CN111692976A - 一种温度形变自补偿的数显长度基准装置 - Google Patents

一种温度形变自补偿的数显长度基准装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种温度形变自补偿的数显长度基准装置，包括基准尺、多个温度采集探头，数据处理模块、数字显示屏；尺体设有多个供仪器校准使用的靶标底座锥形孔，同时在基准尺体设有用于放置温度采集探头的孔位；所述温度采集探头一端通过传输线与数据处理模块连接，另一端安装在基准尺探头孔位中并确保与孔壁贴合；所述的数据处理模块，将相邻两个温度采集探头之间采集的温度信号转换为长度补偿数据，从而获得现场工况温度下的基准尺在补偿后实际长度，并显示在数字显示屏上。本发明可以有效解决在现场工况下因基准尺的材料温度、环境温度变化以及温度梯度不一致而引起的基准误差，为仪器现场校准提供高精度的基准长度，从而保障和提高现场测量精度。

Description

一种温度形变自补偿的数显长度基准装置
技术领域
本发明涉及大型装置、设备等部件生产、制造、装配过程中的现场尺寸测量领域和实验室长度测量仪器校准标定领域，具体是一种温度形变自补偿的数显长度基准装置。
背景技术
在大型机械装备的制造及装配过程中，大型工件的几何尺寸和形位公差的测量是保证整套设备质量的关键因素。大尺寸空间坐标测量是现代大型机械制造业中待解决的关键技术之一，它涉及航空航天、冶金设备、造船工业、汽车制造、港口机械、探矿设备、核电设备以及加速器等领域。
随着工业技术的快速发展，越来越多的大型设备需要精密加工和装配，解决生产现场的大尺寸精密测量问题显得十分必要和迫切。激光跟踪仪、柔性关节测量臂、室内GPS、摄影测量等技术的出现，解决了部分大尺寸设备生产现场的测量难题。但由于生产现场不可能达到计量实验室的环境要求，这也降低了上述仪器现场测量的精度。特别是在长期的生产现场测量，环境温度等因素的变化严重影响测量系统的测量精度。基准尺作为一种可在生产现场使用的标定基准，为生产现场的测量系统提供一个或者多个长度基准，用于提高测量系统的精度。
在目前大型设备精密加工和装配的现场一般采用如下的基准尺校准方法：基准尺基准长度是在实验室20摄氏度环境下标定，根据基准尺材料的热膨胀比例系数和现场测得环境温度，计算或通过软件计算，获得在此现场环境温度下的基准尺修正长度，利用此修正长度作为仪器校准的基准。由于基准尺的材料温度、环境温度以及温度梯度在复杂现场工况下，难以保证一致和测量的准确，因此会导致比例尺修正长度引入误差，影响仪器校准，从而降低了现场测量的精度。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种温度形变自补偿的数显长度基准装置，可实时显示基准长度，不仅提高了测量工作效率，也减小了测量现场环境温度变化、温度梯度不一致等带来的基准尺修正长度误差。本发明是一种温度形变自补偿的数显长度基准装置，目的是在大型装置、设备等部件生产、制造、装配过程中的尺寸测量现场以及校准实验室，为仪器现场校准提供便携、高精度的基准长度，减小在现场工况下中因温度变化、温度梯度不一致而引起的基准误差，从而保障和提高现场测量精度。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种温度形变自补偿的数显长度基准装置，包括基准尺、多个温度采集探头，数据处理模块、数字显示屏；所述的基准尺截面为偶数多边形或圆形；尺体设有多个供仪器校准使用的靶标底座，为锥形孔或销孔等，同时在基准尺体设有间隔设置的N个用于放置温度采集探头的孔位；所述温度采集探头为电阻温度传感器，一端通过传输线与数据处理模块连接，另一端安装在基准尺探头孔位中并确保与孔壁贴合；所述的数据处理模块，将相邻两个温度采集探头之间采集的温度信号转换为长度补偿数据，从而获得现场工况温度下的基准尺在补偿后实际长度，并显示在数字显示屏上。
进一步的，该基准装置使用前需在实验室中进行标定，将N个温度采集探头安装在孔位中，标定过程中温度变化范围需设置在0～35℃，通过温度梯度变化依次进行基准标定，获取不同温度下的长度基准数据及各温度变化区间内的最佳热膨胀比例系数α。
进一步的，所述的数据处理模块将相邻两个温度采集探头之间采集的温度信号转换为长度数据，从而获得现场工况温度下的基准尺在补偿后实际长度，其转换公式如下：
L＝L1'+L2'+…Li'
其中L为测量现场温度下基准尺的实际长度，L1'、L2'、...Li'为测量现场温度下相邻两个温度采集探头之间长度，其数值由标定所得或由以下公式计算得出；
Li'＝Li+ΔLi，i＝1、2、3....
其中Li为20℃下相邻两个温度采集探头之间长度，ΔLi为尺寸变化量；
Figure BDA0002529072360000021
其中α为材料最佳热膨胀比例系数，ti为第i个温度采集探头所采集的温度。
进一步的，数据处理模块根据温度变化的不同，在记录温度数据的同时，根据转换公式将基准长度数据显示在数字显示屏上，并且具备储存功能，记录相应数据。
进一步的，所述的基准尺材质为铟钢、石英。
根据本发明的另一方面，提出一种利用温度形变自补偿的数显长度基准装置校准激光跟踪仪的方法，包括如下步骤：
步骤一：将温度形变自补偿数显长度基准尺固定放置在测量现场，采用酒精对基准尺每个靶标底座进行擦拭，保持清洁并开机预热；
步骤二：设置基准装置数据处理模块的相关参数及数据记录方式，通过时间间隔依次记录，或通过温度变化依次记录；当温度变化稳定后，数字显示屏上所示数据即为此时基准尺各基准修正长度，即数显长度基准数据；
步骤三：激光跟踪仪开机预热；当激光跟踪仪预热完成后，将靶标球放置在基准尺的不同靶标底座上，使用激光跟踪仪，对激光跟踪仪进行现场校准，依次采点，获取多个长度基准数据；
步骤四：使用激光跟踪仪测量获得的长度基准数据，与数显长度基准数据对比获得激光跟踪仪现场测量偏差，完成激光跟踪仪现场校准，或通过激光跟踪仪的补偿功能修正仪器补偿数据，完成激光跟踪仪现场高精度的标定，从而减小因环境温度变化而引起的基准长度变化对仪器现场校准和标定精度的影响，保障和提高现场测量精度。
有益效果：
本发明提供了一种温度形变自补偿的数显长度基准装置，可以有效的解决大型装置、设备等部件生产、制造、装配的尺寸测量现场及校准实验室，由于温度变化引起的基准误差，进而带来的测量误差。同时此发明相比传统标定方法更加便捷，实现了数据的可视化。提高工作效率，节约人工成本。
附图说明
图1是数显长度基准装置温度采集示意图；
图2是数显长度基准装置组装使用示意图；
图3是数显长度基准装置校准激光跟踪仪使用示意图。
图中：1、基准尺；2、温度采集探头；3、数据处理模块；4、数字显示屏；5、靶标底座；6、传输线；7、激光跟踪仪；8、靶标球。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1-3所示，根据本发明的一个实施例，提出一种温度形变自补偿的数显长度基准装置，用于大型装置、设备等部件生产、制造、装配现场测量过程以及校准实验室中，包括：包括基准尺1、温度采集探头2，数据处理模块3、数字显示屏4；所述的基准尺1的材质为热膨胀系数较小或稳定的材料，如铟钢、石英等，截面为偶数多边形或圆形，便携式，其长度一般不超过2米，实验室使用的可根据需要设计长度。基准尺1的尺体设有4个或多个供仪器校准使用的靶标锥形孔或销孔等，同时在基准尺1的尺体设有N个用于放置温度采集探头的孔位(N≥4，此项数字越大越能够减小因基准尺自身温度梯度引起的修正长度误差)。基准装置使用前需在实验室中进行标定，将基准尺1固定放置，温度采集探头安装到位，一端通过传输线6与数据处理模块3连接，装配调试完成后进行标定，标定过程中温度变化范围设置在0～35℃，通过温度梯度变化(0.5℃、1℃......35℃)依次进行基准标定，获取不同温度下的长度基准数据及该温度变化区间内的最佳热膨胀比例系数α。
所述温度采集探头2包括电阻温度传感器，一端通过传输线6与数据处理模块3连接，另一端安装在基准尺探头孔位中并确保与孔壁贴合。
所述的数据处理模块3通过编程，使其能够实现将相邻两个温度采集探头2之间采集的温度信号转化为长度数据，从而进一步获得现场工况温度下的仪器标定长度基准L。
其转换公式如下：
L＝L1'+L2'+…Li'
其中L为测量现场温度下基准尺1长度，L1'、L2'、...Li'为测量现场温度下相邻两个温度采集探头2之间长度(其数值由标定所得或由以下公式计算得出)。
Li'＝Li+ΔLi(i＝1、2、3....)
其中Li为20℃下相邻两个温度采集探头之间长度，ΔLi为尺寸变化量。
Figure BDA0002529072360000041
其中α为材料最佳热膨胀比例系数，ti为第i个温度采集探头所采集的温度。
基准尺1使用前需在实验室不同温度变化范围及温度梯度下进行标定，获取各温度下的长度基准数据及该温度变化区间内的最佳热膨胀比例系数。
使用前需将数据处理模块3进行编程处理，使其可根据温度变化的不同，在记录温度数据的同时，根据转换公式将基准长度数据显示在数字显示屏4上，并且具备储存功能，记录相应数据。
基准尺1需固定放置在测量现场，保证周围具备现场测量环境，无振动，无其他不良干扰。
温度采集探头2通过传输线6与处理模块3连接后，将其安装在探头孔位中并确保与孔壁贴合。检查数据传输线6，数字显示屏4，确保其各项功能正常。在现场仪器标定开始前，装置需预热至少半小时，适应现场条件，以去除数据记录开始时的随机误差。
当在测量现场标定激光跟踪仪7时，将靶标球8或其他目标件放置在基准尺的靶标底座5上，根据激光跟踪仪7的标定方法进行。
一种温度形变自补偿的数显长度基准装置，本发明的数显长度基准装置是为激光跟踪仪等测量仪器现场测量前进行高精度校准的辅助装置，是独立于测量仪器之外的装置。以测量现场校准激光跟踪仪7为例，其在实际测量过程中的使用步骤如下：
步骤一：将温度形变自补偿数显长度基准尺1固定放置在测量现场，采用酒精对基准尺每个靶标底座5进行擦拭，保持清洁，基准装置与激光跟踪仪7一并开机预热。
步骤二：设置基准装置数据处理模块3的相关参数及数据记录方式，通过时间间隔(2min、5min...)依次记录，或通过温度变化(0.1℃、0.2℃...)依次记录。当温度变化稳定后，数字显示屏4上所示数据即为此时基准尺各基准修正长度。
步骤三：当激光跟踪仪7预热完成后，将靶标球8放置在基准尺的不同靶标底座5上，使用激光跟踪仪底层软件，对激光跟踪仪7进行现场校准，依次采点，获取多个长度基准数据。
步骤四：使用激光跟踪仪7测量获得的基准长度数据，与数显长度基准数据对比获得激光跟踪仪现场测量偏差，完成激光跟踪仪7现场校准，或通过激光跟踪仪7的补偿功能修正仪器补偿数据，完成激光跟踪仪7现场高精度的标定。从而减小因环境温度变化而引起的基准长度变化对仪器现场校准和标定精度的影响，保障和提高现场测量精度。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (6)

1.一种温度形变自补偿的数显长度基准装置，其特征在于，包括：
基准尺、多个温度采集探头，数据处理模块、数字显示屏；所述的基准尺截面为偶数多边形或圆形；尺体设有多个供仪器校准使用的靶标底座，为锥形孔或或销孔等，同时在基准尺体设有间隔设置的N个用于放置温度采集探头的孔位；所述温度采集探头为电阻温度传感器，一端通过传输线与数据处理模块连接，另一端安装在基准尺探头孔位中并确保与孔壁贴合；所述的数据处理模块，将相邻两个温度采集探头之间采集的温度信号转换为长度补偿数据，从而获得现场工况温度下的基准尺在补偿后实际长度，并显示在数字显示屏上。
2.根据权利要求1所述的一种温度形变自补偿的数显长度基准装置，其特征在于：
该基准装置使用前需在实验室中进行标定，将N个温度采集探头安装在孔位中，标定过程中温度变化范围需设置在0～35℃，通过温度梯度变化依次进行基准标定，获取不同温度下的长度基准数据及各温度变化区间内的最佳热膨胀比例系数α。
3.根据权利要求1所述的一种温度形变自补偿的数显长度基准装置，其特征在于：
所述的数据处理模块将相邻两个温度采集探头之间采集的温度信号转换为长度数据，从而获得现场工况温度下的基准尺在补偿后实际长度，其转换公式如下：
L＝L1'+L2'+…Li'
其中L为测量现场温度下基准尺的实际长度，L1'、L2'、…Li'为测量现场温度下相邻两个温度采集探头之间长度，其数值由标定所得或由以下公式计算得出；
Li'＝Li+ΔLi，i＝1、2、3....
其中Li为20℃下相邻两个温度采集探头之间长度，ΔLi为尺寸变化量；
Figure FDA0002529072350000011
其中α为材料最佳热膨胀比例系数，ti为第i个温度采集探头所采集的温度。
4.根据权利要求1所述的一种温度形变自补偿的数显长度基准装置，其特征在于：
数据处理模块根据温度变化的不同，在记录温度数据的同时，根据转换公式将基准长度数据显示在数字显示屏上，并且具备储存功能，记录相应数据。
5.根据权利要求1所述的一种温度形变自补偿的数显长度基准装置，其特征在于：
所述的基准尺材质为铟钢、石英。
6.一种利用权利要求1所述的数显长度基准装置校准激光跟踪仪的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将温度形变自补偿数显长度基准尺固定放置在测量现场，采用酒精对基准尺每个靶标底座进行擦拭，保持清洁并开机预热；
步骤二：设置基准装置数据处理模块的相关参数及数据记录方式，通过时间间隔依次记录，或通过温度变化依次记录；当温度变化稳定后，数字显示屏上所示数据即为此时基准尺各基准修正长度，即数显长度基准数据；
步骤三：激光跟踪仪开机预热；当激光跟踪仪预热完成后，将靶标球放置在基准尺的不同靶标底座上，使用激光跟踪仪，对激光跟踪仪进行现场校准，依次采点，获取多个长度基准数据；
步骤四：使用激光跟踪仪测量获得的长度基准数据，与数显长度基准数据对比获得激光跟踪仪现场测量偏差，完成激光跟踪仪现场校准，或通过激光跟踪仪的补偿功能修正仪器补偿数据，完成激光跟踪仪现场高精度的标定，从而减小因环境温度变化而引起的基准长度变化对仪器现场校准和标定精度的影响，保障和提高现场测量精度。
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