CN110375678A - 端面与内孔母线的垂直度和内孔锥度的测量工装使用方法 - Google Patents

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凌四营
刘瑞坤
凌明
高东辉
张慧阳
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/26—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes

Abstract

本发明属于精密测量技术领域，涉及端面与内孔母线的垂直度和内孔锥度的测量工装使用方法，装置包括：凹形刀口尺夹持座、精化刀口形直尺、精化刀口形直角尺、调整螺钉、紧定螺钉。本发明提供的测量工装使用方法，通过精化刀口形直尺和刀口形直角尺工作棱边，并以高精度正六面体基准块为基准装配提高测量工装精化刀口形直尺工作棱边与精化刀口形直角尺长棱边的垂直度，利用对互补的两个角进行二次测量，提高了垂直度测量的精度与灵敏度，具有测量效率高、测量精度高、测量方便、成本低的优点，具有广阔的市场应用前景。

Description

端面与内孔母线的垂直度和内孔锥度的测量工装使用方法
技术领域
本发明属于精密测量技术领域，涉及一种基于光隙法的端面相对于内孔母线垂直度和内孔锥度的测量工装使用方法。
背景技术
垂直度属于位置公差，其定义为被测要素的实际方向，对于基准相垂直的理想方向之间所允许的最大变动量，也就是用以限制被测实际要素偏离垂直方向，所允许的最大变动范围。垂直度的测量方法有多种。
市场上有专门的测量垂直度的垂直度测量仪，采用气浮原理实现精密导向，这种仪器具有测量精度高、性能稳定、操作及维护方便的优点，但是由于技术难度较大，国内几乎没有生产，目前主要是发达国家在生产。由于国外产品售价高，在我们国内没有得到普及推广。
三坐标测量仪是将被测物体置于三坐标测量空间，可获得被测物体上各测点的坐标，根据测点的空间坐标值，经计算求出被测物体的几何尺寸、形位误差，可实现对工件的几何尺寸、形位误差的精密检测。但三坐标测量仪体积较大不便携、价格昂贵，无法进行在线测量。
公开的发明专利：一种端面对盲孔轴线垂直度测量器(CN201210308198.0)，可胀式芯轴在孔内根据测量的需要进行各个方向滑动，可胀式芯轴模拟盲孔轴线，横板大平面左端的百分表测头顶在端面上，转动一周可胀式芯轴带动横板大平面上的百分表测量端面对盲孔轴线垂直度误差，但该测量器的分别率在0.01mm，垂直度误差的测量精度不高。
在机械加工中，经常遇到外端面相对于内孔轴线的垂直度要求，通常采用穿锥芯轴的方式检查端面相对于芯轴轴线的垂直度误差，但采用该方式，芯轴和顶尖的误差会带入测量结果。采用传统刀口形直角尺基于光隙法测量垂直度时，受限于刀口形直角尺自身的精度，测量精度也不高。
采用光学自准直仪，激光干涉仪等光学方法能够测量垂直度，测量精度较高，但是仪器成本太高，测量配件较多，测量繁琐，且使用范围受限。
发明内容
为提升零件端面相对于内孔母线垂直度和内孔锥度测量的经济性、使用便携性和可观测性，本发明提供了一种端面与内孔母线的垂直度和内孔锥度的测量工装使用方法，该测量工装包括：凹形刀口尺夹持座、精化刀口形直尺、精化刀口形直角尺、调整螺钉、紧定螺钉；其中凹形刀口尺夹持座由底板、薄板、厚板组成；凹形刀口尺夹持座的侧面薄板与厚板平行并垂直于底板，侧面薄板和底板分别布置一排相对应的均布螺纹孔，分别与紧定螺钉和调整螺钉相匹配；
所述测量工装使用方法包括如下步骤：
1)在装配前采用经过对研的高精度研磨平板对刀口形直尺和刀口形直角尺的工作棱边进行精化，得到精化刀口形直尺、精化刀口形直角尺，其工作棱边的直线度误差达到亚微米量级；
2)装配时，选择两夹角互补且相邻三个面精加工的正六面体基准块为基准进行装配，通过调整凹形刀口尺夹持座的调整螺钉来调整精化刀口形直角尺的位置，进一步调整测量工装精化刀口形直尺工作棱边与精化刀口形直角尺长棱边的垂直度误差至±2″以内；然后用合适的力矩通过凹形刀口尺夹持座的锁紧螺钉进行锁紧，保证精化刀口形直角尺的短棱边不超出精化刀口形直尺的范围；优化凹形刀口尺夹持座侧面两板厚度差使测量工装相对于精化刀口形直尺工作棱边力矩平衡；
3)使用时，将测量工装的精化刀口形直角尺长棱边与内孔母线紧贴，测量工装的精化刀口形直尺工作棱边与端面贴合，如果零件端面相对于内孔母线不垂直或内孔存在锥度误差，精化刀口直尺的工作棱边与零件端面某一侧之间会形成间隙，用肉眼观察间隙透过不同颜色光的可见性，按照低波长光到高波长光的顺序依次调节光源的波长，依据不同波长光的可见性来判断测量工装的精化刀口形直尺工作棱边和待测工件端面的光隙大小m，接着将测量工装固定，将待测工件绕轴线旋转一周，找出最大间隙m1，根据公式θi＝arctan(mi/d)求出θ1；然后将测量工装旋转180°，使测量工装的精化刀口形直角尺长棱边与相对侧内孔母线紧贴，得到此时的间隙m2，进而得到θ2；因为内孔与端面的两夹角α与β互补，通过测两次取平均值得到θ，消除测量工装精化刀口形直尺工作棱边与精化刀口形直角尺长棱边自身垂直度误差，通过t＝l tanθ求出锥度误差t，其中θ为端面相对于内孔母线的角度误差；l为零件沿轴线方向的长度；d是待测工件的外径大小。可见间隙大小m对垂直度误差t具有明显的放大作用，测量灵敏度也提高一倍。
进一步地，所述测量在环境温度为20±2℃的恒温室中进行，变波长LED灯带与待测端面的距离较近，使用时散发的热量易传递到待测端面，影响测量精度，故使用该工装测量零件端面相对于内孔母线垂直度和内孔锥度时测量时间不超过5分钟。
根据不同波长光的可见性判断刀口尺工作棱边和被测端面之间的间隙大小，进而判断端面相对于内孔母线垂直度和内孔锥度；
不同波长光的可见性和精化刀口形直尺工作棱边和待测零件端面之间的间隙大小关系为：无可见光，端面与精化刀口形直尺工作棱边的间隙大小低于0.4μm；光隙只能透过紫色光，蓝色、绿色、黄色、红色光不可见，端面与精化刀口形直尺工作棱边的间隙大小约为0.4～0.5μm；光隙能透过蓝色光和紫色光，绿色、黄色、红色光不可见，端面与精化刀口形直尺工作棱边的间隙大小约为0.5～0.55μm；光隙能透过绿色、蓝色、紫色光，黄色、红色光不可见，端面与精化刀口形直尺工作棱边的间隙大小约为0.55～0.6μm；光隙能透过黄色、绿色、蓝色、紫色光，红色光不可见，端面与精化刀口形直尺工作棱边的间隙大小约为0.6～0.8μm；光隙能透过红色、黄色、绿色、蓝色、紫色光，端面与精化刀口形直尺工作棱边的间隙大小大于0.8μm。
本发明的有益效果在于，本发明提供了一种基于光隙法的零件端面相对于内孔母线垂直度和内孔锥度的测量工装使用方法。通过精化刀口形直尺的工作棱边，将直线度误差减小到亚微米量级；以高精度正六面体基准块为基准进行装配提高测量工装精化刀口形直尺工作棱边与精化刀口形直角尺长棱边的垂直度；由于端面与内孔母线两夹角互补，通过两侧测量可消除测量工装精化刀口形直尺工作棱边与精化刀口形直角尺长棱边的垂直度误差，根据不同波长光的可见性来判断精化刀口形直尺工作棱边和端面之间的间隙大小，利用间隙大小对垂直度误差的放大作用，进而判断端面相对于内孔母线的垂直度误差。该工装的测量精度相较于传统的刀口形直角尺光隙法测量垂直度的精度和灵敏度提高了一倍以上，具有测量效率高、测量精度高、测量方便、成本低的优点，具有广阔的市场应用前景。
附图说明
图1测量工装。
图2装配方法图。
图3测量垂直度误差示意图。(a)一次测量(b)二次测量。
图4测量锥度误差示意图。(a)一次测量(b)二次测量。
图5凹形刀口尺夹持座。
图中：1凹形刀口尺夹持座；1-1底板；1-2薄板；1-3厚板；1-4底面螺纹孔；1-5侧面螺纹孔；1-6厚板夹持面；2精化刀口形直尺工作棱边；3精化刀口形直角尺长棱边；4精化刀口形直角尺短棱边；5待测零件；6调整螺钉；7紧定螺钉；8高精度正六面体基准块。
具体实施方式
一、以测量基圆盘端面相对于内孔母线的垂直度误差为例，阐述本发明的具体实施方法。
1)在装配前首先对零件进行精化。为提高225mm商品0级刀口形直尺以及0级刀口形直角尺精度，其工作棱边的直线度误差为2μm，采用经过对研的平面度误差低于0.5μm的300mm×300mm高精度研磨平板对刀口形直尺和刀口形直角尺进行精化，可将刀口尺的精度提高一倍以上，精化后的刀口尺直线度误差不大于0.3μm；利用上述高精度碳化硼油石对凹形刀口尺夹持座1的底板1-1和厚板1-3的夹持面进行精化，精化后的平面度误差不大于1μm。
2)装配时，保证精化刀口形直尺与底板1-1的夹持面共面，以高精度正六面体基准块为基准进行装配，该正六面体基准块两夹角互补且相邻三个面经过精加工，平面度不大于0.1μm，相对面平行度不大于0.2μm。通过内六角圆柱头调整螺钉6调整精化刀口形直角尺长棱边3在夹持工装中的位置，首先将精化刀口形直尺工作棱边2与精化刀口形直角尺长棱边3紧贴在高精度正六面体基准块的一组相邻面，然后将精化刀口形直尺工作棱边2与精化刀口形直角尺长棱边3紧贴在高精度正六面体基准块剩余的一组相邻面。具体判断方法为：当测量工装两次放置光隙出现在同一侧时，说明误差是由正六面体基准块引起的；当测量工装两次放置光隙出现在不同侧时，说明误差是由测量工装精化刀口形直尺工作棱边与精化刀口形直角尺长棱边的垂直度误差引起的；当测量工装两次放置没有光隙时则调整完毕。通过此方法可将测量工装精化刀口形直尺工作棱边与精化刀口形直角尺长棱边的角度误差调整至±2″以内；之后调整内六角圆柱头紧定螺钉7进行锁紧。保证刀精化刀口形直角尺短棱边4不超出精化刀口形直尺的范围；为避免翘曲，安装时螺钉的预紧力一致。
3)使用前先将测量工装与变波长LED灯带放置在待测零件5端面上，关掉测量环境中其他的光源，确保测量环境无光；使用时，手轻施加力将精化刀口形直角尺长棱边3轻轻接触于待测零件5内孔母线上；以精化刀口形直角尺长棱边3为轴线，前后摆动约15°，可用肉眼或光传感器观察光的可见性，按照低波长光到高波长光的顺序依次调节LED灯带的波长，常采用紫、蓝、绿、黄、红色光，紫色光波长约为380～440nm，蓝色光波长约为440～485nm，绿色光波长约为500～565nm，黄色光波长约为565～570nm，红色光波长约为625～780nm；依据不同波长光的可见性来判断精化刀口形直尺工作棱边2和待测零件5端面在待测零件5远端A的间隙大小m。
不同波长光的可见性和精化刀口形直尺工作棱边2和待测零件5端面之间的间隙大小关系为：无可见光，端面与精化刀口形直尺工作棱边2的间隙大小低于0.4μm；光隙只能透过紫色光，蓝色、绿色、黄色、红色光不可见，端面与精化刀口形直尺工作棱边2的间隙大小约为0.4～0.5μm；光隙能透过蓝色光和紫色光，绿色、黄色、红色光不可见，端面与精化刀口形直尺工作棱边2的间隙大小约为0.5～0.55μm；光隙能透过绿色、蓝色、紫色光，黄色、红色光不可见，端面与精化刀口形直尺工作棱边2的间隙大小约为0.55～0.6μm；光隙能透过黄色、绿色、蓝色、紫色光，红色光不可见，端面与精化刀口形直尺工作棱边2的间隙大小约为0.6～0.8μm；光隙能透过红色、黄色、绿色、蓝色、紫色光，端面与精化刀口形直尺工作棱边2的间隙大小大于0.8μm。
接着将测量工装固定，将待测零件5绕轴线旋转一周，找出最大间隙m1。根据公式θi＝arctan(mi/d)求出θ1，其中d是待测工件的外径大小；然后将测量工装旋转180°，使测量工装的精化刀口形直角尺长棱边与另一侧内孔母线紧贴，得到此时的间隙m2，进而得到θ2；因为内孔与端面的两夹角α与β互补，通过测两次取平均值θ可消除测量工装精化刀口形直尺工作棱边与精化刀口形直角尺长棱边的垂直度误差，通过公式t＝l tanθ可求出垂直度误差t，其中θ为端面相对于内孔母线的角度误差；l为零件沿轴线方向的长度；可见间隙大小m对垂直度误差t具有明显的放大作用，测量灵敏度也提高一倍以上。
4)测量在环境温度为20℃±2℃的恒温室中进行，变波长LED灯带与待测零件5端面的距离较近，使用时散发的热量易传递到待测平面，影响测量精度，故使用该工装测量直线度时测量时间不超过5分钟。
二、以测量内孔锥度误差为例，阐述本发明的具体实施方法。
1)在装配前首先对零件进行精化。为提高225mm商品0级刀口形直尺以及0级刀口形直角尺精度，其工作棱边的直线度误差为2μm，采用经过对研的平面度误差低于0.5μm的300mm×300mm高精度研磨平板对刀口形直尺和刀口形直角尺进行精化，可将刀口尺的精度提高一倍以上，精化后的刀口尺直线度误差不大于0.5μm；利用上述高精度碳化硼油石对凹形刀口尺夹持座1的底板1-1和厚板1-3的夹持面进行精化，精化后的平面度误差不大于1μm。
2)装配时，保证精化刀口形直尺与底板1-1的夹持面共面，以高精度正六面体基准块为基准进行装配，该正六面体基准块两夹角互补且相邻三个面经过精加工，平面度不大于0.1μm，相对面平行度不大于0.2μm。通过内六角圆柱头调整螺钉6调整精化刀口形直角尺长棱边3在夹持工装中的位置，首先将精化刀口形直尺工作棱边2与精化刀口形直角尺长棱边3紧贴在高精度正六面体基准块的一组相邻面，然后将精化刀口形直尺工作棱边2与精化刀口形直角尺长棱边3紧贴在高精度正六面体基准块剩余的一组相邻面。具体判断方法为：当测量工装两次放置光隙出现在同一侧时，说明误差是由正六面体基准块引起的；当测量工装两次放置光隙出现在不同侧时，说明误差是由测量工装精化刀口形直尺工作棱边与精化刀口形直角尺长棱边的垂直度误差引起的；当测量工装两次放置没有光隙时则调整完毕。通过此方法可将测量工装精化刀口形直尺工作棱边与精化刀口形直角尺长棱边的角度误差调整至±2″以内；之后调整内六角圆柱头紧定螺钉7进行锁紧。保证刀精化刀口形直角尺短棱边4不超出精化刀口形直尺的范围；为避免翘曲，安装时螺钉的预紧力一致。
3)使用前先将测量工装与变波长LED灯带放置在待测零件5端面上，关掉测量环境中其他的光源，确保测量环境无光；使用时，手轻施加力将精化刀口形直角尺长棱边3轻轻接触于待测零件5内孔母线上；以精化刀口形直角尺长棱边3为轴线，前后摆动约15°，可用肉眼或光传感器观察光的可见性，按照低波长光到高波长光的顺序依次调节LED灯带的波长，常采用紫、蓝、绿、黄、红色光，紫色光波长约为380～440nm，蓝色光波长约为440～485nm，绿色光波长约为500～565nm，黄色光波长约为565～570nm，红色光波长约为625～780nm；依据不同波长光的可见性来判断精化刀口形直尺工作棱边3和待测零件5端面在待测零件5远端的间隙大小m。
不同波长光的可见性和精化刀口形直尺工作棱边2和待测零件5端面之间的间隙大小关系为：无可见光，端面与精化刀口形直尺工作棱边2的间隙大小低于0.4μm；光隙只能透过紫色光，蓝色、绿色、黄色、红色光不可见，端面与精化刀口形直尺工作棱边2的间隙大小约为0.4～0.5μm；光隙能透过蓝色光和紫色光，绿色、黄色、红色光不可见，端面与精化刀口形直尺工作棱边2的间隙大小约为0.5～0.55μm；光隙能透过绿色、蓝色、紫色光，黄色、红色光不可见，端面与精化刀口形直尺工作棱边2的间隙大小约为0.55～0.6μm；光隙能透过黄色、绿色、蓝色、紫色光，红色光不可见，端面与精化刀口形直尺工作棱边2的间隙大小约为0.6～0.8μm；光隙能透过红色、黄色、绿色、蓝色、紫色光，端面与精化刀口形直尺工作棱边2的间隙大小大于0.8μm。
接着将测量工装固定，将待测零件5绕轴线旋转一周，找出最大间隙m1。根据公式θi＝arctan(mi/d)求出θ1；然后将测量工装翻转180°，使测量工装的精化刀口形直角尺长棱边与另一侧内孔母线紧贴，得到此时的间隙m2，进而得到θ2；因为内孔与端面的两夹角α与β互补，通过测两次取平均值θ可消除测量工装精化刀口形直尺工作棱边与精化刀口形直角尺长棱边的垂直度误差，通过t＝l tanθ可求出锥度误差t，其中θ为端面相对于内孔母线的角度误差；l为零件沿轴线方向的长度；其中d是待测工件的外径大小；可见间隙大小m对锥度误差t具有明显的放大作用，测量灵敏度也提高一倍以上。
4)测量在环境温度为20℃±2℃的恒温室中进行，变波长LED灯带与待测零件5端面的距离较近，使用时散发的热量易传递到待测平面，影响测量精度，故使用该工装测量直线度时测量时间不超过5分钟。

Claims (3)

1.一种端面与内孔母线的垂直度和内孔锥度的测量工装使用方法，其特征在于，该测量工装包括：凹形刀口尺夹持座(1)、精化刀口形直尺、精化刀口形直角尺、调整螺钉(6)、紧定螺钉(7)；其中凹形刀口尺夹持座(1)由底板(1-1)、薄板(1-2)、厚板(1-3)组成；凹形刀口尺夹持座(1)的侧面薄板(1-2)与厚板(1-3)平行且垂直于底板，侧面薄板(1-2)和底板(1-1)分别布置一排相对应的均布螺纹孔，分别与紧定螺钉(7)和调整螺钉(6)相匹配；
所述测量工装使用方法包括如下步骤：
1)在装配前采用经过对研的高精度研磨平板对刀口形直尺和刀口形直角尺的工作棱边进行精化，得到精化刀口形直尺、精化刀口形直角尺，其工作棱边的直线度误差达到亚微米量级；
2)装配时，选择两夹角互补且相邻三个面精加工的正六面体基准块为基准进行装配，通过调整凹形刀口尺夹持座(1)的调整螺钉(6)来调整精化刀口形直角尺的位置，进一步调整测量工装精化刀口形直尺工作棱边(2)与精化刀口形直角尺长棱边(3)的垂直度误差至±2″以内；然后用合适的力矩通过凹形刀口尺夹持座(1)的锁紧螺钉进行锁紧，保证精化刀口形直角尺的短棱边(4)不超出精化刀口形直尺的范围；凹形刀口尺夹持座(1)侧面两板厚度差使测量工装相对于精化刀口形直尺工作棱边(2)力矩平衡；
3)使用时，将测量工装的精化刀口形直角尺长棱边(3)与内孔母线紧贴，测量工装的精化刀口形直尺工作棱边(2)与端面贴合，如果零件端面相对于内孔母线不垂直或内孔存在锥度误差，精化刀口直尺的工作棱边与零件端面某一侧之间会形成间隙，用肉眼观察间隙透过不同颜色光的可见性，按照低波长光到高波长光的顺序依次调节光源的波长，依据不同波长光的可见性来判断测量工装的精化刀口形直尺工作棱边(2)和待测工件端面的光隙大小m，接着将测量工装固定，将待测工件绕轴线旋转一周，找出最大间隙m1，根据公式θi＝arctan(mi/d)求出θ1；然后将测量工装旋转180°，使测量工装的精化刀口形直角尺长棱边(3)与相对侧内孔母线紧贴，得到此时的间隙m2，进而得到θ2；因为内孔与端面的两夹角α与β互补，通过测两次取平均值得到θ，消除测量工装精化刀口形直尺工作棱边(2)与精化刀口形直角尺长棱边(3)自身垂直度误差，通过t＝l tanθ求出锥度误差t，其中θ为端面相对于内孔母线的角度误差；l为零件沿轴线方向的长度；d是待测工件的外径大小。
2.根据权利要求1所述的端面与内孔母线的垂直度和内孔锥度的测量工装使用方法，其特征在于，测量在环境温度为20±2℃的恒温室中进行，测量时间不超过5分钟。
3.根据权利要求1或2所述的端面与内孔母线的垂直度和内孔锥度的测量工装使用方法，其特征在于，根据不同波长光的可见性判断刀口尺工作棱边和被测端面之间的间隙大小，进而判断端面相对于内孔母线垂直度和内孔锥度；
不同波长光的可见性和精化刀口形直尺工作棱边(2)和待测零件端面之间的间隙大小关系为：无可见光，端面与精化刀口形直尺工作棱边(2)的间隙大小低于0.4μm；光隙只能透过紫色光，蓝色、绿色、黄色、红色光不可见，端面与精化刀口形直尺工作棱边(2)的间隙大小约为0.4～0.5μm；光隙能透过蓝色光和紫色光，绿色、黄色、红色光不可见，端面与精化刀口形直尺工作棱边(2)的间隙大小约为0.5～0.55μm；光隙能透过绿色、蓝色、紫色光，黄色、红色光不可见，端面与精化刀口形直尺工作棱边(2)的间隙大小约为0.55～0.6μm；光隙能透过黄色、绿色、蓝色、紫色光，红色光不可见，端面与精化刀口形直尺工作棱边(2)的间隙大小约为0.6～0.8μm；光隙能透过红色、黄色、绿色、蓝色、紫色光，端面与精化刀口形直尺工作棱边(2)的间隙大小大于0.8μm。
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