CN107014275B - 一种空间两球心距离测量仪及其测量方法 - Google Patents

一种空间两球心距离测量仪及其测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空间两球心距离测量仪及方法，测量仪包括固定测杆模块、高精度一维位移台模块、连接块模块、可变测杆模块、可变测杆处测头模块，本发明通过几何运算可测量两标准球球心之间距离。本发明使空间球体距离测量仪的测量过程更加简单和方便，在很大程度上节省了测量成本，对于大范围内多种的球体相对位置都有很好的测量精度。

Description

一种空间两球心距离测量仪及其测量方法
技术领域
本发明涉及长度检定技术领域，具体是一种空间两球心距离测量仪及其测量方法。
背景技术
针对三维空间标准球场而言，空间标准球场的体积较大且较重。为了测量其任意两个球心之间的空间距离，通常采用Laser Tracker(激光跟踪仪)或者Laser Tracer多站方式进行测量。但由于Laser Tracker或者Laser Tracer等仪器价格相当昂贵，通常价格在100万人民币以上。而且普通的测距工具例如螺旋千分尺无法实现任意两球心的空间距离检测。因此，亟需寻求一种能实现空间两球心距离测量的高精度低成本方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种空间两球心距离测量仪及其测量方法，以解决现有技术测量空间两球心距离的仪器价格昂贵、操作复杂等问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种空间两球心距离测量仪，其特征在于：包括固定测杆模块、高精度一维位移台模块、连接块模块、可变测杆模块、可变测杆处测头模块，其中：
固定测杆模块包括竖直的固定测杆处碳纤维管，固定测杆处碳纤维管上端螺合安装有固定测杆处连接头，固定测杆处碳纤维管下端螺合安装有固定测杆处靶座，固定测杆处靶座底面设有凹口，凹口中设有磁铁，其中一个标准球部分嵌入凹口中并被凹口中磁铁吸附；
高精度一维位移台模块包括固定架，该固定架为具有水平部和竖直部的L形结构，固定架通过水平部底部与固定测杆处碳纤维管上端的固定测杆处连接头连接，固定架竖直部的内侧面固定有高精度一维位移台底座，高精度一维位移台底座座面上设有竖直的导轨，导轨上滑动安装有高精度一维位移台工作台，高精度一维位移台底座的一侧通过光栅读数头支架固定有光栅读数头，高精度一维位移台工作台与光栅读数头相同方向的一侧通过长光栅尺固定块固定有长光栅尺，且长光栅尺与光栅读数头相互工作配合，还包括具有水平部和竖直部的L形的连接架，所述连接架通过竖直部的内侧面与高精度一维位移台工作台台面连接；
连接块模块包括连接块，连接块其中两个相邻的侧面彼此成一定角度，以彼此成一定角度的侧面为连接面，连接块模块通过其中一个连接面与高精度一维位移台模块中连接架竖直部的外侧面连接；
可变测杆模块包括可变测杆处碳纤维管，可变测杆处碳纤维管两端分别螺合安装有连接头，可变测杆模块通过其中一端的连接头与连接块模块另一个连接面连接；
可变测杆处测头模块包括可变测量测杆处靶座，可变测量测杆处靶座通过顶部与可变测杆模块另一端的连接头连接，可变测量测杆处靶座底部设有凹口，凹口中设有磁铁，另一个标准球部分嵌入凹口中并被凹口中磁铁吸附。
所述的一种空间两球心距离测量仪，其特征在于：还包括校准装置，所述校准装置包括花岗岩基台，花岗岩基台上一端设有靶座，花岗岩基台上另一端设有高精度一维手动位移台，该高精度一维手动位移台上设有另一个靶座，两个靶座处于同一水平线上，且高精度一维手动位移台的位移方向与两靶座确定的直线重合；空间两球心距离测量仪中，固定测杆模块吸附的标准球由花岗岩基台上的靶座支撑，可变测杆处测头模块吸附的标准球由高精度一维手动位移台上的靶座支撑。
一种空间两球心距离测量仪的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将固定测杆模块吸附的标准球置于花岗岩基台上的靶座中，可变测杆处测头模块吸附的标准球置于高精度一维手动位移台上的靶座中，此时两标准球球心的位置为初始位置，通过调整高精度一维位移台工作台和高精度一维手动位移台，使两标准球球心从初始位置依次变化两次；
(2)L0表示空间两球心距离测量仪两个1.5英寸靶球球心之间的初始距离，L0i(i＝1,2)表示空间两球心距离测量仪的两个1.5英寸靶球球心之间的变化距离，L1表示空间两球心距离测量仪的固定臂1.5英寸靶球球心到其固定臂和测量臂轴线交点的距离，L2表示空间两球心距离测量仪的测量臂1.5英寸靶球球心到其固定臂和测量臂轴线交点的距离，L2i(i＝1,2)表示空间两球心距离测量仪的测量臂1.5英寸靶球球心到其固定臂和测量臂轴线交点的变化距离，角度θ表示固定臂和测量臂轴线之间的夹角；
当空间两球心距离测量仪处在初始位置时，根据三角形余弦定理可得：
当空间两球心距离测量仪的测量臂1.5英寸靶球球心到其固定臂和测量臂轴线交点的变化距离为ΔL21，根据三角形余弦定理可得：
当空间两球心距离测量仪的测量臂1.5英寸靶球球心到其固定臂和测量臂轴线交点的变化距离为ΔL22，根据三角形余弦定理可得：
由(2)-(1)得
由(3)-(1)得
由公式(4)代入到公式(5)可得
即可求出L0和L2-L1cosθ；
一种空间两球心距离测量仪的使用方法，具体步骤如下：
将空间两球心距离测量仪的固定臂处靶球放置在被测球82处，其测量臂处靶球放置在被测球83处；其测量原理如图10所示，被测球82和被测球83两个球心之间距离记为L3，空间两球心距离测量仪的测量臂1.5英寸靶球球心到其固定臂和测量臂轴线交点的变化距离为ΔL23，根据三角形余弦定理可得：
由(7)-(1)可得
将公式(4)代入到公式(8)中，可得
将公式(6)代入到公式(9)即可得到两个标准球之间距离L3。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
1)本发明所述的测量仪主要由空间长度测量仪、长度测量仪校准台组成，各组成部分以及小部件在测量过程中的安装调试要求相对较低，使空间球体距离测量仪的测量过程更加简单和方便。
2)本发明采用的材料和装置成本低于传统测量空间球体距离的仪器装备价格，在很大程度上节省了测量成本。
3)本发明采用的测量方法十分灵活，对于大范围内多种的球体相对位置都有很好的测量精度。
附图说明
图1为本发明一种空间两球心距离测量仪组成示意图，其中：
图2为可变测杆处测头组成示意图。
图3为可变测杆模块组成示意图。
图4为连接块组成示意图。
图5为固定测杆模块组成示意图。
图6为高精度一维位移台组成示意图。
图7为空间两球心距离测量仪的校准装置组成示意图。
图8为本发明空间两球心距离测量仪的校准原理图，其中：
图8-1为初始位置原理图，图8-2为变化一次后位置原理图，图8-3为变化二次后位置原理图。
图9为本发明空间两球心距离测量仪的使用示意图。
图10为本发明空间两球心距离测量仪的测量原理图。
具体实施方式
如图1—图7所示，一种空间两球心距离测量仪，包括固定测杆模块20、高精度一维位移台模块30、连接块模块40、可变测杆模块50、可变测杆处测头模块60，其中：
固定测杆模块20包括竖直的固定测杆处碳纤维管22，固定测杆处碳纤维管22上端螺合安装有固定测杆处连接头21，固定测杆处碳纤维管22下端螺合安装有固定测杆处靶座23，固定测杆处靶座23底面设有凹口，凹口中设有磁铁24，其中一个标准球25部分嵌入凹口中并被凹口中磁铁24吸附；
高精度一维位移台模块30包括固定架33，该固定架33为具有水平部和竖直部的L形结构，固定架33通过水平部底部与固定测杆处碳纤维管22上端的固定测杆处连接头21连接，固定架33竖直部的内侧面固定有高精度一维位移台底座34，高精度一维位移台底座34座面上设有竖直的导轨，导轨上滑动安装有高精度一维位移台工作台37，高精度一维位移台底座34的一侧通过光栅读数头支架32固定有光栅读数头31，高精度一维位移台工作台37与光栅读数头31相同方向的一侧通过长光栅尺固定块36固定有长光栅尺35，且长光栅尺35与光栅读数头31相互工作配合，还包括具有水平部和竖直部的L形的连接架38，连接架38通过竖直部的内侧面与高精度一维位移台工作台37台面连接；
连接块模块40包括连接块，连接块其中两个相邻的侧面彼此成一定角度，以彼此成一定角度的侧面为连接面41、42，连接块模块40通过其中一个连接面与高精度一维位移台模块30中连接架38竖直部的外侧面连接；
可变测杆模块50包括可变测杆处碳纤维管52，可变测杆处碳纤维管52两端分别螺合安装有连接头51，可变测杆模块50通过其中一端的连接头与连接块模块40另一个连接面连接；
可变测杆处测头模块60包括可变测量测杆处靶座61，可变测量测杆处靶座61通过顶部与可变测杆模块50另一端的连接头连接，可变测量测杆处靶座61底部设有凹口，凹口中设有磁铁，另一个标准球部分嵌入凹口中并被凹口中磁铁吸附。
还包括校准装置，校准装置包括花岗岩基台72，花岗岩基台72上一端设有靶座71，花岗岩基台72上另一端设有高精度一维手动位移台73，该高精度一维手动位移台73上设有另一个靶座，两个靶座处于同一水平线上，且高精度一维手动位移台73的位移方向与两靶座确定的直线重合；空间两球心距离测量仪中，固定测杆模块20吸附的标准球25由花岗岩基台72上的靶座71支撑，可变测杆处测头模块60吸附的标准球由高精度一维手动位移台73上的靶座支撑。
一种空间两球心距离测量仪的标定方法，包括以下步骤：
(1)、将固定测杆模块吸附的标准球置于花岗岩基台上的靶座中，可变测杆处测头模块吸附的标准球置于高精度一维手动位移台上的靶座中，此时两标准球球心的位置为初始位置，通过调整高精度一维位移台工作台和高精度一维手动位移台，使两标准球球心从初始位置依次变化两次；
(2)如图8所示，L0表示空间两球心距离测量仪两个1.5英寸靶球球心之间的初始距离，L0i(i＝1,2)表示空间两球心距离测量仪的两个1.5英寸靶球球心之间的变化距离，L1表示空间两球心距离测量仪的固定臂1.5英寸靶球球心到其固定臂和测量臂轴线交点的距离，L2表示空间两球心距离测量仪的测量臂1.5英寸靶球球心到其固定臂和测量臂轴线交点的距离，L2i(i＝1,2)表示空间两球心距离测量仪的测量臂1.5英寸靶球球心到其固定臂和测量臂轴线交点的变化距离，角度θ表示固定臂和测量臂轴线之间的夹角；
当空间两球心距离测量仪处在初始位置时，根据三角形余弦定理可得：
当空间两球心距离测量仪的测量臂1.5英寸靶球球心到其固定臂和测量臂轴线交点的变化距离为ΔL21，根据三角形余弦定理可得：
当空间两球心距离测量仪的测量臂1.5英寸靶球球心到其固定臂和测量臂轴线交点的变化距离为ΔL22，根据三角形余弦定理可得：
由(2)-(1)得
由(3)-(1)得
由公式(4)代入到公式(5)可得
即可求出L0和L2-L1cosθ；
一种空间两球心距离测量仪的使用方法，具体步骤如下：
如图9所示，将空间两球心距离测量仪的固定臂处靶球放置在被测球81处，其测量臂处靶球放置在被测球82处；其测量原理如图10所示，被测球81和被测球82两个球心之间距离记为L3，空间两球心距离测量仪的测量臂1.5英寸靶球球心到其固定臂和测量臂轴线交点的变化距离为ΔL23，根据三角形余弦定理可得：
由(7)-(1)可得
将公式(4)代入到公式(8)中，可得
将公式(6)代入到公式(9)即可得到两个标准球之间距离L3。

Claims (4)

1.一种空间两球心距离测量仪，其特征在于：包括固定测杆模块、高精度一维位移台模块、连接块模块、可变测杆模块、可变测杆处测头模块，其中：
固定测杆模块包括竖直的固定测杆处碳纤维管，固定测杆处碳纤维管上端螺合安装有固定测杆处连接头，固定测杆处碳纤维管下端螺合安装有固定测杆处靶座，固定测杆处靶座底面设有凹口，凹口中设有磁铁，其中一个标准球部分嵌入凹口中并被凹口中磁铁吸附；
高精度一维位移台模块包括固定架，该固定架为具有水平部和竖直部的L形结构，固定架通过水平部底部与固定测杆处碳纤维管上端的固定测杆处连接头连接，固定架竖直部的内侧面固定有高精度一维位移台底座，高精度一维位移台底座座面上设有竖直的导轨，导轨上滑动安装有高精度一维位移台工作台，高精度一维位移台底座的一侧通过光栅读数头支架固定有光栅读数头，高精度一维位移台工作台与光栅读数头相同方向的一侧通过长光栅尺固定块固定有长光栅尺，且长光栅尺与光栅读数头相互工作配合，还包括具有水平部和竖直部的L形的连接架，所述连接架通过竖直部的内侧面与高精度一维位移台工作台台面连接；
连接块模块包括连接块，连接块其中两个相邻的侧面彼此成一定角度，以彼此成一定角度的侧面为连接面，连接块模块通过其中一个连接面与高精度一维位移台模块中连接架竖直部的外侧面连接；
可变测杆模块包括可变测杆处碳纤维管，可变测杆处碳纤维管两端分别螺合安装有连接头，可变测杆模块通过其中一端的连接头与连接块模块另一个连接面连接；
可变测杆处测头模块包括可变测量测杆处靶座，可变测量测杆处靶座通过顶部与可变测杆模块另一端的连接头连接，可变测量测杆处靶座底部设有凹口，凹口中设有磁铁，另一个标准球部分嵌入凹口中并被凹口中磁铁吸附。
2.根据权利要求1所述的一种空间两球心距离测量仪，其特征在于：还包括校准装置，所述校准装置包括花岗岩基台，花岗岩基台上一端设有靶座，花岗岩基台上另一端设有高精度一维手动位移台，该高精度一维手动位移台上设有另一个靶座，两个靶座处于同一水平线上，且高精度一维手动位移台的位移方向与两靶座确定的直线重合；空间两球心距离测量仪中，固定测杆模块吸附的标准球由花岗岩基台上的靶座支撑，可变测杆处测头模块吸附的标准球由高精度一维手动位移台上的靶座支撑。
3.一种如权利要求2所述的空间两球心距离测量仪的校准方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)、将固定测杆模块吸附的标准球置于花岗岩基台上的靶座中，可变测杆处测头模块吸附的标准球置于高精度一维手动位移台上的靶座中，此时两标准球球心的位置为初始位置，通过调整高精度一维位移台工作台和高精度一维手动位移台，使两标准球球心从初始位置依次变化两次；
(2)、L0表示空间两球心距离测量仪的两个1.5英寸靶球球心之间的初始距离，L0i(i＝1,2)表示空间两球心距离测量仪的两个1.5英寸靶球球心之间的变化距离，L1表示空间两球心距离测量仪的固定臂1.5英寸靶球球心到其固定臂和测量臂轴线交点的距离，L2表示空间两球心距离测量仪的测量臂1.5英寸靶球球心到其固定臂和测量臂轴线交点的距离，L2i(i＝1,2)表示空间两球心距离测量仪的测量臂1.5英寸靶球球心到其固定臂和测量臂轴线交点的变化距离，角度θ表示固定臂和测量臂轴线之间的夹角；
当空间两球心距离测量仪处在初始位置时，根据三角形余弦定理可得：
当空间两球心距离测量仪的测量臂1.5英寸靶球球心到其固定臂和测量臂轴线交点的变化距离为ΔL21，根据三角形余弦定理可得：
当空间两球心距离测量仪的测量臂1.5英寸靶球球心到其固定臂和测量臂轴线交点的变化距离为ΔL22，根据三角形余弦定理可得：
由(2)-(1)得
由(3)-(1)得
由公式(4)代入到公式(5)可得
即可求出L0和L2-L1cosθ。
4.根据权利要求3所述的一种空间两球心距离测量仪的校准方法，一种空间两球心距离测量仪的使用方法，其特征在于：
将空间两球心距离测量仪的固定臂处靶球放置在第一被测球(82)处，其测量臂处靶球放置在第二被测球(83)处；第一被测球(82)和第二被测球(83)两个球心之间距离记为L3，空间两球心距离测量仪的测量臂1.5英寸靶球球心到其固定臂和测量臂轴线交点的变化距离为ΔL23，根据三角形余弦定理可得：
由(7)-(1)可得
将公式(4)代入到公式(8)中，可得
将公式(6)代入到公式(9)即可得到两个标准球之间距离L3。
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