极角运动由气体静压转台单元实现。测量时工件置于气体静压转台，位移传感器置于导轨，两者保持相对独立，避免误差耦合影响。利用位移传感器获取工件表面形貌的相对高度数据，省去了绝对式长度基准，即光栅的应用。测量过程工件做回转运动，位移传感器保持静止，避免普通测量过程中位移传感器运动带来的回程差影响。

本发明的用于圆盘类零件平面度和平行度计量的装置采用气体静压支撑，无摩擦，无振动，同时能够均化结构件面形误差实现精密运动，气体静压直线导轨运动直线度0.5um/400mm，气体静压转台回转精度0.08um，端跳0.05um。其中滑块通过柔性连接器与滚珠丝杠连接，柔性连接器经过优化设计，在运动方向上具有高刚度，垂直于运动方向具有高柔性，从而避免滚珠丝杠精度影响气体静压直线导轨运动精度。气体静压转台结构经过减薄设计，径向采用单排小孔节流定心，外置伺服电机驱动，高度显著降低，提高了整个系统的稳定性。基于气体静压直线导轨和气体静压转台建立起的平面极坐标系具备高精度、高刚度特征。

本发明的有益效果是，本发明装置结构简单、操作方便，可用于圆盘类零件平面度和平行度的现场计量，能够适应复杂的工业现场环境，计量精度与普通三坐标测量机处于同等水平，适用于精度低于1.5um的计量场合。

附图说明

图1为本发明的用于圆盘类零件平面度和平行度计量的装置结构示意图；

图2为本发明中的气体静压转台单元结构示意图；

图中，1.基座 2.气体静压转台 3.侧导轨条 4.上导轨条 5.载物板 6.连接板 7.滑块 8.柔性连接器 9.滚珠丝杠 21.壳体 22.上止推板 23节流器 24.转子25.下止推板 26.伺服电机 27.带轮Ⅰ 28.同步带 29.带轮Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的详细描述：

实施例1

图1为本发明的用于圆盘类零件平面度和平行度计量的装置结构示意图，图2为本发明中的气体静压转台单元结构示意图。在图1、2中，本发明的一种用于圆盘类零件平面度和平行度计量的装置包括基座1、气体静压直线导轨单元、气体静压转台单元2和位移传感器，其中，所述的气体静压直线导轨单元含有侧导轨条3、上导轨条4、载物板5、连接板6、滑块7、柔性连接器8和滚珠丝杠9。气体静压转台单元2含有壳体21、上止推板22、节流器23、转子24、下止推板25、带轮Ⅰ27、同步带28和带轮Ⅱ29。其连接关系是，所述的气体静压直线导轨单元、气体静压转台单元2并列固定在基座1上。位移传感器固定在气体静压直线导轨单元的载物板5上。

所述的两条侧导轨条3平行固定在基座1上，两条上导轨条4分别与侧导轨条3对应设置，并固定连接在侧导轨条3上。所述的侧导轨条3与上导轨条4之间构成“[ ]”型半封闭区，滑块7置于“[ ]”型半封闭区内，位于基座1的上表面。所述的滑块7分别与基座1上表面、上导轨条4下表面、侧导轨条3侧面滑动连接，滑块7的四周与“[ ]”型半封闭区中间设置有间隙Ⅰ。所述的基座1的表面开有凹槽，滚珠丝杠9固定在凹槽的底部，滚珠丝杠9上连接有柔性连接器8，柔性连接器8与滑块7下表面固定连接，滚珠丝杠9通过柔性连接器8带动滑块7滑动，用于滑块7的定位与驱动。所述的滑块7上表面与连接板6固定连接，连接板6上固定连接有载物板5。

所述的转子24的上、下表面平行，转子24的上表面固定有圆形的上止推板22，转子24的下表面固定有圆形的下止推板25，节流器23固定在壳体21内，转子24穿过节流器23的内孔，转子24的外圆面与节流器23的内孔面之间设置有间隙Ⅱ。所述的上止推板22下表面与节流器23的上表面之间，下止推板25上表面与节流器23的下表面之间均设置有间隙Ⅲ。所述的带轮Ⅰ27与下止推板25固定连接，伺服电机26固定在壳体21侧面，带轮Ⅱ29与伺服电机26转轴固定，同步带28分别与带轮Ⅰ27、带轮Ⅱ29连接，同步带28、带轮Ⅰ27、带轮Ⅱ29之间形成传动副，通过伺服电机26的转轴带动下止推板25、转子24和上止推板22的旋转。

所述的间隙Ⅰ、间隙Ⅱ和间隙Ⅲ为均匀间隙。所述的滑块7中开有内部导气孔和节流孔，压缩空气通过滑块7内部导气孔经过节流孔流出，在间隙Ⅰ中形成气膜用于支撑滑块7的无摩擦滑移运动。所述的节流器23中开有内部导气孔和节流孔，压缩空气通过节流器23的内部导气孔经过节流孔流出，在间隙Ⅱ和间隙Ⅲ中形成气膜用于支撑下止推板25、转子24和上止推板22的无摩擦旋转运动。

所述的连接板6的上表面高于上导轨条4的上表面。

所述的上止推板22、节流器23、转子24、下止推板25为同轴心设置。

所述的位移传感器为接触式位移传感器、非接触式位移传感器中的一种。

所述的基座1材料采用花岗岩、铸铁或人造大理石中的一种。

本发明中的气体静压直线导轨单元的装配过程是：将侧导轨条3平行安装在基座1上表面，根据滑块7的宽度尺寸调整两个侧导轨条3之间的安装距离，控制滑块7居中时与侧导轨条3的单边间隙为0.012mm。将滚珠丝杠9与基座凹槽装配，调整滚珠丝杠9与基座1上表面的平行度，调整滚珠丝杠9与侧导轨条3侧面的平行度，均控制在0.1以内，完成气体静压直线导轨单元驱动部分装调。装配上导轨条4，在滑块7上安装气管通压缩空气，调整进气压强为0.4MPa，推动滑块7检查滑动是否顺畅，滚珠丝杠9与滑块7通过柔性连接器8进行连接，完成气体静压直线导轨单元装调。其余零件依次装配。

本发明中的气体静压转台单元的装配过程是：将节流器23与壳体21装配，通入压缩空气检查节流器上各小孔是否被堵塞，如果被堵塞，则用细针清理小孔。将上止推板22和转子24装配，放入节流器23内孔，翻转壳体1，装配下止推板25，螺钉把紧，该过程全程通压缩空气，由于翻转之前转子在轴向并未被完全约束，因此翻转过程注意采取措施避免转子滑落，检查下止推板25、转子24、上止推板22组成的转台动子部分旋转是否顺畅。其余零件依次装配。

本发明的工作流程是：将零件置于气体静压转台中央，将传感器安装在载物板5上，调整位移传感器位置，使位移传感器测头与工件上表面接触并通过转台中心，读取位移传感器测头相对零件中心距离r，控制气体静压转台2匀速旋转，同时读取气体静压转台转角a和位移传感器数值x，由此构成一个包含采样点位置坐标和相对高度差的三维数组（r，a，x），控制气体静压直线导轨运动，改变不同的r值，获得一系列同心圆上均匀分布的采样点数据，将包含位置坐标和表面相对高度差的数据拟合，获得零件表面的形貌，计算零件表面平面度，采样点越多，数据量越大，拟合之后的表面形貌越逼真，计算获得的平面度误差置信度越高。

本实施例中，待测件为一级平晶，直径ø180，材料为石英玻璃，第三方检定结果为平面度0.045um，平行度2um。

在滑块7中开有内部导气孔和节流孔，压缩空气通过滑块7内部导气孔经过节流孔流出，在间隙Ⅰ中形成气膜，支撑滑块7沿进行无摩擦滑移运动。在节流器23中开有内部导气孔和节流孔，压缩空气通过节流器23内部导气孔经过节流孔流出，在间隙Ⅱ和间隙Ⅲ中形成气膜，支撑下止推板25、转子24和上止推板22进行无摩擦旋转运动。

所述的位移传感器采用瑞士TESA精密电容位移传感器。

所述的基座1的材料采用花岗岩。

待测件测量的平面度结果为0.75um。

实施例2

本实施例与实施例1基本结构相同，不同之处是所述的位移传感器为两只，相对安装，一只与零件上表面接触，读数为x1，另一只与零件下表面接触，读数为x2，获得的包含采样点位置坐标和零件表面数据构成四维数组（r，a，x1，x2），通过计算获得平行度误差。

所述的位移传感器采用瑞士TESA精密电容位移传感器。

所述的基座1的材料采用大理石。

待测件测量的平行度结果为2.5um。

本发明不局限于上述具体实施方式，所属技术领域的技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所作出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于圆盘类零件平面度和平行度计量的装置，其特征在于：所述的装置包括基座（1）、气体静压直线导轨单元、气体静压转台单元（2）和位移传感器，其中，所述的气体静压直线导轨单元含有侧导轨条（3）、上导轨条（4）、载物板（5）、连接板（6）、滑块（7）、柔性连接器（8）和滚珠丝杠（9）；气体静压转台单元（2）含有壳体（21）、上止推板（22）、节流器（23）、转子（24）、下止推板（25）、带轮Ⅰ（27）、同步带（28）和带轮Ⅱ（29）；其连接关系是，所述的气体静压直线导轨单元、气体静压转台单元（2）并列固定在基座（1）上；位移传感器固定在气体静压直线导轨单元的载物板（5）上；

所述的两条侧导轨条（3）平行固定在基座（1）上，两条上导轨条（4）分别与侧导轨条（3）对应设置，并固定连接在侧导轨条（3）上；所述的侧导轨条（3）与上导轨条（4）之间构成“[ ]”型半封闭区，滑块（7）置于“[ ]”型半封闭区内，位于基座（1）的上表面；所述的滑块（7）分别与基座（1）上表面、上导轨条（4）下表面、侧导轨条（3）侧面滑动连接，滑块（7）的四周与“[ ]”型半封闭区中间设置有间隙Ⅰ；所述的基座（1）的表面开有凹槽，滚珠丝杠（9）固定在凹槽的底部，滚珠丝杠（9）上连接有柔性连接器（8），柔性连接器（8）与滑块（7）下表面固定连接，滚珠丝杠（9）通过柔性连接器（8）带动滑块（7）滑动，用于滑块（7）的定位与驱动；所述的滑块（7）上表面与连接板（6）固定连接，连接板（6）上固定连接有载物板（5）；

所述的转子（24）的上、下表面平行，转子（24）的上表面固定有圆形的上止推板（22），转子（24）的下表面固定有圆形的下止推板（25），节流器（23）固定在壳体（21）内，转子（24）穿过节流器（23）的内孔，转子（24）的外圆面与节流器（23）的内孔面之间设置有间隙Ⅱ；所述的上止推板（22）下表面与节流器（23）的上表面之间，下止推板（25）上表面与节流器（23）的下表面之间均设置有间隙Ⅲ；所述的带轮Ⅰ（27）与下止推板（25）固定连接，伺服电机（26）固定在壳体（21）侧面，带轮Ⅱ（29）与伺服电机（26）转轴固定，同步带（28）分别与带轮Ⅰ（27）、带轮Ⅱ（29）连接，同步带（28）、带轮Ⅰ（27）、带轮Ⅱ（29）之间形成传动副，通过伺服电机（26）的转轴带动下止推板（25）、转子（24）和上止推板（22）的旋转；

测量平面度时，将待测的零件置于气体静压转台（2）中央，传感器安装在载物板（5）上，调整位移传感器位置，使位移传感器测头与零件上表面接触并通过气体静压转台（2）中心，读取位移传感器测头相对零件中心距离r，控制气体静压转台（2）匀速旋转，同时读取气体静压转台（2）转角a和位移传感器数值x，由此构成一个包含采样点位置坐标和相对高度差的三维数组（r，a，x），控制气体静压直线导轨运动，改变不同的r值，获得一系列同心圆上均匀分布的采样点数据，将包含位置坐标和表面相对高度差的数据拟合，获得零件表面的形貌，计算零件表面平面度；

测量平行度时，位移传感器为两只，相对安装，一只与零件上表面接触，读数为x1，另一只与零件下表面接触，读数为x2，获得的包含采样点位置坐标和零件表面数据构成四维数组（r，a，x1，x2），通过计算获得平行度。

2.根据权利要求1所述的一种用于圆盘类零件平面度和平行度计量的装置，其特征在于：所述的滑块（7）中开有内部导气孔和节流孔，压缩空气通过滑块（7）内部导气孔经过节流孔流出，在间隙Ⅰ中形成气膜用于支撑滑块（7）的无摩擦滑移；所述的节流器（23）中开有内部导气孔和节流孔，压缩空气通过节流器（23）的内部导气孔经过节流孔流出，在间隙Ⅱ和间隙Ⅲ中形成气膜用于支撑下止推板（25）、转子（24）和上止推板（22）的无摩擦旋转。

3.根据权利要求1所述的一种用于圆盘类零件平面度和平行度计量的装置，其特征在于：所述的连接板（6）的上表面高于上导轨条（4）的上表面。

4.根据权利要求1所述的一种用于圆盘类零件平面度和平行度计量的装置，其特征在于：所述的上止推板（22）、节流器（23）、转子（24）、下止推板（25）为同轴心设置。

5.根据权利要求1所述的一种用于圆盘类零件平面度和平行度计量的装置，其特征在于：所述的位移传感器为接触式位移传感器、非接触式位移传感器中的一种。

6.根据权利要求1所述的一种用于圆盘类零件平面度和平行度计量的装置，其特征在于：所述的基座（1）材料采用花岗岩、铸铁或人造大理石中的一种。