CN208432233U - 一种用于长度测量校准的标准器组 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于长度测量校准的标准器组，其包括底座、支撑棒和标准球，所述底板上设置有若干通孔，所述支撑棒的一端设置在所述通孔中，所述支撑棒的另一端设置有一球窝，所述标准球设置在所述球窝内，所述标准球与所述球窝底面之间设置有粘接剂。本实用新型中采用在棒的顶端加工球窝，并通过粘接剂将标准球进行固定的方式，使得不对标准球进行任何破坏性加工，避免了标准球上破损导致测量结果准确性降低的问题，使得CT测量过程中可以充分利用整个球面，提高了测量结果的准确性。

Description

一种用于长度测量校准的标准器组

技术领域

本实用新型涉及几何量测量技术领域，特别是涉及一种用于长度测量校准的标准器组。

背景技术

工业CT是应用于工业领域的CT技术的通俗叫法。凭借工业CT对零部件内部结构的观测能力，可以很方便地对相关的内部缺陷、装配误差等进行检测，而无需对试件进行破坏，节约了时间和成本。近些年，工业CT以其优异的三维成像和内外部结构检测能力，正在从传统的无损检测领域，拓展到几何量测量领域。一套完整的工业CT系统可以实现对工业零部件内外部结构非接触、无损伤的测量。尤其是对于工件的内部结构，传统的测量手段，如典型的CMM (coordinatemeasuringmachine,坐标测量机)等，只能通过将工件拆卸，或进行逐层切片测量，耗时耗力。并且，工件在这个过程中不可避免地会发生形变，因此，测量结果不能很好地反映工件初始状态的几何结构。工业CT优异的内部测量能力恰好可以弥补传统测量手段的这些不足。尤其对于新近出现的3D打印技术，工业CT作为一种重要的检测手段，可以为其提供样品详实的内外部结构信息。

然而，与传统的CMM相比，工业CT除了机械运动机构外，还有X射线源、探测器、被测材料特性、图像重建算法等复杂的误差源。这就使得它的溯源校准工作非常困难。国内外相关学者在一些实物标准器的基础上，对工业CT的校准方法进行了许多有价值的研究。但是，目前对于工业CT几何量测量误差的校准，尚未有一致认可的办法。在传统CMM的校准规范和验收测试标准的基础上，一些关于工业CT在几何量测量领域应用的国家或国际标准正在起草或已经发布。

随着国内工业CT技术的发展，一些国产的工业CT在成像性能上已经可以与国外相媲美。但在几何量测量领域，几乎仍是一片空白，或仅具备简单的测量功能，测量准确度与国外发达国家差距很大。国内关于工业CT几何量测量误差校准方面的研究还很少，无法为相关领域的产业提供技术支撑。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种测量准确度高、测量误差小的用于长度测量校准的标准器组，使得现有技术中存在的几何量测量准确度低、测量误差大的问题得以解决。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：本实用新型提供一种用于长度测量校准的标准器组，包括底座、支撑棒和标准球，所述底座上设置有若干通孔，所述支撑棒的一端设置在所述通孔中，所述支撑棒的另一端设置有一球窝，所述标准球设置在所述球窝内，所述标准球与所述球窝底面之间设置有粘接剂。

优选的，所述底座为盘形底座，所述盘形底座包括上由下至上同轴设置有若干凸起，若干所述凸起的直径由下至上依次增大，所述盘形底座和若干所述凸起上均设置有若干所述通孔，所述盘形底座上设置的若干所述通孔的轴心与所述盘形底座的轴心之间的距离均相同，每个所述凸起上设置的若干所述通孔的轴心与所述盘形底座的轴心之间的距离均相同。

优选的，所述支撑棒和所述标准球成“米”字形设置在所述底座上。

优选的，所述支撑棒和所述标准球成七轴结构设置在所述底座上。

优选的，所述支撑棒上设置有至少一个所述标准球。

本实用新型相对于现有技术取得了以下有益效果：

1、本实用新型提供的用于长度测量校准的标准器组中标准球和支撑棒的连接方式为包覆式连接，即采用在棒的顶端加工球窝，并通过粘接剂将标准球进行固定的方式，使得不对标准球进行任何破坏性加工，避免了标准球上破损导致测量结果准确性降低的问题，使得CT测量过程中可以充分利用整个球面，提高了测量结果的准确性。

2、本实用新型提供的用于长度测量校准的标准器组中小球材料选用红宝石或氮化硅，可以避免射术硬化，球心通过在球表面大量采点，最小二乘拟合得到，拟合得到的球心距比普通单点测量的误差更小。球板标准器由高精度圆球固定在板状基底上得到，由于球比圆柱具有更好的对称性，在拟合几何中心的时候球心的误差平均效应更为明显，因此测得的球心距值也更为准确。球板标准器的底座为碳纤维板，碳纤维材料的热膨胀系数很小，尺寸稳定性更好。

3、本实用新型提供的用于长度测量校准的标准器组是国内第一个也是唯一一个。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型中同心圆结构多球标准器的结构示意图；

图2为本实用新型中共原点双坐标系多球标准器的结构示意图；

图3为本实用新型中空间三轴多球标准器的结构示意图；

图4为ISO10360-11(草案)推荐的长度测量误差校准方向示意图；

图5为本实用新型中七轴球板标准器的尺寸方向分布示意图；

图6为简化版七轴球板标准器结构示意图；

图7为“米”字形排列的球板标准器结构示意图；

其中，1-凸起、2-标准球、3-支撑棒。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种测量准确度高、测量误差小的用于长度测量校准的标准器组，使得现有技术中存在的几何量测量准确度低、测量误差大的问题得以解决。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1-7所示，本实用新型提供一种用于长度测量校准的标准器组，包括底座、支撑棒3和标准球2，底座上设置有若干通孔，支撑棒3的一端设置在通孔中，支撑棒3的另一端设置有一球窝，标准球2设置在球窝内，标准球2与球窝底面之间设置有粘接剂。

其中，标准球2和支撑棒3的连接方式为包覆式连接，即采用在棒的顶端加工球窝，并通过粘接剂将标准球2进行固定的方式，使得不对标准球2进行任何破坏性加工，避免了标准球2上破损导致测量结果准确性降低的问题，使得CT测量过程中可以充分利用整个球面，提高了测量结果的准确性。

本实用新型中标准球2为红宝石球或氮化硅球。其中，球体材料的选择首先要考虑X射线的衰减系数，X射线的衰减系数过大，会导致X射线射束硬化现象严重；X射线衰减系数过小，又会导致成像对比度较差，因此需要选用X射线衰减系数适中的材料。微焦斑CT的射线源能量一般为(0-450)kV，这个能量段的X射线对原子序数6～20的元素成像较好。由原子序数为6～20的元素组成的常见材料有碳、铝、玻璃、陶瓷、红宝石等。其次要考虑所选材料的加工难度。对于之前筛选的这几种材料，玻璃、氮化硅陶瓷、红宝石等是比较常见的球标准器材料，且都能达到较高的加工精度。作为几何量标准器，选用的材料还需满足硬度高、热膨胀系数小等特点，因为玻璃球易碎，且膨胀系数较大,这样就只剩下红宝石球和氮化硅陶瓷球比较适合了。红宝石球与氮化硅陶瓷球性质类似，但价格更为低廉。红宝石是刚玉的一种，主要成分是Al2O3，红色来自 Cr2O3(三氧化二铬)。红宝石球具有硬度高、抗氧化、热膨胀系数低、加工工艺成熟等优点，作为接触式测头被广泛地应用于坐标测量机中。针对工业CT，红宝石球的X射线衰减系数适中，成像效果较好。所以最终选择红宝石球作为标准球2。

本实用新型中支撑棒3为碳纤维棒；碳纤维棒是采用复合材料碳纤维原丝经浸乙烯基树脂高温固化拉挤(或缠绕)、定型、烧结制成的，具有重量轻、强度高、耐腐蚀、抗老化、工艺性好等优点。碳纤维棒的温度线性膨胀系数很小 (约为-5×10-7K-1)，从而其尺寸受温度影响较小。由于碳纤维材料的X射线衰减系数小于红宝石球，因此在后期数据处理时，通过设定阈值可以将碳纤维棒完全过滤掉，只留下作为尺寸参考的红宝石球。

本实用新型中底座为UD碳纤维板。

为能较全面地考察工业CT在整个测量空间内的误差特性，需要用充分大的校准尺寸，在尽可能多的方向上对其长度测量误差进行校准。根据ISO10360-11 (草案)，测试长度应该在7个空间方向上进行测量。需要在每个方向上测量5 个长度，每个长度测量3次。最小的测试长度不应超过30mm，最大的应该至少包含当前放大倍率下测量空间对角线长度的66％。其他的测试长度的选择应尽可能以均匀的步长覆盖整个长度范围。按照这些要求，设计了双球棒、多球、球板等标准器，用于评定工业CT的长度测量误差。

结合工业CT测量系统的特点，用于评定工业CT长度测量误差的标准器需要满足以下几个条件：

a)具有用于确定尺寸的若干端点(至少两个)，该端点可以是单个点，也可以是互相平行的线、面等特征；

b)标准器材料的X射线衰减系数适中，适用于工业CT的测量；

c)标准器材料的热膨胀系数要小，保证使用过程中尺寸的稳定可靠；

d)标准器的几何形状尽可能规则，能够被高精度CMM校准；

双球棒标准器由两个球固定在一根棒的两端得到，两个球的球心距经过校准后，可以用于工业CT球心距长度测量误差的校准。双球棒标准器选用球心作为尺寸测量的端点。球心通过在球表面大量采点最小二乘拟合得到。拟合得到的球心距比普通单点测量的误差更小。用最小二乘法建立球模型，通过仿真计算可以得到球心坐标的测量误差与单个采样点误差的关系：

式中，为球心在某方向的偏差，为采样点在该方向上的偏差，n为采样点数。可以看到，随着测量点数的增加，球心的测量偏差受单个点的影响越来越小。球材料选用红宝石，支撑棒3选用碳纤维棒，选用了包覆方式对球棒进行了固定。球心距为测量空间对角线的66％。

多球标准器的基本结构为：在一个盘形底座上，通过一些细棒分别按照同心圆结构、同原点双坐标系结构和空间三轴结构支撑起若干空间错落的圆球，从中任选两个球心距，都可以作为一组校准长度。尺寸范围要覆盖测量空间对角线的66％。如图1所示，本实用新型中底座为盘形底座，盘形底座包括上由下至上同轴设置有若干凸起1，若干凸起1的直径由下至上依次增大，盘形底座和若干凸起1上均设置有若干通孔，盘形底座上设置的若干通孔的轴心与盘形底座的轴心之间的距离均相同，每个凸起1上设置的若干通孔的轴心与盘形底座的轴心之间的距离均相同，即形成同心圆结构的标准器，主体部分为27个圆球，这27个圆球按照同心圆排列，每个同心圆的高度不同，图1所示。从这27个球中以一定的规律选取35个球心距组合作为校准尺寸，这35个校准尺寸按照大小可以分为5组，对应于5个尺寸；每一组包含7个近似相等的尺寸，方向互不相同，对应于7个方向，如图1中的A、B、C、D、E。

图2是共原点双坐标系多球标准器结构，图中的小圆表示红宝石球，双坐标轴结构是有一个坐标轴饶圆心旋转45°得到另一个坐标轴得到双坐标轴，然后选取25个球排列在2个坐标系的6个坐标轴上，其中原点一颗，其他每个坐标轴上按一定距离排列4颗，从而得到共原点双坐标系多球标准器。图3是空间三轴多球标准器结构示意图，图中的圆和直线分别表示球和球棒，按图3中的排列方式排列得到空间三轴结构排列的多球标准器。多球标准器球的选材与固定方法与球标准器相同。

工业CT测量时，需要将被测工件放在转台上旋转，并在不同的角度成像，最终计算得到物体的重构数据。根据这些特点，可知工业CT的测量范围是一个圆柱形空间。由于圆柱具有高度轴对称性，因此可以选取任意一个通过圆柱轴心的垂直剖面，对该剖面不同方向上的长度测量误差进行校准，参考该校准结果，可以评估工业CT在整个测量空间内的长度测量误差。按照这种思路， ISO10360-11(草案)推荐在一个剖面上的7个方向对工业CT进行校准，包括两个水平方向、两个垂直方向、以及三个对角线方向，如图4。图4中的13表示高，14表示半径，6表示沿着从点(14,0°,0)到点(14,180°,13)的对角线方向，7表示沿着从点(14,0°,0)到点(0,0°,13)的对角线方向，8表示沿着从点(14,0°,13/2)到点(14,180°,13)的对角线方向，9表示沿着从点(0,0°,0) 到点(0,0°,13)的垂直方向，10表示沿着从点(14，0°,0)到点(14,0°,13) 的垂直方向，11表示沿着从点(14,0°,13/2)到点(14,180°,13/2)的径向方向，12表示沿着从点(14,0°,13)到点(14,180°,13)的径向方向。

本实用新型中支撑棒3和标准球2成七轴结构设置在底座上，如图5所示，七轴球板标准器的尺寸方向分布示意图，其中15，16，17，18，19，20，21分别对应图4中的6，11，8，12，10，7，9，与ISO10360-11推荐的方向基本一致。球板标准器由高精度圆球固定在板状基底上得到。圆球选用了直径为2mm 的红宝石球，基底选用了UD碳纤维板。图6为简化版七轴球板标准器结构示意图，将红宝石球按照图中圆的位置排列可以得到简化版七轴球板标准器，其方向与七轴标准器相似，但所需的红宝石球更少，结构更为简单。

本实用新型中支撑棒3和标准球2成“米”字形设置在底座上。如图7所示“米”字形排列的球板标准器结构示意图，将红宝石球按照图中圆的位置排列可以得到“米”字形球板标准器。

本实用新型中支撑棒3上设置有至少一个标准球2。

本实用新型中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (5)

1.一种用于长度测量校准的标准器组，其特征在于，包括底座、支撑棒和标准球，所述底座上设置有若干通孔，所述支撑棒的一端设置在所述通孔中，所述支撑棒的另一端设置有一球窝，所述标准球设置在所述球窝内，所述标准球与所述球窝底面之间设置有粘接剂。

2.根据权利要求1所述的用于长度测量校准的标准器组，其特征在于，所述底座为盘形底座，所述盘形底座包括上由下至上同轴设置有若干凸起，若干所述凸起的直径由下至上依次增大，所述盘形底座和若干所述凸起上均设置有若干所述通孔，所述盘形底座上设置的若干所述通孔的轴心与所述盘形底座的轴心之间的距离均相同，每个所述凸起上设置的若干所述通孔的轴心与所述盘形底座的轴心之间的距离均相同。

3.根据权利要求1所述的用于长度测量校准的标准器组，其特征在于，所述支撑棒和所述标准球成“米”字形设置在所述底座上。

4.根据权利要求1所述的用于长度测量校准的标准器组，其特征在于，所述支撑棒和所述标准球成七轴结构设置在所述底座上。

5.根据权利要求1-4任一项所述的用于长度测量校准的标准器组，其特征在于，所述支撑棒上设置有至少一个所述标准球。