專利名稱：新型高精度球體多參數(shù)測量儀及其精度調(diào)整方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種測量儀器，具體是一種高精度球體測量儀器。
技術(shù)背景球體是機械中一個非常重要的基本形體，高精度球體廣泛應(yīng)用于航空航天、 國防裝備等上的各種精密儀器設(shè)備。幾何學(xué)定義球面為三維空間中到定點距離為 常數(shù)的點的集合，但是實際的球面與幾何學(xué)上定義的理想球面是有差異的，這就 是球度誤差，它是一個反映實際球面偏離理想球面大小程度的一個綜合指標(biāo)。相 關(guān)研究表明，球度誤差不僅給各種精密儀器帶來很大能量損耗，引起結(jié)構(gòu)形體的 熱變形，還對儀器的使用性能產(chǎn)生很大影響。因此球度誤差的檢測至關(guān)重要，但 球度的高精密測量一直困擾著各國的科研人員。二十世紀(jì)七十年代以來，國外許 多學(xué)者提出并研制了相應(yīng)的高精度球度誤差的測量裝置，而我國的球度誤差高精 度測量裝置目前還處于初級階段。目前球體參數(shù)的高精度測量方法主要有三坐標(biāo)測量法、圓度儀測量法、幾何 法等。坐標(biāo)測量法根據(jù)坐標(biāo)測量原理，4點定球心，從而確定球的半徑，然而測 量機的測量精度不但不能滿,足高精度的球度誤差檢測要求，而且測量機價格昂 貴，操作復(fù)雜，不適合大批量測量。圓度儀測量法是將被測球和專用夾具一起放 在圓度儀的工作臺上，測量時將球在支座上多次轉(zhuǎn)位，在每個位置測量赤道圓的 圓度來評定球度誤差。測量時必須多次轉(zhuǎn)位，導(dǎo)致赤道圓的選取是隨機的，影響 測量精度，并且圓度儀價格昂貴，而且只能測量球度，不能測量球體直徑。幾何 測量法是便攜式儀器測量的基礎(chǔ)，通過檢測球上某一扇區(qū)的高度把三維球的問題 轉(zhuǎn)化為立體幾何問題，該方法是通過球上某一局部扇區(qū)來評定球度誤差，測量位 置的選取對測量精度影響較大，而且測量時球表面在測力作用下產(chǎn)生局部接觸變 形，影響測量精度。上述測量方法測量點的選取都有隨機性，其共同缺點是測頭在運動或球體 在轉(zhuǎn)位過程中，所得的球心在變化移動，即每個測點所得半徑都不是從同一點出發(fā)的，也就是所謂的"無心"，故存在較大的原理誤差。 發(fā)明內(nèi)容鑒于以上測量方法的缺點，本發(fā)明提供了新型高精度球體多參數(shù)測量儀及其 精度調(diào)整方法，既能測量球體直徑，又能測量球度誤差，而且適用于內(nèi)外球面的 測量。本發(fā)明的技術(shù)方案如下新型高精度球體多參數(shù)測量儀，其特征在于包括有底座，底座上安裝有垂直 旋轉(zhuǎn)軸系構(gòu)成轉(zhuǎn)臺，垂直旋轉(zhuǎn)軸系上安裝有錐窩夾具，底座上錐窩夾具一側(cè)安裝 有立柱，所述的立柱上有可上下滑動的滑塊，滑塊與立柱上有上下調(diào)整及鎖緊的 機構(gòu)，所述的滑塊上安裝有水平旋轉(zhuǎn)軸系，水平旋轉(zhuǎn)軸系上安裝有旋轉(zhuǎn)臂，所述 的旋轉(zhuǎn)臂上安裝有高精度測頭，所述的垂直旋轉(zhuǎn)軸系與水平旋轉(zhuǎn)軸系垂直正交， 所述的測頭位于錐窩夾具的正上方。所述的新型高精度球體多參數(shù)測量儀，其特征在于所述的旋轉(zhuǎn)臂上安裝的測 頭指向球心或背向球心，分別用于測量外球面或內(nèi)球面。所述的新型高精度球體多參數(shù)測量儀的精度調(diào)整方法，其特征在于包括-(1) 、測量外球面時，測頭在水平方向的調(diào)整與垂直方向的調(diào)整，水平方向 的調(diào)整為測外徑為2R的外球面時，首先用高精度的量塊疊排成一個長度為2R 的量塊組，放在錐窩上，使得測頭在水平方向上反復(fù)測量量塊組兩端的的兩個工 作面，通過調(diào)整量塊組的位置和測頭的裝夾位置，最后使得測頭在量塊組的兩個 工作面的測量值為零，此表示測頭在水平方向調(diào)整準(zhǔn)確；垂直方向的調(diào)整為測 量外徑為2R的外球面時，首先疊放一個長度為D量塊組，將它垂直放在錐窩的 上平面上，調(diào)整滑塊位置，使得測頭在垂直狀態(tài)測量量塊組的上表面，測頭的示 值為d，反復(fù)調(diào)整滑塊的位置，使得量塊組的長度D和測頭的示值d應(yīng)滿足，此 時表示測頭垂直調(diào)整準(zhǔn)確= + ~^——/z sin or / 2式中R為被測球體的外球面半徑，H為外球面最高點到錐窩上平面的距離，h為錐窩的深度，"為錐窩錐角；(2) 、測量內(nèi)球面時，測頭在水平方向的調(diào)整與垂直方向的調(diào)整，水平方向的調(diào)整為測定內(nèi)徑為2R的內(nèi)球面時，首先用量塊夾裝夾高精度的量塊疊排成 一個長度為2R的量塊組，放在錐窩上，使得測頭在水平方向上反復(fù)測量量塊夾兩端的的兩個工作面，通過調(diào)整量塊夾的位置和測頭的裝夾位置，最后使得測頭在量塊夾的兩個工作面測量值為零，此表示測頭在水平方向調(diào)整準(zhǔn)確；垂直方向 的調(diào)整為測量內(nèi)徑為2R的內(nèi)球面時，首先用量塊夾裝夾高精度的量塊疊排成 一個長度為D的量塊組，將它們垂直放在錐窩的上平面上，調(diào)整滑塊位置，使 得測頭在垂直狀態(tài)測量量塊夾的上工作面，測頭的示值為d，反復(fù)調(diào)整滑塊的位 置，使得量塊組的長度D和測頭的示值d應(yīng)滿足，此時表示測頭垂直調(diào)整準(zhǔn)確—m式中&為被測內(nèi)球面的公稱球半徑，R為其外球面的半徑，H為內(nèi)球面最高點到錐窩上表面的距離，h為錐窩的深度，m為量塊夾夾腳的厚度，"為錐窩錐 角。測頭裝夾在旋轉(zhuǎn)臂上并能隨其繞水平軸系旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動，水平軸系可做上下 調(diào)整運動，被測球體使用錐窩夾具裝夾固定，錐窩夾具固定在垂直軸系轉(zhuǎn)臺上， 、測量時，被測球體繞垂直軸系旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)緯線轉(zhuǎn)位，測頭繞水平軸系旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)經(jīng)線幾何學(xué)把球面定義為半圓繞其直徑一周后所形成的表面，也即三維空間中到 定點距離為常數(shù)的點的集合。球面由雙回轉(zhuǎn)運動合成，本發(fā)明主要有兩垂直正交 的高精密軸系、測頭系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理等部分組成，適用于不同直徑球體的球徑和 球度測量，而且通過更換旋轉(zhuǎn)臂對內(nèi)外球面都可以進(jìn)行測量，精度很高。


圖l為本發(fā)明結(jié)構(gòu)方案示意圖。圖l (a)為測外球面結(jié)構(gòu)圖，圖l (b)為測內(nèi)球面結(jié)構(gòu)圖 圖2為本發(fā)明進(jìn)行測頭水平方向調(diào)整時結(jié)構(gòu)圖。圖2 (a)為測外球面示意，圖2 (b)為測內(nèi)球面示意圖3為本發(fā)明進(jìn)行測頭垂直方向調(diào)整時結(jié)構(gòu)圖。圖3 (a)為測外球面示意，圖3 (b)為測內(nèi)球面示意具體實施方式
參見圖1。新型高精度球體多參數(shù)測量儀，包括有底座1，底座1上安裝有 垂直旋轉(zhuǎn)軸系8，垂直旋轉(zhuǎn)軸8構(gòu)成轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)，其上端安裝有錐窩夾具2，底座 上錐窩夾具2—側(cè)安裝有立柱3，所述的立柱3上有可上下滑動的滑塊4，滑塊 4與立柱3有上下調(diào)整及鎖緊機構(gòu)5，所述的滑塊4上安裝有水平旋轉(zhuǎn)軸系9， 所述的水平旋轉(zhuǎn)軸系9上安裝有旋轉(zhuǎn)臂6，所述的旋轉(zhuǎn)臂6上安裝有測頭7，所 述的測頭7位于錐窩夾具2的正上方。所述的測頭為高精度測頭，所述的錐窩夾 具錐底角度為12(T ，所述的旋轉(zhuǎn)臂6可以根據(jù)測量外球面與內(nèi)球面的不同進(jìn)行 更換。測量不同直徑的球體時為了保證測頭都使用在測量范圍內(nèi)，要對測頭在旋轉(zhuǎn) 臂上的裝夾位置進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整方法分述如下(1) 、測量外球面時，測頭在水平方向的調(diào)整與垂直方向的調(diào)整 水平方向的調(diào)整為，參見圖2 (a):測外徑為2R的外球面時，首先用高精度的量塊疊排成一個長度為2R的量塊組，放在錐窩上，使得測頭在水平方向上 反復(fù)測量量塊組兩端的的兩個工作面，通過調(diào)整量塊組的位置和測頭的裝夾位 置，最后使得測頭在量塊組的兩個工作面的測量值為零，此表示測頭在水平方向 調(diào)整準(zhǔn)確；垂直方向的調(diào)整為，參見圖3 (a):測量外徑為2R的外球面時，首先疊放 一個長度為D量塊組，將它垂直放在錐窩的上平面上，調(diào)整滑塊位置，使得測 頭在垂直狀態(tài)測量量塊組的上表面，測頭的示值為d，反復(fù)調(diào)整滑塊的位置，使 得量塊組的長度D和測頭的示值d應(yīng)滿足，此時表示測頭垂直調(diào)整準(zhǔn)確<formula>formula see original document page 7</formula>式中R為被測球體的外球面半徑，H為外球面最高點到錐窩上表面的距離， h為錐窩的深度，"為錐窩錐角。(2) 、測量內(nèi)球面時，測頭在水平方向的調(diào)整與垂直方向的調(diào)整水平方向的調(diào)整為，參見圖2 (b):測定內(nèi)徑為2R的內(nèi)球面時，首先用量塊夾裝夾高精度的量塊疊排成一個長度為2R的量塊組，放在錐窩上，使得測頭 在水平方向上反復(fù)測量量塊夾兩端的的兩個工作面，通過調(diào)整量塊夾的位置和測 頭的裝夾位置，最后使得測頭在量塊夾的兩個工作面測量值為零，此表示測頭在 水平方向調(diào)整準(zhǔn)確；垂直方向的調(diào)整為，參見圖3 (b):測量內(nèi)徑為2R的內(nèi)球面時，首先用量 塊夾裝夾高精度的量塊疊排成一個長度為D的量塊組，將它們垂直放在錐窩的 上平面上，調(diào)整滑塊位置，使得測頭在垂直狀態(tài)測量量塊夾的上工作面，測頭的 示值為d，反復(fù)調(diào)整滑塊的位置，使得量塊組的長度D和測頭的示值d應(yīng)滿足， 此時表示測頭垂直調(diào)整準(zhǔn)確式中&為被測內(nèi)球面的公稱球半徑，R為其外球面的半徑，H為內(nèi)球面最高點到錐窩上表面的距離，h為錐窩的深度，m為量塊夾夾腳的厚度，a為錐窩錐 角。
權(quán)利要求
1、新型高精度球體多參數(shù)測量儀，其特征在于包括有底座，底座上安裝有垂直旋轉(zhuǎn)軸系構(gòu)成轉(zhuǎn)臺，垂直旋轉(zhuǎn)軸系上安裝有錐窩夾具，底座上錐窩夾具一側(cè)安裝有立柱，所述的立柱上有可上下滑動的滑塊，滑塊與立柱上有上下調(diào)整及鎖緊的機構(gòu)，所述的滑塊上安裝有水平旋轉(zhuǎn)軸系，水平旋轉(zhuǎn)軸系上安裝有旋轉(zhuǎn)臂，所述的旋轉(zhuǎn)臂上安裝有高精度測頭，所述的垂直旋轉(zhuǎn)軸系與水平旋轉(zhuǎn)軸系垂直正交，所述的測頭位于錐窩夾具的正上方。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型高精度球體多參數(shù)測量儀，其特征在于所述的旋轉(zhuǎn)臂上安裝的測頭指向球心或背向球心，分別用于測量外球面或內(nèi)球面。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型高精度球體多參數(shù)測量儀的精度調(diào)整方法，其特征在于包括(1) 、測量外球面時，測頭在水平方向的調(diào)整與垂直方向的調(diào)整，水平方向的調(diào)整為測外徑為2R的外球面時，首先用高精度的量塊疊排成一個長度為2R的量塊組，放在錐窩上，使得測頭在水平方向上反復(fù)測量量塊組兩端的的兩個工 作面，通過調(diào)整量塊組的位置和測頭的裝夾位置，最后使得測頭在量塊組的兩個工作面的測量值為零，此表示測頭在水平方向調(diào)整準(zhǔn)確；垂直方向的調(diào)整為測 量外徑為2R的外球面時，首先疊放一個長度為D量塊組，將它垂直放在錐窩的 上平面上，調(diào)整滑塊位置，使得測頭在垂直狀態(tài)測量量塊組的上表面，測頭的示 值為d，反復(fù)調(diào)整滑塊的位置，使得量塊組的長度D和測頭的示值d應(yīng)滿足，此 時表示測頭垂直調(diào)整準(zhǔn)確<formula>formula see original document page 2</formula>式中R為被測球體的外球面半徑，H為外球面最高點到錐窩上平面的距離，h為錐窩的深度，"為錐窩錐角；(2) 、測量內(nèi)球面時，測頭在水平方向的調(diào)整與垂直方向的調(diào)整，水平方向的調(diào)整為測定內(nèi)徑為2R的內(nèi)球面時，首先用量塊夾裝夾高精度的量塊疊排成一個長度為2R的量塊組，放在錐窩上，使得測頭在水平方向上反復(fù)測量量塊夾 兩端的的兩個工作面，通過調(diào)整量塊夾的位置和測頭的裝夾位置，最后使得測頭 在量塊夾的兩個工作面測量值為零，此表示測頭在水平方向調(diào)整準(zhǔn)確；垂直方向的調(diào)整為測量內(nèi)徑為2R的內(nèi)球面時，首先用量塊夾裝夾高精度的量塊疊排成 一個長度為D的量塊組，將它們垂直放在錐窩的上平面上，調(diào)整滑塊位置，使 得測頭在垂直狀態(tài)測量量塊夾的上工作面，測頭的示值為d，反復(fù)調(diào)整滑塊的位 置，使得量塊組的長度D和測頭的示值d應(yīng)滿足，此時表示測頭垂直調(diào)整準(zhǔn)確<formula>formula see original document page 3</formula>式中^為被測內(nèi)球面的公稱球半徑，R為其外球面的半徑，H為內(nèi)球面最高點到錐窩上表面的距離，h為錐窩的深度，m為量塊夾夾腳的厚度，"為錐窩錐 角。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型高精度球體多參數(shù)測量儀及其精度調(diào)整方法，包括有底座，底座上安裝在可轉(zhuǎn)動的錐窩夾具，底座上錐窩夾具一側(cè)安裝有立柱，所述的立柱上有可上下滑動的滑塊，滑塊與立柱有上下調(diào)整及鎖緊機構(gòu)，所述的滑塊上安裝有旋轉(zhuǎn)臂，所述的旋轉(zhuǎn)臂上安裝有測頭，所述的測頭位于錐窩夾具的正上方。適用于不同直徑球體的球徑和球度測量，而且通過更換旋轉(zhuǎn)臂對內(nèi)外球面都可以進(jìn)行測量，精度很高。
文檔編號G01B5/20GK101221031SQ20081001953
公開日2008年7月16日 申請日期2008年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月21日
發(fā)明者夏豪杰, 平 尚, 王晨晨, 費業(yè)泰, 陳寶剛, 陳曉懷 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)