CN110672052B - 测量厚度的柔性方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量厚度的柔性方法及装置。该装置包括测量主机、标准器、被测试件、试件定位支座、驱动器和数控器七部分。测量主机由机架、编码丝杆和双动悬臂梁传感器组成。编码丝杆由测微丝杆和三态编码器组成。三态编码器由齿盘和四副悬臂梁传感器组成。双动悬臂梁传感器由左、右两个带有夹持顶针的可移动悬臂梁传感器组成。数控器内置系统测量软件。测量时，数控器控制驱动器，带动测微丝杆和齿盘转动，双动悬臂梁传感器与编码丝杆配合，夹持被测试件，双动悬臂梁传感器和编码丝杆分别向数据处理器传输测量信号，后者给出被测试件的厚度值。

Description

测量厚度的柔性方法及装置
技术领域
本设计提供一种测量厚度的柔性方法及装置，用于材料力学性能试验中试样的厚度测量以及一般机械零件的厚度测量，属传感器、力学试验技术及机械测量技术领域。
背景技术
双悬臂梁式厚度测量仪[1]是一种电阻应变式测量仪器，具有小于0.002毫米的分辨力，可以测量材料拉伸试样的厚度以及其它类似等截面机械零件的厚度，测量精度不受人工操作因素的影响，适合于配接数据处理仪。但是，这种仪器的量程一般在2毫米以下，原因是电阻应变式传感器的测量范围受到弹性体变形量的限制。在工业及其它应用领域，广泛需要能够以0.001～0.01毫米的分辨力测量0～200毫米，乃至更大尺寸范围的厚度测量技术，然而现有的电阻应变式厚度测量方法不能满足这类。
[1]“一种电阻应变式厚度测量装置及其使用方法”，中国专利，专利号：ZL201110325452.3。
发明内容
本设计的目的，是为材料力学性能试验用的试样及一般机械零件的厚度测量，提供一种分辨力水平与电阻应变式厚度测量方法相当且能够大幅度提高量程的柔性测量方法及装置。
本设计为一种测量厚度的柔性方法及装置，该方法及装置由测量主机、标准器、定位块、被测试件、标准器支座、试件支座、驱动器和数控器组成测量系统。
测量主机的组成，包括机架、编码丝杆和双动悬臂梁传感器。机架的结构包括底板、固定在底板上部的左轴承支板和右轴承支板，底板上部还加工有支座定位槽，用于安装标准器支座和试件支座。左轴承支板和右轴承支板相互平行，分立在支座定位槽的两侧，并且与支座定位槽平行。左轴承支板和右轴承支板各加工有一个圆形通孔，这两个圆形通孔内分别嵌装有左轴承和右轴承，左轴承和右轴承处于同轴位置。编码丝杆是一个可以测量位移的功能部件，由测微丝杆和三态编码器组成。测微丝杆为一螺纹台阶轴，其结构从左到右分为I-II、II-III、III-IV、IV-V、V-VI五段，I-II段和V-VI段为光轴，II-III段是左旋螺纹轴，IV-V段是右旋螺纹轴，III-IV段为圆轴。III-IV段圆轴亦可称为挡台，其直径大于两螺纹轴的外径，而两螺纹轴的外径又大于两光轴的直径。I-II段光轴与左轴承配合，V-VI段光轴与右轴承配合，II-III段左旋螺纹轴的左端面与左轴承的右端面配合，IV-V段右旋螺纹轴的右端面与右轴承的左端面配合，这四个配合副均采取消间隙措施，因此理论上可以认为测微丝杆只有绕自身轴线转动一个运动自由度。三态编码器为一机械-电阻应变式位移传感器件，由齿盘、传感器支架、左上悬臂梁传感器、右上悬臂梁传感器、左下悬臂梁传感器、右下悬臂梁传感器组成。齿盘带有圆弧齿，共轴固定在测微丝杆的V-VI段光轴上，位于右轴承的右侧。圆弧齿的数量取4的整数倍。传感器支架为一固定在机架上的矩形框架，其四条边顺次在靠近一侧边角的位置加工有一个轴线平行于框架平面且垂直于所在边的矩形通孔和一个与矩形通孔垂直联通的螺纹孔。传感器支架将齿盘围在中间。左上悬臂梁传感器、右上悬臂梁传感器、左下悬臂梁传感器、右下悬臂梁传感器采用等截面弹性梁或变截面弹性梁，这四个弹性梁的根部分别与传感器支架上的四个矩形通孔配合，并利用紧定螺钉的压紧力，固定于传感器支架的上侧内壁、下侧内壁、右侧内壁和左侧内壁。四个弹性梁在靠近根部处分别沿梁轴线方向贴有单轴电阻应变计[R5,R6]、[R7,R8]、[R9,R10]和[R11,R12]。四个弹性梁在靠近自由端处朝向齿盘一侧分别加工有左三角形突棱、上三角形突棱、右三角形突棱、下三角形突棱。四个弹性梁均有一定量的预变形，预变形产生的弹性压力使左三角形突棱、上三角形突棱、右三角形突棱、下三角形突棱的棱顶分别与齿盘周边的圆弧齿保持接触，接触点的具体位置按照以下条件确定：
a.设齿盘的纵向对称线刚好通过正上方圆弧齿和正下方圆弧齿的中心，同时齿盘的水平对称线刚好通过最左端圆弧齿和最右端圆弧齿的中心。
b.此时，左三角形突棱位于齿盘的水平对称线上，刚好与最左端圆弧齿的顶点接触。右三角形突棱位于齿盘水平对称线和最右端圆弧齿的上侧，并且刚好对准相邻两圆弧齿之间的谷底。上三角形突棱和下三角形突棱均位于齿盘纵向对称线的右侧，分别与正上方圆弧齿的右侧和正下方圆弧齿的右侧接触。左三角形突棱到齿盘纵向对称线的距离用hmax表示，右三角形突棱到齿盘纵向对称线的距离用hmin表示，上三角形突棱与正上方圆弧齿接触点到齿盘水平对称线的距离用hmid表示，下三角形突棱与正下方圆弧齿接触点到齿盘水平对称线的距离也用hmid表示。hmid与hmin和hmax之间存在式(1)表示的关系：
Figure GDA0002803217810000021
hmin、hmid和hmax称为特征高度，其中hmin是最小特征高度，hmid是平均特征高度，hmax是最大特征高度。双动悬臂梁传感器由左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器组成，二者的结构和尺寸相同。左悬臂梁传感器的结构包括变截面弹性梁、固定在弹性梁自由端右侧的左夹持顶针、粘贴在悬臂梁根部附近左右两侧的单轴电阻应变计[R1,R2]、嵌装在悬臂梁根部的左传动螺母和固定在悬臂梁底部的左限位销，左悬臂梁传感器通过左传动螺母与测微丝杆上II-III段左旋螺纹轴的配合和左限位销与U形导向限位槽的配合安装在机架上。右悬臂梁传感器的结构包括变截面弹性梁、固定在弹性梁自由端左侧的右夹持顶针、粘贴在悬臂梁根部附近左右两侧的单轴电阻应变计[R3,R4]、嵌装在悬臂梁根部的右传动螺母和固定在悬臂梁底部的右限位销，右悬臂梁传感器通过右传动螺母与测微丝杆上IV-V段右旋螺纹轴的配合和右限位销与U形导向限位槽的配合安装在机架上。左限位销与U形导向限位槽的配合和右限位销与U形导向限位槽的配合使左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器不能转动，只能移动，测微丝杆转动时，带动左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器沿测微丝杆的轴线相向移动或反向移动。左传动螺母与测微丝杆的配合副和右传动螺母与测微丝杆的配合副均采取消间隙措施，理论上认为测微丝杆在x-y平面内的转动自由度为零，并且当测微丝杆改变旋转方向时，能够带动左传动螺母和右传动螺母无滞后地改变移动方向。左悬臂梁传感器的变截面弹性梁和右悬臂梁传感器的变截面弹性梁形状、尺寸及材料均相同，梁的横截面为矩形，从自由端a到根部e分为刚性段ac和柔性段ce两段，刚性段ac与柔性段ce段的宽度相等，刚性段ac的高度H大于柔性段ce段的高度h。左悬臂梁传感器与右悬臂梁传感器处于对称位置，二者的自由端竖直向上。左夹持顶针和右夹持顶针处于共轴位置，二者的顶点间距用s表示。电阻应变计R1、R2、R3、R4组成全桥测量电路，该电路产生的应变信号用εr表示。
标准器0由若干标准块规组成，标准块规的下部加工有标准器定位键。各标准块规的厚度值依次用δ1，δ2，...，δn表示，δ1，δ2，...，δn也用于表示厚度不同的各个标准块规。标准块规的厚度值按δ1＜δ2,...,＜δn的顺序排列，n≥2，表示标准块规的数量。各标准块规的标准器定位键厚度相等，用t表示。在标准块规中任选一个，将其定义为基准规，基准规的厚度值定义为基准厚度，用δ0表示；δ1、δ2…，δn的算术平均值用
Figure GDA0002803217810000031
表示。
定位块为下部加工有一个插槽的块体，插槽用于与测微丝杆上III-IV段圆轴的左、右端面配合，前者的宽度与后者的长度具有相同的公称尺寸。将定位块插放到III-IV段圆轴的顶部，并且使左悬臂梁传感器根部的右侧面和右悬臂梁传感器根部的左侧面分别抵靠定位块的左、右两个端面，则左夹持顶针与右夹持顶针的间距s0小于标准器的最小厚度值δ1，即s0＜δ1。s0定义为双动悬臂梁传感器基准距，简称基准距。
被测试件为材料力学性能试验用的板试样、弧形截面试样等试样以及其它需要测量厚度的刚性机械零件。
标准器支座由前、后两根形状和尺寸相同的立柱构成，立柱顶部加工有标准器定位槽，立柱底部加工有标准器支座定位键。标准器定位槽的公称宽度与标准块规上标准器定位键的公称厚度t相等。标准器支座定位键与支座定位槽具有相同的公称宽度。标准器支座定位键插入定位槽时，标准器定位槽的纵向对称面与左夹持顶针和右夹持顶针的纵向对称面重合。
试件支座为“П”形结构，其上部为平台或是根据被测试件的几何参数加工成的其它形状的台面，其下方带有前、后两根形状和尺寸相同的立柱，立柱底部加工有试件支座定位键。
驱动器为步进电机，或者由电机和蜗轮-蜗杆、齿轮系等传动装置组合的驱动机构。
数控器(未在图中画出)为包括应变信号采集-调理电路、驱动器控制电路和测量软件的微计算机系统。
编码丝杆与双动悬臂梁组合机构按以下方式工作：
1)三态编码器测量电路连接：将电阻应变计[R5,R6]、[R7,R8]、[R9,R10]、[R11,R12]分别以半桥方式接入数控器，用
Figure GDA0002803217810000041
分别表示数控器测得的这四个半桥测量电路的应变读数。
2)三态编码器测量电路零位调整：用数控器控制驱动器运转，带动齿盘转动，数控器测得的应变读数
Figure GDA0002803217810000042
随之发生连续周期性变化，变化周期用T表示，T也表示齿盘上相邻两个圆弧齿的齿顶间距。齿盘每转过一个齿，即一个周期T，应变读数
Figure GDA0002803217810000043
分别完成一次循环。跟踪观察
Figure GDA0002803217810000044
的变化，当
Figure GDA0002803217810000045
达到最小值εrmin时，停止齿盘的转动，用数控器调节电阻应变计[R5,R6]所在电桥的平衡电路，使之达到平衡状态，即
Figure GDA0002803217810000046
重复前述动作，依次在
Figure GDA0002803217810000047
Figure GDA0002803217810000048
取得最小值εrmin时，调节电阻应变计[R7,R8]、[R9,R10]和[R11,R12]所在电桥的平衡电路，使
Figure GDA0002803217810000049
按以上方法完成四个半桥测量电路零位调整后，再转动齿盘，则应变读数
Figure GDA00028032178100000410
均在最小值0和一个最大值εrmax之间循环变化，最小值0对应于左三角形突棱或上三角形突棱或右三角形突棱或下三角形突棱处在正对相邻两圆弧齿之间的谷底位置，即对应最于小特征高度hmin，最大值εrmax对应于左三角形突棱或上三角形突棱或右三角形突棱或下三角形突棱处在与圆弧齿顶点接触的位置，即对应于最大特征高度hmax。以上调整三态编码器测量电路零位的方法，称为零位四步调整法。
3)确定应变读数与齿盘旋转状态的关系：完成三态编码器测量电路零位调整后，规定用数字1、0和1/2分别表示应变读数
Figure GDA0002803217810000054
的最大值εrmax、最小值0和平均值0.5εrmax。数字1与最大特征高度hmax对应，定义为满值。数字0与最小特征高度hmin对应，定义为零值。数字1/2与平均特征高度hmid对应，定义为中值。满值、零值和中值共同定义为应变读数
Figure GDA0002803217810000055
的三态编码值，简称三态值。齿盘旋转时，三态值0、1/2、1按周期T循环变化。三态值的循环变化，用于确定齿盘的旋转状态，即旋转方向和旋转角度。三态值总共有四个不同的组合，如表1所示：
表1应变读数
Figure GDA0002803217810000056
的三态值组合
Figure GDA0002803217810000051
表2齿盘18顺时针转动过程中，三态值0、1/2、1在每一个周期T内的变化。
Figure GDA0002803217810000052
表中“↑”表示三态值增大，“↓”表示三态值减小
表3齿盘18逆时针转动过程中，三态值0、1/2、1在每一个周期T内的变化。
Figure GDA0002803217810000053
Figure GDA0002803217810000061
表中“↑”表示三态值增大，“↓”表示三态值减小
从表1中任选一个三态值组合，做为确定齿盘旋转状态的起始点，为明确起见，选择三态值组合1，则齿盘沿顺时针方向每转过一个齿，三态值按表2所示完成一个周期T的循环。齿盘沿逆时针方向每转过一个齿，三态值按表3所示完成一个周期T的循环。在表2和表3中，周期T被划分成四个1/4子周期，在每一个1/4子周期内，四个应变读数
Figure GDA0002803217810000063
Figure GDA0002803217810000064
的三态值0、1/2、1分别发生不同的升降变化。编号①至⑧的八行数据，两两互异，均具有唯一性，其中每一行数据都唯一地表示齿盘的一个特定旋转状态。例如，编号③的一行数据表示且只表示齿盘沿顺时针方向转过一个周期T内的第三个1/4周期，即0.5T至0.75T。编号⑤的一行数据表示且只表示齿盘沿逆时针方向转过一个周期T内的第一个1/4周期，即0至0.25T。连续变化的应变读数与三态值配合，起到监测齿盘旋转状态的作用。
4)确定双动悬臂梁传感器的相对位移量：用数控器控制驱动器运转，使左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器相向移动，直至二者分别抵靠测微丝杆上III-IV段圆轴的左、右两个端面。以左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器的当前位置分别作为二者的位移原点，并将齿盘的当前位置记作齿盘零位。或者将左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器调整到移动范围内的某一指定位置或任意位置，以左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器的当前位置作为二者的位移原点，同时将齿盘的当前位置记作齿盘零位。从齿盘零位开始，驱动齿盘转动，使左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器从位移原点起作相向移动或反向移动。用S表示左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器的相对位移量，简称动臂位移，用公式(2)计算S：
Figure GDA0002803217810000062
式(2)中，t表示测微丝杆的导程，Nc表示齿盘的齿数，nz,s表示齿盘自齿盘零位起顺时针累计转过的齿数，nz,n表示齿盘自齿盘零位起逆时针累计转过的齿数，nz,s和nz,n恒取正值，nz表示nz,s与nz,n之差，定义为有效转动齿数。nz,s、nz,n和nz也称为齿盘转动参数。nz和S是代数量，齿盘顺时针转动时，左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器反向移动，nz和S的符号均为“+”。齿盘逆时针转动时，左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器相向移动，nz和S的符号均为“-”。
用测量主机ZJ测量厚度的方法及操作步骤是：
1)三态编码器零位调整：将电阻应变计[R5,R6]、[R7,R8]、[R9,R10]、[R11,R12]组成的四个半桥测量电路分别接入数控器，按前述零位四步调整法对三态编码器SB测量电路进行零位调整。
2)设定基准距、位移原点、齿盘零位：将定位块插放在测微丝杆上III-IV段圆轴的正上方。用数控器控制齿盘转动，调整左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器的位置，当二者同时抵靠定位块时，停止齿盘的转动，取下定位块。此时左夹持顶针与右夹持顶针的间距为基准距s0。设定好基准距s0的双动悬臂梁传感器状态，定义为基准态。在基准态下，将齿盘的当前位置记作齿盘零位，将左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器的当前位置分别记作各自的位移原点。
3)测量系统标定：将电阻应变计R1、R2、R3、R4组成的全桥测量电路接入数控器。利用标准器支座定位键将标准器支座BZ的两根立柱分别插入底板前、后两侧的支座定位槽。利用标准器定位键将标准器的标准块规δ1，δ2，...，δn依次插入标准器支座顶部的标准器定位槽，由数控器记下相应的应变读数εr1，εr2，…，εrn。以εr1，εr2，…，εrn为标定数，按厚度值δ与数控器应变读数εr的函数关系，即式(3)计算厚度：
Figure GDA0002803217810000071
式(3)中，A和B是常数，分别用公式(4)和(5)计算：
Figure GDA0002803217810000072
Figure GDA0002803217810000073
式(4)和式(5)中，n表示标准块规的个数，δi表示不同厚度标准块规的厚度值，εri表示与δi对应的应变读数，即标定数εr1，εr2，…，εrn。与基准厚度δ0对应的标定数定义为基准应变示数，用符号εr0表示。
4)测量：从测量主机上取下定位块，利用试件支座定位键将试件支座的两根立柱分别插入底板前、后两侧的支座定位槽。用数控器控制齿盘转动，调整左夹持顶针和右夹持顶针的顶点间距s，使之大于被测试件的厚度，将被测试件放在试件支座上，并使被测试件的两被测表面与左夹持顶针和右夹持顶针的轴线垂直。再次调整s，使左夹持顶针和右夹持顶针夹持被测试件，当应变读数εr＝εr0或εr≈εr0时，停止齿盘的转动。用当前的应变读数εr和齿盘参数nz、nz,s、nz,n，按以下方法计算被测试件的厚度δ：
a)将εr代入式(3)，用δ*表示计算结果，即
Figure GDA0002803217810000081
δ*表示在动臂位移S＝0的条件下测得的一个厚度值，可以称为原位厚度。原位厚度δ*总是对应于某一确定的厚度值。
b)将nz、nz,s、nz,n代入式(2)，得到左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器的相对位移量S。
c)将δ*和S代入式(7)，得到被测试件的厚度δ：
δ＝δ*+S (7)
本设计具有以下特点：
1、测量范围宽。与现有的双悬臂梁式厚度测量方法相比，本设计通过编码丝杆与双动悬臂梁传感器的组合运用实现测量厚度，其量程主要取决于测微丝杆-双动悬臂梁传感器配合副的移程，而不是仅由悬臂梁的弹性变形量决定，因此能够大幅度提高量程，并且理论上可以测量0厚度。利用本设计，可以设计宽量程测量仪器，例如0～20毫米，0～200毫米，200～500毫米，乃至更大量程的厚度(长度)测量仪。
2、可以达到与现有双悬臂梁式厚度测量仪同等水平的分辨力。本设计的分辨力由编码丝杆与双动悬臂梁传感器两方面因素决定，在编码丝杆的分辨力≤双动悬臂梁传感器的分辨力的条件下，整机分辨力由双动悬臂梁传感器的分辨力决定。可见，本设计具有与现有双悬臂梁厚度测量方法相当的分辨能力。
3、测量具有柔性性质。公式(7)表明，由本设计测得的厚度值δ是原位厚度δ*与动臂位移S的代位数和。在测量过程中，当两夹持顶针夹持被测试件后，数控器即进入有效显示状态。在有效显示状态下，控制齿盘作小角度转动，使应变读数εr在基准应变示数εr0附近变化，可以看到，虽然应变读数εr和动臂位移S都在变化，但是由公式(7)给出的厚度值δ却保持不变。这个现象称为“柔性等差输出”，是本设计的一个重要性质。利用这一性质，在测量时总可以通过调整应变读数εr，使εr＝εr0，并得到正确的厚度测量值。由此至少可以带来两个好处：一是减少传感器非线性引起的测量误差，因为εr＝εr0意味着每次测量中悬臂梁传感器的工作点都相同，即传感器弹性体有相同的弯曲变形量和应变信号输出；二是有利于控制接触变形引起的测量误差，因为εr＝εr0意味着每次测量中夹持顶针与被测试件的接触压力都和标定时夹持顶针与标准块规的接触压力相等。
4、模拟测量与数字测量相结合。本设计的测量主机主要由双动悬臂梁传感器和编码丝杆两个基本测量单元组合而成。编码丝杆的主要功能部件三态编码器输出的应变信号是模拟量，经过数控器测量软件的三级量化处理，得到数字量三态编码值0、1/2、1。因此，本设计兼具模拟测量与数字测量双重属性。在测量过程中，数控器根据两方面的条件参数实时判定齿盘的转动方向和转动角度：一是三态编码器四个半桥输出的应变模拟信号的升降变化，即四个应变输出信号的交替递增和递减；二是三态值的变化，即表2、表3给出的8个逻辑状态组合。这两方面条件参数具有确定的一一对应关系，二者相互配合，保证编码丝杆位移测量的正确性和准确性。
5、标定方法简单。本设计测量装置的标定(校准)是一个二元基准传递过程，即丝杆副长度基准传递和双动悬臂梁传感器长度基准传递。其中丝杆副长度基准传递由丝杆副加工及检验工艺保证。在丝杆副传动精度满足要求的前提下，用一组标准器在双动悬臂梁传感器全部移程的一个局部范围对测量系统进行标定，就可以保证全量程测量的准确性。因此，本设计只须配置一种尺寸规格的标准器，而且可以在使用现场随时对装置进行校准。
附图说明
图1是测量装置构造简图的主视图；
图2是测量装置构造简图的右视图；
图3是三态编码器构造原理简图；
图4是标准器示意图；其中(a)是主视图，(b)是左视图；
图5是测量装置处于测量状态的示意图；
图6是定位块示意图；其中(a)是主视图，(b)是左视图；
图7是双动悬臂梁传感器全桥测量电路示意图；
图8是三态编码器的测量电路，其中(a)电阻应变计[R5,R6]半桥图，(b)电阻应变计[R7,R8]半桥图，(c)电阻应变计[R9,R10]半桥图，(d)电阻应变计[R11,R12]半桥图；
图9是试件支座示意图；其中(a)是主视图，(b)是左视图；
图中：0.标准器，1.机架，2.左轴承，3.测微丝杆，4.U形导向限位槽，5.左限位销，6.左传动螺母，7.右限位销，8.右传动螺母，9.标准器定位槽，10.左悬臂梁传感器，11.左夹持顶针，12.右夹持顶针，13.右悬臂梁传感器，14.右轴承，15.传感器支架，16.右上悬臂梁传感器，17.圆弧齿，18.齿盘，19.驱动器，20.左下悬臂梁传感器，21.右下悬臂梁传感器，22.支座定位槽，23.标准器支座定位键，24.左上悬臂梁传感器，25.左三角形突棱，26.上三角形突棱，27.右三角形突棱，28.下三角形突棱，29.矩形通孔，30.螺纹孔，31.紧定螺钉，32.标准器定位键，33.试件支座定位键，34.插槽，ZJ.测量主机，B.底板，B1.左轴承支板，B2.右轴承支板，SB.三态编码器，DK.定位块，SJ.被测试件，BZ.标准器支座，SZ.试件支座。
具体实施方式
以下结合附图对本设计作进一步说明。
参照图1-图9，本设计为测量厚度的柔性方法及装置，该方法及装置由测量主机ZJ、标准器0、定位块DK、被测试件SJ、标准器支座BZ、试件支座SZ、驱动器19和数控器组成测量系统。
测量主机ZJ是本设计的基本测量装置，包括机架1、编码丝杆和双动悬臂梁传感器。机架1的结构包括底板B、固定在底板B上部的左轴承支板B1和右轴承支板B2，底板B上部还加工有用于安装标准器支座BZ和试件支座SZ的支座定位槽22。左轴承支板B1和右轴承支板B2相互平行，分立在支座定位槽22的两侧，并且与支座定位槽22平行。左轴承支板B1和右轴承支板B2各加工有一个圆形通孔，这两个圆形通孔内分别嵌装有左轴承2和右轴承14，左轴承2和右轴承14处于同轴位置。编码丝杆由测微丝杆3和三态编码器SB组成。测微丝杆3为一螺纹台阶轴，其结构从左到右分为I-II、II-III、III-IV、IV-V、V-VI五段，I-II段和V-VI段为光轴，II-III段是左旋螺纹轴，IV-V段是右旋螺纹轴，III-IV段为圆轴。III-IV段圆轴亦可称为挡台，其直径大于两螺纹轴的外径，而两螺纹轴的外径大于两光轴的直径。I-II段光轴与左轴承2配合，V-VI段光轴与右轴承14配合，II-III段左旋螺纹轴的左端面与左轴承2的右端面配合，IV-V段右旋螺纹轴的右端面与右轴承14的左端面配合，这四个配合副均采取消间隙措施，因此理论上可以认为测微丝杆3只有绕自身轴线转动一个运动自由度。三态编码器SB为一机械-电阻应变式位移传感器件，由齿盘18、传感器支架15、左上悬臂梁传感器24、右上悬臂梁传感器16、左下悬臂梁传感器20、右下悬臂梁传感器21组成。齿盘18带有圆弧齿17，共轴固定在测微丝杆3的V-VI段光轴上，位于右轴承14的右侧。圆弧齿17可以采用沿齿盘18圆周嵌装钢球的方式形成，齿的数量取4的整数倍，例如128，256，360，720。传感器支架15为一固定在机架1上的矩形框架，其四条边顺次在靠近一侧边角的位置加工有一个轴线平行于框架平面且垂直于所在边的矩形通孔29和一个与矩形通孔29垂直联通的螺纹孔30。传感器支架15将齿盘18围在中间。左上悬臂梁传感器20、右上悬臂梁传感器16、左下悬臂梁传感器20、右下悬臂梁传感器21采用等截面弹性梁或变截面弹性梁，这四个弹性梁的根部分别与传感器支架15上的四个矩形通孔22配合，并利用紧定螺钉31的压紧力，固定于传感器支架15的上侧内壁、下侧内壁、右侧内壁和左侧内壁。四个弹性梁在靠近根部处分别沿梁轴线方向贴有单轴电阻应变计[R5,R6]、[R7,R8]、[R9,R10]和[R11,R12]。四个弹性梁在靠近自由端处朝向齿盘18一侧分别加工有左三角形突棱25、上三角形突棱26、右三角形突棱27、下三角形突棱28。四个弹性梁均有一定量的预变形，预变形产生的弹性压力使左三角形突棱25、上三角形突棱26、右三角形突棱27、下三角形突棱28的棱顶分别与齿盘18周边的圆弧齿17保持接触，接触点的具体位置按照以下条件确定：
a.设齿盘18的纵向对称线刚好通过正上方圆弧齿17和正下方圆弧齿17的中心，同时齿盘18的水平对称线刚好通过最左端圆弧齿17和最右端圆弧齿17的中心。
b.此时，左三角形突棱25位于齿盘18的水平对称线上，刚好与最左端圆弧齿17的顶点接触。右三角形突棱27位于齿盘18水平对称线和最右端圆弧齿17的上侧，并且刚好对准相邻两圆弧齿17之间的谷底。上三角形突棱26和下三角形突棱28均位于齿盘18纵向对称线的右侧，分别与正上方圆弧齿17的右侧和正下方圆弧齿17的右侧接触。左三角形突棱25到齿盘18纵向对称线的距离用hmax表示，右三角形突棱27到齿盘18纵向对称线的距离用hmin表示，上三角形突棱26与正上方圆弧齿17接触点到齿盘18水平对称线的距离用hmid表示，下三角形突棱28与正下方圆弧齿17接触点到齿盘18水平对称线的距离也用hmid表示。hmid与hmin和hmax之间存在式(1)表示的关系：
Figure GDA0002803217810000111
hmin、hmid和hmax称为特征高度，其中hmin是最小特征高度，hmid是平均特征高度，hmax是最大特征高度。双动悬臂梁传感器由左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器13组成，二者的结构和尺寸相同。左悬臂梁传感器10的结构包括变截面弹性梁、固定在弹性梁自由端右侧的左夹持顶针11、粘贴在悬臂梁根部附近左右两侧的单轴电阻应变计[R1,R2]、嵌装在悬臂梁根部的左传动螺母6和固定在悬臂梁底部的左限位销5，左悬臂梁传感器10通过左传动螺母6与测微丝杆3上II-III段左旋螺纹轴的配合和左限位销5与U形导向限位槽4的配合安装在机架1上。右悬臂梁传感器13的结构包括变截面弹性梁、固定在弹性梁自由端左侧的右夹持顶针12、粘贴在悬臂梁根部附近左右两侧的单轴电阻应变计[R3,R4]、嵌装在悬臂梁根部的右传动螺母8和固定在悬臂梁底部的右限位销7，右悬臂梁传感器13通过右传动螺母8与测微丝杆3上IV-V段右旋螺纹轴的配合和右限位销7与U形导向限位槽4的配合安装在机架1上。左限位销5与U形导向限位槽4的配合和右限位销7与U形导向限位槽4的配合使左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器13不能转动，只能移动，测微丝杆3转动时，带动左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器13沿测微丝杆3的轴线相向移动或反向移动。左传动螺母6与测微丝杆3的配合副和右传动螺母8与测微丝杆3的配合副均采取消间隙措施，理论上认为测微丝杆3在x-y平面内的转动自由度为零，并且当测微丝杆3改变旋转方向时，能够带动左传动螺母6和右传动螺母8无滞后地改变移动方向。左悬臂梁传感器10的变截面弹性梁和右悬臂梁传感器13的变截面弹性梁形状、尺寸及材料均相同，梁的横截面为矩形，从自由端a到根部e分为刚性段ac和柔性段ce两段，刚性段ac与柔性段ce段的宽度相等，刚性段ac的高度H大于柔性段ce段的高度h。左悬臂梁传感器10与右悬臂梁传感器13处于对称位置，二者的自由端竖直向上。左夹持顶针11和右夹持顶针12处于共轴位置，二者的顶点间距用s表示。电阻应变计R1、R2、R3、R4组成全桥测量电路，该电路产生的应变信号用εr表示。
标准器0由若干标准块规组成，标准块规的下部加工有标准器定位键32。各标准块规的厚度值依次用δ1，δ2，...，δn表示，δ1，δ2，...，δn也用于表示厚度不同的各个标准块规。标准块规的厚度值按δ1＜δ2,...,＜δn的顺序排列，n≥2，表示标准块规的数量。各标准块规的标准器定位键32厚度相等，用t表示。在标准块规中任选一个，将其定义为基准规，基准规的厚度值定义为基准厚度，用δ0表示；δ1、δ2…，δn的算术平均值用
Figure GDA0002803217810000121
表示。
定位块DK为下部加工有一个插槽34的块体，插槽34用于与测微丝杆3上III-IV段圆轴的左、右端面配合，前者的宽度与后者的长度具有相同的公称尺寸。确定定位块DK长度的条件是：将定位块DK插放到III-IV段圆轴的顶部，并且使左悬臂梁传感器10根部的右侧面和右悬臂梁传感器13根部的左侧面分别抵靠定位块DK的左、右两个端面，则左夹持顶针11与右夹持顶针12的间距s0小于标准器的最小厚度值δ1，即s0＜δ1。s0定义为双动悬臂梁传感器基准距，简称基准距。
被测试件SJ为材料力学性能试验用的板试样、弧形截面试样等试样以及其它需要测量厚度的刚性机械零件。
标准器支座BZ由前、后两根形状和尺寸相同的立柱构成，立柱顶部加工有标准器定位槽9，立柱底部加工有标准器支座定位键23。标准器定位槽9的公称宽度与标准块规上标准器定位键32的公称厚度t相等。标准器支座定位键23与支座定位槽22具有相同的公称宽度。标准器支座定位键23插入定位槽22时，标准器定位槽9的纵向对称面与左夹持顶针11和右夹持顶针12的纵向对称面重合。
试件支座SZ为“П”形结构，其上部为平台或是根据被测试件SJ的几何参数加工成的其它形状的台面，其下方带有前、后两根形状和尺寸相同的立柱，立柱底部加工有试件支座定位键33。
驱动器19可以采用步进电机，或者由电机和蜗轮-蜗杆、齿轮系等传动装置组合的驱动机构。
数控器(未在图中画出)为包括应变信号采集-调理电路、驱动器控制电路和测量软件的微计算机系统。数控器与编码丝杆、双动悬臂梁传感器和驱动器19配合，可以实现测量系统的闭环控制。数控器的基本成机方式有三种。一是做为厚度测量装置的专用配套仪器，进行设计；二是利用具有电阻应变测试功能的普通虚拟测量仪器，为其加装根据本设计所述方法编制的厚度测量软件；三是将本设计的测量装置与材料试验机等测试设备或生产设备集成，在试验机或其它设备的数控系统中加入厚度测量软件。
编码丝杆与双动悬臂梁传感器组合机构按以下方式工作：
1)三态编码器测量电路连接：将电阻应变计[R5,R6]、[R7,R8]、[R9,R10]、[R11,R12]分别以半桥方式接入数控器，用
Figure GDA0002803217810000131
分别表示数控器测得的这四个半桥测量电路的应变读数。
2)三态编码器测量电路零位调整：用数控器控制驱动器19运转，带动齿盘18转动，数控器测得的应变读数
Figure GDA0002803217810000132
随之发生连续周期性变化，变化周期用T表示，T也表示齿盘18上相邻两个圆弧齿17的齿顶间距。齿盘18每转过一个齿，即一个周期T，应变读数
Figure GDA0002803217810000133
分别完成一次循环。跟踪观察
Figure GDA0002803217810000134
的变化，当
Figure GDA0002803217810000135
达到最小值εrmin时，停止齿盘18的转动，用数控器调节电阻应变计[R5,R6]所在电桥的平衡电路，使之达到平衡状态，即
Figure GDA0002803217810000136
重复前述动作，依次在
Figure GDA0002803217810000143
取得最小值εrmin时，调节电阻应变计[R7,R8]、[R9,R10]和[R11,R12]所在电桥的平衡电路，使
Figure GDA0002803217810000144
按以上方法完成四个半桥测量电路零位调整后，再转动齿盘18，则应变读数
Figure GDA0002803217810000145
均在最小值0和一个最大值εrmax之间循环变化，最小值0对应于左三角形突棱25或上三角形突棱26或右三角形突棱27或下三角形突棱28处在正对相邻两圆弧齿17之间的谷底位置，即对应最于小特征高度hmin，最大值εrmax对应于左三角形突棱25或上三角形突棱26或右三角形突棱27或下三角形突棱28处在与圆弧齿17顶点接触的位置，即对应于最大特征高度hmax。以上调整三态编码器SB测量电路零位的方法，称为零位四步调整法。
3)确定应变读数与齿盘旋转状态的关系：完成三态编码器SB测量电路零位调整后，规定用数字1、0和1/2分别表示应变读数
Figure GDA0002803217810000146
的最大值εrmax、最小值0和平均值0.5εrmax。数字1与最大特征高度hmax对应，定义为满值。数字0与最小特征高度hmin对应，定义为零值。数字1/2与平均特征高度hmid对应，定义为中值。满值、零值和中值共同定义为应变读数
Figure GDA0002803217810000147
的三态编码值，简称三态值。齿盘旋转时，三态值0、1/2、1按周期T循环变化。三态值的循环变化，用于确定齿盘的旋转状态，即旋转方向和旋转角度。三态值总共有四个不同的组合，如表1所示：
表1应变读数
Figure GDA0002803217810000148
的三态值组合
Figure GDA0002803217810000141
表2齿盘18顺时针转动过程中，三态值0、1/2、1在每一个周期T内的变化。
Figure GDA0002803217810000142
表中“↑”表示三态值增大，“↓”表示三态值减小
表3齿盘18逆时针转动过程中，三态值0、1/2、1在每一个周期T内的变化。
Figure GDA0002803217810000151
表中“↑”表示三态值增大，“↓”表示三态值减小
从表1中任选一个三态值组合，做为确定齿盘旋转状态的起始点，为明确起见，选择三态值组合1，则齿盘沿顺时针方向每转过一个齿，三态值按表2所示完成一个周期T的循环。齿盘沿逆时针方向每转过一个齿，三态值按表3所示完成一个周期T的循环。在表2和表3中，周期T被划分成四个1/4子周期，在每一个1/4子周期内，四个应变读数
Figure GDA0002803217810000153
Figure GDA0002803217810000154
的三态值0、1/2、1分别发生不同的升降变化。编号①至⑧的八行数据，两两互异，均具有唯一性，其中每一行数据都唯一地表示齿盘的一个特定旋转状态。例如，编号③的一行数据表示且只表示齿盘沿顺时针方向转过一个周期T内的第三个1/4周期，即0.5T至0.75T。编号⑤的一行数据表示且只表示齿盘沿逆时针方向转过一个周期T内的第一个1/4周期，即0至0.25T。连续变化的应变读数与三态值配合，起到监测齿盘旋转状态的作用。
4)确定双动悬臂梁传感器的相对位移量：用数控器控制驱动器19运转，使左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器13相向移动，直至二者分别抵靠测微丝杆3上III-IV段圆轴的左、右两个端面。以左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器13的当前位置分别作为二者的位移原点，并将齿盘18的当前位置记作齿盘零位。或者将左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器13调整到移动范围内的某一指定位置或任意位置，以左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器13的当前位置作为二者的位移原点，同时将齿盘18的当前位置记作齿盘零位。从齿盘零位开始，驱动齿盘18转动，使左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器13从位移原点起作相向移动或反向移动。用S表示动臂位移，用公式(2)计算S：
Figure GDA0002803217810000152
式(2)中，t表示测微丝杆3的导程，Nc表示齿盘18的齿数，nz,s表示齿盘18自齿盘零位起顺时针累计转过的齿数，nz,n表示齿盘18自齿盘零位起逆时针累计转过的齿数，nz,s和nz,n恒取正值，nz表示nz,s与nz,n之差，定义为有效转动齿数。nz,s、nz,n和nz也称为齿盘转动参数。nz和S是代数量，齿盘18顺时针转动时，左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器13反向移动，nz和S的符号均为“+”。齿盘18逆时针转动时，左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器13相向移动，nz和S的符号均为“-”。
用测量主机ZJ测量厚度的方法及操作步骤是：
1)三态编码器零位调整：将电阻应变计[R5,R6]、[R7,R8]、[R9,R10]、[R11,R12]组成的四个半桥测量电路分别接入数控器，按前述零位四步调整法对三态编码器SB测量电路进行零位调整。
2)设定基准距、位移原点、齿盘零位：将定位块DK插放在测微丝杆3上III-IV段圆轴的正上方。用数控器控制齿盘18转动，调整左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器13的位置，当二者同时抵靠定位块DK时，停止齿盘18的转动，取下定位块DK。此时左夹持顶针11与右夹持顶针12的间距为基准距s0。设定好基准距s0的双动悬臂梁传感器状态，定义为基准态。在基准态下，将齿盘18的当前位置记作齿盘零位，将左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器13的当前位置分别记作各自的位移原点。
3)测量系统标定：将电阻应变计R1、R2、R3、R4组成的全桥测量电路接入数控器。利用标准器支座定位键23将标准器支座BZ的两根立柱分别插入底板B前、后两侧的支座定位槽22。利用标准器定位键32将标准器0的标准块规δ1，δ2，...，δn依次插入标准器支座BZ顶部的标准器定位槽9，由数控器记下相应的应变读数εr1，εr2，…，εrn。以εr1，εr2，…，εrn为标定数，按厚度值δ与数控器应变读数εr的函数关系，即式(3)计算厚度：
Figure GDA0002803217810000161
式(3)中，A和B是常数，分别用公式(4)和(5)计算：
Figure GDA0002803217810000162
Figure GDA0002803217810000163
式(4)和式(5)中，n表示标准块规的个数，δi表示不同厚度标准块规的厚度值，εri表示与δi对应的应变读数，即标定数εr1，εr2，…，εrn。与基准厚度δ0对应的标定数定义为基准应变示数，用符号εr0表示。
4)测量：从测量主机ZJ上取下定位块DK，利用试件支座定位键33将试件支座SZ的两根立柱分别插入底板B前、后两侧的支座定位槽22。用数控器控制齿盘18转动，调整左夹持顶针11和右夹持顶针12的顶点间距s，使之大于被测试件SJ的厚度，将被测试件SJ放在试件支座SZ上，并使被测试件SJ的两被测表面与左夹持顶针11和右夹持顶针12的轴线垂直。再次调整s，使左夹持顶针11和右夹持顶针12夹持被测试件SJ，当应变读数εr＝εr0或εr≈εr0时，停止齿盘18的转动。用当前的应变读数εr和齿盘参数nz、nz,s、nz,n，按以下方法计算被测试件SJ的厚度δ：
a)将εr代入式(3)，用δ*表示计算结果，即
Figure GDA0002803217810000171
b)将nz、nz,s、nz,n代入式(2)，得到左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器13的相对位移量S。
c)将δ*和S代入式(7)，得到被测试件SJ的厚度δ：
δ＝δ*+S (7)
测量软件的算法设计，根据以上所述测量系统的构造、工作原理和测量方法进行。

Claims (1)

1.测量厚度的装置，其特征是，该装置由测量主机(ZJ)、标准器(0)、定位块(DK)、被测试件(SJ)、标准器支座(BZ)、试件支座(SZ)、驱动器(19)和数控器组成测量系统；
测量主机(ZJ)由机架(1)、编码丝杆和双动悬臂梁传感器组成；机架(1)的结构包括底板(B)、固定在底板(B)上部的左轴承支板(B1)和右轴承支板(B2)，底板(B)上部加工有支座定位槽(22)；左轴承支板(B1)和右轴承支板(B2)相互平行，分立在支座定位槽(22)的两侧，并且与支座定位槽(22)平行；左轴承支板(B1)和右轴承支板(B2)上各有一个圆形通孔，两圆形通孔内分别嵌装有左轴承(2)和右轴承(14)，左轴承(2)和右轴承(14)处于同轴位置；编码丝杆由测微丝杆(3)和三态编码器(SB)组成；测微丝杆(3)为一螺纹台阶轴，其结构从左到右分为I-II、II-III、III-IV、IV-V、V-VI五段，I-II段和V-VI段为光轴，II-III段是左旋螺纹轴，IV-V段是右旋螺纹轴，III-IV段为圆轴，III-IV段圆轴的直径大于两螺纹轴的外径，两螺纹轴的外径大于两光轴的直径，I-II段光轴与左轴承(2)配合，V-VI段光轴与右轴承(14)配合；三态编码器(SB)由齿盘(18)、传感器支架(15)、左上悬臂梁传感器(24)、右上悬臂梁传感器(16)、左下悬臂梁传感器(20)、右下悬臂梁传感器(21)组成；齿盘(18)周向均布有若干圆弧齿(17)，共轴固定在测微丝杆(3)的V-VI段光轴上，位于右轴承(14)的右侧；传感器支架(15)为一固定在机架(1)上的矩形框架，其四条边顺次在靠近一侧边角的位置加工有一个轴线平行于框架平面且垂直于所在边的矩形通孔(29)和一个与矩形通孔(29)垂直联通的螺纹孔(30)；传感器支架(15)将齿盘(18)围在中间；左上悬臂梁传感器(24)、右上悬臂梁传感器(16)、左下悬臂梁传感器(20)、右下悬臂梁传感器(21)采用等截面弹性梁或变截面弹性梁，四个弹性梁的根部分别与传感器支架(15)上的四个矩形通孔-(29) 配合，并利用紧定螺钉(31)的压紧力，固定于传感器支架(15)的上侧内壁、右侧内壁、左侧内壁和下侧内壁；四个弹性梁在靠近根部处分别沿梁轴线方向贴有单轴电阻应变计[R5,R6]、[R7,R8]、[R9,R10]和[R11,R12]；四个弹性梁在靠近自由端处朝向齿盘(18)一侧分别加工有左三角形突棱(25)、上三角形突棱(26)、右三角形突棱(27)、下三角形突棱(28)；四个弹性梁均有一定量的预变形，预变形产生的弹性压力使左三角形突棱(25)、上三角形突棱(26)、右三角形突棱(27)、下三角形突棱(28)的棱顶分别与齿盘(18)周边的圆弧齿(17)保持接触，接触点的具体位置按以下条件确定：
a.设齿盘(18)的纵向对称线刚好通过正上方圆弧齿和正下方圆弧齿的中心，同时齿盘(18)的水平对称线刚好通过最左端圆弧齿和最右端圆弧齿的中心；
b.此时，左三角形突棱(25)位于齿盘(18)的水平对称线上，刚好与最左端圆弧齿的顶点接触；右三角形突棱(27)位于齿盘(18)水平对称线和最右端圆弧齿的上侧，并且刚好对准相邻两圆弧齿(17)之间的谷底；上三角形突棱(26)和下三角形突棱(28)均位于齿盘(18)纵向对称线的右侧，分别与正上方圆弧齿的右侧和正下方圆弧齿的右侧接触；左三角形突棱(25)到齿盘(18)纵向对称线的距离用hmax表示，右三角形突棱(27)到齿盘(18)纵向对称线的距离用hmin表示，上三角形突棱(26)与正上方圆弧齿接触点到齿盘(18)水平对称线的距离、及下三角形突棱(28)与正下方圆弧齿接触点到齿盘(18)水平对称线的距离均用hmid表示；hmid与hmin和hmax之间存在式(1)表示的关系：
Figure FDA0002803217800000021
hmin、hmid和hmax称为特征高度，其中hmin是最小特征高度，hmid是平均特征高度，hmax是最大特征高度；双动悬臂梁传感器由左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(13)组成，二者的结构和尺寸相同，且对称布置；左悬臂梁传感器(10)的结构包括变截面弹性梁、固定在弹性梁自由端右侧的左夹持顶针(11)、粘贴在悬臂梁根部附近左右两侧的单轴电阻应变计[R1,R2]、嵌装在悬臂梁根部的左传动螺母(6)和固定在悬臂梁底部的左限位销(5)，左悬臂梁传感器(10)通过左传动螺母(6)与测微丝杆(3)上II-III段左旋螺纹轴的配合和左限位销(5)与U形导向限位槽(4)的配合安装在机架(1)上；右悬臂梁传感器(13)的结构包括变截面弹性梁、固定在弹性梁自由端左侧的右夹持顶针(12)、粘贴在悬臂梁根部附近左右两侧的单轴电阻应变计[R3,R4]、嵌装在悬臂梁根部的右传动螺母(8)和固定在悬臂梁底部的右限位销(7)，右悬臂梁传感器(13)通过右传动螺母(8)与测微丝杆(3)上IV-V段右旋螺纹轴的配合和右限位销(7)与U形导向限位槽(4)的配合安装在机架(1)上；左限位销(5)与U形导向限位槽(4)的配合和右限位销(7)与U形导向限位槽(4)的配合使左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(13)不能转动，只能横向移动，测微丝杆(3)转动时，带动左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(13)沿测微丝杆(3)的轴线相向移动或反向移动；左传动螺母(6)与测微丝杆(3)的配合副和右传动螺母(8)与测微丝杆(3)的配合副均采取消间隙措施，测微丝杆(3)改变旋转方向时，能够带动左传动螺母(6)和右传动螺母(8)无滞后地改变移动方向；左悬臂梁传感器(10)的变截面弹性梁和右悬臂梁传感器(13)的变截面弹性梁形状、尺寸及材料均相同，梁的横截面为矩形，从自由端a到根部e分为刚性段ac和柔性段ce两段，刚性段ac与柔性段ce段的宽度相等，刚性段ac的高度H大于柔性段ce段的高度h；左悬臂梁传感器(10)与右悬臂梁传感器(13)处于对称位置，二者的自由端竖直向上；左夹持顶针(11)和右夹持顶针(12)处于共轴位置，二者的顶点间距用s表示；电阻应变计R1、R2、R3、R4组成全桥测量电路，该电路产生的应变信号用εr表示；
标准器(0)由若干标准块规组成，标准块规的下部带有标准器定位键(32)；各标准块规的厚度值依次用δ1，δ2，...，δn表示，δ1，δ2，...，δn也用于表示厚度不同的各个标准块规；标准块规的厚度值按δ1＜δ2,...,＜δn的顺序排列，n≥2，表示标准块规的数量；各标准块规的标准器定位键(32)厚度相等，用t表示；在标准块规中任选一个，将其定义为基准规，基准规的厚度值定义为基准厚度，用δ0表示；δ1、δ2…，δn的算术平均值用
Figure FDA0002803217800000031
表示；
定位块(DK)为下部加工有一个插槽(34)的块体，插槽(34)的宽度与测微丝杆(3)上III-IV段圆轴的长度具有相同的公称尺寸；利用插槽(34)与III-IV段圆轴的左、右两端面配合，将定位块(DK)插放到III-IV段圆轴的顶部，并且使左悬臂梁传感器(10)根部的右侧面和右悬臂梁传感器(13)根部的左侧面分别抵靠定位块(DK)长度方向的左、右两个端面，则左夹持顶针(11)与右夹持顶针(12)的间距s0小于标准器的最小厚度值δ1，即s0＜δ1；s0定义为双动悬臂梁传感器基准距，简称基准距；
被测试件(SJ)为材料力学性能试验用的板试样、弧形截面试样或其它需要测量厚度的刚性机械零件；
标准器支座(BZ)由前、后两根形状和尺寸相同的立柱构成，立柱顶部加工有标准器定位槽(9)，立柱底部加工有标准器支座定位键(23)；标准器定位槽(9)的公称宽度与标准块规上标准器定位键(32)的公称厚度t相等；标准器支座定位键(23)与支座定位槽(22)具有相同的公称宽度；标准器支座定位键(23)插入支座定位槽(22)时，标准器定位槽(9)的纵向对称面与左夹持顶针(11)和右夹持顶针(12)的纵向对称面重合；
试件支座(SZ)为“П”形结构，其上部为平台或是根据被测试件(SJ)的几何参数加工成的其它形状的台面，其下方带有前、后两根形状和尺寸相同的立柱，立柱底部加工有试件支座定位键(33)；
驱动器(19)为用于驱动测微丝杆(3)正、反向旋转的驱动机构；
数控器为包括应变信号采集-调理电路、驱动器控制电路和测量软件的微计算机系统；所述的测量软件按照下述的测量方法和思路设计实现；
编码丝杆与双动悬臂梁组合机构按以下方式工作：
1)三态编码器测量电路连接：将电阻应变计[R5,R6]、[R7,R8]、[R9,R10]、[R11,R12]分别以半桥方式接入数控器，用
Figure FDA0002803217800000032
分别表示数控器测得的这四个半桥测量电路的应变读数；
2)三态编码器测量电路零位调整：用数控器控制驱动器(19)运转，带动齿盘(18)转动，数控器测得的应变读数
Figure FDA0002803217800000041
随之发生连续周期性变化，变化周期用T表示；齿盘(18)每转过一个齿，即一个周期T，应变读数
Figure FDA0002803217800000042
Figure FDA0002803217800000043
分别完成一次循环；跟踪观察
Figure FDA0002803217800000044
的变化，当
Figure FDA0002803217800000045
达到最小值εrmin时，停止齿盘(18)的转动，用数控器(19)调节电阻应变计[R5,R6]所在电桥的平衡电路，使
Figure FDA0002803217800000046
重复前述动作，依次在
Figure FDA0002803217800000047
取得最小值εrmin时，调节电阻应变计[R7,R8]、[R9,R10]和[R11,R12]所在电桥的平衡电路，使
Figure FDA0002803217800000048
完成四个半桥测量电路零位调整后，再转动齿盘(18)，则应变读数
Figure FDA0002803217800000049
均在最小值0和一个最大值εrmax之间循环变化，最小值0对应于左三角形突棱(25)或上三角形突棱(26)或右三角形突棱(27)或下三角形突棱(28)处在正对相邻两圆弧齿(17)之间的谷底位置，即对应最于小特征高度hmin，最大值εrmax对应于左三角形突棱(25)或上三角形突棱(26)或右三角形突棱(27)或下三角形突棱(28)处在与圆弧齿(17)顶点接触的位置，即对应于最大特征高度hmax；以上调整三态编码器(SB)测量电路零位的方法，称为零位四步调整法；
3)确定应变读数与齿盘旋转状态的关系：完成三态编码器(SB)测量电路零位调整后，规定用数字1、0和1/2分别表示应变读数
Figure FDA00028032178000000410
的最大值εrmax、最小值0和平均值0.5εrmax；数字1与最大特征高度hmax对应，定义为满值；数字0与最小特征高度hmin对应，定义为零值；数字1/2与平均特征高度hmid对应，定义为中值；满值、零值和中值共同定义为应变读数
Figure FDA00028032178000000411
的三态编码值，简称三态值；齿盘(18)旋转时，三态值0、1/2、1按周期T循环变化；三态值的循环变化，用于确定齿盘(18)的旋转状态，即旋转方向和旋转角度；
4)确定左悬臂梁传感器(10)与右悬臂梁传感器(13)的相对位移量：控制驱动器(19)运转，使左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(13)相向移动，直至二者分别抵靠测微丝杆(3)上III-IV段圆轴的左、右两个端面；以左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(13)的当前位置分别作为二者的位移原点，并将齿盘(18)的当前位置记作齿盘零位；或者将左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(13)调整到移动范围内的某一指定位置或任意位置，以左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(13)的当前位置作为二者的位移原点，同时将齿盘(18)的当前位置记作齿盘零位；从齿盘零位开始，驱动齿盘(18)转动，使左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(13)从位移原点起作相向移动或反向移动；用S表示左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(13) 的相对位移量，用公式(2)计算S：
Figure FDA0002803217800000051
式(2)中，t表示测微丝杆(3)的导程，Nc表示齿盘(18)的齿数，nz,s表示齿盘(18)自齿盘零位起顺时针累计转过的齿数，nz,n表示齿盘(18)自齿盘零位起逆时针累计转过的齿数，nz,s和nz,n恒取正值，nz表示nz,s与nz,n之差，定义为有效转动齿数；nz,s、nz,n和nz也称为齿盘转动参数；nz和S是代数量，齿盘(18)顺时针转动时，左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(13)反向移动，nz和S的符号均为“+”；齿盘(18)逆时针转动时，左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(13)相向移动，nz和S的符号均为“-”；
用测量主机(1)测量厚度的方法及操作步骤是：
1)三态编码器零位调整：将电阻应变计[R5,R6]、[R7,R8]、[R9,R10]、[R11,R12]组成的四个半桥测量电路分别接入数控器，按前述零位四步调整法对三态编码器(SB)测量电路进行零位调整；
2)设定基准距、位移原点、齿盘零位：将定位块(DK)插放在测微丝杆(3)上III-IV段圆轴的正上方；用数控器控制齿盘(18)转动，调整左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(13)的位置，当二者同时抵靠定位块(DK)时，停止齿盘(18)的转动，取下定位块(DK)；此时左夹持顶针(11)与右夹持顶针(12)的间距为基准距s0；设定好基准距s0的双动悬臂梁传感器状态，定义为基准态；在基准态下，将齿盘(18)的当前位置记作齿盘零位，将左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(13)的当前位置分别记作各自的位移原点；
3)测量系统标定：将电阻应变计R1、R2、R3、R4组成的全桥测量电路接入数控器；利用标准器支座定位键(23)将标准器支座(BZ)的两根立柱分别插入底板(B)前、后两侧的支座定位槽(22)；利用标准器定位键(32)将标准器(0)的标准块规δ1，δ2，...，δn依次插入标准器支座(BZ)顶部的标准器定位槽(9)，由数控器记下相应的应变读数εr1，εr2，…，εrn；以εr1，εr2，…，εrn为标定数，按厚度值δ与数控器应变读数εr的函数关系，即式(3)计算厚度：
Figure FDA0002803217800000052
式(3)中，A和B是常数，分别用公式(4)和(5)计算：
Figure FDA0002803217800000053
Figure FDA0002803217800000061
式(4)和式(5)中，n表示标准块规的个数，δi表示不同厚度标准块规的厚度值，εri表示与δi对应的应变读数，即标定数εr1，εr2，…，εrn；与基准厚度δ0对应的标定数定义为基准应变示数，用符号εr0表示；
4)测量：从测量主机(ZJ)上取下定位块(DK)，利用试件支座定位键(33)将试件支座(SZ)的两根立柱分别插入底板(B)前、后两侧的支座定位槽(22)；用数控器控制齿盘(18)转动，调整左夹持顶针(11)和右夹持顶针(12)的顶点间距s，使之大于被测试件(SJ)的厚度，将被测试件(SJ)放在试件支座(SZ)上，并使被测试件(SJ)的两被测表面与左夹持顶针(11)和右夹持顶针(12)的轴线垂直；再次调整s，使左夹持顶针(11)和右夹持顶针(12)夹持被测试件(SJ)，当应变读数εr＝εr0或εr≈εr0时，停止齿盘(18)的转动；用当前的应变读数εr和齿盘参数nz、nz,s、nz,n，按以下方法计算被测试件(SJ)的厚度δ：
a)将εr代入式(3)，用δ*表示计算结果，即
Figure FDA0002803217800000062
b)将nz、nz,s、nz,n代入式(2)，得到左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(13)的相对位移量S；
c)将δ*和S代入式(7)，得到被测试件(SJ)的厚度δ：
δ＝δ*+S (7)。
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