CN110296672A - 非刚性连接的快速驱动高精度位移测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非刚性连接的快速驱动高精度位移测量装置，包括支架、螺纹管、螺纹柱、测砧，螺纹管内设螺纹与螺纹柱外设螺纹配合，支架内设有测轴、弹性元件、用于测量测轴位移的测量元件，测轴的一端为测头，测头与测砧配合，测轴与螺纹柱连接，螺纹柱在导向机构的作用下只在轴向有自由度，测轴通过直线导轨与支架连接，弹性元件的一端与支架相连，另一端与测轴相连，弹性元件对测轴施加向着被测点方向的回复力。本发明测轴和驱动结构采用非刚性连接，测杆只由弹簧在同一形变位置提供恒定的测力，提高了重复性精度，防止过大的外部力作用在测杆上影响量具精度、损伤被测件，采用旋转、拨动的方式，满足快速切换尺寸的需求，测量效率高。

Description

非刚性连接的快速驱动高精度位移测量装置

技术领域

本发明涉及一种位移测量装置，尤其涉及一种非刚性连接的快速驱动高精度位移测量装置。

背景技术

位移测量装置，例如千分尺，用它测长度可以准确到0.01mm。现有的千分尺存在以下缺点：

1.普通千分尺采用棘轮装置，棘轮装置恒定速度时测力较为稳定，但棘轮转动速度容易受外界因素影响而波动，最终产生的测量力不够稳定，测量同一零件尺寸会产生较大误差，因此测量重复性精度较低。杠杆式千分尺测力相对稳定，但只限于极小的行程范围内，而且杠杆式千分尺想要实现高精度测量，测量前需要用到标准量块进行零位调整，即相对测量，测量过程较为繁杂，而普通千分尺采用绝对测量，测量过程较为简单。

2.传统量具测量轴与驱动结构为刚性链接，驱动部分能移动必定存在间隙，此间隙会将量具外部的力由刚性连接传递到测轴上，因此测杆会受到侧向力后发生歪斜，致使测杆与测砧之间丧失原有的平行精度，产生平行度误差，从而对测量的精度造成影响度，轴向力导致测力不恒定，也会影响测量精度；

3.普通千分尺采用旋进式结构，旋进式会造成被测零件表面刮花，损坏被测零件，而且测杆会受到侧向力后产生平行度误差，对测量的精度造成影响，由于测杆与螺纹管采用螺纹配合的方式，导致测杆与螺纹管之间在相互不转动的时候会相互固定，在轴向没有自由度，人工操作时，若旋转螺纹管过快，测杆测头与待测零件碰撞会损坏待测零件，碰撞也使待测零件表面发生微变形，进而不再是原来的尺寸，影响测量精度，同时测头与测砧之间受到压力，导致弓形支架发生微小形变也会影响测量精度，卡规采用齿轮式，克服了旋转式千分尺的缺陷，但由于卡规通常采用齿轮式，测杆受力同样不恒定，容易出现重复性误差；

4.在大批量以及大量程的测量中，需要人工不断旋转螺纹管以使测头与测砧适合不同尺寸、不同量程的零件，量程切换周期长、测量效率低下，测量人员操作费时费力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种测力恒定、测量效率高、测量精度高、测量方便的快速位移测量装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

非刚性连接的快速驱动高精度位移测量装置，包括支架、螺纹管、螺纹柱、测砧，螺纹管内设螺纹与螺纹柱外设螺纹配合，所述支架内设有测轴、弹性元件、用于测量测轴位移的测量元件，测轴的一端为测头，所述测头与测砧配合，测轴与螺纹柱连接，螺纹柱在导向机构的作用下只在轴向有自由度，测轴通过直线导轨与支架连接，所述弹性元件的一端与支架相连，另一端与测轴相连，弹性元件对测轴施加向着被测点方向的回复力。

优选的，所述测轴包括测杆和防转杆，测杆通过防转杆与螺纹柱连接，防转杆通过直线导轨与支架连接，测杆的非测头端通过非刚性连接部连接防转杆的一端，通过非刚性连接部连接后，所述测杆与防转杆在径向和轴向均有相互自由度。

优选的，所述测杆与防转杆的连接端设有缺口，防转杆与测杆的连接端设有与所述缺口配合的凸块，所述的非刚性连接部包括凸块和缺口，所述凸块包括与防转杆连接的连接部以及与连接部连接的卡合部，卡合部的正投影面积大于连接部的正投影面积，当凸块与缺口的几何中心重合时，凸块的外壁与缺口内壁均不接触。

优选的，所述的非刚性连接部由柔性材料制成。

优选的，所述的支架上设有一号防转销钉，螺纹柱上设有二号防转销钉，沿防转杆轴线方向在防转杆上设有滑槽，所述一号防转销钉和二号防转销钉与所述滑槽配合，且一号防转销钉和二号防转销钉的轴线均垂直于防转杆的轴线。

优选的，所述的支架内部固定设置有导向块，所述测轴上固定设置有固定块，固定块上设有导向杆，导向杆的轴线与测轴的轴线垂直，导向块上设有与导向杆配合的导向槽，导向槽与测杆轴线平行。

优选的，所述的弹性元件为拉簧，导向块上设有拉簧柱，支架内设有滑轮，拉簧与滑轮配合，拉簧的一端固定在拉簧柱上，拉簧的另一端穿过滑轮后固定在导向杆上，拉簧的一端通过拉簧柱与支架相连，拉簧的另一端通过导向杆与测轴相连。

优选的，所述的螺纹柱上设有轴孔，测轴的非测头端与所述轴孔配合并穿过所述轴孔，测轴的非测头端设有限位部，限位部的横截面积大于所述轴孔的横截面积，限位部用于防止测轴从向着被测点一端的轴孔脱出，但可以向远离被测点的轴向自由移动。

优选的，所述的测量元件为编码光栅，所述编码光栅包括与支架相对静止的定栅以及与测轴同步动作的动栅。

优选的，所述的支架上设有同轴的轴盖和防转套，轴盖的一端与支架螺纹连接，轴盖的另一端与防转套螺纹连接，防转杆设在轴盖和防转套的内部，轴盖和防转套设在螺纹管的内部，螺纹管内壁设有一号限位块，防转套外壁设有与一号限位块配合的二号限位块，支架上还设有扳手座，扳手座上铰接设有扳手，所述扳手与螺纹管的边缘处配合，扳手用于推动螺纹管向远离支架的方向运动。

本发明的有益效果是：

（1）拉簧的一端与支架连接，另一端与测杆连接，拉簧为测杆提供了唯一的回复力，根据胡克定律，测杆在任意同一移动位置所受的拉力为恒定值，因此，测杆所受测力恒定，量具的重复性精度显著提高。

（2）防转杆的一端与测杆非刚性连接，另一端与螺纹柱非刚性连接，避免人为驱动对测杆施加外部力，仅由螺纹管带动防转杆为测杆提供轴向单向驱动力，此单向驱动力始终不影响测力，由此提高测量精度。

（3）螺纹管与螺纹柱以自锁螺纹配合带动防转杆为测杆提供快速位移驱动，且可自锁于行程任意位置，扳手与螺纹管非刚性连接，扳手驱动螺纹管轴向移动带动防转杆可在自锁位置提供固定小行程的快速驱动，提高了批量测量的测量效率。

（4）将普通千分尺绝对测量的优点、杠杆千分尺可自适应被测零件尺寸的优点、以及卡规直进直出式的优点集于一身，避免了传统千分尺棘轮刚性连接测杆，人为驱动棘轮，轴向测力不恒定，带来测量误差的问题，也避免了杠杆千分尺仅可在极小行程测力恒定，且需校准零位的问题。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为缺口与凸块配合结构示意图；

图3为测杆与固定块、导向块配合结构示意图；

图4为螺纹管内部部分结构示意图；

图5为扳手与螺纹管配合结构示意图；

图中，1-支架，2-测砧，3-碗形橡胶，4-固定轴套，5-测杆，6-定栅，7-拉簧，8-动栅，9-导向杆，10-尾端轴套，11-轴盖，12-防转杆，13-防转套，14-一号防转销钉，15-螺纹柱，16-螺钉，17-端面盖，18-螺纹管，19-二号防转销钉，20-扳手，21-扳手轴，22-扳手座，23-导向块，24-拉簧柱，25-电池，26-滑轮，27-缺口，28-凸块，29-连接部，30-卡合部，31-固定块，32-垫片，33-一号限位块。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明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，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的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。

参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：

非刚性连接的快速驱动高精度位移测量装置，包括支架1、螺纹管18、螺纹柱15、测砧2，所述支架1内设有测轴、弹性元件、用于测量测轴位移的测量元件，螺纹管18内设螺纹与螺纹柱15外设螺纹配合。所述的支架1上设有同轴的轴盖11和防转套13，轴盖11的一端与支架1螺纹连接，轴盖11的另一端与防转套13螺纹连接，防转杆12设在轴盖11和防转套13的内部，轴盖11和防转套13设在螺纹管18的内部。

其中，测轴的一端为测头，所述测头与测砧2配合，测砧2用于测量时固定测量端，提供检测的零位基准，测轴与螺纹柱15连接，螺纹柱15在导向机构的作用下只在轴向有自由度，仅可为测轴提供轴向单向驱动力，测轴通过直线导轨与支架1连接，所述弹性元件的一端与支架1相连，另一端与测轴相连，弹性元件对测轴施加向着被测点方向的回复力。

进一步的，所述测轴包括测杆5和防转杆12，测杆5通过防转杆12与螺纹柱15连接，防转杆12通过直线导轨与支架1连接，测杆5的非测头端通过非刚性连接部连接防转杆12的一端，通过非刚性连接部连接后，所述测杆5与防转杆12在径向和轴向均有相互自由度。

所述的螺纹柱15上设有轴孔，测轴的非测头端（本处为防转杆12远离测杆5的一端）与所述轴孔配合并穿过所述轴孔，测轴的非测头端（本处为防转杆12远离测杆5的一端）设有限位部，限位部的横截面积大于所述轴孔的横截面积，限位部用于防止测轴从向着被测点一端的轴孔脱出，但在远离被测点的轴向有自由度。具体的，所述防转杆12远离非刚性连接部的一端通过螺纹连接设有螺钉16，所述螺钉16与防转杆12同轴，螺钉16与防转杆12之间设有垫片32，所述限位部为垫片32。垫片32与螺纹柱15端面配合。

支架1内设有与测杆5配合的固定轴套4以及尾端轴套10，为测杆5提供了移动导向和支撑，固定轴套4上设有碗形橡胶3，为整个测量装置提供良好的密封性，防水防尘，固定轴套4可采用密珠轴承，与测杆5紧密配合，不存在间隙，防止测杆5发生微斜、摆动，提高测量精度，同时，密珠轴承具有较长的使用寿命。

进一步的，所述的非刚性连接部可由柔性材料制成，例如绳子、皮带、柔性塑料制品等，或者，所述测杆5与防转杆12的连接端设有缺口27，防转杆12与测杆5的连接端设有与所述缺口27配合的凸块28，所述的非刚性连接部包括凸块28和缺口27，所述凸块28包括与防转杆12连接的连接部29以及与连接部29连接的卡合部30，卡合部30的正投影面积大于连接部29的正投影面积，保证当卡合部30不能从缺口27内脱出，凸块28与缺口27的几何中心重合时，凸块28的外壁与缺口27内壁均不接触，保证在一定范围内，测杆5与防转杆12在径向和轴向均有相互自由度（本实施例采用T字形缺口与T字形凸块）。

测杆5与防转杆12均通过直线导轨与支架1连接，取缔传统旋转进出的方式，采用直进直出的方式，提高了平行精度。其中，所述的支架1内部固定设置有导向块23，所述测杆5上固定设置有固定块31，固定块31上设有导向杆9，导向杆9的轴线与测杆5轴线垂直，导向块23上设有与导向杆9配合的导向槽，导向槽与测杆5轴线平行。所述的支架1上设有一号防转销钉14，进一步的，一号防转销钉14固定在防转套13上，螺纹柱15上设有二号防转销钉19，沿防转杆12轴线方向在防转杆12上设有滑槽，所述一号防转销钉14和二号防转销钉19与所述滑槽配合，且一号防转销钉14和二号防转销钉19的轴线均垂直于防转杆12的轴线。一号防转销钉14卡进防转杆12的滑槽中，限制防转杆12旋转，保证防转杆12仅可轴向移动，二号防转销钉19卡进被限制旋转的防转杆12的滑槽中，再与螺纹柱15连接，限制螺纹柱15旋转，保证螺纹柱15仅可轴向移动，采用直进式结构，具备直进式量具快速高效的特点，同时具备直进式结构在测量时，与工件接触后不发生相互摩擦的特点，保护测量面与被测件。

进一步的，所述弹性元件的一端与支架1相连，另一端与测杆5相连，弹性元件对测杆5施加远离防转杆12方向的回复力。进一步的，所述的弹性元件为拉簧7，导向块23上设有拉簧柱24，支架1内设有滑轮26，拉簧7与滑轮26配合，拉簧7的一端固定在拉簧柱24上，拉簧7的另一端穿过滑轮26后固定在导向杆9上，拉簧7的一端通过拉簧柱24与支架1相连，拉簧7的另一端通过导向杆9与测杆5相连，由于支架1内部空间较小，通过滑轮26的方式加长了拉簧7的长度（如果拉簧7长度较短，当测杆5的移动距离超过拉簧7的极限形变量时，使拉簧7弹性系数发生变化，进而使拉簧7对测杆5的拉力变得不稳定，测杆5测头与被测零件不能良好配合，影响测量效果），为测杆5提供稳定的拉力。

进一步的，所述的测量元件为编码光栅，电池25为编码光栅提供电量支撑，所述编码光栅包括与支架1相对静止的定栅6以及与测轴同步动作的动栅8，测杆5移动时产生的位移即为定栅6与动栅8之间的位移，通过定栅6与动栅8之间的位移来测量测杆5移动时产生的位移，采用电子测量的方式，方便快速测量，提高测量效率。进一步的，所述定栅6固定在支架1内壁上，所述动栅8设在固定块31上。

螺纹管18内壁设有一号限位块33，防转套13外壁设有与一号限位块33配合的二号限位块34，一号限位块33与二号限位块34用于防止螺纹管18脱离支架1，即防止测杆5过度位移使动栅8超出行程而损坏。支架1上还设有扳手座22，扳手座22上通过扳手轴21铰接设有扳手20，所述扳手20与螺纹管18的边缘处配合，扳手20用于推动螺纹管18向远离支架1的方向运动，同时扳手20推动螺纹管18的最长位移即为一号限位块33与二号限位块34之间的距离。如图5所示，由于扳手20铰接进行弧线位移，考虑到如果仅使扳手20端部与螺纹管18的边缘处配合的话，当弧线位移较大而扳手20长度又有限的情况，可能会使扳手20与螺纹管18的边缘处脱离，所示将扳手20设计成图5的半圆形，增大扳手20与螺纹管18的接触面积，防止上述情况，将扳手20与螺纹管18的接触面设置成弧形，使扳手20与螺纹管18的接触点轨迹适应扳手20运动轨迹，以使扳手20与螺纹管18接触更平滑，防止卡死、剐蹭的现象，符合人体工程学，操作舒适。

螺纹管18的端部设有端面盖17，用于密封支架1，并限制测杆5的位移，防止动栅8超出行程而损坏。

本发明的使用过程及原理如下（以图1为例）：

非测量状态时（预调静止位置和拉伸测杆5的动作时），垫片32与螺纹柱15端面保持接触，同时提供克服拉簧7拉力及测杆5重力合力的反作用力，达到静平衡或动平衡。测量状态时（测杆5测量端与测砧2先同时接触被测件，或零位时测量端与测砧2直接接触），螺纹柱15向着被测件移动，致使螺纹柱15端面与端面垫片32脱离。测杆5轴向只受弹簧的拉力以及被测件提供的反作用力，不受其他力影响，因此在任一相同测量位置，测力恒定不变。

测量时，通过估计待测零件大概长度来旋转螺纹管18，由于一号防转销钉14固定在防转套13上，即相对于支架1固定，二号防转销钉19设在螺纹柱15上，即相对螺纹柱15固定，而一号防转销钉14和二号防转销钉19同时受限于防转杆12上的滑槽，所以旋转螺纹管18时，螺纹柱15会相对于螺纹管18前进，即使测杆5远离测砧2，而扳动扳手20时，由于螺纹柱15与螺纹管18通过螺纹固定，通过限位部使防转杆12连同测杆5继续远离测砧2，在尺寸相差不大的零件的大批量检测中，事先旋转好螺纹管18使测杆5与测砧2之间的距离大体适合被测零件，并自锁在该位置，之后的测量中只需要扳动扳手20（不设扳手20时，直接向外拉动螺纹管18同样可以），使测杆5再做微调整以使测杆5最终配合零件尺寸。这样方便了测量人员快速地将量具在大量程的任意位置变换，满足快速切换尺寸的需求，免去了以往人工不断旋转螺纹管以使测头与测砧2配合的麻烦，大大提高了测量效率，被限制旋转的螺纹柱15与螺纹管18以大径自锁螺纹配合，螺纹管18旋转为螺纹柱15提供全行程快速轴向驱动，且可自锁于行程任意位置，可应用于不同尺寸快速检测，扳手20与螺纹管18非刚性连接驱动螺纹管18轴向移动带动防转杆12在自锁位置提供固定行程内（行程距离为一号限位块33与二号限位块34之间的距离）的快速驱动，可应用于快速批量检测。

在旋转螺纹管18时，由于螺纹柱15只与防转杆12配合，旋转时产生的侧向力只会影响到防转杆12，又因为防转杆12与测杆5采用非刚性连接部连接，侧向力并不会传递给测杆5，测杆5只受拉簧7的拉力，当测头和测砧2配合好后并同时接触待测零件时，螺纹柱15继续向着被测件移动，螺纹柱15端面与垫片32将会脱离或者处于相互接触但互不施加作用力的平衡状态，外力不会传递到测杆5和工件上，测杆5轴向受到弹簧的拉力以及被测件提供的反作用力，不受其他力影响，测杆5一直由拉簧7在同一形变位置提供恒定的测力（根据胡克定律F=kx，同一位置x相同，在k不变的情况下，则F是一定的），将量具的重复性精度显著提高。

由于防转杆12与螺纹柱15的轴孔配合，使得测杆5并不是像传统千分尺那样与螺纹管18固定死，因而避免了测杆5测头使待测零件表面发生微变形的情况（测杆5在轴向存在自由度，自适应待测零件尺寸）。

因此，测量时，测杆5的位移完全等于被测零件尺寸，不受其他因素影响，通过定栅6与动栅8的相对位移测量出具体数值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.非刚性连接的快速驱动高精度位移测量装置，包括支架（1），其特征在于：还包括螺纹管（18）、螺纹柱（15）、测砧（2），螺纹管（18）内设螺纹与螺纹柱（15）外设螺纹配合，所述支架（1）内设有测轴、弹性元件、用于测量测轴位移的测量元件，测轴的一端为测头，所述测头与测砧（2）配合，测轴与螺纹柱（15）连接，螺纹柱（15）在导向机构的作用下只在轴向有自由度，测轴通过直线导轨与支架（1）连接，所述弹性元件的一端与支架（1）相连，另一端与测轴相连，弹性元件对测轴施加向着被测点方向的回复力。

2.根据权利要求1所述的非刚性连接的快速驱动高精度位移测量装置，其特征在于：所述测轴包括测杆（5）和防转杆（12），测杆（5）通过防转杆（12）与螺纹柱（15）连接，防转杆（12）通过直线导轨与支架（1）连接，测杆（5）的非测头端通过非刚性连接部连接防转杆（12）的一端，通过非刚性连接部连接后，所述测杆（5）与防转杆（12）在径向和轴向均有相互自由度。

3.根据权利要求2所述的非刚性连接的快速驱动高精度位移测量装置，其特征在于：所述测杆（5）与防转杆（12）的连接端设有缺口（27），防转杆（12）与测杆（5）的连接端设有与所述缺口（27）配合的凸块（28），所述的非刚性连接部包括凸块（28）和缺口（27），所述凸块（28）包括与防转杆（12）连接的连接部（29）以及与连接部（29）连接的卡合部（30），卡合部（30）的正投影面积大于连接部（29）的正投影面积，当凸块（28）与缺口（27）的几何中心重合时，凸块（28）的外壁与缺口（27）内壁均不接触。

4.根据权利要求2所述的非刚性连接的快速驱动高精度位移测量装置，其特征在于：所述的非刚性连接部由柔性材料制成。

5.根据权利要求2所述的非刚性连接的快速驱动高精度位移测量装置，其特征在于：所述的支架（1）上设有一号防转销钉（14），螺纹柱（15）上设有二号防转销钉（19），沿防转杆（12）轴线方向在防转杆（12）上设有滑槽，所述一号防转销钉（14）和二号防转销钉（19）与所述滑槽配合，且一号防转销钉（14）和二号防转销钉（19）的轴线均垂直于防转杆（12）的轴线。

6.根据权利要求1所述的非刚性连接的快速驱动高精度位移测量装置，其特征在于：所述的支架（1）内部固定设置有导向块（23），所述测轴上固定设置有固定块（31），固定块（31）上设有导向杆（9），导向杆（9）的轴线与测轴的轴线垂直，导向块（23）上设有与导向杆（9）配合的导向槽，导向槽与测杆（5）轴线平行。

7.根据权利要求6所述的非刚性连接的快速驱动高精度位移测量装置，其特征在于：所述的弹性元件为拉簧（7），导向块（23）上设有拉簧柱（24），支架（1）内设有滑轮（26），拉簧（7）与滑轮（26）配合，拉簧（7）的一端固定在拉簧柱（24）上，拉簧（7）的另一端穿过滑轮（26）后固定在导向杆（9）上，拉簧（7）的一端通过拉簧柱（24）与支架（1）相连，拉簧（7）的另一端通过导向杆（9）与测轴相连。

8.根据权利要求1所述的非刚性连接的快速驱动高精度位移测量装置，其特征在于：所述的螺纹柱（15）上设有轴孔，测轴的非测头端与所述轴孔配合并穿过所述轴孔，测轴的非测头端设有限位部，限位部的横截面积大于所述轴孔的横截面积，限位部用于防止测轴从向着被测点一端的轴孔脱出，但可以向远离被测点的轴向自由移动。

9.根据权利要求1所述的非刚性连接的快速驱动高精度位移测量装置，其特征在于：所述的测量元件为编码光栅，所述编码光栅包括与支架（1）相对静止的定栅（6）以及与测轴同步动作的动栅（8）。

10.根据权利要求1所述的非刚性连接的快速驱动高精度位移测量装置，其特征在于：所述的支架（1）上设有同轴的轴盖（11）和防转套（13），轴盖（11）的一端与支架（1）螺纹连接，轴盖（11）的另一端与防转套（13）螺纹连接，防转杆（12）设在轴盖（11）和防转套（13）的内部，轴盖（11）和防转套（13）设在螺纹管（18）的内部，螺纹管（18）内壁设有一号限位块（33），防转套（13）外壁设有与一号限位块（33）配合的二号限位块（34），支架（1）上还设有扳手座（22），扳手座（22）上铰接设有扳手（20），所述扳手（20）与螺纹管（18）的边缘处配合，扳手（20）用于推动螺纹管（18）向远离支架（1）的方向运动。