CN1693842A - 纸杯测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于测量纸杯几何尺寸及公差的非接触式测量仪器。目前接触式测量易变形、不准确且效率低。其特征在于：包括几何对中瞄准和伺服驱动单元、位置检测和信号采集处理单元，前者包括实现X、Y方向大范围运动的X－Y工作台装置、旋转工作台装置、实现X、Y方向微调整的X－Y弹性微动工作台装置、实现Z轴方向升降Z向升降工作台装置A和两个实现Z轴及水平方向调整的Z向升降工作台装置B；后者包括一个第一激光位敏传感器、两个第二激光位敏传感器、两个透射光栅尺，及测量和反馈高度信号处理电路和步进电机伺服驱动信号处理电路组成的闭环控制电路、直径信号处理电路、光栅信号处理电路。精度高、效率高，实现测量过程和数据处理的自动化。

Description

纸杯测量仪

技术领域

本发明纸杯测量仪主要涉及一种用于测量纸杯几何尺寸及公差的非接触式测量仪器。

背景技术

当今旅游业的发展极大地促进了纸杯、纸碗等纸制品的需求，纸制品的市场需求刺激了纸制品制造业的发展，大量涌现在市场上的纸制品如纸杯、纸碗等质量参差不齐，导致产品质量低下并时有危害消费者合法权益的事情发生，加强纸杯、纸碗等纸制品的质量检测已成为当务之急。纸制品的质量检测主要为直径、高度、锥度等几何尺寸的检测，目前纸杯、纸碗等纸制品的测量大多采用游标卡尺、高度尺等直接或间接方法进行接触式测量，而接触测量方式容易引起纸制品变形、测量结果不准确且效率低下，尤其是无法实现测量过程及数据处理的自动化，已远远不能适应现代经济和技术发展的需求。

发明内容

本发明纸杯测量仪结构上优化设计采用模块化结构，以测量精度高、非接触式测量、数据采集和处理自动化为设计指导原则，目的是提供一种高精度、快速和自动化程度高的纸杯测量仪，它克服了以上所述的缺陷，在对纸杯、纸碗等纸制品进行测量过程中具有测量精度高、效率高、劳动强度低、测量结果不受测量人员本身经验的影响，能够实现测量过程和数据处理的自动化、智能化以及测量结果的显示和数据整理，易于普及，适应市场需求。

本发明提供的纸杯测量仪，其特征在于：包括几何对中瞄准和伺服驱动单元、位置检测和信号采集处理单元，几何对中瞄准和伺服驱动单元包括能够实现X、Y方向大范围运动的X-Y工作台装置、能够实现绕Z轴方向转动的旋转工作台装置、能够实现在同一平面内进行X、Y方向微调整的X-Y弹性微动工作台装置、仅能实现Z轴方向升降调整用来测量纸杯高度尺寸的Z向升降工作台装置A和两个用来同时测定不同规格纸杯直径和锥度尺寸既能实现Z轴方向升降调整又能实现水平方向调整的Z向升降工作台装装置B。

所述位置检测和信号采集处理单元包括一个测量和反馈纸杯高度信号的第一激光位敏传感器99、两个测量纸杯直径信号的第二激光位敏传感器112、两个安装在升降工作台装置B上测定锥度尺寸时用来测量任意两平面之间距离的透射光栅尺132，还包括测量和反馈高度信号的激光位敏传感器信号处理电路和步进电机伺服驱动信号处理电路组成的闭环控制电路、测量直径信号的激光位敏传感器信号处理电路、光栅信号处理电路。

基座3是整台纸杯测量仪的安装平台，在基座3上面从下到上依次安装有X工作台5和Y向工作台6组成的X-Y工作台装置，旋转工作台装置放到Y向工作台上固定，X-Y弹性微动工作台又固定在旋转工作台装置的旋转工作面30上，三种装置结合使待测部件不仅能实现X、Y方向的大范围位置调整又能实现X、Y方向的微调，还能够实现绕Z轴方向的转动；基座3的Y方向中心对称线上两侧对称安装固定有两个Z向升降工作台装置B，Z向升降工作台装置A固定在X方向基座3的中心对称线上一侧，Z向升降工作台装置A和Z向升降工作台装置B分布在X-Y工作台装置的外围；第一激光位敏传感器99固定在Z向升降工作台装置A沿Z轴方向上下滑动的升降架81上，第二激光位敏传感器112安装在Z向升降工作台B的升降箱体110上，在两个Z向升降工作台装置B上安装有透射光栅尺132，步进电机57提供动力实现升降架81上下移动。

所述X-Y工作台装置主要包括基座3、X向工作台5、Y向工作台6、X向差动微调驱动机构1、Y向差动微调驱动机构2、轴承7、轴承8；基座3既是整台纸杯测量仪的基础底座，又是X向工作台5滚动导轨副的一部分，它的上表面加工有V型导轨凹槽；X向工作台5放在基座3的上面，其上下表面分别加工有V型导轨和V型导轨-平面导轨组合式导轨，轴承7夹在基座3和X向工作台5之间，X向工作台5和固定在基座3上的X向差动微调驱动机构1通过球形铰链22相联，调节X向差动微调驱动机构1实现X工作台5的直线运动；Y向工作台6放在X向工作台5的上面，其上表面加工有T型凹槽6005、下表面加工有V型导轨-平面导轨组合式导轨，轴承8夹在X向工作台5和Y向工作台6之间，Y向工作台6和固定在基座3上的Y向差动微调驱动机构2通过球形铰链接头22相联，调节Y向差动微调驱动机构2实现Y工作台6的直线运动。

上述X-Y工作台装置其特征为：X向差动微调驱动机构1和X向工作台5之间、Y向差动微调驱动机构2和Y向工作台6之间采用球形铰链22联结，所述的球形铰链22包括球头座2201、球头2202、球面调整压盖2203、螺栓2204，球头座2201嵌入到基座3上的凹槽2200内，球头2202紧贴球头座2201并保证它们之间球面接触，球头压盖2203压在球头2202上并留有调整间隙用螺栓2204固定，其结构保证X向工作台5和Y向工作台6反向运动间隙小、调整定位精度高；基座3的V型导轨、轴承7、X向工作台5的V型导轨-平面导轨组合式导轨组成球面滚动轴承-V型导轨副9和球面滚动轴承-平面导轨副10，X向工作台5的V型导轨、轴承8、Y向工作台6的V型导轨-平面导轨组合式导轨也组成球面滚动轴承-V型导轨副9和球面滚动轴承-平面导轨副10，这种结构调节灵敏、运动精度高、导轨变形小。

上述X-Y工作台装置针对纸杯、纸碗或其他有规则几何形状的柱状、锥状物品的几何量的测量而设计，它具有几何精度高；系统的静刚度好；工作台传动受系统重力、摩擦力或其他外力作用产生相应的受力变形较小；工作台的定位精度和重复定位精度较高等特点。

所述旋转工作台装置包括壳体23、轴承压盖24、轴承27、主动齿轮29、旋转工作面30、从动齿轮32、轴承33、从动齿轮轴35、推力轴承36、刻度尺41、驱动轴43、调整垫47，垂直于壳体23的底面中心有一个相对壳体23固定不动的从动齿轮轴35，从动齿轮轴35上装有一个从动齿轮32，在从动齿轮轴35和从动齿轮32之间有轴承33，从动齿轮32和壳体23之间有推力轴承36，在从动齿轮32的上面有一个调整垫47和旋转工作面30；壳体23内部一侧有一个转动的驱动轴43，驱动轴43的一端装有和从动齿轮32啮合的主动齿轮29，驱动轴43的另一端装有轴承27和一个微型制动机构。

上述旋转工作台装置其特征为：主动齿轮29和从动齿轮32为一对啮合的斜伞齿轮副，主动齿轮29绕垂直于Z轴方向轴线的转动转变为从动齿轮32绕Z轴方向的转动；从动齿轮32上加工有凹槽3201和3202；轴承33和推力轴承36装在从动齿轮轴35上分别卡在从动齿轮的凹槽3202、3201内，二者结合使轴承33、推力轴承36、从动齿轮32和从动齿轮轴35联结为刚性的整体，能保证主动齿轮29和从动齿轮32啮合受力时从动齿轮轴35不变形；内六角螺栓31联结旋转工作面30和从动齿轮32，间隙调整垫47夹在从动齿轮32和旋转工作面30之间可调整旋转工作面30的水平度；外端面加工有摩擦面的轴承压盖24和摩擦片2501、弹簧2502、手轮25、弹簧2503、螺母26组成上述的微型制动机构，摩擦片2501和手轮25上加工有凹槽，弹簧2502两端分别卡在摩擦片2501和手轮25的凹槽内，手轮25能够沿驱动轴43轴向滑动，调整时轻轻向外拉手轮25，弹簧2503压缩、2502拉伸，此时摩擦片2501和轴承压盖24脱开可进行调整操作，调整完毕松开手轮25在弹簧2503的作用下手轮25复位，摩擦片2501和轴承盖24贴合起到制动作用；刻度尺41的主尺4102固定在壳体23上、游标尺4101固定在旋转工作面30上，主尺4102和游标尺4101读数相结合显示旋转工作面30转动的角度。

所述X-Y弹性微动工作台装置包括差动微调机构48、壳体49、滑动体50、销51、弹簧5201、弹簧5202、球面转动销53、球面压盖54、驱动杆56，壳体49底部有一凸台、外部有4个长方体凸肩360°均布，壳体49底部凸台上部加工成平面导轨，滑动体50放在凸台上，四个长方体凸肩其中相邻90°的两个凸肩上固定有差动微调机构48、其余两个凸肩上固定有销51，差动微调机构48的驱动杆端部有球面转动销53，两个弹簧5201一端连着球面转动销53、另一端连着滑动体50，两个弹簧5202一端连着销51、另一端连着滑动体50；调整两个差动微调机构48，驱动杆56的旋转运动通过转动销53转化为弹簧5201的无扭转直线运动，调节两个差动微调机构48的不同进给数值，实现滑动体50在平面小范围内360°任意方向的精确定位。

上述X-Y弹性微动工作台装置其特征为：差动微调机构48的驱动杆56端部加工有螺纹凹槽5601，球面转动销53大头内侧端面为一球面结构，球面压盖54的销子穿过的通孔内侧为一球面结构，把球面转动销53的大头向下沉入到驱动杆56的螺纹凹槽5601内，球面压盖54拧入到螺纹凹槽5601内，球面转动销53伸出球面压盖54外面相互接触球面部分构成球面万向铰链；壳体49底部凸台上表面加工有滑动平面导轨，滑动体50的上表面加工有用于Z向升降工作台装置B水平调整寻找第二激光位敏传感器112的零参考面时插标准试板用的凹槽5066、下表面加工有滑动平面导轨；壳体49内部凸台上的滑动导轨和滑动体50的下表面的导轨组成滑动导轨副。

所述Z向升降工作台装置A包括步进电机57、弹性管联轴器59、中间支架58和驱动蜗杆轴60、轴承套66、轴承67、轴承64、第一立柱71、滚珠丝杠86、滚珠丝杠螺母82、蜗轮87、升降架81、蜗轮锁紧螺母88、立柱轴承座89、轴承74、轴承94，第一立柱71固定在基座3上X运动方向中心线上一侧，在第一立柱71的内部固定有导轨、中心轴线上有一个滚珠丝杠86，滚珠丝杠86上部固定有一个蜗轮87、中部装有一个随滚珠丝杠86运动而上下运动的滚珠丝杠螺母82，滚珠丝杠螺母82固定在升降架81上从而带动它沿导轨上下滑动，测量、反馈高度信号的第一激光位敏传感器99固定在升降架81上，蜗杆轴60轴线水平穿过第一立柱71的上部在第一立柱71的内部和蜗轮87啮合。

上述Z向升降工作台装置A的特征为：轴承套66和凹槽7103的径向配合为间隙配合，调整轴承套66相对凹槽7103的轴向和径向位置可调整蜗杆轴60和蜗轮87的啮合位置和啮合间隙；伺服电机57和蜗杆轴60传动联轴器为弹性管联轴器；第一立柱71上固定有能拆卸的燕尾型凹槽导轨7107和矩形凹槽导轨7108，升降架81的燕尾导轨85和燕尾型凹槽导轨7107、矩形导轨101和调整垫片80及矩形凹槽导轨7108构成燕尾-矩形组合式导轨，此种组合式导轨加工制造容易、调整间隙方便、导向精度较高、刚度好有一定抗倾覆能力；蜗轮87固定在滚珠丝杠86上在第一立柱71内部和蜗杆轴60啮合，蜗轮87、蜗杆轴60、滚珠丝杠86组合成为一个蜗轮蜗杆减速机构，使得升降装置A结构紧凑、传动链短、传动精度高并有自锁功能；蜗杆轴60和蜗轮87润滑方式为润滑脂润滑；升降架81上加工有一个凹槽8101，滚珠丝杠螺母82嵌入到凹槽8101内。

所述Z向升降工作台装置B包括滑动支座104、齿条108、升降箱体110、轴承116、轴承118、齿轮轴117、制动架119、制动棘轮副120、滑动套121、顶紧弹簧122、导向键123、制动轴124、第二立柱127，滑动支座104对称固定在基座3的Y运动方向中心轴线上两侧，第二立柱127的下方有双燕尾导轨，滑动支座104的上方有双燕尾槽导轨，第二立柱127沿导轨在滑动支座104上Y方向移动，第二立柱127的侧面有双燕尾导轨并固定有齿条108和透射光栅尺132的固定架，升降箱体110上加工有燕尾槽型导轨并固定有透射光栅尺132的滑动架，升降箱体110沿第二立柱127导轨上下移动，齿轮轴117的两端水平穿过升降箱体110并在升降箱体110内部和齿条108啮合，齿轮轴117的一端联结制动机构，升降箱体110上固定有测量直径信号的第二激光位敏传感器112，这样调整升降箱体110上下移动就能同时获得第二激光位敏传感器112测出的直径信号和透射光栅尺132测得的升降箱体110的高度调整信号。

上述Z向升降工作台装置B特征为：滑动支座104上固定有调整螺栓106、联结板105和紧固螺栓129组成的调整机构用来调整Z向升降工作台装置B的水平位置；齿条108用螺栓107固定在第二立柱127上，齿条加工制造容易、更换方便；齿条108和齿轮轴117为一对啮合的斜齿轮副；第二立柱127上的燕尾导轨1272卡到升降箱体110上燕尾凹槽导轨1101内，调整板130调整导轨1272和1101之间的装配间隙；制动机构的滑动套121和齿轮轴117的其中一端都带有棘轮齿，两者组成相互啮合的棘轮副120，压缩弹簧122装到空腔1171内和制动轴124一起控制滑动套121和齿轮轴117的啮合，滑动套121上有一个凹槽1211，导向键123一端卡在凹槽1211内另一端卡在导向槽1191的键槽内，调整开始松开制动手轮126，弹簧122使相互啮合的棘轮副120分开，滑动套121在弹簧力122的作用下沿导向槽1191轴向移动，此时可完成升降调整，调整到指定位置后旋紧制动手轮126，滑动套121克服弹簧122的弹力复位，棘轮副120重新啮合，导向键123卡在导向槽1191的键槽内防止滑动套121转动，升降箱体110被制动不会因重力作用而下滑和改变高度方向尺寸。

所述位置检测和信号采集处理单元主要包括测量和反馈高度信号的第一激光位敏传感器99、测量直径信号的激光位敏传感器112、测量Z向升降工作台装置B升降高度的投射光栅尺132、光栅信号处理电路、步进电机伺服驱动信号处理电路、激光位敏传感器信号处理电路；第一激光位敏传感器99、信号调理电路、模数转换器、单片机组成测量和反馈高度信号的激光位敏传感器信号处理电路，第一激光位敏传感器99采集到纸杯或其他待测件的高度信号经过信号调理和模数转换把高度信息传送到单片机进行数据处理；第二激光位敏传感器112、信号调理电路、模数转换器、单片机组成测量直径信号的激光位敏传感器信号处理电路，第二激光位敏传感器112采集到的纸杯或其他待测件的直径信号经过信号调理和模数转换把测得直径信息传送到单片机进行数据处理；单片机、数模转换器、集成化恒流斩波驱动器、步进电机57组成步进电机伺服驱动信号处理电路，单片机把收集到的纸杯或其他待测件的高度信号和指令信息进行综合数据处理发送步进电机驱动控制指令，步进电机驱动控制指令信号经过数模转换变成模拟信号驱动集成化恒流斩波驱动器进而控制步进电机57的转动，步进电机伺服驱动信号处理电路和测量和反馈高度信号的激光位敏传感器信号处理电路组成可用来自动扫描高度基准零位、自动扫描测量Z轴方向待测件高度尺寸的全闭环控制回路；透射光栅尺132、光电隔离电路、信号整形倍频鉴相细分电路、计数器、单片机组成光栅信号处理电路，透射光栅尺132把采集到的光信号经过光电隔离把光信号转换成电信号，电信号在经过信号整形倍频鉴相细分提高信号的分辨率，高分辨率的信号在经过计数器转化为数字信号传送到单片机，用来处理、显示锥度测量时所需的相邻两个测量面的直径和距离信号。

所述的纸杯测量仪，其特征在于X-Y工作台导轨型式为球面滚动轴承-V型导轨副和球面滚动轴承-平面导轨副，也可以选用滚柱轴承-平面导轨副和滚柱轴承-V型导轨副等其他结构形式。

所述的纸杯测量仪，其特征在于旋转工作台的主动齿轮29和从动齿轮32为一对啮合的斜伞齿轮副，其法向齿廓线可为渐开线、圆弧等型式，进一步的型式可用蜗杆、蜗轮啮合等结构来实现其功能。

所述的纸杯测量仪，其特征在于旋转工作台的轴承压盖24、摩擦片2501、弹簧2502和弹簧2503组合成的微型制动结构也可采用螺栓顶紧装置等其他径向力锁紧装置或轴向力锁紧装置。

所述的纸杯测量仪，其特征在于Z向升降工作台装置A的升降架81上的双燕尾导轨85和固定在第一立柱71上的燕尾槽导轨7107、矩形导轨副101和调整垫80及矩形凹槽导轨副7108组合成的燕尾-矩形组合式导轨，也可为双燕尾导轨、双圆柱形导轨等型式。

所述的纸杯测量仪，其特征在于Z向升降工作台装置A的伺服驱动电机57和蜗杆轴60之间用弹性管联轴器59相联，联轴器也可采用十字滑块联轴器、套筒联轴器、金属膜片联轴器、波纹管联轴器等精密弹性联轴器结构型式。

所述的纸杯测量仪，其特征在于Z向升降工作台装置B的滑动支座104和第二立柱127构成的双燕尾导轨副及Z向升降工作台装置B的第二立柱127和升降箱体110之间的双燕尾导轨副可以采用燕尾-矩形组合式导轨等结构型式。

所述的纸杯测量仪，其特征在于Z向升降工作台装置B的升降箱体110的制动采用由滑动套121和齿轮轴117上的棘轮等部件构成的棘轮副120，也可采用摩擦轮逆止结构、螺栓或螺旋顶紧机构等轴向力锁紧机构或径向力锁紧机构型式。

所述的纸杯测量仪，其特征在于位置检测传感器132为投射光栅尺，也可采用磁尺等位置检测元件。

采用了以上结构，纸杯测量仪可以方便、精确、快速的测量纸杯或纸碗的高度、锥度、上口和下底直径等几何参数。

附图说明

图1A为纸杯测量仪X-Y工作台装置局部剖视主视图

图1B为纸杯测量仪X-Y工作台装置局部剖视俯视图

图2为图1A和图1B的局部剖视放大图

图3为纸杯测量仪旋转工作台装置局部剖视主视图

图4为图3的局部剖视放大图。

图5为纸杯测量仪X-Y弹性微动工作台装置局部剖视主视图。

图6为纸杯测量仪X-Y弹性微动工作台装置局部剖视俯视图。

图7为图5的局部剖视放大图。

图8为纸杯测量仪Z向升降工作台装置A横面局部剖视图。

图9为图8纵向局部立柱导轨剖视图。

图10为图8纵向局部伺服驱动装置剖视图。

图11为纸杯测量仪Z向升降工作台装置B横面局部剖视图。

图12为图11纵向局部剖视图。

图13为纸杯测量仪装配主视图

图14为纸杯测量仪装配俯视图

图15为纸杯测量仪信号处理单元控制信号原理图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步详述。

本发明纸杯测量仪的技术方案包括几何对中瞄准和伺服驱动技术方案、位置检测和信号采集处理技术方案等两大部分，其中几何对中瞄准和伺服驱动技术方案由X-Y工作台装置技术方案、旋转工作台装置技术方案、X-Y弹性微动工作台装置技术方案和Z向升降工作台装置A、B技术方案组成。

所述X-Y工作台装置技术方案是：见图1A、图1B、图2、图13、图14所示，包括X向差动微调驱动机构1、Y向差动微调驱动机构2、机座3、水平调整螺钉4、X向工作台5、Y向工作台6、滚动轴承7、滚动轴承8、球面滚动轴承-V型导轨副9、球面滚动轴承-平面导轨副10、轴承限位螺钉13、轴承限位螺钉14、内六角螺栓15、内六角螺栓16、联结板17、联结板18、背母19、背母20、内六角螺栓21、球形铰链22等部件；基座3既是整台纸杯测量仪的基础底座，又是X向工作台5滑动导轨副的一部分，它的上表面加工有V型导轨凹槽；X向工作台5放在基座3的上面，其上下表面分别加工有V型导轨和V型导轨-平面导轨组合式导轨，轴承7夹在基座3和X向工作台5之间，轴承限位螺钉13限制轴承7的X方向直线移动量，X向工作台5和固定在基座3上的X向差动微调驱动机构1通过球形铰链22相联，调节X向差动微调驱动机构1实现X工作台5的直线运动；Y向工作台6放在X向工作台5的上面，其上表面加工有T型凹槽6005、下表面加工有V型导轨-平面导轨组合式导轨，轴承8夹在X向工作台5和Y向工作台6之间，轴承限位螺钉14限制轴承8的Y方向直线移动量，Y向工作台6和固定在基座3上的Y向差动微调驱动机构2通过球形铰链接头22相联，调节Y向差动微调驱动机构2实现Y工作台6的直线运动；球形铰链22装配时球头座2201嵌入到基座3上的凹槽2200内，球头2202紧贴球头座2201并保证它们之间球面接触，球头压盖2203压在球头2202上并留有调整间隙用螺栓2204固定，其结构保证X向工作台5和Y向工作台6反向运动间隙小、调整定位精度高。前述X-Y工作台装置具有几何精度高、系统的静刚度好、工作台传动受系统重力、摩擦力或其他外力作用产生相应的受力变形较小、工作台的定位精度和重复定位精度较高等特点。

所述旋转工作台装置技术方案：见图3、图4、图13、图14所示，包括壳体23、轴承压盖24、轴承27、主动齿轮29、旋转工作面30、从动齿轮32、轴承33、从动齿轮轴35、推力轴承36、刻度尺41、驱动轴43等部件；装配的步骤为：第一步首先把两个轴承27背靠背装在驱动轴43上用挡圈42使其固定不能发生轴向移动，装好上述组件的驱动轴43穿过通孔2301并使轴承嵌入到凹槽2302内，外侧驱动轴43穿过通孔2401先后装上摩擦片2501、弹簧2502、键44、手轮25、弹簧2503、背母26并让弹簧2502卡在摩擦片2501和手轮25的弹簧固定槽内，螺钉28穿过通孔2402把轴承压盖24固定紧，再把键39和主动齿轮29在壳体23的内部装在驱动轴43上并用弹簧垫40、背母37固定；第二步从动齿轮轴35装上键38后穿过通孔2303再装上推力轴承36的止推盘和滚珠及其保持架，轴承36的推力盘、两背靠背的轴承33分别卡到凹槽3201、3202内连同从动齿轮32一起装到从动齿轮轴35上，轴承压盖45压紧轴承33并用弹簧垫46和背母34紧固，此时应保证主动齿轮29和从动齿轮32啮合良好，必要时调整零部件配合尺寸；第三步把调整垫47、旋转工作面30放到从动齿轮32上再使螺栓31分别穿过通孔3021、4701拧入到螺纹通孔3203内固定，最后把刻度尺41的主尺4102、游标尺4101分别固定在壳体23上和旋转工作面板30上。装配完毕用手轻轻向外拉动驱动手轮25，此时摩擦片2501和轴承压盖24分开并能够轻松无卡阻的调整旋转工作面30的角度值。

所述X-Y弹性微动工作台的技术方案是：见图5、图6、图7、图13、图14，包括差动微调机构48、壳体49、滑动体50、销51、弹簧5201、弹簧5202、球面转动销53、球面压盖54、驱动杆56等部件；装配的步骤为：让差动微调机构48的固定端穿过通孔4901内并用背母55背紧，球面转动销53装入到凹槽5601内再装球面压盖54，弹簧5201联结球面转动销53和滑动体50；弹簧5202联结销51和联结滑动体50；调整两个驱动微调机构48，球面转动销53、球面压盖54、驱动杆56等部件构成的球形铰链传递直线位移给弹簧5201，达到使带有滑动面和凹槽5066的滑动体50能够在壳体49的滑动导轨面上小范围沿360°方向任意调整的目的。

所述X-Y弹性微动工作台装置、旋转工作台装置和X-Y工作台装置的组合装配技术方案，见图1A、图1B、图3、图4、图5、图6、图7、图13、图14：首先把T型螺栓6006卡入到T型凹槽6005内并穿过旋转工作台装置的螺栓孔2304后用冕型螺帽6007固定，再把X-Y弹性微动工作台装置放置到旋转工作台装置的旋转工作面30上，螺钉4903穿过通孔4902拧入到螺纹孔3003内固定联结X-Y弹性工作台装置。

所述Z向升降工作台装置A技术方案是：见图1A、图1B、图8、图9、图10、图13、图14，包括伺服驱动电机57、中间支架58、弹性管联轴器59、蜗杆轴60、轴承64、轴承67、轴承74、轴承94、第一立柱71、升降架81、滚珠丝杠螺母82、滚珠丝杠86、蜗轮87、立柱轴承座89、第一激光位敏传感器99等部件，其装配步骤为：第一步把燕尾型凹槽导轨7107和矩形凹槽导轨7108分别用螺栓固定在第一立柱71上，再把升降架81的燕尾型导轨85卡入到燕尾型凹槽7107内，把矩形导轨101和调整垫80卡入到矩形凹槽7108内，内六角螺栓79穿过通孔7801拧入到螺纹孔7109内把挡板78牢牢固定；第二步把键102装到滚珠丝杠轴上后把蜗轮87压装到轴8601部分并紧靠凸肩8602，蜗轮锁紧螺母88紧固蜗轮87，接着把滚珠丝杠86放入第一立柱71内并让其端部8603穿过空间7115，在穿过凹槽8101前把滚珠丝杠螺母82旋到滚珠丝杠86上并反复调整其位置直至光轴8603部分能够伸入到凹槽7116，滚珠丝杠86穿过通孔7601把轴承压盖76、轴承74、锁紧背母73先后装到滚珠丝杠86上，整体移动滚珠丝杠等部件调整合适位置并让螺栓75穿过通孔7602拧入到螺纹孔7110内紧固轴承压盖76，同时让螺栓84穿过通孔8201拧入到螺纹孔8102内使滚珠丝杠螺母82嵌入到凹槽8101内和升降架81固定联结为一体；第三步装配立柱轴承座89，让光轴8604部分穿过通孔8901后内六角螺栓95穿过通孔8903拧入到螺纹孔7111内把立柱轴承座89固定在第一立柱71上，然后再把轴承94装配到轴8604端并使其嵌入到凹槽8902内再用锁紧螺母92固定，最后内六角螺栓93穿过通孔9001拧入到螺纹孔8904内把轴承压盖90固定；第四步使蜗杆轴60穿过通孔7101和7102，在伺服驱动端把轴承64装上并卡到凹槽7105内，蜗杆轴60穿过通孔5801，中间支架58压紧轴承64让内六角螺栓63穿过通孔5802拧入到螺纹孔7106内固定，在另一侧蜗杆轴60穿过放到凹槽7103内的轴承套66的通孔6601后把轴承67装到蜗杆轴60上并嵌入到凹槽6602内，调整轴承套66的位置可以调整蜗杆轴60的位置使其和蜗轮87精确啮合，然后内六角螺栓70把轴承套66固定在第一立柱71上，同时锁紧背母72固定轴承67，最后把轴承压盖68装上，螺栓69压紧轴承压盖68拧入到螺纹孔7104内固定拧紧；第五步伺服驱动电机57穿过通孔5803卡到凹槽5804内，弹性管联轴器59的两端分别装到蜗杆轴60和伺服电机轴5702上并用紧定螺钉62固定，调整伺服驱动电机的位置使其和蜗杆轴60保持精确轴对中，最后用内六角螺栓61把它固定在中间支架58上；第六步把联结板97用螺栓98固定在升降架81上，再用螺钉100把第一激光位敏传感器99固定在联结板97上；第七步螺栓140拧入到螺纹孔3011把Z向升降工作台装置A固定在机座3上。

所述Z向升降工作台装置B技术方案是：见图1A、图1B、图11、图12、图14，包括滑动支座104、齿条108、升降箱体110、第二激光位敏传感器112、轴承116和118、齿轮轴117、制动架119、制动棘轮副120、滑动套121、顶紧弹簧122、导向键123、制动轴124、第二立柱127等部件；其装配步骤为：第一步，用内六角螺栓141把滑动支座104固定在机座3上并使其拧入到螺纹孔3010内，第二立柱127下面的双燕尾型导轨卡到滑动支座104的燕尾型导轨凹槽内并使其能够灵活移动，紧固螺栓129把调整板105固定在滑动支座上，调整螺栓106调整第二立柱127位置后用紧定螺栓128固定；第二步，内六角螺栓107穿过通孔1081拧入螺纹孔1271内把齿条108固定在第二立柱127上，升降箱体110和第二立柱127装配并使双燕尾导轨1272、调整板130卡入凹槽1101内再用螺栓131调整紧固；第三步让齿轮轴117端先后穿过通孔1103、1102，在升降手轮109侧轴承116装到齿轮轴117上并嵌入到凹槽1104内，内六角螺栓133穿过通孔1151拧入到螺纹孔1105内压紧套在齿轮轴117上的轴承压盖115，升降手轮109、键装配到齿轮轴117上并用螺母114紧固，另一侧轴承118装到齿轮轴117上并嵌入到凹槽1106内；第四步制动手轮126和键装在拧入到螺纹孔1192内的制动轴124上用背母125固定，然后再把导向键123部分卡到滑动套121的凹槽1211内并连同滑动套121一起装入到导向槽1191内，弹簧122放到孔1171内后再把螺栓134拧入到螺纹孔1107内紧固制动架119并使其压紧轴承118；第五步把透射光栅尺132的安装架(或固定架)固定在第二立柱127上、运输架(或滑动架)安装固定在升降箱体110上并反复调整二者之间的间隙，此时用手轻轻驱动升降手轮109在制动手轮126松开的情况下升降箱体110能够轻松上下移动，轻轻旋转制动手轮126在棘轮副120啮合的情况下保证升降箱体110制动准确；第六步把第二激光位敏传感器112用螺钉113固定在联结板111上。

所述位置检测和信号采集处理技术方案是，见图15，第一激光位敏传感器99、信号调理电路、模数转换器、单片机组成测量和反馈高度信号的激光位敏传感器信号处理电路，第一激光位敏传感器99采集到纸杯或其他待测件的高度信号经过信号调理和模数转换把高度信息传送到单片机进行数据处理；第二激光位敏传感器112、信号调理电路、模数转换器、单片机组成测量直径信号的激光位敏传感器信号处理电路，第二激光位敏传感器112采集到的纸杯或其他待测件的直径信号经过信号调理和模数转换把测得直径信息传送到单片机进行数据处理；单片机、数模转换器、集成化恒流斩波驱动器、步进电机57组成步进电机伺服驱动信号处理电路，单片机把收集到的纸杯或其他待测件的高度信号和指令信息进行综合数据处理发送步进电机驱动控制指令，步进电机驱动控制指令信号经过数模转换变成模拟信号驱动集成化恒流斩波驱动器进而控制步进电机57的转动，步进电机伺服驱动信号处理电路和测量和反馈高度信号的激光位敏传感器信号处理电路组成可用来自动扫描高度基准零位、自动扫描测量Z轴方向待测件高度尺寸的全闭环控制回路；透射光栅尺132、光电隔离电路、信号整形倍频鉴相细分电路、计数器、单片机组成光栅信号处理电路，透射光栅尺132把采集到的光信号经过光电隔离把光信号转换成电信号，电信号在经过信号整形倍频鉴相细分提高信号的分辨率，高分辨率的信号在经过计数器转化为数字信号传送到单片机，用来处理、显示锥度测量时所需的相邻两个测量面的直径和距离信号。

采用上述结构的纸杯测量仪对纸杯、纸碗等其他圆柱或圆锥状物体的高度、直径、锥度、圆柱度等几何参数进行测量时具有测量效率高，劳动强度低，测量精度高且测量过程不受人员经验水平限制，测量过程和数据处理便于实现自动化。经现场反复使用验证，使用本发明纸杯测量仪，测量不确定度达到了5μm以内，完全满足仪表设计测量精度和国家有关标准。

Claims (9)

1、一种纸杯测量仪，其特征在于，包括几何对中瞄准和伺服驱动单元、位置检测和信号采集处理单元；

几何对中瞄准和伺服驱动单元包括能够实现X、Y方向大范围运动的X-Y工作台装置、能够实现绕Z轴方向转动的旋转工作台装置、能够实现在同一平面内进行X、Y方向微调整的X-Y弹性微动工作台装置、仅能够实现Z轴方向升降调整用来测量纸杯高度尺寸的Z向升降工作台装置A和两个用来同时测定不同规格纸杯直径和锥度尺寸既能实现Z轴方向升降调整又能实现水平方向调整的Z向升降工作台装置B；

位置检测和信号采集处理单元包括一个测量、反馈纸杯高度信号的第一激光位敏传感器(99)、两个测量纸杯直径信号的第二激光位敏传感器(112)、两个安装在升降工作台装置B上测定锥度尺寸时用来测量任意两平面之间距离的透射光栅尺(132)，还包括激光位敏传感器信号处理电路和步进电机伺服驱动信号处理电路组成的闭环控制电路、光栅信号处理电路；

基座(3)是整台纸杯测量仪的安装平台，在基座(3)上面从下到上依次安装有X工作台(5)和Y向工作台(6)组成的X-Y工作台装置，旋转工作台装置放到Y向工作台上固定，X-Y弹性微动工作台又固定在旋转工作台装置的旋转工作面(30)上，三种装置结合使待测部件不仅能实现X、Y方向的大范围位置调整又能实现X、Y方向的微调，还能够实现绕Z轴方向的转动；

在基座(3)的Y方向中心对称线上两侧对称安装固定有两个Z向升降工作台装置B，在X方向基座(3)的中心对称线上一侧固定Z向升降工作台装置A，两个Z向升降工作台装置B和Z向升降工作台装置A都布置于X-Y工作台装置的外围；

第一激光位敏传感器(99)固定在Z向升降工作台装置A沿Z轴方向上下滑动的升降架(81)上，第二激光位敏传感器(112)安装在Z向升降工作台装置B的升降箱体(110)上，在两个Z向升降工作台装置B上安装有位置检测元件-透射光栅尺(132)，步进电机(57)提供动力实现升降架(81)上下运动；

所述X-Y工作台装置主要包括基座(3)、X向工作台(5)、Y向工作台(6)、X向差动微调驱动机构(1)、Y向差动微调驱动机构(2)、轴承(7)、轴承(8)，基座(3)既是整台纸杯测量仪的基础底座，又是X向工作台(5)滚动导轨副的一部分，它的上表面加工有V型导轨，X向工作台(5)放在基座(3)的上面，其上下表面分别加工有V型导轨和V型导轨-平面导轨组合式导轨，轴承(7)夹在基座(3)和X向工作台(5)之间，X向工作台(5)和固定在基座(3)上的X向差动微调驱动机构(1)通过球形铰链(22)相联，调节X向差动微调驱动机构(1)实现X工作台(5)直线运动，Y向工作台(6)放在X向工作台(5)的上面，其上表面加工有T型凹槽(605)、下表面加工有V型导轨-平面导轨组合式导轨，轴承(8)夹在X向工作台(5)和Y向工作台(6)之间，Y向工作台(6)和固定在基座(3)上的Y向差动微调驱动机构(2)通过球形铰链接头(22)相联，调节Y向差动微调驱动机构(2)实现Y工作台(6)直线运动；

X向差动微调驱动机构(1)和X向工作台(5)之间、Y向差动微调驱动机构(2)和Y向工作台(6)之间采用球形铰链(22)联结，所述的球形铰链(22)包括球头座(2201)、球头(2202)、球面调整压盖(2203)、螺栓(2204)，球头座(2201)嵌入到基座(3)上的凹槽(2200)内，球头(2202)紧贴球头座(2201)并保证它们之间球面接触，球头压盖(2203)压在球头(2202)上并留有调整间隙用螺栓(2204)固定；

基座(3)的V型导轨、轴承(7)、X向工作台(5)的V型导轨-平面导轨组合式导轨组成球面滚动轴承-V型导轨副(9)和球面滚动轴承-平面导轨副(10)，X向工作台(5)的V型导轨、轴承(8)、Y向工作台(6)的V型导轨-平面导轨组合式导轨组成球面滚动轴承-V型导轨副(9)和球面滚动轴承-平面导轨副(10)；

所述旋转工作台装置包括壳体(23)、轴承压盖(24)、轴承(27)、主动齿轮(29)、旋转工作面(30)、从动齿轮(32)、轴承(33)、从动齿轮轴(35)、推力轴承(36)、刻度尺(41)、驱动轴(43)、调整垫(47)，垂直于壳体(23)的底面中心有一个相对壳体(23)固定不动的从动齿轮轴(35)，从动齿轮轴(35)上装有一个从动齿轮(32)，在从动齿轮轴(35)和从动齿轮(32)之间有轴承(33)，从动齿轮(32)和壳体(23)之间有推力轴承(36)，在从动齿轮(32)的上面有一个调整垫(47)和旋转工作面(30)，壳体(23)内一侧有一个转动的驱动轴(43)，驱动轴(43)的一端装有和从动齿轮(32)啮合的主动齿轮(29)，驱动轴(43)的另一端装有轴承(27)和一个微型制动机构；

主动齿轮(29)和从动齿轮(32)为一对啮合的斜伞齿轮副，主动齿轮(29)绕垂直于Z轴方向轴线的转动转变为从动齿轮32绕Z轴方向的转动，从动齿轮(32)上加工有凹槽(3201)和(3202)，轴承(33)和推力轴承(36)装在从动齿轮轴(35)上分别卡在从动齿轮的凹槽(3202)、(3201)内；

内六角螺栓(31)联结旋转工作面(30)和从动齿轮(32)，间隙调整垫(47)夹在从动齿轮(32)和旋转工作面(30)之间可调整旋转工作面(30)的水平度；

外端面加工有摩擦面的轴承压盖(24)和摩擦片(2501)、弹簧(2502)、手轮(25)、弹簧(2503)、螺母(26)组成微型制动机构，摩擦片(2501)和手轮(25)上加工有凹槽，弹簧(2502)两端分别卡在摩擦片(2501)和手轮(25)的凹槽内，手轮(25)能够沿驱动轴(43)轴向滑动；

刻度尺(41)的主尺(4102)固定在壳体(23)上、游标尺(4101)固定在旋转工作面(30)上随旋转工作面(30)转动，游标尺(4101)和主尺(4102)联合显示旋转工作台的旋转工作面(30)转动的角度；

所述X-Y弹性微动工作台装置包括差动微调机构(48)、壳体(49)、滑动体(50)、销(51)、弹簧(5201)、弹簧(5202)、球面转动销(53)、球面压盖(54)、驱动杆(56)，壳体(49)底部有一凸台、外部有4个长方体凸肩360°均布，壳体(49)底部凸台上部加工成平面导轨，滑动体(50)放在凸台上，四个长方体凸肩其中相邻90°的两个凸肩上固定有差动微调机构(48)、其余两个凸肩上固定有销(51)，差动微调机构(48)的驱动杆端部有球面转动销(53)，两个弹簧(5201)一端连着球面转动销(53)、另一端连着滑动体(50)，两个弹簧(5202)一端连着销(51)、另一端连着滑动体(50)；

差动微调机构(48)的驱动杆(56)端部加工有螺纹凹槽(5601)，球面转动销(53)大头内侧端面为一球面结构，球面压盖(54)的销子穿过的通孔内侧为一球面结构，把球面转动销(53)的大头向下沉入到驱动杆(56)的螺纹凹槽(5601)内，球面压盖(54)拧入到螺纹凹槽(5601)内，球面转动销(53)伸出球面压盖(54)外面相互接触球面部分构成球面万向铰链；

壳体(49)底部凸台上表面加工有滑动平面导轨，滑动体(50)的上表面加工有用于Z向升降工作台装置B水平调整寻找第二激光位敏传感器(112)的零参考面时插标准试板用的凹槽(5066)、下表面加工有滑动平面导轨；

所述Z向升降工作台装置A包括步进电机(57)、弹性管联轴器(59)、中间支架(58)和驱动蜗杆轴(60)、轴承套(66)、轴承(67)、轴承(64)、第一立柱(71)、滚珠丝杠(86)、滚珠丝杠螺母(82)、蜗轮(87)、升降架(81)、蜗轮锁紧螺母(88)、立柱轴承座(89)、轴承(74)、轴承(94)，第一立柱(71)固定在基座(3)上，在立柱(71)的内部固定有导轨、中心轴线上有一个滚珠丝杠(86)，滚珠丝杠(86)上部固定有一个蜗轮(87)、中部装有一个随滚珠丝杠(86)运动而上下运动的滚珠丝杠螺母(82)，滚珠丝杠螺母(82)固定在升降架(81)上从而带动升降架(81)沿导轨上下滑动，测量、反馈高度信号的第一激光位敏传感器(99)固定在升降架(81)上，蜗杆轴(60)轴线水平穿过第一立柱(71)和蜗轮(87)在第一立柱(71)内部啮合；

轴承套(66)和凹槽(7103)的径向配合为间隙配合，调整轴承套(66)相对凹槽(7103)的轴向和径向位置可调整蜗杆轴(60)和蜗轮(87)的啮合位置和啮合间隙；

伺服电机(57)和蜗杆轴(60)传动联轴器为弹性管联轴器；

第一立柱(71)上固定有能拆卸的燕尾型凹槽导轨(7107)和矩形凹槽导轨(7108)，升降架(81)的燕尾导轨(85)和燕尾型凹槽导轨(7107)、矩形导轨(101)和调整垫片(80)及矩形凹槽导轨(7108)构成燕尾-矩形组合式导轨；

升降架(81)上加工有一个凹槽(8101)，滚珠丝杠螺母(82)嵌入到凹槽(8101)内；

所述Z向升降工作台装置B包括滑动支座(104)、齿条(108)、升降箱体(110)、轴承(116)、轴承(118)、齿轮轴(117)、制动架(119)、制动棘轮副(120)、滑动套(121)、顶紧弹簧(122)、导向键(123)、制动轴(124)、第二立柱(127)，滑动支座(104)对称固定在基座(3)的Y运动方向中心轴线上两侧，第二立柱(127)的下方加工有双燕尾导轨，滑动支座(104)的上方加工有双燕尾槽导轨，第二立柱(127)沿导轨在滑动支座(104)上Y方向移动，立柱(127)的侧面加工有双燕尾导轨并固定有齿条(108)和透射光栅尺(132)的固定架，升降箱体(110)上加工有燕尾槽型导轨并固定有透射光栅尺(132)的滑动架，升降箱体(110)沿立柱(127)导轨上下移动，齿轮轴(117)的两端水平穿过升降箱体(110)在升降箱体(110)内部和齿条(108)啮合，齿轮轴(117)的一端联结制动机构，升降箱体(110)上固定有测量直径信号的第二激光位敏传感器(112)；

滑动支座(104)上固定有调整螺栓(106)、联结板(105)和紧固螺栓(129)组成的调整机构用来水平调整Z向升降工作台装置B的水平位置；

齿条(108)和齿轮轴(117)为一对啮合的斜齿轮副；

第二立柱(127)上的燕尾导轨(1272)卡到升降箱体(110)上燕尾凹槽导轨(1101)内，调整板(130)调整导轨(1272)和(1101)之间的装配间隙；

上述的制动机构的滑动套(121)和齿轮轴(117)的其中一端都带有棘轮齿，两者组成相互啮合的棘轮副(120)，压缩弹簧(122)装到空腔(1171)内和制动轴(124)一起控制滑动套(121)和齿轮轴(117)的啮合，滑动套(121)上有一个凹槽(1211)，导向键(123)一端卡在凹槽(1211)内另一端卡在导向槽(1191)的键槽内；

所述位置检测和信号采集处理单元主要包括测量和反馈高度信号的第一激光位敏传感器(99)、测量直径信号的激光位敏传感器(112)、测量Z向升降工作台装置B升降高度的投射光栅尺(132)、光栅信号处理电路、步进电机伺服驱动信号处理电路、激光位敏传感器信号处理电路；

第一激光位敏传感器(99)、信号调理电路、模数转换器、单片机组成测量和反馈高度信号的激光位敏传感器信号处理电路，第一激光位敏传感器(99)采集到纸杯或其他待测件的高度信号经过信号调理和模数转换把高度信息传送到单片机进行数据处理；

第二激光位敏传感器(112)、信号调理电路、模数转换器、单片机组成测量直径信号的激光位敏传感器信号处理电路，第二激光位敏传感器(112)采集到的纸杯或其他待测件的直径信号经过信号调理和模数转换把测得直径信息传送到单片机进行数据处理；

单片机、数模转换器、集成化恒流斩波驱动器、步进电机(57)组成步进电机伺服驱动信号处理电路，单片机把收集到的纸杯或其他待测件的高度信号和指令信息进行综合数据处理发送步进电机驱动控制指令，步进电机驱动控制指令信号经过数模转换变成模拟信号驱动集成化恒流斩波驱动器进而控制步进电机(57)的转动，步进电机伺服驱动信号处理电路和测量和反馈高度信号的激光位敏传感器信号处理电路组成可用来自动扫描高度基准零位、自动扫描测量Z轴方向待测件高度尺寸的全闭环控制回路；

透射光栅尺(132)、光电隔离电路、信号整形倍频鉴相细分电路、计数器、单片机组成光栅信号处理电路，透射光栅尺(132)把采集到的光信号经过光电隔离把光信号转换成电信号，电信号在经过信号整形倍频鉴相细分提高信号的分辨率，高分辨率的信号在经过计数器转化为数字信号传送到单片机，用来处理、显示锥度测量时所需的相邻两个测量面的直径和距离信号。

2、根据权利要求1所述的纸杯测量仪，其特征在于，X-Y工作台导轨型式为球面滚动轴承-V型导轨副和球面滚动轴承-平面导轨副选用滚柱轴承-平面导轨副和滚柱轴承-V型导轨副代替。

3、根据权利要求1所述的纸杯测量仪，其特征在于，旋转工作台的主动齿轮(29)和从动齿轮(32)为一对啮合的精密斜伞齿轮副，其法向齿廓线可为渐开线、圆弧等型式用蜗杆、蜗轮啮合等结构来代替。

4、根据权利要求1所述的纸杯测量仪，其特征在于，旋转工作台的轴承压盖(24)、摩擦片(2501)、弹簧(2502)和弹簧(2503)组合成的微型制动机构采用螺栓顶紧装置代替。

5、根据权利要求1所述的纸杯测量仪，其特征在于，Z向升降工作台装置A的升降架(81)上的双燕尾导轨(85)和固定在第一立柱(71)上的燕尾槽导轨(7107)、矩形导轨副(101)和调整垫(80)及矩形凹槽导轨副(7108)组合成的燕尾-矩形组合式导轨用双燕尾导轨、双圆柱形导轨代替。

6、根据权利要求1所述的纸杯测量仪，其特征在于，Z向升降工作台装置A的伺服驱动电机(57)和蜗杆轴(60)之间用弹性管联轴器(59)相联，该联轴器采用十字滑块联轴器、套筒联轴器、金属膜片联轴器、波纹管联轴器之一代替。

7、根据权利要求1所述的纸杯测量仪，其特征在于，Z向升降工作台装置B的滑动支座(104)和立柱(127)构成的双燕尾导轨及Z向升降工作台装置B的第二立柱(127)和升降箱体(110)之间的双燕尾导轨采用燕尾-矩形组合式导轨代替。

8、根据权利要求1所述的纸杯测量仪，其特征在于，Z向升降工作台装置B的升降箱体(110)的制动采用由滑动套(121)和齿轮轴(117)上的棘轮等部件构成的棘轮副(120)采用摩擦轮逆止结构、螺栓或螺旋顶紧机构代替。

9、根据权利要求1所述的纸杯测量仪，其特征在于位置检测传感器(132)为投射光栅尺采用磁尺代替。

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