CN1376896A - 曲面测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种借用容栅技术可测量任意几何形状的曲面测量仪,属于现代仪器仪表测量领域。它由主机测量装置及数据存储和传输系统组成,主机中的中测杆套(10)装在固定架(9)的中间部位,左右测杆套装在固定架(9)的左右两侧,并与左右测杆轴滑动配合,中测杆(11)和左右测杆(5)装在对应的测杆套中,中测脚(2)和左右测脚(1)装在对应的测杆套中,测量装置中的容栅测量表(7)装在中测杆套(10)的顶端,其上的HOLD、同步脉冲和串行数据输出联至数据存储与传输系统对应的部位,三个测杆上装有调距机构。该测量仪能够固定在专用场所测量大型覆盖件和模具的曲面几何形状,也能携带至待测场所测量中小型覆盖件和模具的几何形状;本发明具有结构简单,测量精度高等特点。

Description

曲面测量仪

技术领域：本发明涉及一种任意几何形状曲面的曲率或曲率半径测量仪器，属于现代仪器仪表测量领域。

背景技术：20世纪50年代问世的三坐标测量仪经过半个多世纪的发展，已基本上能满足复杂曲面几何形状测量的要求，但是它的体积大、固定安装、造价高，而且对工作环境和操作人员有较高的要求，因此，设计一种造价低，既可固定安装测量大型曲面，也可携带测量中小型曲面几何形状的测量仪的问题，亟待解决，“便携式凸凹曲面测量仪”(ZL00268297.4)，虽然基本上解决了上述的问题，但是对仪器构件加工精度的要求偏高，测量方法和数据记录手段尚不够先进，这就要求在已有发明的基础上作进一步的改进。

技术内容：本发明所要解决的技术问题：是提供一种结构简单、易加工、造价低、便于操作，既可固定在专用场所测量大型曲面，也可携带到现场测量小型曲面，而且操作简便、数据记录和处理方法先进的曲面测量仪。

本发明的原理，结合附图1(初始位置)、图2(凸面)和图3(凹面)，有如下关系：

ρ²＝R²+(ρ-H)²                    (1) $\mathrm{\ρ}=\frac{R^2+H^2}{2H}---\left(2\right)$

r²＝l₀ ²-h²                         (3)由图1、图2和图3可知：

R＝r₀+r                               (4)

h＝l₀-Δh                             (5) $r=\sqrt{{l_0}^2-h^2}---\left(6\right)$ 把(5)式代入(6)式，然后把结果代入(4)式，得： $R=r_0+\sqrt{2l_0\mathrm{\Δh}-\mathrm{\Δ}{h}^2}---\left(7\right)$ 把(7)式代入(2)式，得： $\mathrm{\ρ}=\frac{H^2+r_0-\mathrm{\Δ}{h}^2+2l_0\mathrm{\Δh}+2r_0\sqrt{2l_0\mathrm{\Δh}-\mathrm{\Δ}{h}^2}}{2H}---\left(8\right)$

由(8)式可见因为r₀和l₀已知，所以只要测得Δh和H，便可求得曲率半径ρ，根据曲面上任意一点均由两条曲线正交而成，曲线上任意点的邻域中几何形状均可用该点的曲率半径或曲率表示的原理，便可测得任意曲面的几何形状。

本发明的曲面测量仪是由主机测量装置及数据存储和传输系统组成，主机中的中测杆套(10)装在固定架(9)的中间部位，左右测杆套装在固定架(9)的左右两侧，并与左右测杆轴滑动配合，中测杆(11)和左右侧测杆(5)装在对应的测杆套中，中测脚(2)和左右测脚(1)装在对应的测杆套中，测量装置中的容栅测量表(7)装在中测杆套(10)的顶端，其上的HOLD、同步脉冲和串行数据输出联至数据存储与传输系统对应的部位，三个测杆上装有调距机构。

调距机构采用调距螺杆螺母，调距螺杆(12)由横向装入左、中、右测杆，并装上调距螺杆螺母(4)，它与左右测杆(5)上的凹槽滑动配合，且可沿左右测杆(5)的轴向上下移动。

数据存储与传输系统由两部分组成，一部分通过JP1与容栅传感器输出口连在一起，把输出的HOLD按键信号、同步脉冲、串行数据、地电平信号接入处理电路，通过低功耗电平比较器对这些信号进行整形与电平转换，使其成为与TTL兼容的电平信号，然后由单片机将其读入，并进行串并转换后存入存储器，另一部分是利用TTL-RS232电平转换芯片实现与计算机串口的通讯连接，计算机串口的电平是符合RS232的电平，而单片机的串行接口的电平是TTL的电平，用芯片在两种电平之间进行转换可将数据输入计算机中进行处理。

本发明的有益效果是：

1、仪器结构简单，易于加工制造，投资小，周转快和市场用量大。

2、既可携带至待测场所对中小型零件的曲面几何形状进行测量，也可安装在固定场所对大型零件的曲面几何形状进行测量。

3、测量精度高，操作简便，对操作人员无很高的技术要求，而且无公害和环境污染。

附图说明：

图1、图2和图3是本发明主机的结构原理和测量原理图，其中：图1是测量的初始位置，图2是测量凸面，图3是测量凹面；

图4是本发明曲面测量仪的正视图；

图5是图4的侧视图；

图6是图4的A-A剖面图；

图7是测量系统的结构图；

图8是数据存储与传输系统的电路图。

图9是数据测量和数据存储的框图。

其中：1.左右测脚  2.中测脚  3.调距螺杆的旋动螺母  4.调距螺杆螺母  5.左右测杆6.侧测杆轴  7.容栅测量表  8.计算机接口  9.固定架  10.中测杆套  11.中测杆  12.调距螺杆  13.固紧螺钉  14.4HEADER JP1容栅传感器数据输出接口  15.低功耗电压比较器16.单片机复位按钮  17.HIN232P串行接口芯片  18.计算机串口  19.X25045P存储器  20.存储器清零按钮  21.AT89C4051单片机  22.MC1403P1计算机接口8的基准电压源。

具体实施方式：

下面结合附图所示实施例进一步说明本发明具体内容及其使用方法。

参阅图4-6：主机中的中测杆套(10)从固定架(9)的下方插入，用固紧螺钉(13)将其紧固在固定架上，再把中测杆(11)插入中测杆套(10)；把左右测杆(5)插装在固定架(9)的左右两侧，再把测杆轴(6)插入，并旋紧在固定架(9)上，再将左右测脚(1)和中测脚(2)旋紧在对应的测杆中；把调距螺杆(12)由横向装入左、中、右测杆，并装上调距螺杆螺母(4)，螺母(4)与左右侧测杆(5)的凹槽为滑动配合，且可沿侧测杆的轴向上下移动，于是当调距螺杆旋转带动螺母(4)左右移动时，左右测杆(5)也可不受约束地张开或闭合；把容栅测量表(7)从固定架(9)的上方装入，最后把容栅测量表的输出导线接至计算机接口(8)。

容栅测量表(7)的测量系统参阅图7：本发明的测量装置为容栅测量表(7)，它是由时钟、分频器、八路电极驱动、信号放大、信号处理、控制逻辑、数据处理、显示驱动、倍压器组成。

当容栅传感器的信号输入后，时钟电路用于产生频率稳定的脉冲信号，这个信号经过分频器分频整形后形成稳定规整的时钟信号，它便协调控制整个电路的工作时序；八路驱动用于给容栅传感器的发射电极提供幅值一定、频率一定并且相邻电极间相位差为45度的方波激励电压，再由容栅传感器根据位移输出调相的电压信号，该电压信号经过信号放大和处理电路处理后转换成数字量，该数字量再进一步交给数据处理器进行换算处理，处理结果一方面传输给显示驱动模块并由其驱动液晶显示器在液晶显示器上显示出来，另一方面交由控制逻辑电路以一定的串行格式由串行输出口输出。

数据存储与传输系统参阅图8：主要由两部分组成，一部分是通过4HEADER JP1(14)与容栅传感器的输出接口连在一起，把由图7中的容栅传感器上输出的HOLD按键信号、同步脉冲、串行数据、地电平信号接入处理电路，通过低功耗电压比较器(15)(TLV3401)对这些信号进行整形与电平转换，将信号转变为与TTL电平兼容的信号，然后由单片机AT89C4051(21)将数据读入，并进行串并转换后写入X25045P存储器(19)存储起来；第二部分是利用TTL-RS232电平转换芯片即HIN232P串行接口芯片(17)实现与计算机串口的通讯连接，计算机的串行接口的电平是符合RS232规范的电平，而单片机的串行接口的电平是TTL电平，因此使用HIN232P芯片在这两种电平之间进行转换，可以将数据输入计算机中。

本发明的测量方法是：

用本发明的可测量任意几何形状的曲面测量仪，既可测量凸型曲面的曲率半径或曲率，也可测量凹型曲面的曲率半径或曲率，在测量前先使三个测脚处于相互平行位置，然后置于平面玻璃板上，在测量表上便显示了初始位置l₀；在测量时将两个左右测脚(1)张开至待测件所需的测量宽度后再将其置于平面玻璃板上，在测量表头上便显示了h，l₀-h＝Δh(参阅图1)；当测量凸型曲面时将测量仪置于待测件对应的位置，在测量表上就显示了相应的H(参阅图2)；当测量凹型曲面时把测量仪置于待测的对应位置，在测量表头便显示了对应的H(参阅图3)；把所测得的H和Δh代入公式(8)中即可求得曲率半径ρ，曲率半径的倒数1/ρ即为曲率。

测量表可以是千分表，也可以是容栅测量表，把所测得的H和Δh代入公式(8)可以求得曲率半径ρ，也可以按公式(8)编制一个计算程序存入计算机，于是只要把H和Δh的数值输入即可显示出ρ或1/ρ，还可以通过本发明的说明书中所陈述的容栅测量表测量系统和数据存储与传输系统，将数据输入计算机，再通过计算机处理给出待测曲面的整体几何形状。

主机的整体结构和尺寸，可根据待测件的大小按系列划分。

1、把千分表或容栅测量表由固定架的上方装入，便可如测量方法所述测得Δh和H，将其代入公式(8)，即可求得所测点邻域的曲率半径ρ或曲率1/ρ。

2、由容栅传感器的HOLD按键、同步时钟和串行输出口设置引出线，并将它们与数据存储和传输系统电路图中的对应部位联接，通过数据的采集和储存并输入计算机中，处理之后便可求得待测件曲面上各点的几何信息和整体形状，数据存储与传输系统中的器件型号和元件数值均在数据存储与传输系统的电路图中标出。

Claims (3)

1、曲面测量仪是由主机测量装置及数据存储和传输系统组成，其特征是：主机中的中测杆套(10)装在固定架(9)的中间部位，左右测杆套装在固定架(9)的左右两侧，并与左右测杆轴滑动配合，中测杆(11)和左右测杆(5)装在对应的测杆套中，中测脚(2)和左右测脚(1)装在对应的测杆套中，测量装置中的容栅测量表(7)装在中测杆套(10)的顶端，其上的HOLD、同步脉冲和串行数据输出联至数据存储与传输系统对应的部位，三个测杆上装有调距机构。

2、根据权利要求1所述的曲面测量仪，其特征是：所说的调距机构采用调距螺杆螺母，调距螺杆(12)由横向装入左、中、右测杆，并装上调距螺杆螺母(4)，它与左右测杆(5)上的凹槽滑动配合，且可沿左右测杆(5)的轴向上下移动。

3、根据权利要求1或2所述的曲面测量仪，其特征是：数据存储与传输系统由两部分组成，一部分通过JP1与容栅传感器输出口连在一起，把输出的HOLD按键信号、同步脉冲、串行数据、地电平信号接入处理电路，通过低功耗电平比较器对这些信号进行整形与电平转换，使其成为与TTL兼容的电平信号，然后由单片机将其读入，并进行串并转换后存入存储器，另一部分是利用TTL-RS232电平转换芯片实现与计算机串口的通讯连接，计算机串口的电平是符合RS232的电平，而单片机的串行接口的电平是TTL的电平，用芯片在两种电平之间进行转换可将数据输入计算机中进行处理。

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