CN110044247B

CN110044247B - 一种圆柱体全局尺寸测量仪

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Publication number: CN110044247B
Application number: CN201910371844.XA
Authority: CN
Inventors: 赵则祥; 李彬; 任东旭; 席建普; 刘如意; 窦武阳
Original assignee: Zhongyuan University of Technology
Current assignee: Zhongyuan University of Technology
Priority date: 2019-05-06
Filing date: 2019-05-06
Publication date: 2021-01-26
Anticipated expiration: 2039-05-06
Also published as: CN110044247A

Abstract

本发明提出一种圆柱体全局尺寸测量仪，包括基座，基座上设有静压转台和Z轴安装座，静压转台包括转体和定体，转体上设有圆光栅，定体上设有圆光栅读数头，Z轴安装座上设有滑动的X轴安装座，Z轴安装座上设有Z轴光栅尺，X轴安装座上设有Z轴光栅尺读数头和X轴光栅尺，X轴安装座上设有滑动的X轴横梁，X轴横梁上设有X轴光栅尺读数头和电感测头。本发明的优点：采用直径为D的标准圆柱或圆环作为基准，标定测头与转台回转轴线间的绝对尺寸；采用圆周法、素线法、鸟笼法、单螺旋线法、双圆周与单螺旋线组合法、多圆周与单螺旋线组合法实现对圆柱体轮廓要素精确和高效提取。

Description

一种圆柱体全局尺寸测量仪

技术领域

本发明涉及精密测量仪器，特别是指一种圆柱体全局尺寸测量仪。

背景技术

随着现代产品品质提升要求和成本控制要求，对其零件的制造精度要求和装配效率更高。为实现用全局尺寸控制圆柱体零件形位误差和尺寸偏差，新一代产品几何技术规范 ISO14405.1-2018规定了圆柱体全局尺寸，以提高圆柱体零件的制造精度、可装配性。目前，全国产品几何技术规范标准化技术委员会正在将上述国际标准转化为国家标准。最小二乘尺寸、最小外接尺寸、最大内切尺寸、最大最小尺寸等四种全局尺寸测量的核心问题在于获得测量仪转台回转中心与圆柱体轮廓要素提取点的绝对距离，但是现有仪器中缺乏能够自动化测量上述绝对距离的功能。

发明内容

本发明提出一种圆柱体全局尺寸测量仪，解决圆柱体零件轮廓要素提取点与回转轴线间绝对距离的精确测量以及实现多模式轮廓要素提取问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种圆柱体全局尺寸测量仪，包括基座，所述的基座上设有静压转台和Z轴安装座，静压转台包括转体和定体，转体上设有圆光栅，定体上设有圆光栅读数头，Z轴安装座上设有滑动的X轴安装座，Z轴安装座上设有Z轴光栅尺，X 轴安装座上设有Z轴光栅尺读数头和X轴光栅尺，X轴安装座上设有滑动的X轴横梁，X轴横梁上设有X轴光栅尺读数头和电感测头。

所述的转体包括转台台面，转台台面与转台主轴连接，转台主轴与下静压盘连接，下静压盘与转子安装轴连接，转子安装轴与电机转子连接，转子安装轴与转子压环连接，转子压环压紧电机转子，转子压环与圆光栅连接；定体包括转台轴承座，转台轴承座分别与上静压块、径向静压块和下静压块连接，转台轴承座位于转台台面与下静压盘之间，转台轴承座与转台座连接，转台座与电机定子连接，电机定子与电机转子配合，转台座与圆光栅读数头连接，转台座与基座连接。

所述的转台座与读数头安装座连接，读数头安装座与圆光栅读数头连接，转台座与转台底板连接。

所述的Z轴安装座上设有Z轴驱动，Z轴驱动控制X轴安装座滑动。

所述的Z轴安装座包括立柱底座和立柱顶座，立柱底座和立柱顶座之间设有导杆和立柱，X轴安装座包括Z轴溜板和X轴溜板，Z轴溜板滑动设在导杆上，X轴溜板滑动设在立柱上，Z轴驱动控制Z轴溜板滑动，Z轴溜板与X轴溜板接触，X轴横梁滑动设在X轴溜板上。

所述的Z轴光栅尺设在立柱上，Z轴光栅尺读数头设在Z轴溜板上，X轴光栅尺设在X轴溜板上。

所述的Z轴驱动包括伺服电机I，伺服电机I设在Z轴安装座上，伺服电机I上设有齿轮I，齿轮I与齿轮II啮合，齿轮II设在丝杆上，丝杆旋转设在Z轴安装座上，丝杆与X轴安装座螺纹配合。

所述的X轴安装座上设有X轴驱动，X轴驱动控制X轴横梁滑动。

所述的X轴驱动包括伺服电机II，伺服电机II设在X轴安装座上，伺服电机II上设有齿轮III，齿轮III与齿条啮合，齿条设在X轴横梁上。

所述的X轴横梁与测头安装板连接，测头安装板与测头固定座连接，电感测头设在测头固定座上。

本发明的优点：本测量仪由静压转台、X轴、Z轴和测头等部件组成，其中转台部件配置有精密圆光栅和力矩电机，X轴部件和Z轴部件配置有精密直线光栅尺，采样系统由X轴部件和Z轴部件配置的精密直线光栅尺和精密电感测头组成。采用直径为D的标准圆柱或圆环作为基准，标定测头与转台回转轴线间的绝对尺寸；采用圆周法、素线法、鸟笼法、单螺旋线法、双圆周与单螺旋线组合法、多圆周与单螺旋线组合法实现对圆柱体轮廓要素精确和高效提取。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明主视图。

图2为本发明侧视图。

图3为标定法圆柱体全局直径与计算直径测量示意图。

图4为圆柱体全局直径径向尺寸标定示意图。

图5为多圆周法圆柱体轮廓要素提取方法示意图。

图6为素线法圆柱体轮廓要素提取方法示意图。

图7为多圆周圆柱体轮廓要素提取方法示意图。

图8为螺旋线法圆柱体轮廓要素提取方法示意图。

图9为双圆周与单螺旋线法圆柱体轮廓要素提取方法示意图。

图10为多圆周与单螺旋线法圆柱体轮廓要素提取方法示意图。

图中：1-基座、2-读数头安装座、3-圆光栅读数头、4-圆光栅、5-电机定子、6-电机转子、7-转台座、8-转子压环、9-转子安装轴、10-转台底板、11-下静压盘、12-下静压块、13-转台轴承座、14-径向静压块、15-上静压块、16-转台台面、17-转台主轴、18-电感测头、19-测头固定座、20-测头安装板、21-X轴横梁、22-立柱底座、23-轴承压盖、24-锁紧螺母、25-丝杠轴承I、26-丝杠轴承II、27-Z轴溜板、28-X轴溜板、29-X轴光栅尺读数头、30-X轴光栅尺、31-丝杠轴承III、32-齿轮I、33-齿轮II、34-伺服电机I，35-导杆I、36-丝杠、37-导杆II、38-齿轮III、39-齿条、40-伺服电机II、41-Z轴光栅尺读数头、42-Z轴光栅尺、43-立柱、44-标准圆柱，45-被测圆柱，46-标准圆环，47-立柱顶座。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、2和3所示，一种圆柱体全局尺寸测量仪，包括基座1，基座1上设有静压转台和Z轴安装座，Z轴安装座上设有X轴安装座，X轴安装座上设有X轴横梁。

静压转台包括转体和定体，转体包括转台台面16，转台台面16与转台主轴17连接，转台主轴17与下静压盘11连接，下静压盘11与转子安装轴9连接，转子安装轴9与电机转子6连接，转子安装轴9与转子压环8连接，转子压环8压紧电机转子6，转子压环8与圆光栅4连接；定体包括转台轴承座13，转台轴承座13分别与上静压块15、径向静压块14和下静压块12连接，转台轴承座13位于转台台面16与下静压盘11之间，转台轴承座13与转台座7连接，转台座7与电机定子5连接，电机定子5与电机转子6配合，转台座7与读数头安装座2连接，读数头安装座2与圆光栅读数头3连接，转台座7与转台底板10连接，转台座7与基座1连接。

Z轴安装座包括立柱底座22和立柱顶座47，立柱底座22和立柱顶座47之间设有导杆 I35、导杆II37和立柱43，X轴安装座包括Z轴溜板27和X轴溜板28，Z轴溜板27滑动设在导杆I35和导杆II37上，X轴溜板28滑动设在立柱43上，Z轴溜板27托起X轴溜板28， Z轴光栅尺42设在立柱43上，Z轴光栅尺读数头41设在Z轴溜板27上。

立柱顶座47上设有Z轴驱动，Z轴驱动包括伺服电机I34，伺服电机I34设在立柱顶座47上，伺服电机I34上设有齿轮I32，齿轮I32与齿轮II33啮合，齿轮II33设在丝杆36 上，丝杆36通过轴承压盖23、锁紧螺母24、丝杠轴承I25、丝杠轴承II26和丝杠轴承III31 旋转设在立柱底座22与立柱顶座47之间，丝杆36与Z轴溜板27螺纹配合。

X轴溜板28上设有X轴驱动，X轴驱动包括伺服电机II40，伺服电机II40设在X轴溜板28上，伺服电机II40上设有齿轮III38，齿轮III38与齿条39啮合，齿条39设在X轴横梁21上，X轴横梁21滑动设在X轴溜板28上，X轴光栅尺30设在X轴溜板28上，X轴光栅尺读数头29设在X轴横梁21上。

X轴横梁21与测头安装板20连接，测头安装板20与测头固定座19连接，电感测头18设在测头固定座19上。

如图4所示，圆柱体全局测量仪径向尺寸标定方法。由于转台的回转中心为虚拟的，为实现圆柱体全局直径的测量，需要采用光栅尺30、电感测头18和具有标准直径D的标准圆柱44或标准圆环46确定测头与转台回转中心的距离，同时需要确定标准圆柱44或标准圆环46与转台回转中心在径向的偏心量Δ。将直径为D的标准圆柱44或标准圆环46放置于转台台面16中心位置，采用单圆截面标定电感测头18与转台回转轴线之间的距离。标定时，转台旋转一周，电感测头18等角间距采样n点，测头18读数为δ_i，此读数为标准圆柱44或标准圆环46被测截面上偏差值；X轴光栅尺30读数为G_s，测量过程中，X轴横梁21静止， X轴光栅尺30的读数始终为G_s；测头18读数不断变化，则测头18与转台回转中心的距离ρ_i＝G_s+δ_i。为确定标准圆柱44或标准圆环46与转台回转中心在径向的偏心量Δ，如图4所示，设定标准圆柱44或圆环46与转台回转中心不同心，偏心坐标设置为(a，b)，由最小二乘法确定a，b为

测头18与标准圆柱44或标准圆环46回转中心的径向距离ρ₀₁可以表示

则标定系统的补偿偏差值△＝ρ₁-ρ₀₁＝G₁+δ₁-ρ₀₁。被测圆柱体45表面轮廓提取点与转台回转轴线间的绝对距离ρ_wi＝G_wi+δ_wi-Δ，其中G_wi和δ_wi分别为X轴光栅尺30 和测头18的读数。

如图6所示，多素线圆柱体轮廓要素提取方法，测量参数包括圆周素线数量m_s和素线上测量点数n_s，其中圆周素线数量m_s由转台部件底部圆光栅确定，素线上点数n_s由圆柱体被测长度L和测量间距d_s确定，即n_s＝L/d_s。

如图7所示，鸟笼法圆柱体轮廓要素提取方法，测量参数包括圆周截面数m_jn和截面点数n_jn，圆周素线数m_sn和素线测量点数n_sn。，其中截面点数n_jn由转台部件底部圆光栅确定，圆周截面数m_jn由轴向测量距离d_n和总测量长度确定L，即m_jn＝L/d_n，圆周素线数量m_sn由转台部件底部圆光栅确定，素线上点数n_sn由圆柱体被测长度L和测量间距d_sn确定，即 n_sn＝L/d_sn。

如图8所示，螺旋线法圆柱体轮廓要素提取方法，测量参数包括螺距d_l和单圆周螺旋线测量点数n_l，其中螺距由转台部件圆光栅和Z轴直线光栅尺确定；单圆周螺旋线测量点数 n_l由转台部件圆光栅确定。

如图9所示，双圆周与单螺旋线组合圆柱体轮廓要素提取方法，测量参数包括螺距d_sl和单圆周螺旋线测量点数n_sl，以及圆周采样点数n_sy，其中螺距d_sl由转台部件圆光栅和Z轴直线光栅尺确定；单圆周螺旋线测量点数n_sl和圆周采样点数n_sy由转台部件圆光栅确定。

如图10所示，多圆周与单螺旋线组合圆柱体轮廓要素提取方法，测量参数包括螺距 d_dl和单圆周螺旋线测量点数n_dl，圆周数量m_dy和圆周采样点数n_dy，其中螺距d_dl由转台部件圆光栅和Z轴直线光栅尺确定；单圆周螺旋线测量点数n_dl和圆周采样点数n_dy由转台部件圆光栅确定；圆周数量m_dy由圆柱体被测长度L和测量间距d_s确定，即m_dy＝L/d_s。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种圆柱体全局尺寸测量仪，包括基座（1），其特征在于：所述的基座（1）上设有静压转台和Z轴安装座，静压转台包括转体和定体，转体上设有圆光栅（4），定体上设有圆光栅读数头（3），Z轴安装座上设有滑动的X轴安装座，Z轴安装座上设有Z轴光栅尺（42），X轴安装座上设有Z轴光栅尺读数头（41）和X轴光栅尺（30），X轴安装座上设有滑动的X轴横梁（21），X轴横梁（21）上设有X轴光栅尺读数头（29）和电感测头（18）；

所述的Z轴安装座包括立柱底座（22）和立柱顶座（47），立柱底座（22）和立柱顶座（47）之间设有导杆和立柱（43），X轴安装座包括Z轴溜板（27）和X轴溜板（28），Z轴溜板（27）滑动设在导杆上，X轴溜板（28）滑动设在立柱（43）上，Z轴驱动控制Z轴溜板（27）滑动，Z轴溜板（27）与X轴溜板（28）接触，X轴横梁（21）滑动设在X轴溜板（28）上；

其径向尺寸标定方法为：将直径为D的标准圆柱（44）或标准圆环（46）放置于转台台面（16）的中心位置，采用单圆截面标的定电感测头（18）与转台回转轴线之间的距离；标定时，转台旋转一周，电感测头（18）等角间距采样n点，电感测头（18）读数为δ _i，此读数为标准圆柱（44）或标准圆环（46）被测截面上偏差值；X轴光栅尺（30）读数为G _s，电感测头（18）读数不断变化，则电感测头（18）与转台回转中心的距离ρ _i=G _s+δ _i；为确定标准圆柱（44）或标准圆环（46）与转台回转中心在径向的偏心量Δ，设定标准圆柱（44）或圆环（46）与转台回转中心不同心，偏心坐标设置为（a，b），由最小二乘法确定a，b为

，

电感测头（18）与标准圆柱（44）或标准圆环（46）回转中心的径向距离ρ₀₁表示为

，则标定系统的补偿偏差值△＝ρ₁-ρ₀₁＝G _s+δ ₁-ρ₀₁；被测圆柱体（45）表面轮廓提取点与转台回转轴线间的绝对距离ρ _wi=G _wi+δ _wi -Δ，其中，G _wi和δ _wi分别为X轴光栅尺（30）和电感测头（18）的读数。

2.根据权利要求1所述的圆柱体全局尺寸测量仪，其特征在于：所述的转体包括转台台面（16），转台台面（16）与转台主轴（17）连接，转台主轴（17）与下静压盘（11）连接，下静压盘（11）与转子安装轴（9）连接，转子安装轴（9）与电机转子（6）连接，转子安装轴（9）与转子压环（8）连接，转子压环（8）压紧电机转子（6），转子压环（8）与圆光栅（4）连接；定体包括转台轴承座（13），转台轴承座（13）分别与上静压块（15）、径向静压块（14）和下静压块（12）连接，转台轴承座（13）位于转台台面（16）与下静压盘（11）之间，转台轴承座（13）与转台座（7）连接，转台座（7）与电机定子（5）连接，电机定子（5）与电机转子（6）配合，转台座（7）与圆光栅读数头（3）连接，转台座（7）与基座（1）连接。

3.根据权利要求2所述的圆柱体全局尺寸测量仪，其特征在于：所述的转台座（7）与读数头安装座（2）连接，读数头安装座（2）与圆光栅读数头（3）连接，转台座（7）与转台底板（10）连接。

4.根据权利要求1所述的圆柱体全局尺寸测量仪，其特征在于：所述的Z轴安装座上设有Z轴驱动，Z轴驱动控制X轴安装座滑动。

5.根据权利要求1所述的圆柱体全局尺寸测量仪，其特征在于：所述的Z轴光栅尺（42）设在立柱（43）上，Z轴光栅尺读数头（41）设在Z轴溜板（27）上，X轴光栅尺（30）设在X轴溜板（28）上。

6.根据权利要求4所述的圆柱体全局尺寸测量仪，其特征在于：所述的Z轴驱动包括伺服电机I（34），伺服电机I（34）设在Z轴安装座上，伺服电机I（34）上设有齿轮I（32），齿轮I（32）与齿轮II（33）啮合，齿轮II（33）设在丝杆（36）上，丝杆（36）旋转设在Z轴安装座上，丝杆（36）与X轴安装座螺纹配合。

7.根据权利要求1所述的圆柱体全局尺寸测量仪，其特征在于：所述的X轴安装座上设有X轴驱动，X轴驱动控制X轴横梁（21）滑动。

8.根据权利要求7所述的圆柱体全局尺寸测量仪，其特征在于：所述的X轴驱动包括伺服电机II（40），伺服电机II（40）设在X轴安装座上，伺服电机II（40）上设有齿轮III（38），齿轮III（38）与齿条（39）啮合，齿条（39）设在X轴横梁（21）上。

9.根据权利要求1所述的圆柱体全局尺寸测量仪，其特征在于：所述的X轴横梁（21）与测头安装板（20）连接，测头安装板（20）与测头固定座（19）连接，电感测头（18）设在测头固定座（19）上。