專利名稱：激光準直測量形位公差的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光準直測量方法，特別是一種使用組合式激光準直測量儀，來實測大尺寸零件的形位公差的激光準直測量形位公差的方法。
目前國內(nèi)生產(chǎn)車間在測量大尺寸零件的同心度，直線度，平行度、平面度、垂直度時，仍在沿用拉鋼絲放假軸、用大平尺、大角尺等方法。此方法使用時測量精度不理想，測量工序繁雜，費時，因此，機械工廠，尤其是重型機械廠需要在車間現(xiàn)場有實用的、簡捷的、高精度的測量形位公差的方法。
本發(fā)明的目的是提供一種使用激光準直測量儀來實測大尺寸零件的形位公差的激光準直測量方法。即可測量距離大于20M，分辯率優(yōu)于1/000mm的工件，自動完成大尺寸零件形位偏差測量，且可在生產(chǎn)現(xiàn)場實現(xiàn)測量的激光準直測量形位公差的方法?？朔鲜龅脑瓉碓跍y量大尺寸零件的同心度，直線度，平行度、平面度、垂直度時使用原有的儀器和方法的缺點和不足。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的采用一種激光準直測量儀，它由激光發(fā)射部分和激光位敏探測部分組成，激光發(fā)射部分是Ga-Al-As長距離激光發(fā)射管，裝在四自由度光學(xué)云臺中，此云臺又支承在落地支架上，Ga-Al-As激光發(fā)射管由電源供電；激光位敏探測部分由內(nèi)裝PIN-SC硅光伏效應(yīng)四軸線型位敏探測器的接收器插入靶芯中，其外為絕緣套，它的光電放大電路裝設(shè)在其上的線路板上；放大后的光/電信號經(jīng)由電纜9送入A/D轉(zhuǎn)換放大盒，經(jīng)過其內(nèi)部電路的采集、保持、轉(zhuǎn)換及輸出控制，信號從放大盒上的62芯接口引出電纜與控制微機相聯(lián)。(圖1)測量值也可由激光位敏探測器運算電路給出。
本發(fā)明中使用的激光發(fā)射管為Ga-Al-As半導(dǎo)體二極管，紅色可見光，作用距離20M、40M兩種規(guī)格，是定向開發(fā)的關(guān)鍵光電子器件。本發(fā)明中使用的激光探測器為PIN-SC系列硅光伏效應(yīng)二極管，它由四個分立元件組成，當激光光照射在探測器不同位置時，可顯示出二維坐標(X、Y，有方向判斷)讀數(shù)；當激光光點照射在中心位置時，顯示值為O(0，0)。這就是本發(fā)明中的調(diào)零和對中技術(shù)的硬件支持。這種二維坐標讀數(shù)的激光探測器只感測出激光光斑的能量中心，和光斑的大小和形狀無關(guān)。本發(fā)明中使用的PIN-SC硅光伏效應(yīng)位敏探測器第三個特點是在90％的有效面積上，保持99.9％的絕對精度，它作為模擬量器件的位置探測精度只受光點位置和A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動放大電路放大倍率的限制。本發(fā)明中，A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動放大電路放大倍率已設(shè)計成0.01mm對應(yīng)輸出電壓＞10mV，則本儀器的精度可達到0.001mm(1μm)。
本發(fā)明的技術(shù)方案還可用附圖作更加具體詳細的闡述。本發(fā)明使用的激光準直測量儀如圖1所示，圖中1是激光發(fā)射器，作成插入式靶芯，在靶芯內(nèi)裝有Ga-Al-As激光發(fā)射管2，由電源3供電。圖中4是四自由度光學(xué)云臺，此云臺又支承在落地支架5上，設(shè)置1、2、3、4、5全套裝置，就可校正得出基準直線13，一旦基準直線建立，就可對被調(diào)整對象14的形位公差作出實測，此時只需將激光探測器靶芯6支撐在被調(diào)對象14相應(yīng)的基準點上，就可立刻讀出X、Y兩個方向的偏差，邊調(diào)整，邊復(fù)驗直到合格為止。圖1顯示的激光探測器靶芯6，內(nèi)裝PIN-SC硅光伏效應(yīng)四軸線型位敏探測器7及光放大電路8，放大后的光/電信號經(jīng)由電纜9送入A/D轉(zhuǎn)換放大盒10，經(jīng)過其內(nèi)部電路的采集、保持、轉(zhuǎn)換及輸出控制，信號從放大盒10上的62芯接口引出電纜11與控制微機12相聯(lián)，由軟件控制微機工作并自動完成測量。為了運用微機進行控制和操作設(shè)計一套功能齊全與工藝要求相匹配的軟件系統(tǒng)支持運行，微機能自動檢測出偏差及調(diào)整量，在微機屏幕上以漢字，圖形顯示，實時的數(shù)字文字說明，便于中國人使用。圖1中基準直線13的校正，是通過O1-O2-O3三點共線得出。
本發(fā)明的方法圖2是本發(fā)明特殊使用操作方法的詳解，具體作法是二次瞄準，測量、計算再次瞄準而達到三點共線，建立測量基準直線20(即圖1中的基準直線13)。對照圖2詳解作法如后圖2中的2是激光發(fā)射管，15是雙柱式導(dǎo)向支架，在雙柱式導(dǎo)向支架15上安裝PIN-SC硅光伏效應(yīng)四軸線位敏探測器7，基準直線必經(jīng)的二點為O2、O3，即O2、O3在基準直線20上，它的光點中心為O1′ 。如何將O1′ -O2-O3三點共線的熟練掌握，是運用本發(fā)明的基本技能，應(yīng)牢固掌握熟練操作。
第一步將導(dǎo)向支架15確定支放點O2、O2并作明顯標記(如在平面度，直線度測量時)。支放好激光發(fā)射管2、調(diào)整支架5，激光發(fā)射器2它的中心點為O1。
第二步將探測器靶芯插在支架15的O2處，將激光發(fā)射器與探測器瞄準對中(X＝0，Y＝0)然后將位敏探測器7移到O3處，得到讀數(shù)A(圖2中的線段18)，確定一個點O3′，由此得到O1-O2-O3′附助線，O1-O2′＝L1，O2′-O3″＝L2。
第三步計算O2-O2′＝X由圖2幾何關(guān)系有X＝O2-O2′A＝O3′-O3可標出X＝A×
將激光探測器它放在O2，調(diào)整激光發(fā)射器2，對準O2′，用X來控制，此時又可得出第二條輔助直線O1-O2′-O3″。(即20″線)第四步，操作調(diào)整支架5，移動空間直線20″(即O1-O2＇-O3″)使O1→O1′；O2′→O2，此時與基準直線O1′-O2-O3共線。圖2中的編號20＝O1′-O2-O3為基準直線。
第五步校驗。將位敏探測器7分別它放置在O2，O3處，激光發(fā)射器2在O1′處，分別對準測量O2處有X＝0，Y＝0；O3處同樣有X＝0，Y＝0，即合格。
圖3是本發(fā)明在直線度測量調(diào)整方法示意圖，圖3中的被檢測調(diào)整工件21(圖中標號21是被測工件的輪廓面)，第一步建立測量基準直線20，通過上述的二次瞄準方法，達到三點共線從而可建立測量基準直線20。圖3中設(shè)二個通用型雙導(dǎo)柱式靶芯支承架15，它們的位置應(yīng)作標記以備復(fù)?；鶞手本€20時作基準，第二步在被測工件的輪廓面上移動雙導(dǎo)柱式靶芯支承架15，和讀出其上的位敏探測器7的偏離讀數(shù)，即得到直線度。同理圖3所示的測量原理，亦一可用來檢測平面度，靜撓度，扭曲度，測量工作也簡易可行。
圖4是本發(fā)明在平行度測量調(diào)整方法示意圖。圖4中O4-O5中心線23與O6-O7中心線24為兩條待檢查的平行軸(例如滾筒)需要檢測，用發(fā)明的經(jīng)兩次瞄準三點共線法測出基準直線22與中心線23是等效的，再用90°折轉(zhuǎn)棱鏡26，得到另一條基準光束27，再用第二個90°棱鏡28，建立與中心線O4-O5等效的基準直線25，一旦基準直線建立，平行度檢查與圖3所示的方法相同。
圖5是采用激光準直測量儀用于單光束激光對中測量系統(tǒng)的布置方法。圖5中的29，30是需要對中的兩旋轉(zhuǎn)軸，對中時將激光發(fā)射器2用通用型雙導(dǎo)柱式靶芯支承架15固定在29上，激光位敏探測器7用件雙導(dǎo)柱式靶芯支承架15固定在旋轉(zhuǎn)軸30上，對中測量時，按時鐘1200；300；600；900盤動旋轉(zhuǎn)軸在四個位置處停留，并由微機編程軟件控制測取四組數(shù)據(jù)。
軟件控制測取四組數(shù)據(jù)X12Y12X3Y3X6Y6X9Y7由激光探測器7讀出上面4組數(shù)，根據(jù)探測器可顯示二維坐標讀數(shù)，很明顯兩軸對中在垂直方向偏差Y⊥由Y12、Y6決定，垂直方向的傾角α⊥由X3、X9得出；在水平方向偏差Y_由Y3、Y9決定水平方向的傾角α_由X12、X6得出。本發(fā)明用微機編程軟件自動計算得出垂直，水平方向的偏差量，為了設(shè)計了一個專用軟件來自動完成這一工作，在屏幕上以漢字，圖形及數(shù)字，文字說明，便于中國人使用。
激光測量三點瞄準共線及兩軸線對中共線計算方法本專利要求的計算方法是兩種激光測量儀器在操作使用中所必須利用的工程計算方法，即1、激光準直儀在操作使用中，需要建立測量基準線，必須利用三點瞄準共線的測量計算方法。即利用準直儀的光電判讀器在一點粗調(diào)時，光點在探測器可接收到；另一點已對準零位。根據(jù)三點瞄準原理，以及發(fā)射光源，第一基準點，第二基準點的幾何尺寸和一個探測器上的偏差矢量(X、Y值探測器二維器件輸出數(shù))來指導(dǎo)手工微調(diào)1～2次，即以極高的精確度找到所需基準線，為進一步完成準直測量提供依據(jù)?，F(xiàn)以Y方向不平度測來證明三點瞄準共線，(以X＝0來控制Y方向的不平度，使不平度嚴格在激光束建立的基準線上)圖6為三點瞄準共線基準建立示意圖。圖中Q為被測平面，Q1、Q2為Q平面上兩基準點，要求測量Q平面上Q3，Q4點的不平度(相對Q1、Q2基準)。
儀器操作使用方法1、在平面Q外任一點P立支架上架設(shè)激光發(fā)射管，射出R＇R＇激光束；在Q1點支架上設(shè)激光探測器，已瞄準光器判讀器指O1(X＝0，Y＝0)，然后將同一探測器移到Q2點，此時探測器讀數(shù)指 ]>作R＇R″∥RR，則有A→1L1=A→2L2]]>
再將Q2點處探測器放到Q1點，手工微調(diào)角度，使R＇R＇轉(zhuǎn)向在探測器上讀出
，即得到R＇R″激光束，再手工微調(diào)平移，使Q1處探測器讀數(shù)為O1[X＝0，Y＝0]得到RR激光束。
二、激光對中儀在兩軸線對中共線操作使用中，按規(guī)定同時盤動兩軸，分別在時針(1200)(300)(600)(900)從光電判讀器的顯示數(shù)值，來計算出兩軸在垂直方向和水平方向的平行偏差與傾角。
按下列數(shù)值組和公式，可以有工程允許的準確度，計算出兩對中軸的偏差1、對單光束對中儀，見圖7(1)對中儀顯示數(shù)值
(2)對中共線偏差計算公式垂直方向Y⊥=Y3-Y92.......(1)]]>α⊥=X12-X62......(2)]]>水平方向Y_=Y3-Y92.....(3)]]>α_=X12-X62.......(4)]]>2、在雙光束對中儀見圖8此種結(jié)構(gòu)是利用90°屋脊棱鏡31將單光束激光折轉(zhuǎn)180°，反射到同側(cè)，優(yōu)點可將激光發(fā)射/接收器作成一整體，而且可將儀器的讀數(shù)精度提高1倍。
(1)對中儀顯示數(shù)值結(jié)構(gòu)形式同前，但絕值均擴大1倍。
(2)對中共線偏差計算公式的形式同前(1)-(4)式，只需將分母系數(shù)變?yōu)?，因此有垂直方向Y⊥=Y12′-Y6′4......(5)]]>α⊥=X3′-X9′4......(6)]]>水平方向Y_=Y3′-Y9′4......(7)]]>α_=X12′-X6′4.....(8)]]>激光對中儀兩軸線對中共線公式用圖解證明，為簡化問題，假定水平方向兩軸完全對中，只分析垂直方向有偏差，證明公式(1)-(8)的正確。
圖解證明見圖9其中a)兩軸已對中共線，無論激光對中儀在1200或600，探測器讀數(shù)不變。
b)兩軸無傾角，左半軸上裝激光發(fā)射器，右半軸上裝激光探測器且右半軸比左半軸低，Y在1200時探測器調(diào)0，則600時探測器讀數(shù)為2Y，代入公式(1)得Y⊥=0-2Y2=-Y]]>C)兩軸無平行偏差有傾角斜度為X，在1200探測器調(diào)0，則600時探測器讀數(shù)為0證明垂直方向的傾角只能在水平方向反射出來，是二維探測器的物理性決定。
d)同上b)但為雙光束對中儀，則1200時探測器上讀數(shù)變?yōu)?，到600時變?yōu)?Y，代入公式(5)得Y⊥=-4Y4=-Y]]>本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明是使用組合式激光準直儀，免培訓(xùn)漢化模塊操作的微機軟件，使生產(chǎn)車間的測量檢測工作實現(xiàn)自動化的方法，這是本發(fā)明是方便中國人使用，并具跨世紀的高新技術(shù)產(chǎn)品。
本發(fā)明所專項開發(fā)采用的最先進的半導(dǎo)體激光準直測量傳感器，作用距離長，測量精度高，這對提高重型機械制造水平將起較大的推動作用。
本發(fā)明的優(yōu)點體現(xiàn)在1、半導(dǎo)體激光測量傳感器先進的技術(shù)指標。
2、以四坐標光學(xué)云臺為代表的多種光學(xué)附件，使基本配置的功能得到最大的發(fā)揮。
3、豐富多樣的自動測量用軟件，既節(jié)約了工時費用，又提高了人員技術(shù)水平。
4、儀器系統(tǒng)的特殊生產(chǎn)全過程均在它配帶的微機顯示屏幕控制調(diào)正完成。
本發(fā)明的意義還表明，當今世界水平的高科技產(chǎn)品生產(chǎn)的全過程已為中國人所掌握。儀器的精度檢測，售后技術(shù)服務(wù)，人員的培訓(xùn)，有實力保證，為在國內(nèi)普遍推廣應(yīng)用創(chuàng)造了良好的環(huán)境。
下面是


圖1是激光準直測量形位公差裝置示意2是激光準直測量形位公差三點共線瞄準示意3是激光準直測量直線度、平面度形位公差示意4是激光準直測量垂直度、平行度形位公差示意5是單光束激光對中示意6是三點共線基準建立示意7是單光束激光對中儀示意8是雙光束激光對中儀示意9是雙光束激光對中儀圖解證明示意圖
權(quán)利要求
1.一種激光準直測量形位公差的方法，其特征在于本發(fā)明特殊使用操作方法的是二次瞄準，測量、計算再次瞄準而達到三點共線，建立測量基準直線；第一步將導(dǎo)向支架確定支放點O2、O2并作明顯標記(如在平面度，直線度測量時)；支放好激光發(fā)射管、調(diào)整支架，激光發(fā)射器它的中心點為O1；第二步將探測器靶芯插在支架的O2處，將激光發(fā)射器與探測器瞄準對中(X＝0，Y＝0)然后將位敏探測器移到O3處，得到讀數(shù)A，確定一個點O3＇，由此得到O1-O2-O3＇附助線，O1-O2＇＝L，O2′-O3″＝L2；第三步計算O2-O2＇＝X X＝A×
，將激光探測器它放在O2，調(diào)整激光發(fā)射器，對準O2＇，用X來控制，此時又可得出第二條輔助直線O1-O2＇-O3″；第四步，操作調(diào)整支架，移動空間直線O1-O2＇-O3″使O→O1＇；O2＇→O2，此時與基準直線O1＇-O2-O3共線；O1＇-O2-O3為基準直線；第五步校驗。將位敏探測器分別它放置在O2，O3處，激光發(fā)射器2在O1＇處，分別對準測量O2＇處有X＝0，Y＝0；0處同樣有X＝0，Y＝0，即合格。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光準直測量形位公差的方法，其特征在于直線度測量調(diào)整方法第一步建立測量基準直線，通過上述的二次瞄準方法，達到三點共線從而可建立測量基準直線；第二步在被測工件的輪廓面上移動位敏探測器，讀出其上的位敏探測器的偏離讀數(shù)，即得到直線度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光準直測量形位公差的方法，其特征在于同理亦可用來檢測平面度，靜撓度，扭曲度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光準直測量形位公差的方法，其特征在于平行度測量調(diào)整方法，經(jīng)兩次瞄準三點共線法測出基準直線與中心線是等效的，再用90°折轉(zhuǎn)棱鏡，得到另一條基準光束，再用第二個90°棱鏡建立與中心線等效的基準直線，一旦基準直線建立，平行度檢查方法可按直線度測量調(diào)整方法。
全文摘要
激光準直測量形位公差的方法,第一步建立測量基準直線,通過上述的二次瞄準方法,達到三點共線從而可建立測量基準直線;第二步在被測工件的輪廓面上移動位敏探測器,讀出其上的位敏探測器的偏離讀數(shù),即得到直線度。同理亦可用來檢測平面度,靜撓度,扭曲度。其優(yōu)點:作用距離長,提高大型機械形位公差精度測量水平。
文檔編號G01B11/27GK1208851SQ97116348
公開日1999年2月24日 申請日期1997年8月18日 優(yōu)先權(quán)日1997年8月18日
發(fā)明者蕭寧華, 武長貴, 張玉明 申請人:蕭寧華, 武長貴, 張玉明