CN1263998C - 三维高精度多功能热变形实验装置 - Google Patents

Abstract

三维高精度多功能热变形实验装置，由测、控温系统、支持与调整系统、微变形测量系统和瞄准定位系统组成，其特征是设置恒温恒湿箱及测温电路，在恒温恒湿箱中设置二维工作台，在微变形测量系统中采用双频激光干涉仪，瞄准定位系统中的测杆一端与电感测头固定，另一端贯穿恒温恒湿箱侧壁通过测杆座与X向工作台固联。本发明可用于复杂几何形体的机械零件热变形的测量和材料膨胀系数的测定。

Description

三维高精度多功能热变形实验装置

技术领域：

本发明涉及机械光电式精密测试技术，特别是一种用于进行精密机械零件热变形测量、研究机械零件热变形理论的测量装置。

背景技术：

人们很早就注意到热误差对机械精度、测量精度的影响，并且从各个角度进行了大量的研究。根据特定研究目的提出的测量方法，以及设计的测量装置不下几十种。目前，主要的测量方法有：顶杆法、光杠杆法、光干涉法等，典型的测量仪器有干涉仪、光杠杆仪、旋转镜仪、张丝目镜显微镜等。但现有的这些测量仪器大都仅适用于测量小尺寸、特定的细杆类形体，一般只能测定与国家标准中材料线膨胀系数测定规程中的标准试样的相类似的形体，即试样长度在50mm～120mm之间、直径约在3mm～5mm之间的细长形体。

用它们直接来测量机械零件的热变形存在以下几个方面的问题：现有热膨胀测量装置限制了被测对象的形状与尺寸大小；测量的方向单一，调节调整困难；测量的温度范围过宽，不能实现高精度；很少有两维，国内尚无能实现三维测量的专用实验装置，普遍不适于直接对机械零件的热膨胀进行测量，尤其不适于对复杂几何形体的机械零件进行测量。

发明内容：

本发明是为避免上述已有技术存在的不足之处，提供一种三维高精度多功能热变形实验装置，用于测量复杂形体的机械零件的热变形。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

本发明装置由测、控温系统、支持与调整系统、微变形测量系统和瞄准定位系统组成。

a、在所述测、控温系统中设置恒温恒湿箱及测温电路；

b、在所述微变形测量系统中采用双频激光干涉仪，其分光镜固定在微动工作台底板上，靶镜固定在X向工作台上，所述X向工作台以滚动导轨副导向，并以千分螺纹副为驱动；

c、所述瞄准定位系统由电感测微仪、测杆座、测杆和电感测头组成，测杆一端与电感测头固定，另一端贯穿恒温恒湿箱的侧壁，并通过测杆座与X向工作台固联；

本发明的结构特点是：

d、所述支持与调整系统为设置在恒温恒湿箱中二维工作台，所述二维工作台由固定底板、中间层Z向调整台和顶层Y向调整台构成，其中，所述固定底板由独立于恒温恒湿箱的支承杆支承；

本发明是一种光电机械式测量装置。以测、控温系统给被测试样提供稳定的温度场，并准确测出被测件温度；支持与调整系统用于支承被测试样，并带动试样在温度箱内实现二维运动；微变形与测量系统用于测量受温前后试样的形体尺寸；瞄准定位系统则是为微变形运动系统提供准确定位，是测量系统中的第三维。测量时，将试样置于恒温恒湿箱内，由瞄准与定位系统带动微变形系统将被测量传出恒温箱并由测量系统测出。在实现不同的测量功能时，测量系统的瞄准定位系统和长度测量系统必要时可以进行功能互换。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本装置不但可以测量材料的膨胀系数，还可以测量复杂形体的机械零件的热变形。由于本装置实现了三维测量的功能，并且恒温箱内的有效空间较大，三个维度方向的调整调节方便，因此相对于已有的测量装置，这套装置的测量范围，无论是测量对象的几何尺寸大小，还是形体结构的复杂程度，都远超过现有装置。

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明处在恒湿恒湿箱内的工作台俯视结构示意图。

图3为本发明用于X方向微变形测量的测头装夹方式示意图。

图4、图5为本发明测头另外两种装夹方式示意图。

图中标号：1双频激光干涉仪、2微动装置、3分光镜、4微动工作台底板、5为X向工作台、6靶镜、7测杆座、8为X向滚动导轨副、9测杆、10电感测微仪、11为Y向调整手轮、12恒温恒湿箱、13伞齿轮副、14试件、15电感测头、16铂电阻温度传感器、17为Y向调整台、18为Y向导轨副、19为Z向调整台、20为Z向导轨副、21为Z向调整螺纹副、22为Z向调整手轮、23固定底板、24支承杆。

具体实施方式：

参见图1，本实施例由测、控温系统、支持与调整系统、微变形测量系统和瞄准定位系统组成。

参见图2、图3，具体实施中，测、控温系统由EL-04AGT型恒温恒湿箱12和高精度铂电阻温度传感器16组成。恒温恒湿箱12是智能化的设备，可以进行编程控制，其控温范围是-40℃～+150℃，有效内尺寸为600×850×800mm，测温精度为±0.2℃，控温精度为±0.5℃。为了保证测量精度，选用A级工业测温铂电阻温度传感器16，该传感器的直径只有1.5mm、长度约为5mm，体积很小，热容量小，可迅速响应环境温度的变化。在测量电路中，用四线制的测温电路配合7151型数字多用表组成一套高精度的测温系统。为了充分利用铂电阻温度传感器16测温的稳定性好的优点，进一步提高测温精度，我们对每个铂电阻都进行了电阻--温度曲线拟合。整个装置测温精确快速、控温方便可靠。

支持与调整系统：

工作台由底部固定底板23、中间层Z向调整台19和顶层Y向调整台17构成，其中，固定底板23由独立于恒温恒湿箱12的支承杆24支承，Z向调整台19通过Z向导轨副20支承在固定底板23上，并设置Z向调整螺纹副21和Z向调整手轮22；Y向调整台17通过Y向导轨副18由Z向调整台19支撑，并设置以伞齿轮副13为传动构件的Y向调整手轮11。

恒温恒湿箱12内的工作台是本装置实现多功能三维测量的关键部分，主要是用于支持和调整被测试件14，兼有部分辅助测量的功能。因该工作台处于恒温恒湿箱12的内部，需经受温度的变化，为了减小温度对工作台的影响及减小工作台的热容量，我们在保证支承系统的稳定性的前提下尽量采用了对称与薄壁的设计。工作台的运动分别由Y向调整手轮11和Z向调整手轮22驱动。具体实施中，如图1、图2所示，Y向平行安装了两副高精度滚动式Y向导轨副18，Z向安装了三副导轨副，包括左侧两副和右侧一副。在驱动系统和高精度滚动导轨副的共同作用下，可以实现工作台沿Y向、Z向的运动平稳、灵活，运动的导向精度高。另外，工作台独立的支承体系，使得在测量过程中，温度箱的振动不会影响到工作台，从而保证测量的高精度。

关于微变形测量系统

本装置中微变形系统也十分重要，它直接驱动微变形测量系统，因此它的运动误差将直接影响到测量系统的测量精度。本装置的微变形运动系统的最大行程为250mm，采用高精度密封滚动导轨副导向，微动由千分螺纹副驱动，并自带锁紧装置，因此既可以实现大范围快速移动，又可以实现小范围微动，便于测量点的快速、准确定位。

用双频激光干涉仪1测量微变形，双频激光干涉仪1的分光镜3固定在微动工作台底板4上，靶镜6直接固定在X向工作台5上，这样，当微动装置2中的X向滚动导轨副8运动时，靶镜6与分光镜3的距离随之改变，双频激光干涉仪1就可以测出工作台的运动距离。

考虑到双频激光干涉仪1的精度会受到环境条件的影响，为了进一步提高测量精度，必须对测量环境的某些参数(主要是温度、湿度和大气压)进行监测，从而利用误差修正软件对测量结果进行修正。实验中我们选择了分辨率为0.1℃的水银温度计与示值为相对湿度、分辨率为2％的干湿球湿度计；而大气压的监测工具采用了气象台站用来测量大气压的高精度游标式DYMI型动槽水银气压表，该表的分辨率可达0.1Pa。

关于瞄准定位系统：

由电感测微仪10、测杆座7、测杆9、旁向电感测头15组成。

由于被测试件14处于变化的温度场中，而精密的长度测量系统不能在变化的温度场中工作，为了避免恒温恒湿箱12的温度变化对测量系统及微变形系统的影响，我们设计了一套定位装置使双频激光干涉仪1在恒温恒湿箱12的外部就可以测得恒温恒湿箱12内不同温度下试件14的长度。

测杆座7将测杆9与X向工作台5固定在一起，恒温恒湿箱12的左壁预留有一孔，可以使测杆9无摩擦地通过，测杆9上开有一小槽，可以放置电感测头15的信号线，用于传输电感测头15的测量信号。

图3所示，针对X方向的长度测量，使用两只DGC-6PG/A旁向电感测头15来确定在同一温度场下被测点的准确位置，发出两被测点的零位信号，被测点之间的距离的经过测杆9传出并由恒湿恒湿箱12外部的双频激光干涉仪1测出。

微变形运动系统位移量的大小由微变形测量系统精确测量，它们处于恒温恒温箱外部，只受环境温度的影响；这样，置于恒温箱内的旁向电感头只起到定位的作用而并非测量，所以温度对传感器性能的影响对测量精度的影响极小。

由于本装置功能多样，结构复杂，在使用的过程中应该注意到以下这些问题以保证测量的高精度。

(1)专用夹具和测头装夹

作为X向受温变形测量系统，其电感测头采用旁向电感测头(如图3所示)。其它测量功能的实现，例如测量直线度、平面度受温后的变化情况，应将旁向电感测头换为轴向电感测头，并改变电感测头的装夹方法。图4和图5所示的电感测头15不同的装夹方式可分别用于测量试件14不同平面上的平面度受温变化情况。测量过程中，电感测头变成了测量元件，而原先的测量元件——激光干涉仪变成了整个装置中的定位系统。这种情况下，由于测量传感器置于变化的温度场内，所以测量精度不如测量X向受温变形时高。如果在内工作台上安装一个回转工作台，本装置就可以实现多维测量。

使用辅助测量装置，例如专用夹具，会带来新的误差源，最常见的是由于测头的测量线和被测对象不再同一直线上而引起阿贝误差。根据阿贝误差的计算方法，测量附件引起的阿贝误差为：

δ_a＝S×sinθa

其中，s为运动线和测量线之间的距离；θa为测头在测量点处导轨的运动误差。θa是由X向导轨的运动误差引起的，但对热变形量测量结果产生影响的只是导轨的运动重复性。

(2)测量中应该考虑的其它因素

由于本装置的部分测量系统和被测量同时处于变化的温度场中，因此测量系统随温度变化引起的不确定度分量会影响测量结果。

电感测头随着温度的变化会有两个方面的变化：零点漂移和非线性，这两者对不同的测量方法的影响不同。当电感测头作为瞄准元件使用时，只有零点漂移对测量结果有影响；当电感测头是测量元件时，零漂和非线性都有明显的影响。可以在测量前对电感测头的零漂和非线性进行了测量和标定。

当使用两个旁向电感测头双向瞄准时，装夹测头的夹具会随着温度变化发生受温变形，引起电感测头的相对位置的变化，对于这个系统误差，采用在0～50℃区间膨胀系数温变性很小的标准石英棒比对标定后，在测量结果中将其剔除。

测杆在测量过程中的变形主要有沿Z方向力变形，和沿X方向的温度变形。前者在测量X方向的热变形时可以忽略，后者在测量Z方向的热变形时可以忽略。因为温度变形的迟滞性，单次测量时可以忽略。

内工作台随着温度的变化会发生转动、倾斜和升降，引起被测试件和瞄准定位系统之间相对位置的变化，因此测量时要尽量将试样放置在靠近工作台绝对中心的位置，并且在测量回转体的热变形时每次测量都要重新调整Y向工作台，寻找拐点并进行瞄准，以消除其影响。

以测量圆环内径(图2所示)为例来说明本实验装置的工作过程。

当试件的温度稳定后，向左移动X向工作台、测杆、测头，当左测头接近试样后，锁紧X向工作台，旋动微动螺纹，使测头接触试样并使电感测微仪指针接近零值；然后旋动Y向调整手轮，使工作台及试样沿Y方向慢慢移动，当电感测微仪指针的摆动出现最大值时，电感测头处于圆环的最大直径处，此时调整微动装置时电感测微仪示值为零，然后将双频激光干涉仪的示值清零；松开锁紧机构，向右移动X向工作台、测杆、测头，在右测头接近圆环的另一壁后，再锁紧X向导轨，改用微动调整，直至电感测头的示值完全为零，此时双频激光干涉仪测量系统的示值就是测得值，将该值和测头系统用标准石英棒标定的该温度下的长度相加即是所需要的被测量值。

当然，如果测量内径不均匀的圆环，或是锥孔，则可以在Z轴方向上取多个测量面进行测量，测量过程完全一样，只是在测量不同高度的被测面之前要通过Z向调整手轮调整试件和Z向工作台的高度选择被测面。

由于本装置可以测量各种几何形体的机械零件的热变形，对于不同形状的被测对象，测量方法会有所差异，各误差源对测量结果影响也不同，测量时必须针对具体的测量对象进行分析计算。考虑到测、控温系统、支承与调整系统、微变形与测量系统、瞄准定位系统、测头金属球的热变形、旁向电感头的零漂、测头夹具的变形修正后残余误差、机械震动、实验人员走动等误差因素的综合影响，测量内径为80mm的钢质圆环，取线膨胀系数为λ＝11.6×10^-6/℃，则合成标准测量不确定度为：U＝0.28um。

Claims (3)

1、三维高精度多功能热变形实验装置，由测、控温系统、支持与调整系统、微变形测量系统和瞄准定位系统组成，

a、在所述测、控温系统中设置恒温恒湿箱(12)及测温电路；

b、在所述微变形测量系统中采用双频激光干涉仪(1)，其分光镜(3)固定在微动工作台底板(4)上，靶镜(6)固定在X向工作台(5)上，所述X向工作台(5)以X向滚动导轨副(8)导向，并以千分螺纹副为驱动；

c、所述瞄准定位系统由电感测微仪(10)、测杆座(7)、测杆(9)和电感测头(15)组成，测杆(9)一端与电感测头(15)固定，另一端贯穿恒温恒湿箱(12)的侧壁，并通过测杆座(7)与X向工作台(5)固联；

其特征是：

d、所述支持与调整系统为设置在恒温恒湿箱(12)中二维工作台，所述二维工作台由固定底板(23)、中间层Z向调整台(19)和顶层Y向调整台(17)构成，其中，所述固定底板(23)由独立于恒温恒湿箱(12)的支承杆(24)支承。

2、根据权利要求1所述的三维高精度多功能热变形实验装置，其特征是在所述测温电路中采用铂电阻温度传感器(16)。

3、根据权利要求1所述的三维高精度多功能热变形实验装置，其特征是所述二维工作台中的Z向调整台(19)通过Z向导轨副(20)支承在固定底板(23)上，并设置Z向调整螺纹副(21)和Z向调整手轮(22)；所述Y向调整台(17)通过Y向导轨副(18)由Z向调整台(19)支撑，并设置以伞齿轮副(13)为传动构件的Y向调整手轮(11)。

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