CN204240974U - 一种接触式球径测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种接触式球径测量仪，具有一个由底部床身、两侧立柱和上部横梁构成的龙门式框架，在床身上设置有工件装夹部件，在两立柱的内侧分别安装有左、导轨，在两导轨间连设有一个可随导轨沿竖直方向运动的测头支架，在测头支架上安装有可做水平向移动的测头部件，在横梁上安装有气缸，气缸活塞可通过气缸连接件对测头部件施加竖直方向的压力，在左、右立柱的内侧的下部分别设有左、右弹簧支架，在两弹簧支架至测头支架之间分别设有左、右弹簧。与现有技术相比，本实用新型具有结构合理、操作方便、测量精度高等优点，可实现测力恒定及工件多自由度自适应调整。

Description

一种接触式球径测量仪

技术领域

本实用新型内容属于机械制造及测量技术领域，涉及一种用于高精度球径测量的接触式球径测量仪。

背景技术

在现代计量技术高速发展的今天，针对高精度非整球面的小于1μm精度的球径测量仍是精密长度测量学的难题，特别是凹球面的精密测量。

目前公知的现代精密测量凹球面球径的方法有用三坐标测量机测量、光学干涉法测量和弓高弦长法测量。

用三坐标测量机测量凹球面球径的方法又分为直角坐标等精度测量方法和极径法。在计量室条件下，直角坐标等精度测量法测量凹球面球径即使一维精度在0.7μm的条件下，其三维球径精度也不小于1.5μm，对于像半球形气体动压轴承这样高精度球面零件要求球径误差不大于0.5μm的来说，就远远不能满足测量精度要求了。三坐标极径法一般是在一个与被测球径大小相同的标准球形量规上布置多个测点，这样一次可测得多点相对于量规球径的相对偏差值，经过数据处理，可以得球径的评定值，属于相对测量。此方法的优点是可避免三维运动带来的误差，但测量精度仍然难以满足像半球形气体动压轴承这样高精度球面零件的精度要求。

光学干涉法测量球面球径目前最常用的是将标准光学玻璃球规样板贴合到被测球面，通过透射光与反射光的干涉，读取干涉条纹数，进而计算出球径值，球径测量精度不大于0.6μm。但在精密加工过程中，由于被加工球面需要反复测量，光学球规样板存在磨损问题，需要定期检定、更换。

用弓高弦长法测量球面球径，其具体设计因用途和所需精度不同而不同。现有的弓高弦长法测量球面球径的仪器有立式和卧式，现代高精度弓高弦长法测量球面球径趋于用卧式测量仪。一般精度条件下,测量仪是由两个主要部分组成，即测定被测球面的装置和测量这个球面一部分的弓高装置，由测出的弓高和已知球面部分的半径,进而计算求出被测球面的曲率半径。但现有的弓高弦长法测量球面球径的测量仪在实际应用中相应还存在着由测力不易控制以及工件多自由度自适应调整性能较低等缺陷。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术特别是采用弓高弦长法球径测量仪存在的缺陷，提供一种结构合理、操作方便、测量精度高、可实现测力恒定及工件多自由度自适应调整的接触式球径测量仪。

为实现上述发明目的而采用的技术解决方案如下所述。

一种接触式球径测量仪，具有一个由底部床身、左立柱、右立柱和上部横梁构成的龙门式框架，在床身上设置有工件装夹部件，在左立柱和右立柱的内侧分别安装有左导轨和右导轨，在左、右导轨之间连设有一个可随导轨沿竖直方向运动的测头支架，在测头支架上安装有可做水平向移动的测头部件，在横梁上安装有气缸，气缸活塞可通过气缸连接件对测头部件施加竖直方向的压力，在左立柱和右立柱的内侧的下部分别设有左弹簧支架和右弹簧支架，在两弹簧支架至测头支架之间分别设有左弹簧和右弹簧。

本实用新型的技术解决方案还在于：在测头支架上端面的左右两侧分别设置测头左压板、测头右压板，测头部件安装于测头支架、测头左压板与测头右压板之间，在测头部件中部设有膨大径面的测头法兰,测头法兰上下端面与测头支架、测头左压板及测头右压板的结合部设置有用于使测头部件在水平面内的自由调整滑动的滚子保持架与滚子。

本实用新型的技术解决方案还在于：测头部件包括测头座和分别设置在其下端和中部的测头端盖和测头法兰,在测头座中心设置有探，在测头座内侧安装有用于对探针支承导向的导向铜套，在探针的上端安装有限位螺母挡块，在测头法兰的上端面设置有传感器支架，在传感器支架上安装位移传感器，位移传感器的测头与探针同轴。

本实用新型的技术解决方案还在于：工件装夹部件包括轴承座、轴承盖及安装在两者之间的角接触关节轴承,在角接触关节轴承的转子与轴承盖之间沿圆周均布设置有弹簧或其它形式的阻尼装置,角接触关节轴承的配合球面与工件的被测球面同心。

本实用新型的技术解决方案还在于：在角接触关节轴承转子上通过直口安装有带锥环口的工件夹具过渡件，在工件夹具过渡件的锥环口处安装有用于安装工件的工件夹具。

本实用新型的技术解决方案还在于：在左弹簧支架至测头支架之间和右弹簧支架至测头支架之间分别设有用以增加测头部件竖直向下运动时的阻尼的阻尼装置。

本实用新型的技术解决方案还在于：在床身的下端均布设置有用于调整水平的可调支撑。

与现有技术相比，本实用新型具有的优点是测头支架与测头部件的结构设置实现了工件多自由度自适应调整,同时采用恒压气缸驱动测头部件使探针与工件之间在每次测量中具有相同的测力大小，保证了测量结果的重复性,通过位移传感器保证了球径测量精度。通过上述实现方式，本实用新型提供一种结构合理、操作方便、测量精度高、可实现测力恒定及工件多自由度自适应调整的高精度接触式球径测量仪，在球径测量领域具有潜在的推广价值。

附图说明

图1为本实用新型一个具体实施例的结构示意图。

图2为本实用新型中工件装夹部件的结构示意图。

图3为本实用新型中测头部件的剖视图。

图4为本实用新型中测量原理示意图。

附图中各数字标号的名称分别为：1－床身；2－左立柱；3－左弹簧支架；4－工件装夹部件,4-1－轴承座,4-2－角接触关节轴承，4-3－轴承盖,4-4－弹簧,4-5－工件夹具过渡件,4-6－工件夹具,4-7－工件；5－左弹簧；6－左导轨；7－测头支架；8－测头左压板；9－横梁；10－气缸连接件；11－气缸；12－测头部件,12-1－探针,12-2－测头端盖,12-3－测头座,12-4－导向铜套,12-5－测头法兰,12-6－限位螺母挡块,12-7－传感器支架,12-8－位移传感器；13－测头右压板；14－右导轨；15－右立柱；16－右弹簧；17－右弹簧支架；18－可调支承。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的设计结构和工作原理作进一步说明，但本实用新型的实际结构并不仅限于下述的实施例。

参见图1，本实用新型所述的接触式球径测量仪由床身1、左立柱2、右立柱15、横梁9、工件装夹部件4、左导轨6、右导轨14、测头支架7、测头左压板8、测头右压板13、测头部件12、气缸连接件10、气缸11、左弹簧支架3、右弹簧支架17、弹簧5、16和可调支承18等构件组成。床身1、左立柱2、右立柱15和横梁9构成龙门式框架，床身1下端均布设置可调支承18用于调整水平。左导轨6和右导轨14分别安装在左立柱2、右立柱15内侧，测头支架7的左右两侧分别与左导轨6和右导轨14连接并可实现沿竖直方向的运动，在测头支架7上端面的左、右两侧分别设置测头左压板8、测头右压板13，测头部件12安装于测头支架7、测头左压板8与测头右压板13之间，在测头部件12上的测头法兰12-5的上下端面与测头支架7、测头左压板8及测头右压板13的结合部分别设置由滚子保持架与滚子，以保证测头部件在水平面内的自由调整滑动。在横梁9上安装有气缸11，气缸活塞通过气缸连接件10与测头左压板8连接，可对测头部件施加竖直方向的压力。在龙门式框架的左立柱2和右立柱15的内侧分别设置左弹簧支架3和右弹簧支架17，并在左弹簧支架3和测头支架7之间及右弹簧支架17和测头支架7之间分别设置左弹簧5和右弹簧16，也可以设置其它形式的阻尼装置，以增加测头部件12竖直向下运动时的阻尼。

参见图1～2，该接触式球径测量仪的工件装夹部件4包括轴承座4-1、轴承盖4-3及安装在两者之间的角接触关节轴承4-2,在角接触关节轴承4-2的转子与轴承盖4-3之间沿圆周均布设置弹簧4-4。工件4-7安装在工件装夹部件4中的工件夹具4-6上，工件夹具4-6与工件夹具过渡件4-5之间采用锥度定位安装，工件夹具过渡件4-5通过直口安装在角接触关节轴承4-2转子上。

参见图1和图3，该接触式球径测量仪的测头部件12包括测头座12-3和分别设置在其下端和中部的测头端盖12-2和测头法兰12-5,在测头座12-3的中心设置有探针12-1，在测头座12-3内侧安装导向铜套12-4实现对探针12-1的支承导向，在探针12-1的上端安装限位螺母挡块12-6以实现限位，在测头法兰12-5的上端面设置传感器支架12-7并在传感器支架12-7上安装位移传感器12-8。

本实用新型设计结构中，要求工件4-7的被测球面与角接触关节轴承4-2的配合球面同心，并要求位移传感器12-8的测头与探针12-1同轴。

本实用新型设计中，弹簧4-4、左弹簧5和右弹簧16均可采用其它等效阻尼装置替代。

下面结合图4，对本实用新型的测量算法进行说明。

假设分别用半径为R₀、R₁、R₂三个半径值的标准球标定时，L₁和L₂分别为相同的值，根据三角函数可得

$\begin{array}{cc}{R}_0^2=L_1^2+{(R_0-H_{10})}^2& R_0^2=L_2^2+{(R_0-H_{20})}^2\end{array}$

$\begin{array}{cc}{R}_1^2=L_1^2+{(R_1-H_{11})}^2& R_1^2=L_2^2+{(R_1-H_{21})}^2\end{array}$

$\begin{array}{cc}{R}_2^2=L_1^2+{(R_2-H_{12})}^2& R_2^2=L_2^2+{(R_2-H_{22})}^2\end{array}$

由上可得：

(H₂₀-H₁₀)(H₂₀+H₁₀-2R₀)＝(H₂₁-H₁₁)(H₂₁+H₁₁-2R₁)

(H₂₀-H₁₀)(H₂₀+H₁₀-2R₀)＝(H₂₂-H₁₂)(H₂₂+H₁₂-2R₂)

令A_i＝H_2i-H_1i，则有

A_i(A_i+2H_1i-2R_i)＝K  i＝0,1,2        (1)

由(1)可得，

$\begin{array}{cc}{A}_i(A_i-2\sqrt{R_i^2-L_1^2})=K& i=\mathrm{0,1,2}---\left(2\right)\end{array}$

根据测量原理可得，

A₁＝A₀+Δh₁  A₂＝A₀+Δh₂

其中，Δh₁与Δh₂可通过测头读数获得。

对于式(2)，理想情况下K为常数，实际情况下，由于不同直径的球测量时L₁的差异，及每一次测量球面和量规的接触位置可能会有差异，所以

$\begin{array}{cc}{A}_i(A_i-2\sqrt{R_i^2-L_1^2})=k_i& i=\mathrm{0,1,2}---\left(3\right)\end{array}$

计算时令A₀和L₁在一定范围内取值，使得max(k_i)-min(k_i)最接近于0，获得A₀和L₁在该测量范围内的标定值，并认为在标定范围内球面和量规的接触位置相同，即K为有A₀和L₁的标定值求出的常数。

此时在测量工件时满足

$A_0(A_0-2\sqrt{R_0^2-L_1^2})=A_m(A_m-2\sqrt{R_m^2-L_1^2})---\left(4\right)$

其中，R_m为测量工件的半径，A_m＝A₀+Δh_m,Δh_m可通过测头读数获得。

由(4)可解得

$R_m^2=L_1^2+{\left(\frac{A_0^2-{2A}_0\sqrt{R_0^2-L_1^2}-A_m^2}{{-2A}_m}\right)}^2$

即

$R_m^2=L_1^2+{\left(\frac{{\mathrm{\Δh}}_m^2+{2A}_0{\mathrm{\Δh}}_m+{2A}_0\sqrt{R_0^2-L_1^2}}{2(A_0+{\mathrm{\Δh}}_m)}\right)}^2$

开根号求得测量工件半径的测量值。

如需要测量标定范围外的工件，需要重新进行标定，算出A₀和L₁值后再进行测量。

Claims (7)

1.一种接触式球径测量仪，其特征在于：具有一个由底部床身(1)、左立柱(2)、右立柱(15)和上部横梁(9)构成的龙门式框架，在床身(1)上设置有工件装夹部件(4)，在左立柱(2)和右立柱(15)的内侧分别安装有左导轨(6)和右导轨(14)，在左、右导轨(6、14)之间连设有一个可随导轨沿竖直方向运动的测头支架(7)，在测头支架(7)上安装有可做水平向移动的测头部件(12)，在横梁(9)上安装有气缸(11)，气缸活塞可通过气缸连接件(10)对测头部件(12)施加竖直方向的压力，在左立柱(2)和右立柱(15)的内侧的下部分别设有左弹簧支架(3)和右弹簧支架(17)，在两弹簧支架至测头支架(7)之间分别设有左弹簧(5)和右弹簧(16)。

2.根据权利要求1所述的接触式球径测量仪，其特征在于：在测头支架(7)上端面的左右两侧分别设置测头左压板(8)、测头右压板(13)，测头部件(12)安装于测头支架(7)、测头左压板(8)与测头右压板(13)之间，在测头部件(12)中部设有膨大径面的测头法兰(12-5),测头法兰(12-5)上下端面与测头支架(7)、测头左压板(8)及测头右压板(13)的结合部设置有用于使测头部件(12)在水平面内的自由调整滑动的滚子保持架与滚子。

3.根据权利要求1或2所述的接触式球径测量仪，其特征在于：测头部件(12)包括测头座(12-3)和分别设置在其下端和中部的测头端盖(12-2)和测头法兰(12-5),在测头座(12-3)中心设置有探针(12-1)，在测头座(12-3)内侧安装有用于对探针(12-1)支承导向的导向铜套(12-4)，在探针(12-1)的上端安装有限位螺母挡块(12-6)，在测头法兰(12-5)的上端面设置有传感器支架(12-7)，在传感器支架(12-7)上安装位移传感器(12-8)，位移传感器(12-8)的测头与探针(12-1)同轴。

4.根据权利要求1所述的接触式球径测量仪，其特征在于：所说的工件装夹部件(4)包括轴承座(4-1)、轴承盖(4-3)及安装在两者之间的角接触关节轴承(4-2),在角接触关节轴承(4-2)的转子与轴承盖(4-3)之间沿圆周均布设置有弹簧(4-4)或其它形式的阻尼装置,角接触关节轴承(4-2)的配合球面与工件(4-7)的被测球面同心。

5.根据权利要求4所述的接触式球径测量仪，其特征在于：在角接触关节轴承(4-2)转子上通过直口安装有带锥环口的工件夹具过渡件(4-5)，在工件夹具过渡件(4-5)的锥环口处安装有用于安装工件(4-7)的工件夹具(4-6)。

6.根据权利要求1所述的接触式球径测量仪，其特征在于：在左弹簧支架(3)至测头支架(7)之间和右弹簧支架(17)至测头支架(7)之间分别设有用以增加测头部件(12)竖直向下运动时的阻尼的阻尼装置。

7.根据权利要求1所述的接触式球径测量仪，其特征在于：在床身(1)的下端均布设置有用于调整水平的可调支撑(18)。