CN111638681A - 一种电感式的无线球杆仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电感式的无线球杆仪，该电感式的无线球杆仪主要由球杆仪主机、中心支座组件、中心杯组件和设定球组件四部分组成；所述的球杆仪主机包括电感测头组件、电池组件、电路板组件和球杆仪主体。由球杆仪主机、中心支座和中心杯组件组成的无线测量系统，用于综合检测CNC机床运动轴的精度。本发明操作简单、精度高、成本低，能快速检测CNC机床运动轴精度。

Description

一种电感式的无线球杆仪

技术领域

本发明涉及数控机床圆运动轨迹误差测量领域。

背景技术

CNC机床在现代加工技术中占据非常重要的作用，机床的精度决定了加工零件的精度。如果在加工零件之前能确定机床精度是符合指标要求的，就可以避免报废品的产生，从而避免大的经济损失。激光干涉仪可以用于检测并补偿机床运动轴的精度，但是耗时比较长。在实际生产中，加工工人只需要知道机床精度是否符合要求就可以了，不一定需要对机床精度进行补偿。所以能有一种快速检测机床精度的装置就很有必要。球杆仪就是用于综合检测CNC机床运动轴的精度的。

目前国内有一些厂家和科研院所做了光栅式球杆仪，如厦门万久科技有限公司的关节式可伸缩式球杆仪、杭州电子科技大学的空间二连杆式球杆仪、中国工程物理研究院机械研究制造工艺研究所的双光栅式球杆仪等，他们虽然各有特点，但双光栅结构都较为复杂，成本也比较高。国外有API和雷尼绍公司的球杆仪，API的球杆仪也是光栅式的，其体积比较大，成本也比较高。雷尼绍的是电感式的，其在市场上占据比较大的份额，但售价比较高。对于广大的机床制造企业或者机加工企业来说需要的是一款测量效率高、维护方便、精度满足要求且成本比较低的球杆仪。

现有技术方案的缺点：光栅式球杆仪结构复杂，成本较高。国外电感式球杆仪磁芯和螺管线圈的相对位置不可调节，其零位需要完全靠加工精度保证，对零件的加工精度和装配要求高，且其成本也比较高。

发明内容

为了提供一款操作简单、精度高、成本低，能快速检测CNC机床运动轴精度的电感式球杆仪，本发明提供了一种电感式的无线球杆仪，该电感式的无线球杆仪主要由球杆仪主机、中心支座组件、中心杯组件和设定球组件四部分组成；

所述的球杆仪主机包括电感测头组件、电池组件、电路板组件和球杆仪主体；还包括与电池组件活动连接的测量球连接杆，以及与测量球连接杆连接的第二测量球；所述电感测头组件包括第一测量球、测杆、测头主体、导向套、磁芯套杆、磁芯、线圈、复位弹簧及销钉；所述电路板组件包括电路板；

第一测量球设在测杆|的第一端，所述导向套套设在所述测杆上，销钉插入测杆，销钉的位置靠近测杆的第二端，测杆、测头主体、导向套、销钉组成一个精密运动副，销钉跟随测杆在测头主体上的腰型孔内移动，销钉与腰型孔紧密配合；

所述的磁芯套杆与测杆第二端固定连接，并随测杆一起运动，磁芯装在磁芯套杆里面；所述测杆被压缩时，复位弹簧也被压缩；当测杆被松开时，复位弹簧就会推动测杆往外运动，直至测杆往外伸的极限位置；所述电路板固定在球杆仪主体上，并且电路板的接地端与球杆仪主体导通；电路板上的蓝牙发射器将电感测头组件的位移信号发送到电脑上；所述电池组件一端与电路板连接，所述电池组件的另一端连接球杆仪主体；

中心支座组件包括：测量球支块、磁铁、活动支杆、弹性卡爪、锥形限位套、凸轮杆、弹簧、调节端盖、手柄、复位弹簧、上垫块、底座及底座磁铁；

测量球支块和磁铁固定安装在活动支杆上端，测量球支块上设计一圈或均匀分布若干个圆弧凸台；

所述活动支杆的下端是类似球形的结构，置于弹性卡爪的卡爪中间，当凸轮杆处于松开状态时，活动支杆在卡爪中间自由摆动，或者上下移动，当凸轮杆处于锁紧状态时，活动支杆被卡爪牢牢夹紧而不能自由活动；

所述弹性卡爪中间设有通孔，用于安装凸轮杆，凸轮杆两端与上垫块接触，上垫块下面依次装有弹簧和调节端盖，调节端盖与锥形限位套连接，当往里旋紧调节端盖时，弹簧被压缩，弹簧弹力推动上垫块压紧凸轮杆，当手柄处于竖直状态时，凸轮杆位于凸轮行程的最低处，此时活动支杆在弹性卡爪中间自由活动，当手柄被扳到水平状态时，凸轮杆位于凸轮行程的最高处，此时弹性卡爪被挤进锥形限位套内部的锥形面内，卡爪发生弹性变形，并夹紧活动支杆，使活动支杆被固定在一个位置上，弹性卡爪与底座固定连接；

中心杯组件包括：测量球支块、磁铁及中心杯支杆；

测量球支块和磁铁固定安装在中心杯支杆的一端，测量时此端用于吸住第二测量球，且确保在测量过程中测量球的球心位置不发生变动，中心杯支杆的另一端用于夹持在CNC主轴上；

设定球组件包括：设定球及设定球手柄；

设定球与球杆仪主机上的两个测量球大小规格及精度等级相同，设定球与设定球手柄固定连接。

作为本发明的进一步改进，所述的电池组件包括电池正极导片、电池、电池端盖、弹片和电池负极弹片；电池正极导片通过导线与电路板连接，电池端盖通过内螺纹与球杆仪主体一端的外螺纹连接，电池负极弹片与弹片始终保持可靠接触和电导通；电池端盖在旋紧到球杆仪主体之前，弹片均与电池端盖和球杆仪主体不相接触，此时球杆仪处于断电状态；当将电池端盖旋紧到球杆仪主体上时，球杆仪主体的端部顶住弹片，同时电池负极弹片顶到电池负极，并将电池往电池正极导片压紧，此时电池导通，球杆仪处于通电状态。

作为本发明的进一步改进，电路板通过螺钉固定安装在球杆仪主体上，电路板的接地端与球杆仪主体导通，电路板的电源引脚与电池正极导片之间通过导线连接，当电池导通时，电路板上的蓝牙发射器将测量杆的位移信号发送到电脑上。

作为本发明的进一步改进，所述电路板组件还包括电路板盖板，所述球杆仪主体用金属材料加工而成，电感测头组件和电池端盖通过螺纹与球杆仪主体连接，电路板盖板通过螺丝与球杆仪主体连接。

作为本发明的进一步改进，测量球支块上设计均匀分布三个圆弧凸台。

作为本发明的进一步改进，调节端盖通过螺纹与锥形限位套连接。

作为本发明的进一步改进，所述底座底部装有底座磁铁，用于将中心支座组件吸附固定在被测的平台上。

本发明的有益效果是：

由球杆仪主机(含无线发射装置)、中心支座和中心杯组件组成的无线测量系统，用于综合检测CNC机床运动轴的精度；

电感测头测量杆的导向方式：测量杆2、导向套4、测头主体3、销钉19组成的精密运动副保证测杆的运行精度，销钉19保证测杆在运行过程中不会转动；球杆仪电感测头导向可靠，精度能满足使用要求，测量效率高；

电池10的安装方式：电池正极与电池正极导片9刚性接触，负极与电池负极弹片15弹性接触，以此保证电池安装的可靠性；电池负极弹片15的弹性功能是通过将金属件做成软性铰链的形式实现；电池安装结构简单、紧凑，且安装可靠；

球杆仪信号发射装置的安装方式：蓝牙发射器跟随电路板7内置于球杆仪主体5内，电路板盖板采用非金属材料制成，以确保蓝牙信号能有效传输到电脑上；

中心支座活动支杆22的夹紧方式：中心活动支杆22的结构是，上端是直杆，直杆顶端是磁力座装置，支杆下端是带有半球型结构，相当于一个球铰结构。当凸轮杆25位于行程最高时，弹性卡爪23在弹簧26弹力的作用下被推进锥形限位套内部的锥形面上，活动支杆22半球部位被夹紧，支杆位置被固定；当凸轮杆25位于行程最低时，弹性卡爪23在复位弹簧26的作用下被推出锥形限位套内部的锥形面，活动支杆22半球部位被松开，支杆可以在弹性卡爪23中间自由摆动或者上下移动。中心支座体积小巧，便于携带，活动支杆装夹方便可靠；

结构简单，易于安装与维护；成本低。

附图说明

图1：设定球组件使用示意图；

图2：球杆仪装夹测量示意图；

图3：球杆仪主机立体图；

图4：球杆仪主机剖视图；

图5：图4右侧放大图，即电池组件示意图；

图6：球杆仪主机爆炸图；

图7：中心支座组件立体图；

图8：中心支座组件剖视图；

图9：中心支座组件爆炸图；

图10：活动支杆及测量球支块放大图；

图11：中心杯组件示意图；

图12：设定球组件示意图。

图中各部件名称如下：

球杆仪主机100、中心支座组件200、中心杯组件300、设定球组件400、CNC主轴500、第一测量球1、测杆2、测头主体3、导向套4、球杆仪主体5、电路板盖板6、电路板7、磁芯套杆8、电池正极导片9、电池10、电池端盖11、第二测量球12、测量球连接杆13、弹片14、电池负极弹片15、磁芯16、线圈17、复位弹簧18、销钉19、测量球支块20、磁铁21、活动支杆22、弹性卡爪23、锥形限位套24、凸轮杆25、弹簧26、调节端盖27、手柄28、复位弹簧29、上垫块30、底座31、底座磁铁32、中心杯支杆33、设定球34、设定球手柄35。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1和图2所示，一种电感式的无线球杆仪，该装置主要由球杆仪主机100、中心支座组件200、中心杯组件300和设定球组件400四部分组成。

如图3至图6所示，球杆仪主机100包括：第一测量球1、测杆2、测头主体3、导向套4、球杆仪主体5、电路板盖板6、电路板7、磁芯套杆8、电池正极导片9、电池10、电池端盖11、第二测量球12、测量球连接杆13、弹片14、电池负极弹片15、磁芯16、线圈17、复位弹簧18、销钉19。

如图7至图10所示，中心支座组件200包括：测量球支块20、磁铁21、活动支杆22、弹性卡爪23、锥形限位套24、凸轮杆25、弹簧26、调节端盖27、手柄28、复位弹簧29、上垫块30、底座31、底座磁铁32。

如图11所示，中心杯组件300包括：测量球支块20、磁铁21、中心杯支杆33。

如图12所示，设定球组件400包括：设定球34、设定球手柄35。

本发明技术方案的详细阐述如下：

1)球杆仪主机100

所述的球杆仪主机包括电感测头组件、电池组件、电路板组件、球杆仪主体。

所述的电感测头组件包括第一测量球1、测杆2、测头主体3、导向套4、磁芯套杆8、磁芯16、线圈17、复位弹簧18、销钉19。

所述的电感测头组件特征是，测杆2、测头主体3、导向套4、销钉19组成一个精密运动副，导向可靠，且保证测杆运动的精度。销钉19跟随测杆2在测头主体3上的腰型孔内移动，且与腰型孔的配合间隙很小，即紧密配合，从而限制了测杆的有效行程，也保证了测杆在运行过程中不会发生转动。

所述的磁芯套杆8与测杆2固定连接，并随测杆一起运动。磁芯16装在磁芯套杆8里面。

所述测杆2被压缩时，复位弹簧18也被压缩；当测杆2被松开时，复位弹簧18就会推动测杆2往外运动，直至测杆往外伸的极限位置。

所述的电池组件包括电池正极导片9、电池10、电池端盖11、弹片14、电池负极弹片15。

所述电池组件的特征是，电池正极导片9通过导线与电路板连接，电池端盖11通过内螺纹与球杆仪主体5一端的外螺纹连接，电池负极弹片15与弹片14始终保持可靠接触和电导通。

所述电路板固定在球杆仪主体5上，并且电路板的接地端与球杆仪主体5导通。电路板上的蓝牙发射器将电感测头的位移信号发送到电脑上，供电脑软件对测量数据进行分析。

所述电池端盖11在旋紧到球杆仪主体5之前，弹片14均与电池端盖11和球杆仪主体5不相接触，此时球杆仪处于断电状态。当将电池端盖11旋紧到球杆仪主体5上时，球杆仪主体5的端部顶住弹片14，同时电池负极弹片15顶到电池负极，并将电池往电池正极导片9压紧，此时电池导通，球杆仪处于通电状态。

所述测量球连接杆13与电池端盖11螺纹连接。第二测量球12与测量球连接杆13固定连接。将第二测量球12与测量球连接杆13拧下来后，即可安装不同的加长测杆，以测量不同的半径圆(或圆弧)。

所述电路板组件包括电路板7和电路板盖板6。

所述电路板组件的特征是，电路板7通过螺钉固定安装在球杆仪主体5上，电路板的接地端与球杆仪主体5导通。电路板的电源引脚与电池正极导片9之间通过导线连接。当电池导通时，电路板上的蓝牙发射器就可以将测量杆的位移信号发送到电脑上。

所述球杆仪主体5用金属材料加工而成。电感测头组件和电池端盖通过螺纹与球杆仪主体连接。电路板盖板通过螺丝与球杆仪主体5连接。

2)中心支座组件200

所述中心支座组件的特征是，测量球支块20和磁铁21固定安装在活动支杆22上端，测量球支块20上设计一圈或均匀分布若干个圆弧凸台，优选测量球支块20上设计均匀分布三个圆弧凸台，测量时在磁铁吸力的作用下，第一测量球1可以与这三个圆弧凸台可靠的接触，确保测量球在各个方向上转动时，其球心位置都不会发生变动。

所述活动支杆22的下端是类似球形的结构，置于弹性卡爪23的卡爪中间。当凸轮杆25处于松开状态时，活动支杆22可以在卡爪中间自由摆动，或者上下移动。当凸轮杆25处于锁紧状态时，活动支杆22被卡爪牢牢夹紧而不能自由活动。

所述弹性卡爪23中间有个通孔，用于安装凸轮杆25。凸轮杆25两端与上垫块30接触，上垫块30下面依次装有弹簧26和调节端盖27。调节端盖27通过螺纹与锥形限位套24连接，当往里旋紧调节端盖27时，弹簧26就会被压缩，弹簧弹力推动上垫块30压紧凸轮杆25。当手柄28处于竖直状态时，凸轮杆25位于凸轮行程的最低处，此时活动支杆22可以在弹性卡爪23中间自由活动。当手柄28被扳到水平状态时，凸轮杆25位于凸轮行程的最高处，此时弹性卡爪23被挤进锥形限位套24内部的锥形面内，卡爪发生弹性变形，并夹紧活动支杆22，使活动支杆被固定在一个位置上。弹性卡爪23与底座31固定连接。

所述底座31底部装有底座磁铁32，用于将中心支座组件吸附固定在被测的平台上。

3)中心杯组件300

所述中心杯组件的特征是，测量球支块20和磁铁21固定安装在中心杯支杆33的一端，测量时此端用于吸住第二测量球12，且确保在测量过程中测量球的球心位置不发生变动，中心杯支杆33的另一端用于夹持在CNC主轴上。在测量XY平面上的圆时，中心杯组件300和CNC主轴500保持不动，中心支座组件200跟随CNC的XY运动平台绕中心杯组件以球杆仪主机100的设定半径作圆周运动。在测量YZ、XZ截面时，中心支座组件200跟随XY运动平台运动，中心杯组件300跟随CNC主轴500做上下运动。在测量时，球杆仪记录下运动轨迹与标准圆(圆弧)之间的差值。通过软件分析计算求出CNC机床的运动精度。

4)设定球组件400

所述的设定球装置的特征是，设定球34与球杆仪主机上的两个测量球大小规格及精度等级相同。设定球34与设定球手柄35固定连接。设定球装置用于测量开始时的坐标原点的设定。其使用方式是：先将设定球吸附于中心支座的活动支杆22上，此时设定球可以跟随活动支杆自由摆动或者上下移动；控制装夹好中心杯组件的CNC主轴向中心支座组件移动，当中心杯支杆33移至距离设定球34正上方大约2mm时，中心支座的活动支杆22与设定球装置会在磁力的作用下被吸附到中心杯支杆33上，此时设定球的中心位置为测量的坐标原点，扳动手柄28到锁紧位置(手柄处于水平状态)即可将活动支杆22位置固定住，即固定住测量的坐标原点。然后将CNC主轴往上移动一定距离，将设定球装置取出，即可往下进行测量。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围，采用本设计的电感测头同样可以用于长度测量的电感测头。

Claims (7)

1.一种电感式的无线球杆仪，其特征在于：

该电感式的无线球杆仪主要由球杆仪主机（100）、中心支座组件（200）、中心杯组件（300）和设定球组件（400）四部分组成；

所述的球杆仪主机（100）包括电感测头组件、电池组件、电路板组件和球杆仪主体（5）；还包括与电池组件活动连接的测量球连接杆（13），以及与测量球连接杆（13）连接的第二测量球（12）；所述电感测头组件包括第一测量球（1）、测杆（2）、测头主体（3）、导向套（4）、磁芯套杆（8）、磁芯（16）、线圈（17）、复位弹簧（18）及销钉（19）；所述电路板组件包括电路板（7）；

第一测量球（1）设在测杆|（2）的第一端，所述导向套（4）套设在所述测杆（2）上，销钉（19）插入测杆（2），销钉（19）的位置靠近测杆（2）的第二端，测杆（2）、测头主体（3）、导向套（4）、销钉（19）组成一个精密运动副，销钉（19）跟随测杆（2）在测头主体（3）上的腰型孔内移动，销钉（19）与腰型孔紧密配合；

所述的磁芯套杆（8）与测杆（2）第二端固定连接，并随测杆（2）一起运动，磁芯（16）装在磁芯套杆（8）里面；所述测杆（2）被压缩时，复位弹簧（18）也被压缩；当测杆（2）被松开时，复位弹簧（18）就会推动测杆（2）往外运动，直至测杆往外伸的极限位置；所述电路板（7）固定在球杆仪主体（5）上，并且电路板的接地端与球杆仪主体（5）导通；电路板（7）上的蓝牙发射器将电感测头组件的位移信号发送到电脑上；所述电池组件一端与电路板（7）连接，所述电池组件的另一端连接球杆仪主体（5）；

中心支座组件（200）包括：测量球支块（20）、磁铁（21）、活动支杆（22）、弹性卡爪（23）、锥形限位套（24）、凸轮杆（25）、弹簧（26）、调节端盖（27）、手柄（28）、复位弹簧（29）、上垫块（30）、底座（31）及底座磁铁（32）；

测量球支块（20）和磁铁（21）固定安装在活动支杆（22）上端，测量球支块（20）上设计一圈或均匀分布若干个圆弧凸台；

所述活动支杆（22）的下端是类似球形的结构，置于弹性卡爪（23）的卡爪中间，当凸轮杆（25）处于松开状态时，活动支杆（22）在卡爪中间自由摆动，或者上下移动，当凸轮杆（25）处于锁紧状态时，活动支杆（22）被卡爪牢牢夹紧而不能自由活动；

所述弹性卡爪（23）中间设有通孔，用于安装凸轮杆（25），凸轮杆（25）两端与上垫块（30）接触，上垫块（30）下面依次装有弹簧（26）和调节端盖（27），调节端盖（27）与锥形限位套（24）连接，当往里旋紧调节端盖（27）时，弹簧（26）被压缩，弹簧弹力推动上垫块（30）压紧凸轮杆（25），当手柄（28）处于竖直状态时，凸轮杆（25）位于凸轮行程的最低处，此时活动支杆（22）在弹性卡爪（23）中间自由活动，当手柄（28）被扳到水平状态时，凸轮杆（25）位于凸轮行程的最高处，此时弹性卡爪（23）被挤进锥形限位套（24）内部的锥形面内，卡爪发生弹性变形，并夹紧活动支杆（22），使活动支杆被固定在一个位置上，弹性卡爪（23）与底座（31）固定连接；

中心杯组件（300）包括：测量球支块（20）、磁铁（21）及中心杯支杆（33）；

测量球支块（20）和磁铁（21）固定安装在中心杯支杆（33）的一端，测量时此端用于吸住第二测量球（12），且确保在测量过程中测量球的球心位置不发生变动，中心杯支杆（33）的另一端用于夹持在CNC主轴上；

设定球组件（400）包括：设定球（34）及设定球手柄（35）；

设定球（34）与球杆仪主机上的两个测量球大小规格及精度等级相同，设定球（34）与设定球手柄（35）固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种电感式的无线球杆仪，其特征在于：所述的电池组件包括电池正极导片（9）、电池（10）、电池端盖（11）、弹片（14）和电池负极弹片（15）；电池正极导片（9）通过导线与电路板连接，电池端盖（11）通过内螺纹与球杆仪主体（5）一端的外螺纹连接，电池负极弹片（15）与弹片（14）始终保持可靠接触和电导通；电池端盖（11）在旋紧到球杆仪主体（5）之前，弹片（14）均与电池端盖（11）和球杆仪主体（5）不相接触，此时球杆仪处于断电状态；当将电池端盖（11）旋紧到球杆仪主体（5）上时，球杆仪主体（5）的端部顶住弹片（14），同时电池负极弹片（15）顶到电池负极，并将电池往电池正极导片（9）压紧，此时电池导通，球杆仪处于通电状态。

3.根据权利要求2所述的一种电感式的无线球杆仪，其特征在于：电路板（7）通过螺钉固定安装在球杆仪主体（5）上，电路板的接地端与球杆仪主体（5）导通，电路板的电源引脚与电池正极导片（9）之间通过导线连接，当电池导通时，电路板上的蓝牙发射器将测量杆的位移信号发送到电脑上。

4.根据权利要求2所述的一种电感式的无线球杆仪，其特征在于：所述电路板组件还包括电路板盖板（6），所述球杆仪主体（5）用金属材料加工而成，电感测头组件和电池端盖通过螺纹与球杆仪主体连接，电路板盖板（6）通过螺丝与球杆仪主体（5）连接。

5.根据权利要求1所述的一种电感式的无线球杆仪，其特征在于：测量球支块（20）上设计均匀分布三个圆弧凸台。

6.根据权利要求1所述的一种电感式的无线球杆仪，其特征在于：调节端盖（27）通过螺纹与锥形限位套（24）连接。

7.根据权利要求1所述的一种电感式的无线球杆仪，其特征在于：所述底座（31）底部装有底座磁铁（32），用于将中心支座组件吸附固定在被测的平台上。

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