CN103852035A - 细杆直线度或同轴度的测量机构及采用该机构实现细杆直线度或同轴度的测量方法 - Google Patents

Abstract

细杆直线度或同轴度的测量机构及采用该机构实现细杆直线度或同轴度的测量方法，属于细杆的参数测量领域。它是为了解决现有细杆直线度和同轴度的测量方法中，对细杆孔径大小有限制，且利用人工瞄准和记数的方式会产生误差，且测量效率低的问题。细杆直线度或同轴度的测量机构，利用微摩擦导向车在待测细杆上改变反光靶标的位置，不需要人工瞄准，避免了人工误差；同时利用反光靶标将光信号返回至激光跟踪仪，因此克服了对细杆孔径大小的限制。采用上述机构实现细杆直线度或同轴度的测量方法，对激光跟踪仪获得的数据直接进行处理，获得待测细杆的直线度和同轴度。本发明适用于细杆的参数测量领域。

Description

细杆直线度或同轴度的测量机构及采用该机构实现细杆直线度或同轴度的测量方法

技术领域

本发明属于细杆的参数测量领域。

背景技术

细长空心螺纹杆的直线度和同轴度测量是几何量计量领域里最基本的计量项目之一，待测产品如图1所示，在精密仪器制造与检测、大尺寸测量、大型仪器的安装与定位、军工产品制造等领域中有着广泛的应用。直线度误差是指实际直线对理想直线的变动量。按照与直线度公差带相对应的原则，直线度误差分为给定平面内、给定方向上和任意方向上的直线度误差等三种形式。任意方向的直线度、同轴度误差检测方法主要有：量规检验法、杠杆法、指示器法和光轴法等。

（1）量规检验法：量规检验法主要用于圆柱表面母线或轴线直线度的检验。在批量生产中，当圆柱体的长度较小，且形位公差为相关公差时，可以用综合量规进行检验。

（2）杠杆法：杠杆法是目前我国一些生产单位正在使用的方法，如图2所示。测量时待测物体体现被测截面圆心纵向位置的变化，并通过杠杆反映给千分表进行读数。这属于近似测量，每次测量的都是某一轴向截面内的直线度，要达到测量轴线、直线度的目的，要多次旋转待测物体。而且，其测量精度不高，测量设备笨重。

（3）指示器法：指示器法原理如图3所示。待测物体被安装在精密分度装置的两同轴顶尖之间，这两个顶尖的公共轴线平行于平板底面，以公共轴线作为测量基准。根据被测部位的长度和精度要求，确定被测横截面的数目和位置以及各横截面轮廓上等分测点的数目和等分角。然后，转动被测零件，用指示器在各横截面轮廓上对各个等分测点逐一进行测量，同时记录各测点的示值。用各横截面轮廓中心的连线体现实际被测轴线。对于待测物体为空心细长杆时，不易装卡，且外表面有螺纹，不适宜采用这种方法进行测量。

（4）光轴法：光轴法测量原理如图4所示。将测量仪器安放在被测物体外面的固定位置上，瞄准靶放置在被测孔中，用瞄准靶中心体现被测横截面轮廓中心。测量时先把被测轴线的两端点连线与仪器光轴调整到大致平行，然后沿被测轴线的长度方向(z坐标轴)等距地逐段移动瞄准靶，测取各测点被测截面轮廓中心)相对于测量基准在水平和铅垂方向的偏离量(x坐标值和x坐标值)，同时记录这些测点的直角坐标，再把它们进行数据处理，评定出直线度误差值。

通过上述四种测试方法的比较，可以看出，光轴法测量精度高，具有较大的优越性，以光束能量中心为直线基准，适用于尺寸较长零件的测量。但如果直接使用光电接收元件接收能量，对孔径大小有一定限制，且人工瞄准和记数容易引进人为误差，效率低。

发明内容

本发明是为了解决现有细杆直线度和同轴度的测量方法中，对细杆孔径大小有限制，且利用人工瞄准和记数的方式会产生误差，且测量效率低的问题，现提供细杆直线度或同轴度的测量机构及采用该机构实现细杆直线度或同轴度的测量方法。

细杆直线度或同轴度的测量机构，它包括：导向车运动控制装置、微摩擦导向车、反光靶标和激光跟踪仪；

所述导向车运动控制装置用于控制微摩擦导向车的运动或停止；

所述微摩擦导向车用于带动反光靶标沿待测量细杆的轴向滑动；

反光靶标固定在微摩擦导向车上；和激光跟踪仪激光发射端发射出的激光与细杆轴向呈夹角的方向入射到反光靶标上，反光靶标将该激光反射至激光跟踪仪的激光接收端中。

上述微摩擦导向车为圆柱形，该圆柱形微摩擦导向车的外表面嵌入有多个滚珠，微摩擦导向车一端的端面中心开有凹槽，反光靶标嵌固在该凹槽内。上述微摩擦导向车的一侧开有滑动槽，该滑动槽内设有滚珠，微摩擦导向车的另一侧设有剖面为梯形的凸起，反光靶标固定在该凸起上。

上述细杆直线度或同轴度的测量机构，它还包括：数据处理***，该数据处理***的信号输入端连接激光跟踪仪的信号输出端；

所述数据处理***中嵌入有软件实现的模块，该模块包括以下单元：

对激光跟踪仪输入的信号进行误差坐标数据剔除，并获得m个精确坐标数据的单元，其中m为大于3的正整数；

利用m个精确坐标数据获得待测量细杆内控中心线的直线射影式方程的四个参数a、b、c和d的单元，所述直线射影式方程为：

$\left\{\begin{array}{c}x=\mathrm{az}+b\\ y=\mathrm{cz}+d\end{array}\right.,$

其中，(x,y,z)为激光跟踪仪的空间坐标；

将参数a、b、c和d代入直线射影式方程中，并根据该方程利用最小圆柱包络法获得待测细杆的空间直线度或同轴度的单元。

采用上述细杆直线度或同轴度的测量机构实现细杆直线度或同轴度的测量方法，该方法包括以下步骤：

首先，开启激光跟踪仪，并调节该激光跟踪仪的位置，使得激光跟踪仪激光发射端发出的激光入射到反光靶标上，同时利用导向车运动控制装置控制微摩擦导向车沿细杆轴向匀速运动，

在微摩擦导向车的运动过程中，激光跟踪仪间隔固定时间接收反光靶标反射的激光，获得反光靶标运动过程中在不同位置上的坐标参数，

然后，对获得的所有坐标参数进行误差坐标数据剔除，获得m个精确坐标数据，其中m为大于3的正整数，

利用获得的m个精确坐标数据获得待测量细杆内控中心线的直线射影式方程的四个参数a、b、c和d，所述直线射影式方程为：

$\left\{\begin{array}{c}x=\mathrm{az}+b\\ y=\mathrm{cz}+d\end{array}\right.,$

其中，(x,y,z)为激光跟踪仪的空间坐标，

最后，将获得的参数a、b、c和d代入直线射影式方程中，并根据该方程利用最小圆柱包络法获得待测细杆的空间直线度或同轴度。

本发明所述的细杆直线度或同轴度的测量机构，利用微摩擦导向车在待测细杆上改变反光靶标的位置，便于装卡，操作简便，不需要人工瞄准，避免了人工误差；同时利用反光靶标将光信号返回至激光跟踪仪，因此克服了对细杆孔径大小的限制。

采用上述机构实现细杆直线度或同轴度的测量方法，对激光跟踪仪获得的数据直接进行处理，从而获得待测细杆的直线度和同轴度。

本发明所述的细杆直线度或同轴度的测量机构及采用该机构实现细杆直线度或同轴度的测量方法，适用于精密仪器制造与检测、大尺寸测量、大型仪器的安装与定位、军工产品制造等领域。

附图说明

图1为待测量细杆的结构示意图；

图2为利用杠杆法测量细杆轴线、直线度时，所使用的装置的结构示意图；

图3为利用指示器测量细杆轴线、直线度时，所使用的装置的结构示意图；

图4为利用光轴法测量细杆轴线、直线度时，所使用的装置的结构示意图；

图5为微摩擦导向车位于细杆内部工作时，细杆直线度或同轴度的测量机构的结构示意图；

图6为微摩擦导向车位于细杆外部工作时，细杆直线度或同轴度的测量机构的结构示意图；

图7为具体实施方式二所述的微摩擦导向车的剖视图；

图8为具体实施方式三所述的微摩擦导向车的剖视图；

图9为具体实施方式五所述的两个环形卡具装卡在细杆上的示意图；

图10为本发明所述细杆直线度和同轴度的测量方法的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图5或图6具体说明本实施方式，本实施方式所述的细杆直线度或同轴度的测量机构，它包括：导向车运动控制装置1、微摩擦导向车2、反光靶标3和激光跟踪仪4；

所述导向车运动控制装置1用于控制微摩擦导向车2的运动或停止；

所述微摩擦导向车2用于带动反光靶标3沿待测量细杆的轴向滑动；

反光靶标3固定在微摩擦导向车2上；和激光跟踪仪4激光发射端发射出的激光与细杆轴向呈夹角的方向入射到反光靶标3上，反光靶标3将该激光反射至激光跟踪仪4的激光接收端中。

具体实施方式二：参照图7具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的细杆直线度或同轴度的测量机构作进一步说明，本实施方式中，所述微摩擦导向车2为圆柱形，该圆柱形微摩擦导向车2的外表面嵌入有多个滚珠2-1，微摩擦导向车2一端的端面中心开有凹槽2-2，反光靶标3嵌固在该凹槽内。

本实施方式所述的测量装置适用于对空心细杆的测量，在实际测量过程中，所述的微摩擦导向车2在实际应用时位于待测细杆的内部，激光器发射出的激光通过细杆内部射到反光标靶上。采用本实施方式所述的微摩擦导向车2进行测量时，待测细杆能够呈竖直方向放置，也能够水平方向放置；待测细杆呈竖直方向放置时，反光靶标3能够不受其自身重力影响，在微摩擦导向车2的驱动下在细杆内上下滑动，如图5所示。相较于指示器测量细杆，更适用于对空心细杆进行测量，便于装卡。

具体实施方式三：参照图8具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的细杆直线度或同轴度的测量机构作进一步说明，本实施方式中，所述微摩擦导向车2的一侧开有滑动槽2-3，该滑动槽2-3内设有滚珠2-1，微摩擦导向车2的另一侧设有剖面为梯形的凸起2-4，反光靶标3固定在该凸起2-4上。

本实施方式所述的测量装置适用于对实心细杆或内径过小空心细杆的外表面的直线度和同轴度测量，在测量过程中，将待测细杆水平放置，并将待测细杆嵌入微摩擦导向车2的滑动槽2-3中，微摩擦导向车2沿待测量细杆的轴向滑动，激光器发出的激光在细杆外，与细杆轴向呈夹角入射到发光标靶上，如图6所示。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的细杆直线度或同轴度的测量机构作进一步说明，本实施方式中，它还包括：数据处理***5，该数据处理***5的信号输入端连接激光跟踪仪4的信号输出端；

所述数据处理***5中嵌入有软件实现的模块，该模块包括以下单元：

对激光跟踪仪4输入的信号进行误差坐标数据剔除，并获得m个精确坐标数据的单元，其中m为大于3的正整数；

利用m个精确坐标数据获得待测量细杆内控中心线的直线射影式方程的四个参数a、b、c和d的单元，所述直线射影式方程为：

$\left\{\begin{array}{c}x=\mathrm{az}+b\\ y=\mathrm{cz}+d\end{array}\right.,$

其中，(x,y,z)为激光跟踪仪4的空间坐标；

将参数a、b、c和d代入直线射影式方程中，并根据该方程利用最小圆柱包络法获得待测细杆的空间直线度或同轴度的单元。

本实施方式中，利用数据处理***6直接对激光跟踪仪5发射的信号进行处理，就能够获得待测细杆的空间直线度或同轴度，提高了工作效率。

具体实施方式五：参照图9具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的细杆直线度或同轴度的测量机构作进一步说明，本实施方式中，它还包括：两个环形卡具6，所述两个环形卡具6分别装卡在待测量细杆的两端，将待测量细杆固定在操作台上。

具体实施方式六：参照图10具体说明本实施方式，本实施方式是采用具体实施方式一、二、三、四或五所述的细杆直线度或同轴度的测量机构实现细杆直线度或同轴度的测量方法，该方法包括以下步骤：

首先，开启激光跟踪仪4，并调节该激光跟踪仪4的位置，使得激光跟踪仪4激光发射端发出的激光入射到反光靶标3上，同时利用导向车运动控制装置1控制微摩擦导向车2沿细杆轴向匀速运动，

在微摩擦导向车2的运动过程中，激光跟踪仪4间隔固定时间接收反光靶标3反射的激光，获得反光靶标3运动过程中在不同位置上的坐标参数，

然后，对获得的所有坐标参数进行误差坐标数据剔除，获得m个精确坐标数据，其中m为大于3的正整数，

利用获得的m个精确坐标数据获得待测量细杆内控中心线的直线射影式方程的四个参数a、b、c和d，所述直线射影式方程为：

$\left\{\begin{array}{c}x=\mathrm{az}+b\\ y=\mathrm{cz}+d\end{array}\right.,$

其中，(x,y,z)为激光跟踪仪4的空间坐标，

最后，将获得的参数a、b、c和d代入直线射影式方程中，并根据该方程利用最小圆柱包络法获得待测细杆的空间直线度或同轴度。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式六所述的细杆直线度或同轴度的测量方法作进一步说明，本实施方式中，所述对坐标进行误差坐标数据剔除的方法为最小二乘法。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式六所述的细杆直线度或同轴度的测量方法作进一步说明，本实施方式中，利用下述公式获得直线射影式方程的四个参数a、b、c和d，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{bN}+a\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{z}_i=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\\ b\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{z}_i+a\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{z}_i^2=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{z}_i\end{array}\right.,$ $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{dN}+c\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{z}_i=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\\ d\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{z}_i+\mathrm{c\Σ}{z}_i^2=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i{z}_i\end{array}\right.,$

其中，N=m，(x_i,y_i,z_i)为反光靶标3的精确坐标，i≤m。

Claims (8)

1.细杆直线度或同轴度的测量机构，其特征在于，它包括：导向车运动控制装置（1）、微摩擦导向车（2）、反光靶标（3）和激光跟踪仪（4）；

所述导向车运动控制装置（1）用于控制微摩擦导向车（2）的运动或停止；

所述微摩擦导向车（2）用于带动反光靶标（3）沿待测量细杆的轴向滑动；

反光靶标（3）固定在微摩擦导向车（2）上；和激光跟踪仪（4）激光发射端发射出的激光与细杆轴向呈夹角的方向入射到反光靶标（3）上，反光靶标（3）将该激光反射至激光跟踪仪（4）的激光接收端中。

2.根据权利要求1所述的细杆直线度或同轴度的测量机构，其特征在于，所述微摩擦导向车（2）为圆柱形，该圆柱形微摩擦导向车（2）的外表面嵌入有多个滚珠（2-1），微摩擦导向车（2）一端的端面中心开有凹槽（2-2），反光靶标（3）嵌固在该凹槽内。

3.根据权利要求1所述的细杆直线度或同轴度的测量机构，其特征在于，所述微摩擦导向车（2）的一侧开有滑动槽（2-3），该滑动槽（2-3）内设有滚珠（2-1），微摩擦导向车（2）的另一侧设有剖面为梯形的凸起（2-4），反光靶标（3）固定在该凸起（2-4）上。

4.根据权利要求1所述的细杆直线度或同轴度的测量机构，其特征在于，它还包括：数据处理***（5），该数据处理***（5）的信号输入端连接激光跟踪仪（4）的信号输出端；

所述数据处理***（5）中嵌入有软件实现的模块，该模块包括以下单元：

对激光跟踪仪（4）输入的信号进行误差坐标数据剔除，并获得m个精确坐标数据的单元，其中m为大于3的正整数；

利用m个精确坐标数据获得待测量细杆内控中心线的直线射影式方程的四个参数a、b、c和d的单元，所述直线射影式方程为：

$\left\{\begin{array}{c}x=\mathrm{az}+b\\ y=\mathrm{cz}+d\end{array}\right.,$

其中，(x,y,z)为激光跟踪仪（4）的空间坐标；

将参数a、b、c和d代入直线射影式方程中，并根据该方程利用最小圆柱包络法获得待测细杆的空间直线度或同轴度的单元。

5.根据权利要求1所述的细杆直线度或同轴度的测量机构，其特征在于，它还包括：两个环形卡具（6），所述两个环形卡具（6）分别装卡在待测量细杆的两端，将待测量细杆固定在操作台上。

6.采用权利要求1、2、3、4、或5所述的细杆直线度或同轴度的测量机构实现细杆直线度或同轴度的测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

首先，开启激光跟踪仪（4），并调节该激光跟踪仪（4）的位置，使得激光跟踪仪（4）激光发射端发出的激光入射到反光靶标（3）上，同时利用导向车运动控制装置（1）控制微摩擦导向车（2）沿细杆轴向匀速运动，

在微摩擦导向车（2）的运动过程中，激光跟踪仪（4）间隔固定时间接收反光靶标（3）反射的激光，获得反光靶标（3）运动过程中在不同位置上的坐标参数，

然后，对获得的所有坐标参数进行误差坐标数据剔除，获得m个精确坐标数据，其中m为大于3的正整数，

利用获得的m个精确坐标数据获得待测量细杆内控中心线的直线射影式方程的四个参数a、b、c和d，所述直线射影式方程为：

$\left\{\begin{array}{c}x=\mathrm{az}+b\\ y=\mathrm{cz}+d\end{array}\right.,$

其中，(x,y,z)为激光跟踪仪（4）的空间坐标，

最后，将获得的参数a、b、c和d代入直线射影式方程中，并根据该方程利用最小圆柱包络法获得待测细杆的空间直线度或同轴度。

7.根据权利要求6所述的细杆直线度或同轴度的测量方法，其特征在于，所述对坐标进行粗大误差坐标数据剔除的方法为最小二乘法。

8.根据权利要求6所述的细杆直线度或同轴度的测量方法，其特征在于，利用下述公式获得直线射影式方程的四个参数a、b、c和d，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{bN}+a\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{z}_i=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\\ b\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{z}_i+a\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{z}_i^2=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{z}_i\end{array}\right.,$ $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{dN}+c\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{z}_i=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\\ d\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{z}_i+\mathrm{c\Σ}{z}_i^2=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i{z}_i\end{array}\right.,$

其中，N=m，(x_i,y_i,z_i)为反光靶标（3）的精确坐标，i≤m。

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