CN108225232A - 一种具有温度自补偿能力的球棒 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有温度自补偿能力的球棒，包括两个标准球，以及连接两个标准球的殷钢管，殷钢管两端分别安装有端盖，端盖上设有安装标准球的锥窝，锥窝底部嵌装有磁铁块；端盖下表面设有杆状结构，杆状结构外套装有杯状的铝制合金管套，端盖下表面杆状结构外侧设有短轴肩，合金管套杯底与杆状结构固定连接，短轴肩与合金管套杯口螺纹连接。本发明有效补偿了球棒自身的热变形误差，提高了球棒的精度，补偿效果优于大部分球棒。在实际使用过程中提高了工业现场被标定仪器的测量精度。改善了球棒的工作适应性，使得球棒精度不受复杂的工厂温度环境的影响。球棒结构简单易加工，且无需复杂的后续补偿算法，实用性强。

Description

一种具有温度自补偿能力的球棒

技术领域

本发明涉及计量检测领域，尤其涉及一种具有温度自补偿能力的球棒。

背景技术

球棒是由低温度膨胀系数的杆件及两个高精度球体组成的一维标准器，其提供的标准距离为两球之间的球心距，球棒具有结构简单、便携、校准精度高等优点。在国际上，球棒及球棒变形类标准器广泛应用于关节臂式坐标测量机、激光跟踪仪、激光扫描仪以及照相式空间测量仪器等精密仪器的校准，是校准关节臂式坐标测量机长度测量示值误差的最佳一维标准器。ASME 89.4.22-2004、VDI/VDE 2167 2009及ISO 13060-12 2016中皆包含对球棒结构及功能的定义。

当前球棒的杆件结构一般选用低膨胀系数的殷钢、碳纤维等材料以减小材料热变形，但除此之外，大部分研究未将球棒本身的热变形纳入研究内容，未考虑标准器热变形对测量及标定的影响。专利CN 105423950 A的杆件部分采用低热膨胀系数的碳纤维管以降低温度导致的杆件热变形。专利CN 102538727 B通过使用陶瓷材料，实现工具的低热膨胀。专利US 2004/0036867 A1中提出使用同种低热膨胀系数的材料（如玻璃陶瓷等）制作一维标准器，此方法避免了因材料热膨胀系数不同而难以进行热误差补偿的问题。但以上专利均仅通过改变材料以减小标准器的热膨胀，剩余热变形经过测量或标定过程逐级传递或放大，仍会影响测量及标定精度。专利US 2017/0153102 A1设计了一种双球棒***，采用至少一组双球棒进行测量或标定，同时采用至少一组双球棒作为参考球棒。参考双球棒获得热膨胀位移变形量，测量双球棒获得被测参数，经过对比计算补偿球棒的热误差。该专利对球棒热误差进行了进一步补偿，但在测量实验的同时需要进行等量的对比试验，使得工作量翻倍。

发明内容

本发明的目的是设计一种具有温度自补偿能力的球棒。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：一种具有温度自补偿能力的球棒，包括两个标准球，以及连接两个标准球的殷钢管，所述殷钢管两端分别安装有端盖，所述端盖为薄法兰盘状，端盖上表面中部设有安装标准球的锥窝，所述锥窝底部嵌装有磁铁块，磁铁块将标准球吸附在锥窝内；所述端盖下表面中部设有杆状结构，杆状结构伸入所述殷钢管内，杆状结构末端中心设有螺钉安装孔；所述杆状结构外套装有杯状的铝制合金管套，所述螺钉安装孔内安装螺钉，螺钉穿过合金管套杯底将合金管套与杆状结构固定连接；所述端盖下表面杆状结构外侧设有短轴肩，短轴肩内表面设有螺纹，所述合金管套杯口外表面也设有螺纹，所述合金管套杯底与杆状结构固定连接，所述短轴肩与合金管套杯口螺纹连接。

所述合金管套内部杯壁与杆状结构之间设有变形间隙。

本发明的有益效果是：

本发明有效补偿了球棒自身的热变形误差，提高了球棒的精度，补偿效果优于大部分球棒。在实际使用过程中提高了工业现场被标定仪器的测量精度。改善了球棒的工作适应性，使得球棒精度不受复杂的工厂温度环境的影响。球棒结构简单易加工，且无需复杂的后续补偿算法，实用性强。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为端盖结构示意图；

图3为本发明高温变形补偿示意图；

图4为本发明低温变形补偿示意图；

图5为本发明温度自补偿试验结果。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1、2所示，一种具有温度自补偿能力的球棒，包括两个标准球1，以及连接两个标准球1的殷钢管2，所述殷钢管2两端分别安装有端盖3，所述端盖3为薄法兰盘状，端盖3上表面中部设有安装标准球1的锥窝4，所述锥窝4底部嵌装有磁铁块5，磁铁块5将标准球1吸附在锥窝4内；所述端盖3下表面中部设有杆状结构6，杆状结构6伸入所述殷钢管2内，杆状结构6末端中心设有螺钉安装孔7；所述杆状结构6外套装有杯状的铝制合金管套8，所述螺钉安装孔7内安装螺钉9，螺钉9穿过合金管套8杯底将合金管套8与杆状结构6固定连接；所述端盖3下表面杆状结构6外侧设有短轴肩10，短轴肩10内表面设有螺纹，所述合金管套8杯口外表面也设有螺纹，所述合金管套8杯底与杆状结构6固定连接，所述短轴肩10与合金管套8杯口螺纹连接。

所述合金管套8内部杯壁与杆状结构6之间设有变形间隙11。

如图3、4所示，本发明的球棒通过结构自补偿实现近零热变形；当温度高于标准温度时，殷钢管2受热向球棒轴心线的延长线膨胀，与此同时，合金套管8受热膨胀，由于合金管套8杯壁的膨胀热变形大于杆状结构6，合金管套8拉动杆状结构6向球棒的轴心线中点运动，由于端盖6的端面较薄，受力后向内凹陷，标准球1随之产生与殷钢管2变形方向相反的变形，抵消了殷钢管2的轴向膨胀变形；当温度低于标准温度时，殷钢管2遇冷收缩，由于合金管套8杯壁的收缩变形大于杆状结构6，合金管套8推动杆状结构6向球棒的轴心线的延长线运动，由于端盖6的端面较薄，受力后向外凸陷，标准球1随之产生与殷钢管2变形方向相反的变形，抵消了殷钢管2的轴向收缩变形。

铝合金的热膨胀系数远高于殷钢，经过大量的计算与不同温度下的仿真验证，球棒两端标准球1的位移总和与殷钢管2的位移量值近似相等，方向相反，球棒整体呈现出近零热变形，数据显示，球棒标准件在0℃-40℃之间的相对变形量小于1.5微米，达到了很好的补偿效果。

以长度为500mm的球棒为例，将球棒水平放置，固定任意一端且限制径向摆动，球棒的相对变形量由标准球1的变形量的差值表示，通过有限元仿真，将环境温度由0℃上升到40℃，每隔2℃计算一次相对变形量，结果如图5所示：斜率较大的无标识点的曲线表示没有温度补偿器时球棒的相对变形量，斜率较小的带标识点的曲线表示完整的球棒的相对变形量，0℃时变形量最大，为1.17μm，可见球棒的热变形量很小，可忽略不计，温度补偿器补偿效果非常明显。

所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种具有温度自补偿能力的球棒，包括两个标准球，以及连接两个标准球的殷钢管，其特征在于，所述殷钢管两端分别安装有端盖，所述端盖为薄法兰盘状，端盖上表面中部设有安装标准球的锥窝，所述锥窝底部嵌装有磁铁块，磁铁块将标准球吸附在锥窝内；所述端盖下表面中部设有杆状结构，杆状结构伸入所述殷钢管内，杆状结构末端中心设有螺钉安装孔；所述杆状结构外套装有杯状的铝制合金管套，所述螺钉安装孔内安装螺钉，螺钉穿过合金管套杯底将合金管套与杆状结构固定连接；所述端盖下表面杆状结构外侧设有短轴肩，短轴肩内表面设有螺纹，所述合金管套杯口外表面也设有螺纹，所述合金管套杯底与杆状结构固定连接，所述短轴肩与合金管套杯口螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的具有温度自补偿能力的球棒，其特征在于，所述合金管套内部杯壁与杆状结构之间设有变形间隙。