CN106989698B - 一种便携式高精度同轴度测量装置 - Google Patents

Abstract

一种便携式高精度同轴度测量装置，包括：液压胀紧基准夹具(1)、激光准直光管(2)、定心盘(3)和定心球体(4)；液压胀紧基准夹具(1)位于上方待测筒体(6)内壁，液压胀紧基准夹具(1)夹住激光准直光管(2)，光源组件(2‑11)发射的光线从定心球体结构(4‑1)的入射窗照射到定心球体(4)的光斑位置敏感器(4‑2)上，定心球体(4)安装在定心盘(3)中部。本发明适用于中小型筒体式产品之间的高精度同轴度测量，设备体积小，当筒体式产品周围视场不佳的条件下也可便捷使用。

Description

一种便携式高精度同轴度测量装置

技术领域

本发明涉及一种同轴度测量装置。

背景技术

在工业应用领域，常常需要精确测量和调整2个筒体式产品之间的同轴度。

假设两个备测筒体产品处于上下位置，如图1所示，建立坐标系，以下方待测筒体5轴线d方向为x1轴，x1轴线上某个点为坐标原点o1，y1轴和z1轴为垂直于x1轴的平面内相互垂直的两个方向，并且均通过o1点，x1、y1、z1方向符合右手定则；以上方待测筒体6轴线b方向为x2轴，x2轴线上某个点为坐标原点o2，y2轴和z2轴为垂直于x2轴的平面内相互垂直的两个方向，并且均通过o2点，x2、y2、z2方向符合右手定则。x2轴与y1o1z1平面的交点为I1，x1轴与y2o2z2平面的交点为I2。下方待测筒体5的内径为φ1，上方待测筒体6的内径为φ2。

在工程应用中，可以把max{|I1|,|I2|}定义为上下两个筒体式产品之间的同轴度。

一般情况下，使用三坐标测量仪、激光跟踪仪、经纬仪等仪器设备实现产品之间的同轴度测量。在三坐标测量仪工作过程中，需要将被测产品放置在特定的测量平台上，不适合复杂产品在集成总装过程中的测量需求。在激光跟踪仪或经纬仪工作过程中，需要被测产品处于较好的视场内，并且需要在合适的距离上具有用于放置激光跟踪仪或经纬仪的稳定平台。

当在一个复杂产品的集成总装过程中，且被测的对象所处的位置的可视视场不佳时，不适合使用上述常规测量设备。即使通过建设特定的稳定平台，当被测对象需要在集成测试过程中进行多次拆装时，使用常规测量设备将会带来大量的成本代价、人工代价和时间代价。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明公开一种便携式高精度同轴度测量装置，解决了复杂产品集成装配和测试中便捷快速的筒体同轴度精测问题。本发明为一个便携式的高精度同轴度测量装置，设备体积小，当筒体式产品周围视场不佳的条件下也可便捷使用。

本发明所采用的技术方案是：一种便携式高精度同轴度测量装置，包括：液压胀紧基准夹具、激光准直光管、定心盘和定心球体；激光准直光管包括电气开关端盖、电气舱、电气绝缘衬套、电池、弹簧端板、弹簧、主镜管、光源组件、径向位置调节件、主光阑、光阑压紧环、主镜管端盖；电气舱一端安装电气开关端盖，另一端插入主镜管一端并与主镜管端部固定；电气绝缘衬套安装在电气舱内，电池安装在电气绝缘衬套内；光源组件安装在主镜管内，弹簧端板为法兰结构，弹簧端板的法兰盘抵靠电气舱插入主镜管的端部，弹簧两端分别与弹簧端板的法兰盘、光源组件外壁的台阶结构相连；主镜管未连接电气舱一端从端部开始依次安装主镜管端盖、光阑压紧环、主光阑；主光阑与光源组件的光线出射端通过主镜管内的隔板结构隔开，隔板中心有通孔；径向位置调节件安装在主镜管管壁上、端部抵在光源组件外壁上，通过调节径向位置调节件调整光源组件的径向位置；定心盘包括定心盘体结构、球体定位座；定心盘体结构为盆状结构，球体定位座为法兰结构，通过法兰盘与定心盘体结构中心处安装孔边缘固定；定心球体包括定心球体结构、光斑位置敏感器；定心球体结构为球形，光斑位置敏感器安装在定心球体结构内；定心盘体结构的平直唇口与下方待测筒体的顶环面接触，定心球体安装在球体定位座上；液压胀紧基准夹具位于上方待测筒体内壁，液压胀紧基准夹具夹住激光准直光管，光源组件发射的光线从定心球体结构的入射窗照射到光斑位置敏感器上。

所述液压胀紧基准夹具包括顶端盖板、内膨胀套、夹具体、外膨胀套、加压柱塞、底端盖板、外膨胀加压螺钉、内膨胀加压螺钉；内膨胀套安装在外膨胀套内，与外膨胀套同轴；顶端盖板、底端盖板分别安装在内膨胀套、外膨胀套两端，与内膨胀套、外膨胀套形成膨胀油腔；夹具体安装在膨胀油腔内，与顶端盖板之间固定连接；夹具体一端、沿轴向在环形侧壁上开有加压油腔，各加压油腔沿夹具体周向分布，加压油腔底部与膨胀油腔间有通孔实现连通；加压油腔内安装加压柱塞，外膨胀加压螺钉、内膨胀加压螺钉分别穿过底端盖板顶住加压柱塞一端。

所述光源组件包括发散角调整垫片、透镜、主结构、发光器；主结构包括三段圆筒，三段圆筒直径依次增大，发光器安装在主结构直径最小段圆筒内，发散角调整垫片安装在主结构直径最大段圆筒端部，透镜安装在主结构直径最大段圆筒内、贴近发散角调整垫片，发光器发射的光线通过透镜出射。

所述径向位置调节件包括调整顶销、双螺纹调整套，各双螺纹调整套安装在主镜管管壁上的安装孔内，沿主镜管管壁的周向均匀分布，每个双螺纹调整套与一个调整顶销配合；调整顶销沿主镜管径向，一端安装在双螺纹调整套内，另一端抵在主结构外壁上，通过调节双螺纹调整套、调整顶销能够调节光源组件的径向位置。

所述径向位置调节件共八组，主结构直径最大段圆筒两端分别分布四组。

所述激光准直光管还包括O形密封圈、接线垫片；电气开关端盖与电气舱之间通过O形密封圈进行密封，电气舱与主镜管之间安装接线垫片。

所述夹具体与外膨胀套之间密封，加压柱塞未与外膨胀加压螺钉接触的一端与加压油腔侧壁之间密封。

所述光斑位置敏感器采用二维PSD器件。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提出的便携式高精度同轴度测量装置具有优于Φ0.1mm的测量能力，适合于筒体式产品之间的同轴度测量，尤其适合用于复杂产品集成总装过程，且被测的对象所处位置可视视场不佳状态下的筒体式产品之间同轴度测量。

(2)本发明中的液压胀紧基准夹具可以复制其中一个筒体产品轴线，他由两套完全独立的液压胀紧机构组成。外胀紧机构用于该夹具与筒体内壁结合，内胀紧机构用于该夹具夹持激光准直光管。两套胀紧机构的工作压力一致，方便密封件选型、零件制造和装配调试。

(3)本发明中的激光准直光管由主镜管、激光光源、光束准直调整机构、光束倾角调整机构、光束位置调整机构等部分构成。主镜管，与液压胀紧基准夹具的内孔相吻合，以便准直光管发出的激光束高精度地等效筒体内壁的轴线。通过装调应将光束光轴对主镜管机械轴线的重合度调整到3μm以内。

附图说明

图1为两筒体产品的同轴度描述示意图；

图2为本发明便携式高精度同轴度测量装置工作状态示意图；

图3为本发明液压胀紧基准夹具组成结构图；

图4(a)为本发明激光准直光管结构图；

图4(b)为图4(a)中A位置的截面图；

图5为本发明两透镜组成的光源组件结构图；

图6为本发明激光束发散角调整原理图；

图7为本发明光束倾角调整原理图；

图8为本发明光束与主镜管平行度的测量原理图；

图9为本发明光束与主镜管位置度的测量原理图；

图10为本发明密封容器刃口圆心定位工装结构图。

具体实施方式

1)总体组成

本发明采用激光工具(LT，laser tooling)方法，用一条高度准直的激光束“复制”筒体内壁轴线、用自动敏感光斑位置的PSD器件测量交点I1和I2的位置(PSD：PositionSensitive Detector，位置敏感探测器)。该装置由：液压胀紧基准夹具1、激光准直光管2、定心盘3、定心球4组成，如图2所示。

本发明提出的便携式高精度同轴度测量装置具有优于Φ0.1mm的测量能力。

2)液压膨胀基准夹具1

产品筒体轴线是测量装置高精度复制的基准要素之一。本发明采用一条高度准直的激光束“复制”产品筒体的轴线。

如图3所示，液压胀紧基准夹具1包括顶端盖板1-1、内膨胀套1-2、夹具体1-3、外膨胀套1-4；加压油腔1-5、膨胀油腔1-6、加压柱塞1-7、底端盖板1-8、外膨胀加压螺钉1-9、内膨胀加压螺钉1-10，详细组成如图3所示。内膨胀套1-2安装在外膨胀套1-4内，与外膨胀套1-4同轴；顶端盖板1-1、底端盖板1-8分别安装在内膨胀套1-2、外膨胀套1-4两端，与内膨胀套1-2、外膨胀套1-4形成膨胀油腔1-6；夹具体1-3安装在膨胀油腔1-6内，与顶端盖板1-1之间固定连接；夹具体1-3一端、沿轴向在环形侧壁上开有加压油腔1-5，各加压油腔1-5沿夹具体1-3周向分布，加压油腔1-5底部与膨胀油腔1-6间有通孔实现连通；加压油腔1-5内安装加压柱塞1-7，外膨胀加压螺钉1-9、内膨胀加压螺钉1-10分别穿过底端盖板1-8顶住加压柱塞1-7一端，安装内膨胀加压螺钉1-10的加压油腔1-5底部与内膨胀套1-4一侧的膨胀油腔1-6连通，安装外膨胀加压螺钉1-9的加油油腔1-5底部与外膨胀套1-4一侧的膨胀油腔1-6连通；通过调节外膨胀加压螺钉1-9、内膨胀加压螺钉1-10挤压加压柱塞1-7，将加压油腔1-5中的液压油压入膨胀油腔1-6，调节内膨胀套1-2的内径、外膨胀套1-4的外径；

内膨胀套1-2在外膨胀套1-4内，与外膨胀套1-4同轴；顶端盖板1-1、底端盖板1-8分别安装在内膨胀套1-2、外膨胀套1-4两端，与内膨胀套1-2、外膨胀套1-4形成膨胀油腔1-6，外膨胀加压螺钉1-9的里端，安装了加压柱塞1-7，加压阻塞的运动将改变加压油腔1-5的容积，加压油腔1-5和膨胀油腔1-6之间有直通导管，通过改变加压油腔1-5的容积，可以调整膨胀油腔1-6的内部油压，油压的变化将微小改变内膨胀套1-2的内径和外膨胀套1-2的外径。内膨胀套1-2、外膨胀套1-4的壁面厚度不一致，在对应位置存在相同的薄壁段，形成膨胀油腔1-6。

在进行同轴度测量时，激光准直光管2在产品筒内的定位应尽量简便，并确保光束与产品筒体轴线高精度同轴。测量完毕后，应能同样简便地将激光准直光管2从筒体内取下。为此，本发明设计了可均匀膨胀、高精度胀紧在筒体内的“液压胀紧基准夹具1”。

该液压胀紧基准夹具1其实是由两套完全独立的液压胀紧机构组成的。外胀紧机构用于该夹具与筒体内壁结合，内胀紧机构用于该夹具夹持激光准直光管。两套胀紧机构的工作压力一致，以方便密封件选型、零件制造和装配调试。

在安装前，液压胀紧基准夹具1的外膨胀加压螺钉1-9停在靠近夹具体1-3底端面的位置，不与加压柱塞1-7接触。此时夹具体1-3和内膨胀套1-2、外膨胀套1-4之间膨胀油腔1-6内的液压油二甲基硅油呈低压状态，因此外膨胀套1-4的外径较小，使得液压胀紧基准夹具1可以很轻松、灵活地塞入筒体内壁的内孔中。液压胀紧基准夹具1的外径必须与产品筒体内径匹配，才能保证可靠胀紧。

将液压胀紧基准夹具1塞入筒体内后，适当地移动、旋转液压胀紧基准夹具1，使其就位在合适的位置。随后，用内六角扳手旋转外膨胀加压螺钉1-9使其向上移动，并推动加压柱塞1-7向上运动。在加压柱塞1-7的作用下，膨胀油腔1-6内的液压油的压力逐渐提高，并挤压外膨胀套1-4沿径向均匀膨胀。最容易发生膨胀变形的，是外膨胀套1-4上预制的刚度最低的薄壁段，即膨胀油腔1-6部分。当施加在外膨胀加压螺钉1-9上的扭矩为设定值时，油腔内的压力可使膨胀套膨胀油腔1-6段的外径膨胀到与筒体内径完全配合，从而使得液压胀紧基准夹具1可以准确、牢固地胀紧在筒体内。以液压膨胀方式胀紧在筒体内之后，液压膨胀基准夹具1的关键特征——激光准直光管2的夹持孔的内表面——对筒体轴线的全跳动(TIR)可保证在3μm以内。

把液压膨胀基准夹具1固定在筒体内之后，再将激光准直光管2插入液压膨胀基准夹具1的内孔。加压前，内膨胀套1-4的内径较大，激光准直光管2的主镜筒可以轻松、灵活地塞入液压膨胀基准夹具1的内孔中，并适当地移动、旋转激光准直光管2，使其就位在合适的位置，然后用内六角扳手旋转内膨胀加压螺钉1-10，用液压膨胀方式将激光准直光管2固定在夹具内。加压后，内膨胀套1-4的内径缩小，可将激光准直光管2稳当、高精度地固定在夹具内。

为了高精度地“复制”筒体内壁的轴线，液压膨胀夹具2的制造精度要求很高，大部分尺寸和形位公差为IT5，部分关键配合尺寸需对研。

3)激光准直光管2

激光准直光管2的主镜管2-10，与液压胀紧基准夹具2的内孔相吻合，以便激光准直光管2发出的激光束高精度地“等效”筒体内壁的轴线。

如图4(a)、图4(b)所示，激光准直光管2包括电气开关端盖2-1、O形密封圈2-2、电气舱2-3、电气绝缘衬套2-4、电池2-5、内六角螺钉2-6、接线垫片2-7、弹簧端板2-8、弹簧2-9、主镜管2-10、光源组件2-11、径向位置调节件2-18、主光阑2-14、光阑压紧环2-15、主镜管端盖2-16、沉头螺钉2-17；电气舱2-3一端安装电气开关端盖2-1，另一端插入主镜管2-10一端并通过内六角螺钉2-6和法兰结构与主镜管2-10端部固定；电气开关端盖2-1与电气舱2-3之间通过O形密封圈2-2进行密封，电气舱2-3与主镜管2-10之间安装接线垫片2-7；电气绝缘衬套2-4安装在电气舱2-3内，电池2-5安装在电气绝缘衬套2-4内；光源组件2-11安装在主镜管2-10内，弹簧端板2-8为法兰结构，弹簧端板2-8的法兰盘抵靠电气舱2-3插入主镜管2-10的端部，弹簧2-9两端分别与弹簧端板2-8的法兰盘、光源组件2-11外壁的台阶结构相连；光源组件2-11包括发散角调整垫片2-11-1、透镜2-11-2、主结构2-11-3、发光器2-11-4；主结构2-11-3包括三段圆筒，三段圆筒直径依次增大，发光器2-11-4安装在主结构2-11-3直径最小段圆筒内，发散角调整垫片2-11-1安装在主结构2-11-3直径最大段圆筒端部，透镜2-11-2安装在主结构2-11-3直径最大段圆筒内、贴近发散角调整垫片2-11-1；主镜管2-10未连接电气舱2-3一端从端部开始依次安装主镜管端盖2-16、光阑压紧环2-15、主光阑2-14；主镜管端盖2-16通过法兰盘及沉头螺钉2-17与主镜管2-10端部固定；主光阑2-14与光源组件2-11安装透镜2-11-2的一端通过主镜管2-10内的隔板结构隔开，隔板中心有通孔；径向位置调节件2-18安装在主镜管2-10管壁上、端部抵在光源组件2-11外壁上，通过调节径向位置调节件2-18调整光源组件2-11的径向位置；径向位置调节件2-18包括调整顶销2-12、双螺纹调整套2-13，各双螺纹调整套2-13安装在主镜管2-10管壁上的安装孔内，沿主镜管2-10管壁的周向均匀分布，每个双螺纹调整套2-13与一个调整顶销2-12配合；调整顶销2-12沿主镜管2-10径向，一端安装在双螺纹调整套2-13内，另一端抵在主结构2-11-3外壁上，通过调节双螺纹调整套2-13、调整顶销2-12能够调节光源组件2-11的径向位置；径向位置调节件2-18共八组，主结构2-11-3直径最大段圆筒两端分别分布四组。

主镜管2-10是由马氏体不锈钢440B8Cr17制造的精密筒形零件，经淬火、回火稳定尺寸，其精磨过的外表面具有很高的尺寸精度和形状精度，因此主镜管的外表面是作为基准使用的。从主镜管2-10中发出的激光束的光轴，必须与主镜管2-10外表面的机械轴线严格重合。

光源组件2-11包括光源组件的发散角调整垫片2-11-1、光源组件的透镜2-11-2、光源组件的主结构2-11-3、发光器2-11-4等部件。光源组件中，发光器2-11-4是一个中心波长λ₀＝650nm的激光二极管，其驱动电路直接焊接在激光二极管的管脚上。由于采用了微小型驱动电路，电路可由激光二极管的管脚直接支承，电路无需其他安装和固定措施，极大地方便了激光二极管位置的调整。激光二极管由一节小型电池供电，电池安装在最左侧的电气舱中。电气舱的端盖上安装了由橡胶膜密封、可防尘和防水的按压开关，按压一次接通电路，再按压一次则切断电路，使用方便。发光器2-11-4发出的光束由如图5所示的两片式准直透镜2-11-2进行准直，可得到聚焦于无穷远的平行光束。采用该透镜2-11-2进行准直，可几乎消除球差，得到等光程的平行光束。

激光准直光管2必须满足严格的光学和机械性能要求：a激光光束的发散角尽可能小，一般应优于0.01mrad；b光束光轴与主镜管机械轴线的夹角偏差尽可能小，一般应优于1.2″角秒；c光束光轴与主镜管机械轴线在出光端面上的相对位置偏差尽可能小，一般应优于3μm。不可能直接依靠机械零件和光学零件的制造精度来实现上述性能要求。因此，激光准直光管2中设置了相应的调整环节，借助相应的检测设备和测量方法，可逐步调整激光准直光管2的光束光轴与主镜管轴线的相对夹角和位置，最终达到所需精度。

首先需要调整的，是激光光束的发散角。调整时涉及的元件均在光源组件2-11内，因此可把光源组件2-11单独拿出来进行调整。由发光器2-11-4发出的光束经两片式准直透镜组变成平行光。通过发散角调整垫片2-11-1改变准直透镜2-11-2到激光二极管之间的距离，即可调整输出光束的发散程度。改变透镜组前方的调整垫片2-11-1的厚度，如图6所示，可准确调整光束的发散角。调整到位后，用细牙螺纹压环固定透镜的位置。

光束的发散角由放置在光路上不同位置的CCD光斑形状敏感器测量。当所有CCD敏感器测出的光斑具有相同的尺寸和形状时，即说明激光束的发散角已调整到技术要求规定的程度。

将完成光束准直调整的光源组件2-11安装到主镜管2-10中时，通常会发现激光束并不平行于主镜管2-10的机械轴线。为调整激光束与主镜管2-10轴线的平行度，需改变光源组件2-11的轴线与主镜管2-10轴线之间的夹角。由于光源组件2-11是用两组每组4个呈十字型对称分布的调整顶销2-12支承在主镜管2-10中的，在光电准直仪的监控下，相互协调地改变调整顶销2-12的伸出量，即可调整光束对主镜管2-10轴线的平行度。

为提高调整顶销2-12伸出量的精密程度，本发明利用了“差动螺纹”的原理，如图7所示。在主镜管2-10的管壁上，加工有径向分布的螺纹孔。该螺纹孔的孔底采用慢走丝线切割加工出正六边形孔。在螺纹孔内旋入双螺纹调整套2-13。在双螺纹调整套2-13的内螺纹部分，旋入调整顶销2-12。调整顶销2-12的一端为外螺纹，另一端为正六棱柱。调整顶销2-12的六棱柱部分与主镜管2-10螺纹孔底的正六边形孔配合，从而对调整顶销2-12止转。用适当的工具旋转双螺纹调整套2-13，即可调整顶销2-12的伸出量。由于内外差动螺纹的螺距仅相差可以控制在0.05mm/转之内，因此双螺纹调整套2-13转动一周，调整顶销2-12的突出量仅变化50μm，可以轻松获得±2μm的调整精度。

激光束对主镜管2-10机械轴线的平行度，可利用光电准直仪进行检测，其原理如图8所示。在隔振光学平台上安装精密V型定位块，V型块的定位面镶嵌聚四氟乙烯垫片，以提高耐磨性能、消除被测光管的爬行。把激光准直光管2置于V型定位块上，并确保用手指可轻松灵活地让激光准直光管2在V型块定位面上转动。在与激光准直光管2基本同轴的位置上固定光电准直仪。

在激光准直光管2输出光束的条件下，轻柔地转动激光准直光管2。如果输出光束与主镜管2-10的机械轴线不平行，在光电准直仪上会观察到光斑也在偏转。平行度愈差、光斑偏转的半径就愈大。拧动双螺纹调整套2-13，如图7所示，即可改变激光光束对主镜管2-10机械轴线的平行程度，直至在光电准直仪上几乎看不到光斑摆动，即光斑偏转程度满足允差要求。采用上述方法，可将光束对主镜管2-10机械轴线的倾角调整到1.2角秒以内。

完成光束准直和倾角调整时，通常会发现激光束虽与主镜管2-10的机械轴线平行，但并未与主镜管2-10的机械轴线重合。我们取与主镜管2-10机械轴线垂直的平面，如激光准直光管2的出光端面，为参考平面，光束光轴与该平面的交点J，将偏离机械轴线与该平面的交点I一定距离e。为了让I、J两点重合，需改变光管内安装的“主光阑”的位置，并在光束位置测量仪的监控下，调整光束光轴对主镜管2-10机械轴线的位置度。

调整光束位置的原理，是利用主光阑对光束进行横向“修形”。主光阑由4个调整顶销2-12支承，转动双螺纹调整套2-13，即可调整主光阑相对于主镜管2-10机械轴线的位置，如图4所示。

激光束光轴对主镜管2-10机械轴线的位置度，可利用光斑位置敏感器4-2进行检测，检测原理如图9所示。同样在隔振光学平台上安装精密V型定位块，把激光准直光管2置于V型定位块上，并确保能用手指轻松灵活地转动光管。在与激光准直光管2-10基本同轴的位置上，固定光斑位置敏感器4-2。光斑位置敏感器4-2的敏感面到激光准直光管2出光端面的距离约30mm。光斑位置敏感器4-2的轴线并不需要与激光准直光管2的轴线严格同轴，只要光管输出的光束大致照在光斑位置敏感器4-2中心既可。

在激光准直光管2输出光束的条件下，轻柔地转动激光准直光管2。如果输出光束与主镜管的机械轴线不重合，光斑位置敏感器4-2的读数就会发生变化此时的光斑将在敏感面上做圆周运动。重合度愈差、光斑位置敏感器读数的差别就愈大。转动双螺纹调整套2-13，如图4所示，改变4个主光阑顶销的突出量，即可提高光束对主镜管2-10机械轴线的重合程度，直至光斑位置敏感器4-2的读数基本不变，即光斑圆周运动的半径小于允差要求。采用上述方法，可将光束光轴对主镜管2-10机械轴线的重合度调整到3μm以内。

需要指出，主光阑的焦度为0，上述调整光束位置的机构及调整方法，既不会影响光束的准直程度，也不会改变已调整好的光束倾角，光束仍然是与主镜管2-10严格平行的准直光束。

4)定心盘3和定心球体4

为将另一产品的筒体圆心在测量过程“引导、体现”出来，我们设计了相应的定心盘3和定心球体4，如图10所示，以便建立激光工具法的目标基准。

在图10中，定心盘3由盘体结构3-1和球体定位座3-2组成，定心盘3的平直唇口与产品筒体的顶环面接触，确定筒体圆心的x位置。定心盘3的止口与筒体内径配合，确定圆心在y-z坐标平面位置坐标系定义见图1。由于不同筒体的直径不同，所以定心盘3止口外径只能与内径配做，才能保证定心误差较小。

定心盘体结构3-1为盆状结构，球体定位座3-2为法兰结构，通过法兰盘与定心盘体结构3-1中心处安装孔边缘固定；

球体定位座3-2在定心盘3中采用H5/g5配合，以确保定心精度。球体定位座3-2高度通过改变垫片的厚度进行调整。球体定位座3-2中用于承托球体的部分为内圆锥孔，接触线(理论)直径φ40.96mm。

定心球体4依靠重力坐落在球体定位座的圆锥面内。定心球体4由球体结构4-1和光斑位置敏感器4-2组成。定心球体结构4-1为球形，光斑位置敏感器4-2安装在定心球体结构4-1内。

球体的外径为球度误差最小包容区域法≤5μm。球体内安装光斑位置敏感器4-2，以及电池和相应的电路板。为降低环境光对测量过程的影响、只允许激光器发出的光束到达敏感器的感光面，在球体的入射窗中安装了中心波长650nm、半带宽17nm的窄带滤光片。

为测量激光束照射光斑的位置，本发明的光斑位置敏感器4-2采用二维PSD器件。PSD可测量光斑在感光面上的二维位置。

PSD的测量原理是半导体的“横向光效应”：入射PSD的光所产生的光电流在各触点之间的分配，与光斑到各触点的主动层电阻成正比。当光斑落在PSD感光面的不同位置时，PSD将输出不同的电流信号。通过对输出信号的处理，比较各触点的电流的相对大小，即可确定入射光斑在感光面上的位置。PSD对入射光斑的形状或尺寸均不敏感，PSD的输出只与入射光斑的“重心”位置有关。PSD的“横向光效应”可提供很高的分辨率和极快的响应，非常适合实时测量微小位移。目前，常规PSD器件对激光束位置测量的分辨率为5μm高精度者可达1μm。

定心盘体结构3-1的平直唇口与下方待测筒体5的顶环面接触，定心球体4安装在球体定位座3-2上；液压胀紧基准夹具1位于上方待测筒体6内壁，液压胀紧基准夹具1夹住激光准直光管2，光源组件2-11发射的光线从定心球体结构4-1的入射窗照射到光斑位置敏感器4-2上。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (8)

1.一种便携式高精度同轴度测量装置，其特征在于，包括：液压胀紧基准夹具(1)、激光准直光管(2)、定心盘(3)和定心球体(4)；激光准直光管(2)包括电气开关端盖(2-1)、电气舱(2-3)、电气绝缘衬套(2-4)、电池(2-5)、弹簧端板(2-8)、弹簧(2-9)、主镜管(2-10)、光源组件(2-11)、径向位置调节件(2-18)、主光阑(2-14)、光阑压紧环(2-15)、主镜管端盖(2-16)；电气舱(2-3)一端安装电气开关端盖(2-1)，另一端插入主镜管(2-10)一端并与主镜管(2-10)端部固定；电气绝缘衬套(2-4)安装在电气舱(2-3)内，电池(2-5)安装在电气绝缘衬套(2-4)内；光源组件(2-11)安装在主镜管(2-10)内，弹簧端板(2-8)为法兰结构，弹簧端板(2-8)的法兰盘抵靠电气舱(2-3)插入主镜管(2-10)的端部，弹簧(2-9)两端分别与弹簧端板(2-8)的法兰盘、光源组件(2-11)外壁的台阶结构相连；主镜管(2-10)未连接电气舱(2-3)一端从端部开始向电气舱(2-3)方向依次安装主镜管端盖(2-16)、光阑压紧环(2-15)、主光阑(2-14)；主光阑(2-14)与光源组件(2-11)的光线出射端通过主镜管(2-10)内的隔板结构隔开，隔板中心有通孔；径向位置调节件(2-18)安装在主镜管(2-10)管壁上、端部抵在光源组件(2-11)外壁上，通过调节径向位置调节件(2-18)调整光源组件(2-11)的径向位置；定心盘(3)包括定心盘体结构(3-1)、球体定位座(3-2)；定心盘体结构(3-1)为盆状结构，球体定位座(3-2)为法兰结构，通过法兰盘与定心盘体结构(3-1)中心处安装孔边缘固定；定心球体(4)包括定心球体结构(4-1)、光斑位置敏感器(4-2)；定心球体结构(4-1)为球形，光斑位置敏感器(4-2)安装在定心球体结构(4-1)内；定心盘体结构(3-1)的平直唇口与下方待测筒体(5)的顶环面接触，定心球体(4)安装在球体定位座(3-2)上；液压胀紧基准夹具(1)位于上方待测筒体(6)内壁，液压胀紧基准夹具(1)夹住激光准直光管(2)，光源组件(2-11)发射的光线从定心球体结构(4-1)的入射窗照射到光斑位置敏感器(4-2)上。

2.根据权利要求1所述的一种便携式高精度同轴度测量装置，其特征在于：所述液压胀紧基准夹具(1)包括顶端盖板(1-1)、内膨胀套(1-2)、夹具体(1-3)、外膨胀套(1-4)、加压柱塞(1-7)、底端盖板(1-8)、外膨胀加压螺钉(1-9)、内膨胀加压螺钉(1-10)；内膨胀套(1-2)安装在外膨胀套(1-4)内，与外膨胀套(1-4)同轴；顶端盖板(1-1)、底端盖板(1-8)分别安装在内膨胀套(1-2)、外膨胀套(1-4)两端，与内膨胀套(1-2)、外膨胀套(1-4)形成膨胀油腔(1-6)；夹具体(1-3)安装在膨胀油腔(1-6)内，与顶端盖板(1-1)之间固定连接；夹具体(1-3)一端、沿轴向在环形侧壁上开有加压油腔(1-5)，各加压油腔(1-5)沿夹具体(1-3)周向分布，加压油腔(1-5)底部与膨胀油腔(1-6)间有通孔实现连通；加压油腔(1-5)内安装加压柱塞(1-7)，外膨胀加压螺钉(1-9)、内膨胀加压螺钉(1-10)分别穿过底端盖板(1-8)顶住加压柱塞(1-7)一端。

3.根据权利要求1或2所述的一种便携式高精度同轴度测量装置，其特征在于：所述光源组件(2-11)包括发散角调整垫片(2-11-1)、透镜(2-11-2)、主结构(2-11-3)、发光器(2-11-4)；主结构(2-11-3)包括三段圆筒，三段圆筒直径依次增大，发光器(2-11-4)安装在主结构(2-11-3)直径最小段圆筒内，发散角调整垫片(2-11-1)安装在主结构(2-11-3)直径最大段圆筒端部，透镜(2-11-2)安装在主结构(2-11-3)直径最大段圆筒内、贴近发散角调整垫片(2-11-1)，发光器(2-11-4)发射的光线通过透镜(2-11-2)出射。

4.根据权利要求3所述的一种便携式高精度同轴度测量装置，其特征在于：所述径向位置调节件(2-18)包括调整顶销(2-12)、双螺纹调整套(2-13)，各双螺纹调整套(2-13)安装在主镜管(2-10)管壁上的安装孔内，沿主镜管(2-10)管壁的周向均匀分布，每个双螺纹调整套(2-13)与一个调整顶销(2-12)配合；调整顶销(2-12)沿主镜管(2-10)径向，一端安装在双螺纹调整套(2-13)内，另一端抵在主结构(2-11-3)外壁上，通过调节双螺纹调整套(2-13)、调整顶销(2-12)能够调节光源组件(2-11)的径向位置。

5.根据权利要求4所述的一种便携式高精度同轴度测量装置，其特征在于：所述径向位置调节件(2-18)共八组，主结构(2-11-3)直径最大段圆筒两端分别分布四组。

6.根据权利要求1或2所述的一种便携式高精度同轴度测量装置，其特征在于：所述激光准直光管(2)还包括O形密封圈(2-2)、接线垫片(2-7)；电气开关端盖(2-1)与电气舱(2-3)之间通过O形密封圈(2-2)进行密封，电气舱(2-3)与主镜管(2-10)之间安装接线垫片(2-7)。

7.根据权利要求2所述的一种便携式高精度同轴度测量装置，其特征在于：所述夹具体(1-3)与外膨胀套(1-4)之间密封，加压柱塞(1-7)未与外膨胀加压螺钉(1-9)接触的一端与加压油腔(1-5)侧壁之间密封。

8.根据权利要求1或2所述的一种便携式高精度同轴度测量装置，其特征在于：所述光斑位置敏感器(4-2)采用二维PSD器件。