CN114485363A - 一种圆柱金属体卡紧和非接触式定位测量装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及定位装置的领域，公开了一种圆柱金属体卡紧和非接触式定位测量装置，包括装卡套筒、信息处理机、标准检具、以及连接于装卡套筒的卡紧机构，装卡套筒内壁设置有电极，圆柱金属体插设于装卡套筒内；标准检具用于检测电极的面积误差和检测电极在装卡套筒内的周向角度误差；信息处理机用于实时检测电极和圆柱金属体外壳之间形成的电容，根据电容实时计算和显示圆柱金属体在装卡套筒内的位置；卡紧机构用于使位于装卡套筒内的圆柱金属体沿着装卡套筒的径向方向移动。克服了当前圆柱金属体机械式装卡过程中装卡方便和装卡同轴精度不可兼得的局限性。该定位测量装置具有结构简单、卡紧与测量同步进行、成本低、测量精度高、重复性好等特点。

Description

一种圆柱金属体卡紧和非接触式定位测量装置

技术领域

本申请涉及定位装置的技术领域，尤其涉及一种圆柱金属体卡紧和非接触式定位测量装置。

背景技术

为保证圆柱型金属产品在测试设备上同轴精度要求，传统的做法为了保证足够的装卡精度，装卡套筒设计为具有较高公差等级的内圆柱度精度，提高与圆柱金属体外壳柱面的装配紧密性。这样有助于保证圆柱金属体与装卡套筒的同轴精度，但同轴度依然不可测量，并且使得产品在套筒中难以拆卸、拆卸过程中易变形损坏。

发明内容

为了实现装拆圆柱金属体方便又能保证同轴精度要求，同时能够实时反馈同轴指标，本申请公开了一种圆柱金属体卡紧和非接触式定位测量装置。在圆柱金属体装卡于装卡套筒时，可以同时实现同轴度实时调整和实时计算显示的卡紧和非接触式定位测量装置，并提供了标准检具，用于检测单元校准和误差补偿。

本申请采用如下的技术方案：

一种圆柱金属体卡紧和非接触式定位测量装置，包括装卡套筒、信息处理机、标准检具、以及连接于装卡套筒的卡紧机构，装卡套筒内壁设置有电极，圆柱金属体插设于装卡套筒内；标准检具用于检测电极的面积误差和检测电极在装卡套筒内的周向角度误差；信息处理机用于实时检测电极和圆柱金属体外壳之间形成的电容，根据电容实时计算和显示圆柱金属体在装卡套筒内的位置；卡紧机构用于使位于装卡套筒内的圆柱金属体沿着装卡套筒的径向方向移动。

通过上述技术方案，可以实现一边调整圆柱金属体在在所述装卡套筒中的三维位置，一边在所述信息处理机上观察调整过程和调整后的同轴度情况。

在上述的定位测量装置中，所述卡紧机构包括螺杆、限位块、滑块，螺杆穿过装卡套筒并与装卡套筒螺纹连接，限位块嵌设于装卡套筒内壁，螺杆与限位块转动连接，限位块背离螺杆的末端为曲面，滑块连接于限位块之间，滑块与限位块滑动连接，滑块用于对限位块限位使限位块不转动。

通过调整所述螺杆，可以调整圆柱金属体在所述装卡套筒中的三维位置。

在上述的定位测量装置中，所述装卡套筒设置两组卡紧机构，两组卡紧机构沿着装卡套筒的轴线方向分布，每组包括四个卡紧机构，四个卡紧机构在装卡套筒周向上均匀分布。

在上述的定位测量装置中，所述装卡套筒设置两组电极，两组电极沿着装卡套筒的轴线方向分布，每组包括三个电极，三个电极在装卡套筒周向上均匀分布。

在上述的定位测量装置中，所述标准检具包括基准部和插入部，插入部同轴固定连接于基准部，装卡套筒端部开设有与基准部相适配的卡槽，基准部与装卡套筒同轴，插入部内部中空，插入部外周向面设置有镂空。

在上述的定位测量装置中，随着所述标准检具的转动，电极与镂空位置之间存在以下两种状态：电极部分对准镂空位置、或电极者电极部分完全对准非镂空位置。

在上述的定位测量装置中，所述镂空为沿着插入部轴线方向延伸的矩形形状。

在上述的定位测量装置中，所述标准检具刻有第一刻线和第二刻线，装卡套筒设置有标识，第一刻线与标识对应，电极一半对准镂空；当第二刻线与标识对应，电极不对准镂空。

综上所述，本申请至少包括以下有益技术效果：

本发明既能保证装卡方便又能保证同轴精度要求，同时能够实时反馈同轴指标。方法简单，操作快捷方便，省时、省工。本发明适用范围广泛，除去圆柱金属体的测试需求外，可用于所有需要在金属圆柱面卡紧时严格保证同轴度的场景。

附图说明

图1是本发明系统组成示意图；值得注意的是省去了一些与本发明要实现的目的关联不大的部组件，比如轴承、螺钉、垫片、线缆等，但并不代表除去这些部组件系统可以完美运行；

图2是本发明装卡套筒和标准检具的示意图；

图3是本发明电容检测同轴性原理图；

图4是本发明镂空与电极重合角度与电容关系图。

附图标记说明：1、装卡套筒；5、电极；2、标准检具；21、基准部；22、插入部；23、镂空；3、卡紧机构；31、螺杆；32、限位块；33、滑块；4、信息处理机。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图1-4和具体实施例对本申请作进一步详细的描述：

参照图1和图2，一种圆柱金属体卡紧和非接触式定位测量装置，包括装卡套筒1、信息处理机4、标准检具2、以及连接于装卡套筒1的卡紧机构3。圆柱金属体插设于装卡套筒1内，调整卡紧机构3来对圆柱金属体沿着装卡套筒1的径向方向移动。从而实现对装卡套筒1和圆柱金属体位置的准确调整。

信息处理机4，可以检测所述电极5与圆柱金属体外壳形成的电容值，进而计算圆柱金属体外壳截面中心在所述装卡套筒1截面上的位置，进而通过两组电极5在两个界面上的位置，计算出圆柱金属体在所述装卡套筒1中的三维位置，进而表征同轴度指标。

定位测量装置在投入使用之前，需要使用标准检具2进行标定。在后续的使用中，仍然建议定期进行维护校准，以保证系统在最优的工作状态。

装卡套筒1内壁设置有电极5。电极5粘贴于绝缘块，后一起装于装卡套筒1内壁，绝缘块位于电极5和装卡套筒1之间，电极5只要是良导体即可，本实施案例中为铜箔，每个电极5占整周的60°角，为了增大可检测电容，每片电极5轴向长度达30mm。

装卡套筒1设置两组电极5，两组电极5沿着装卡套筒1的轴线方向分布，每组包括三个电极5，三个电极5在装卡套筒1周向上均匀分布。装卡套筒1设置两组电极5，两组电极5沿着装卡套筒1的轴线方向分布，每组包括三个电极5，三个电极5在装卡套筒1周向上均匀分布。

卡紧机构3包括螺杆31、限位块32、滑块33，螺杆31穿过装卡套筒1并与装卡套筒1螺纹连接，限位块32嵌设于装卡套筒1内壁，螺杆31与限位块32转动连接，限位块32背离螺杆31的末端为曲面，调整螺杆31的时候，能够保证限位块32与圆柱金属体产品面贴合，滑块33连接于限位块32之间，滑块33与限位块32滑动连接，滑块33插设于限位块32内，滑块33为柔性材质，滑块33用于对限位块32限位使限位块32不转动。限位块32为非金属材质，本实施案例中为航空玻璃，一方面使得装卡套筒1与圆柱金属体绝缘，另一方面也避免装卡时划伤产品。

装卡套筒1安装圆柱金属体产品之前，先向外旋转卡紧机构3的螺杆31，使得卡紧机构3与产品之间的间隙增大，更容易安装圆柱金属体，而后旋转螺杆31抱死圆柱金属体，完成安装。通过调整所述螺杆31，可以调整圆柱金属体在所述装卡套筒1中的三维位置。

在垂直于装卡套筒1轴线方向、且过每组电极5得到两个截面，电极5与圆柱金属体外壳之间就形成了两组六个电容器，等同于分别在两个截面直角坐标系上的三个点，每个截面上三个点确定一个圆，圆心所在位置代表了此截面上圆柱金属体在该截面上的中心位置。结合两个截面上的位置，可以得出圆柱金属体中心轴在装卡套筒1内的位置。调整圆柱金属体同轴度的方法，就是将两个截面上的圆心均调整至装卡套筒1的中心附近阈值圆内。

如图3，垂直于装卡套筒1轴线方向、且过每组电极5得到一个截面，共得到两个截面。一个截面上的三个电容值分别为C_i，i＝1,2,或3，用一个半径为r的圆代表装卡套筒，那么三个电容值可表示为圆周均布相差120°相位的三个半径线段上的点。三个半径线段分别为OA、OB、OC，O点为该截面上装卡套筒的圆心位置。完全同轴时，三个电容值相等记为C₀，C₀可以在用标准检具标定时得到，否则有：

式中，

上式中T_iC_i线段长度随着电容C_i增大而减小，代表着电极5和圆柱金属体外壳之间的距离在减小，为了实现同轴需要调整卡紧机构3的螺杆31，将圆柱金属体向装卡套筒1中心推移；反之则反之。

得到C_i点在此截面上的位置，则可以根据此三点确定一个圆，圆心为O1，圆心坐标计算的数学方法有很多，此处不再赘述。如果完全同轴，则此时O1点和O点重合，O点为而装卡套筒在该截面上的圆心位置，否则将会有偏移。

在另一个截面同样计算，也能够得到一个圆心。

根据上述两个圆心，可以观察圆柱金属体中心轴与装卡套筒中心轴的重合情况，通过调整卡紧机构的螺杆，将两个截面的O1点向O点靠近，即可实现同轴度调整。

为了实现边调整边观测，所谓的信息处理机负责进行每个截面圆心的计算，并在显示器上将圆心位置显示出来。

如图2，所谓的标准检具2，用于检测电极5的面积误差和检测电极5在装卡套筒1内的周向角度误差，作为标准器具其加工精度要求高，且必须在使用之前经过足够的应力释放时间，并经过专业检测达到指标要求。标准检具2包括基准部21和插入部22，插入部22同轴固定连接于基准部21，装卡套筒1尾端开设有与基准部21相适配的卡槽，基准部21与装卡套筒1同轴，插入部22外周向面设置有镂空23。基准部21的外圆柱面与装卡套筒1尾端圆柱面是配合面，要求较高的配合精度，以保证标准检具2与装卡套筒1配合后二者有相当的同轴度性能。二者配合后是悬臂梁结构，为了尽最大可能消除质量引起的悬臂弯曲，标准检具2应设计为空心结构，即插入部22内部中空，是一个圆筒结构。插入部22外周向面设置有镂空23，随着标准检具2在装卡套筒1内的转动，电极5与镂空23位置之间存在以下两种状态：电极5部分对准镂空23位置、或电极5者电极5部分完全对准非镂空23位置，镂空23可以为任意能够实现上述状态的形状。本实施例中，镂空23为沿着插入部22轴线方向延伸的矩形形状。本实施例中，标准检具2有两组镂空23，每组镂空23包括三个周向均布于装卡套筒1周向的镂空23，每个镂空23占整周角度的30°，或者标准检具2周向设置三个均布的镂空23，每个镂空23沿着标准检具2轴线方向可以对应两个电极5。

在标准检具2的外端面有两个刻线，分别为第一刻线和第二刻线，装卡套筒1外端面也有标记，这三个具有关联性，在第一刻线与装卡套筒1标记对应时，装卡套筒1内部六个电极5有一半面积对应镂空23，而在第二刻线与装卡套筒1标记对应时，装卡套筒1内部六个电极5没有任何面积对应镂空23。在第二刻线与装卡套筒1标识对应时，可以检测电极5由于各自不同面积形成的电容值差异性，从而计算出面积补偿值，消除电极5面积不同影响。在第一刻线与装卡套筒1标识对应时，可以计算电极5在周向的角度差值，从而计算出角度补偿值，消除非周向均布导致的角度误差影响。

电极5在轴向的安装精度可以用工装来保证，但轴向角度可能不会是严格的120°；另一方面，每个电极5的面积也不一定相同。这两项误差均需用标准检具2来标定。

当电极不与镂空对应时，所形成的电容为C_ci，选择一个截面上三个电容的最大值为C₀，对其他电容值进行补偿来消除面积差异的影响，如下：

如图4，当电极有部分面积与镂空对应时，根据中心对称性，每个电极与镂空的重合面积相同，重合面积是角度的函数，所形成的电容为C_Ai，C_Ai与重合角度的关系如图4，在重合角度为10°至20°的区间内，C_Ai与重合角度基本呈线性关系。故此时按照OC₁为基础零轴，可以求出另外两个电极相对120°和240°轴的夹角，举例120°轴的夹角求取方法为：

信息处理机在标定的时候将上述两个参数记录并存储，在后期的同轴度调整时候调取并调整BC_i、CC_i的角度，从而完成标准检具的标定。

本申请的实施原理为：定位测量装置使用之前，使用标准检具2进行标定。

装卡套筒1安装圆柱金属体产品之前，先向外旋转卡紧机构3的螺杆31，使得限位块32与产品之间的间隙增大，更容易安装圆柱金属体，而后旋转螺杆31使限位块32抱死圆柱金属体，完成安装。

之后根据信息处理机4检测到的两组电极5中每个电极5与圆柱金属体外壳形成的电容值，并根据每组电极5位置测得的电容值计算该每组电极5处圆柱金属体的圆心O1，根据两个圆心，可以观察圆柱金属体中心轴与装卡套筒1中心轴的重合情况，通过调整卡紧机构3的螺杆31，将两个截面的O1点向装卡套筒1的圆心O点靠近，即可实现同轴度调整。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种圆柱金属体卡紧和非接触式定位测量装置，其特征在于：包括装卡套筒(1)、信息处理机(4)、标准检具(2)、以及连接于装卡套筒(1)的卡紧机构(3)，装卡套筒(1)内壁设置有电极(5)，圆柱金属体插设于装卡套筒(1)内；

标准检具(2)用于检测电极(5)的面积误差和检测电极(5)在装卡套筒(1)内的周向角度误差；

信息处理机(4)用于实时检测电极(5)和圆柱金属体外壳之间形成的电容，根据电容实时计算和显示圆柱金属体在装卡套筒(1)内的位置；

卡紧机构(3)用于使位于装卡套筒(1)内的圆柱金属体沿着装卡套筒(1)的径向方向移动。

2.根据权利要求1所述的定位测量装置，其特征在于：所述卡紧机构(3)包括螺杆(31)、限位块(32)、滑块(33)，螺杆(31)穿过装卡套筒(1)并与装卡套筒(1)螺纹连接，限位块(32)嵌设于装卡套筒(1)内壁，螺杆(31)与限位块(32)转动连接，限位块(32)背离螺杆(31)的末端为曲面，滑块(33)连接于限位块(32)之间，滑块(33)与限位块(32)滑动连接，滑块(33)用于对限位块(32)限位使限位块(32)不转动。

3.根据权利要求1所述的定位测量装置，其特征在于：所述装卡套筒(1)设置两组卡紧机构(3)，两组卡紧机构(3)沿着装卡套筒(1)的轴线方向分布，每组包括四个卡紧机构(3)，四个卡紧机构(3)在装卡套筒(1)周向上均匀分布。

4.根据权利要求1所述的定位测量装置，其特征在于：所述装卡套筒(1)设置两组电极(5)，两组电极(5)沿着装卡套筒(1)的轴线方向分布，每组包括三个电极(5)，三个电极(5)在装卡套筒(1)周向上均匀分布。

5.根据权利要求1-4任一所述的定位测量装置，其特征在于：所述标准检具(2)包括基准部(21)和插入部(22)，插入部(22)同轴固定连接于基准部(21)，装卡套筒(1)端部开设有与基准部(21)相适配的卡槽，基准部(21)与装卡套筒(1)同轴，插入部(22)内部中空，插入部(22)外周向面设置有镂空(23)。

6.根据权利要求5所述的定位测量装置，其特征在于：随着所述标准检具(2)的转动，电极(5)与镂空(23)位置之间存在以下两种状态：电极(5)部分对准镂空(23)位置、或电极(5)者电极(5)部分完全对准非镂空(23)位置。

7.根据权利要求6所述的定位测量装置，其特征在于：所述标准检具(2)刻有第一刻线和第二刻线，装卡套筒(1)设置有标识，第一刻线与标识对应，电极(5)一半对准镂空(23)；当第二刻线与标识对应，电极(5)不对准镂空(23)。

8.根据权利要求5所述的定位测量装置，其特征在于：垂直于所述装卡套筒(1)轴线方向、且过每组电极(5)得到一个截面，一个截面上的三个电容值分别为C_i，i＝1,2,或3，该截面上装卡套筒(1)为圆心为O的圆，C_i为装卡套筒(1)形成的圆上圆周均布相差120°相位的三个半径线段上的点，三个半径线段分别为OA、OB、OC，T_iC_i线段长度为：

式中，

C₀为电极不与标准检具(2)的镂空对应时，一个截面上三个电容中的最大值。

9.根据权利要求8所述的定位测量装置，其特征在于：所述电极(5)的面积误差的补偿为：

C_ci为电极不与标准检具(2)的镂空对应时所形成的电容。

10.根据权利要求8所述的定位测量装置，其特征在于：所述电极(5)的周向角度误差：电极(5)的部分面积与镂空对应时，形成的电容为C_Ai，i＝1,2,或3，在重合角度为10°至20°的区间内，以OC₁为基础零轴，另外两个电极相对120°和240°轴的夹角分别为：

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