CN110186363A - 一种平面度测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平面度测量装置及测量方法，测量装置主要包括：直线电机、机械千分表、摄像头、连接杆和控制处理机，将直线电机放置在被测面旁边，并且直线电机的滑块运动方向与被测面平行，机械千分表和摄像头通过连接杆安装在直线电机的滑块上，机械千分表的触头延伸到被测面上。测量方法及步骤包括：用多条直线将被测面分割成等间隔的平行条带，在垂直于平行条带的方向上画一条直线，控制处理机控制直线电机带动滑块上的杠杆表和摄像头移动，机械杠杆表能给相对于被测位置处的位移变化值，摄像头同步记录机械杠杆表的表盘指针位置，测出所有直线上的相对位移变化量就得到被侧面的平面度。本发明能高效率自动化实现平面度测量。

Description

一种平面度测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及机械几何参数测量技术领域，具体涉及长度计量中的平面度测量技术，主要是一种平面度测量装置及测量方法。

背景技术

平面度是属于形位公差中的一种，指物体表面具有的宏观凹凸高度相对理想平面的偏差。平面是由直线组成的，因此直线度测量中直尺法、光学准直法、光学自准直法、重力法等都适用于测量平面度误差。测量平面度时，先测出若干截面的直线度，再把各测点的量值按平面度公差带定义(见形位公差)利用图解法或计算法进行数据处理即可得出平面度误差。在传统的检测方法中，平面度的具体测量方法通常有：塞规/塞尺测量法、液平面法、激光平面干涉仪测量法(平晶干涉法)、水平仪/数字水平仪测量法、以及打表测量法。塞尺测量法，只需一套可随身携带的塞尺就可随时随地进行平面度的粗测。目前很多工厂仍使用该方法进行检测。由于其精度不高，常规最薄塞尺为10um，检测效率较低，结果不够全面，只能检测零件边缘，不适用于大面积的平面度测量，且需要测量人员手工操作，测量结果受人为影响因素较大。液平面法，基于连通器工作原理，适合测量连续或不连续的大平面的平面度，但测量时间长，且对温度敏感，误差较大，仅适用于测量精度较低的平面。激光平面干涉仪测量法，最典型的用法是平晶干涉法，但主要于测量光洁的小平面测量，如千分头测量面，量规的工作面，光学透镜，也不用于较大面积的平面度测量。水平仪测量法，广泛用于工件表面的直线度和平面度测量，测量精度高、稳定性好、体积小、携带方便，但是用该方法测量时需要反复挪动仪器位置，记录各测点的数据，费时、费力，调整时间长，数据处理程序繁琐，也存在需要测量人员手工操作的问题。打表测量法，典型应用为平板测微仪及三坐标仪，其中尤以三坐标仪为应用最广泛，测量时探杆在待测样品上移动，按选定的布点测取各测量点相对于测量基准的数据，再经过数据处理评定出平面度误差，但该类设备价格昂贵，操作复杂，对环境要求也很苛刻，保养和维护成本很高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种低成本、高效率的平面度测量装置及测量方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：这种平面度测量装置主要部件包括直线电机、机械千分表、摄像头、固定座、连接杆和控制处理机，将直线电机放置在被测面旁边，并且直线电机的滑块运动方向与被测面平行，机械千分表和摄像头通过连接杆安装在固定座上，固定座安装在直线电机的滑块上，机械千分表的触头延伸到被测面上，摄像头位于机械千分表正上方，摄像头与直线电机通过线缆连接到控制处理机，在测量过程中，直线电机的滑块、固定座、连接杆、机械千分表和摄像头等部件之间始终保持刚性连接，没有相对位移发生。

所述直线电机是一种直线传动装置，滑块是直线电机的运动部件，其直线度是经过测量并已知的，且优于被测面的平面度至少1倍，直线电机的行程大于被测面的最大长度。

所述机械千分表是机械指针式的长度测量仪器，精度范围为1微米至0.1毫米，根据被测面的预期平面度精度选择相应精度的机械千分表，机械千分表的精度至少高于被测面预期平面度精度的1倍才能保证被测结果的准确性，触头位于机械千分表的一端，触头的位移通过杠杆和齿轮传导给表盘指针，触头在整个测量过程中始终与被测面保持接触受力并在垂直于被测面的方向上产生位移，机械千分表的另一端固定安装在直线电机的滑块上，机械千分表除了触头以外的部分都保持刚性连接，当滑块移动时，机械千分表相对被测位置点产生了位移，机械千分表的表盘指针会表示出该相对位移量。

所述摄像头是常规的视频输入设备，能获取黑白或者彩色图像视频信息，摄像头安装在直线电机的滑块上，摄像头的镜头位于机械千分表的正上方，能清晰拍摄到机械千分表的表盘，摄像头通过线缆与控制处理机相连接，能将图像实时传输给控制处理机进行图像处理。

所述控制处理机是带有运动电机控制和图像处理功能的设备，能够控制直线电机按照设定速度和行程等参数运动，能够自动采集摄像头的视频图像并进行图像信号处理，分析并自动记录机械千分表指针的位置示值，代替人工读数，控制处理机可以带有一些通讯接口，用于把数据传输或者显示。

本发明所述的采用这种平面度测量装置的测量方法及完整的测量过程包含七个主要步骤。

第一步，对被测面进行测量位置点的分布确定，画多条平行的直线标记将被测面分割成等间隔的平行条带，构成平行直线标记组，在另一个方向上再画单条直线标记，通常为平行直线标记组的垂直方向。该单条直线标记必须与平行直线标记组的所有直线标记相交叉，在所有直线标记上做好测量点位标记，所有直线标记的长度应不大于直线电机的量程，直线标记之间的交叉点必须作为测量点位。

第二步，将测量装置和被测物件放置在同一工作台上，调整直线电机的摆放位置，使得直线电机的滑块运动方向与平行直线标记组中的某一条直线标记平行，并且滑块带动机械千分表运动到该条直线标记的两端点位置时，机械千分表的触头刚好与该条直线标记两端的测量位置点标记相重合，那么当直线电机在运行时，机械千分表的触头刚好沿着该条直线标记移动。

第三步，调整机械千分表的高度，观察触头在被测面上的受力情况，保证触头在直线标记上运行时始终能与被测面接触受力，并在垂直于被测面的方向上产生位移，再调整并固定摄像头的位置，使得视频图像能呈现完机械千分表的完整表盘。

第四步，为了得到触头所在直线标记上各测量点位处的相对位移量，控制处理机控制直线电机的滑块运动，带动机械杠杆表和摄像头移动，机械千分表的触头在被测面上沿着直线标记运动，以初始测量点位为测量参考基准，机械杠杆表显示出直线标记上各测量点位的相对位移变化值，摄像头同步记录机械杠杆表的表盘指针位置，控制处理机自动采集并分析摄像头的视频图像，分析并自动实时记录当前测量点位的位移变化量，结束该条直线标记的测量后，调整机械千分表连接杆的长度，使得机械千分表的触头落到另一条平行直线标记上。

第五步，为了得到整个被测面的平面度，再重复进行第三步和第四步，直至测出所有同方向的每条直线标记上测量点位的相对位移变化量。

第六步，重复第二、第三、第四步骤，完成另一个方向上的单条直线标记上测量点位的相对位移变化量，包括该单条直线标记与平行直线标记组的交叉点。

第七步，以直线标记之间的交叉点相对位移变化量为参考值，分别计算出每条直线标记上所有测量点位的相对位移变化量，这些相对位移变化量的最大值与最小值之差就是被测面的平面度。

本发明的有益效果为：装置的测量精度高，能够开展精度高达1微米的平面度测量；适用范围广，能用于中大尺寸的平面度测量，最大尺寸可达2m；速度快，受人工操作影响小，能够快速高效的自动化完成平面度测量过程。

附图说明

图1为本发明的平面度测量装置分布图和被测面上的直线标记和测量点位示意图。

附图说明：标记1是直线电机；标记2是滑块；标记3是连接杆，用于将摄像头和机械千分表固定到滑块上；标记4是控制处理机；标记5是线缆，用于将直线电机和摄像头连接到控制处理机上；标记6是摄像头；标记7是机械千分表；标记8是触头；标记9是被测面；标记10是被测物体；标记11是平行直线标记组，有多条平行直线构成；标记12是平行直线标记组11的第一条线；标记13是单条直线标记，在标记11的另一个方向上；标记14是平行直线12上的所有测量点位组；标记15是单条直线标记13与平行直线标记组11的交叉点组，也是测量点位；标记16是被测面9上的测量点位组，包含了所有测量点位。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明装置的测量方法和过程作详细的介绍：

将所有部件按照例图所示的分布放置。被测面9的预期平面度约5微米，那选用直线度精度为2微米的直线电机1和机械千分表7，摄像头6的像素为30万，被测物体为一个平板，被测面为0.7米宽的正方形，直线电机行程为0.8米。

这种平面度测量装置主要部件包括直线电机1、机械千分表7、摄像头6、固定座、连接杆3和控制处理机4，将直线电机放置在被测面9旁边，并且直线电机的滑块2运动方向与被测面平行，机械千分表和摄像头通过连接杆安装在固定座上，固定座安装在直线电机的滑块上，机械千分表的触头8延伸到被测面上，摄像头位于机械千分表正上方，摄像头与直线电机通过线缆5连接到控制处理机，在测量过程中，直线电机的滑块、固定座、连接杆、机械千分表和摄像头等部件之间始终保持刚性连接，没有相对位移发生。

第一步，在被测面9的一个方向上画6条平行直线组成的平行直线标记组11，将被测面9分割成7个等间隔条带；用7个测量点位14将平行直线标记组11中的每条平行直线标记平均分割成6等份，两端各1个测量点位，中间段有5个测量点位；在平行直线标记组11的垂直方向上沿着平行直线标记组11的一端再画单条直线标记13，该单条直线标记13与平行直线标记组11的所有6条直线标记的同一端相交于交叉点组15，也即从平行直线标记组11的第一条直线标记12的一端测量点位连接到最后一条直线标记的同一端测量点位，在本具体实施方式中共有6个交叉点，也即单条直线标记13上共有6个测量点位；被测面9上的测量点位组16包含42个测量点位，分别进行序号标注。

第二步，调整直线电机1的摆放位置，使得直线电机1的滑块2运动方向与平行直线标记组11中最靠近直线电机的第一条直线标记12平行，此时滑块2带动机械千分表7运动到该条直线标记12的两端点位置时，机械千分表7的触头8刚好与该条直线标记12两端的测量位置点标记相重合。直线电机1运行时，带动机械千分表7的触头8刚好沿着该条直线标记12移动。

第三步，调整机械千分表7的高度，观察触头8在被测面上的受力情况，保证触头8在直线标记12上运行时始终能与被测面9接触受力，并在垂直于被测面9的方向上产生位移，再调整并固定摄像头6的位置，使得视频图像能呈现完机械千分表7的完整表盘。

第四步，为了得到触头8所在直线标记上各测量点位处的相对位移量，控制处理机4控制直线电机1的滑块2运动，带动机械杠杆表7和摄像头6移动，机械千分表7的触头8在被测面9上沿着直线标记12运动，以指标标记12的一端测量点位为测量参考基准，机械杠杆表7显示出直线标记12上测量点位组14的相对位移变化值，摄像头6同步记录机械杠杆表7的表盘指针位置，控制处理机4自动采集并分析摄像头6的视频图像，分析并自动实时记录当前指标标记12上测量点位组14的位移变化量，结束该条直线标记12的测量后，调整机械千分表7连接杆3的长度，使得机械千分表7的触头落到直线标记12旁边一条平行直线标记上。

第五步，重复进行第三步和第四步，直至测出包含6条平行直线标记的平行直线标记组11上的测量点位组16的相对位移变化量。

第六步，将被测物体10水平转动90度，使得单条直线标记13与滑块2运动方向平行，重复第二、第三、第四步骤，完成单条直线标记13上共6个测量点位即交叉点组15的相对位移变化量，这些测量点位都是单条直线标记13与平行直线标记组11的交叉点。

第七步，以交叉点组15上的测量点位相对位移变化量为参考值，分别计算出直线标记组11和单条直线标记13上所有42个测量点位16的相对位移变化量，这些相对位移变化量的最大值与最小值之差就是被测面的平面度。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种平面度测量装置，其特征在于：主要部件包括直线电机、机械千分表、摄像头、连接杆和控制处理机，将直线电机放置在被测面旁边，并且直线电机的滑块运动方向与被测面平行，机械千分表和摄像头通过连接杆安装在直线电机的滑块上，机械千分表的触头延伸到被测面上，摄像头位于机械千分表正上方，摄像头与直线电机通过线缆连接到控制处理机，在测量过程中，直线电机的滑块、固定座、连接杆、机械千分表和摄像头之间始终保持刚性连接，没有相对位移发生。

2.根据权利要求1所述的平面度测量装置，其特征在于：所述直线电机的直线度是经过测量并已知的，且优于被测面的平面度至少1倍，直线电机的行程大于被测面的最大长度。

3.根据权利要求1所述的平面度测量装置，其特征在于：所述机械千分表是机械指针式的长度测量仪器，精度范围为1微米至0.1毫米，机械千分表的精度至少优于被测面预期平面度精度的1倍，触头位于机械千分表的一端，触头的位移通过杠杆和齿轮传导给表盘指针，触头在整个测量过程中始终与被测面保持接触受力并在垂直于被测面的方向上产生位移，机械千分表的另一端固定安装在直线电机的滑块上，机械千分表除了触头以外的部分都保持刚性连接，当滑块移动时，机械千分表相对被测位置点产生了位移，机械千分表的表盘指针会表示出该相对位移量。

4.根据权利要求1所述的平面度测量装置，其特征在于：所述摄像头是常规的视频输入设备，能获取黑白或者彩色图像视频信息，摄像头安装在直线电机的滑块上，摄像头的镜头位于机械千分表的正上方，能清晰拍摄到机械千分表的表盘，摄像头通过线缆与控制处理机相连接，能将图像实时传输给控制处理机进行图像处理。

5.根据权利要求1所述的平面度测量装置，其特征在于：所述控制处理机是带有运动电机控制和图像处理功能的设备，能够控制直线电机按照设定速度和行程运动，能够自动采集摄像头的视频图像并进行图像信号处理，分析并记录机械千分表指针的位置示值，代替人工读数，控制处理机带有一些通讯接口，用于把数据传输或者显示。

6.一种平面度测量装置的测量方法，其特征在于：完整的测量过程包含七个主要步骤:

第一步，对被测面进行测量位置点的分布确定，画多条平行的直线标记将被测面分割成等间隔的平行条带，构成平行直线标记组，在另一个方向上再画单条直线标记，该单条直线标记必须与平行直线标记组的所有直线标记相交叉，在所有直线标记上做好测量点位标记，所有直线标记的长度应不大于直线电机的量程，直线标记之间的交叉点必须作为测量点位；

第二步，将测量装置和被测物件放置在同一工作台上，调整直线电机或者被测物体的摆放位置，使得直线电机的滑块运动方向与平行直线标记组中的某一条直线标记平行，并且滑块带动机械千分表运动到该条直线标记的两端点位置时，机械千分表的触头刚好与该条直线标记两端的测量位置点标记相重合，那么当直线电机在运行时，机械千分表的触头刚好沿着该条直线标记移动；

第三步，调整机械千分表的高度，观察触头在被测面上的受力情况，保证触点在直线标记上运行时始终能与被测面接触受力，并在垂直于被测面的方向上产生位移，再调整并固定摄像头的位置，使得视频图像能呈现完机械千分表的完整表盘；

第四步，为了得到触头所在直线标记上各测量点位处的相对位移量，控制处理机控制直线电机的滑块运动，带动机械杠杆表和摄像头移动，机械千分表的触头在被测面上沿着直线标记运动，以初始测量点位为测量参考基准，机械杠杆表显示出直线标记上各测量点位的相对位移变化值，摄像头同步记录机械杠杆表的表盘指针位置，控制处理机自动采集并分析摄像头的视频图像，分析并自动实时记录当前测量点位的位移变化量，结束该条直线标记的测量后，调整机械千分表连接杆的长度，使得机械千分表的触头落到另一条平行直线标记上；

第五步，为了得到整个被测面的平面度，再重复进行第三步和第四步，直至测出所有同方向的每条直线标记上测量点位的相对位移变化量；

第六步，重复第二、第三、第四步骤，完成另一个方向上的单条直线标记上测量点位的相对位移变化量，包括该单条直线标记与平行直线标记组的交叉点；

第七步，以直线标记之间的交叉点相对位移变化量为参考值，分别计算出每条直线标记上所有测量点位的相对位移变化量，这些相对位移变化量的最大值与最小值之差就是被测面的平面度。