專利名稱：可變徑接觸式球徑儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及球面光學(xué)元件，特別是一種可變徑接觸式球徑儀。
背景技術(shù)：
球徑儀就是測(cè)量球面光學(xué)元件表面曲率半徑的儀器。光學(xué)元件是很精密的元件，球面鏡的球半徑如果不能夠測(cè)準(zhǔn)，則無法確定焦點(diǎn)等元件參數(shù)?，F(xiàn)有的測(cè)量球徑的接觸式球徑儀典型的有兩種第一是用于現(xiàn)場(chǎng)加工時(shí)的粗略測(cè)量，精度低，采用的機(jī)械裝置誤差較大。優(yōu)點(diǎn)是能改變弦半徑，使用方便。比如CN86201617u，名稱為直讀式球徑儀。它采用卡盤作為支架的底座，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)卡盤時(shí)帶動(dòng)支架的同時(shí)向外移動(dòng)，在測(cè)量方面采用螺旋測(cè)微結(jié)構(gòu)，然而這種方法精度太低。因?yàn)闇y(cè)量時(shí)1、頂桿是否已經(jīng)正好頂?shù)角蛎娌荒芎芎门袛?，有很大的人為隨機(jī)誤差。
2、卡盤在制造上精度不高，在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)同步性能不佳，所以它只能用于現(xiàn)場(chǎng)的即時(shí)粗略測(cè)量。
第二種典型器件是使用測(cè)環(huán)的接觸式球徑儀，它能夠達(dá)到很高的精度。它的基本原理是使用多個(gè)高精度測(cè)環(huán)對(duì)各種不同曲率半徑的球面鏡進(jìn)行測(cè)量，可以達(dá)到很高的測(cè)量精度。但測(cè)量前要先將一平晶放在測(cè)環(huán)上作測(cè)桿位置的零位校正，然后放上待測(cè)球面鏡測(cè)出矢高，再代入球徑公式計(jì)算，求得球半徑R。這種球徑儀精度很高，但是造價(jià)昂貴，并且由于測(cè)環(huán)有限，只有固定直徑的環(huán)，因此不可能所有直徑的球面鏡都能達(dá)到標(biāo)稱的最高精度，如德國的Spheromatic H球徑儀，精度很高，但是并非對(duì)所有的球面鏡都達(dá)到最高的測(cè)量精度，并且更換測(cè)環(huán)后再次測(cè)量比較麻煩，并容易損壞器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服上面兩種器件的不足，提供一種可變徑接觸式球徑儀，以使非標(biāo)準(zhǔn)半徑的球面鏡的測(cè)量都能達(dá)到較高的精度，對(duì)同一個(gè)球面鏡可進(jìn)行變參量的重復(fù)測(cè)量，大大減小測(cè)量過程的隨機(jī)誤差和人為因素影響。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種可變徑接觸式球徑儀，其特征在于它由自動(dòng)控制和機(jī)械主體兩部分組成該自動(dòng)控制部分的計(jì)算機(jī)有2條線路連接，一路接電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，該驅(qū)動(dòng)電源以數(shù)據(jù)線聯(lián)結(jié)步進(jìn)電機(jī)，另一路接光柵尺；機(jī)械主體部分由導(dǎo)軌支架、連接桿、光柵尺、滾軸絲桿機(jī)構(gòu)和機(jī)體組成該步進(jìn)電機(jī)固定在機(jī)體的底座上，步進(jìn)電機(jī)上與轉(zhuǎn)子配套的聯(lián)軸器連接滾軸絲桿，該滾軸絲桿底部有外套管，4根支撐桿一端連接外套管，另一端固定于底座，將滾軸絲桿固定在底座的中心位置，絲桿軸底部開有長螺紋，頂部加裝的兩片夾板將圓環(huán)套件禁錮于絲桿軸頂部，隨絲桿軸而上下移動(dòng)，該圓環(huán)套件通過精密鉸鏈與連桿相連，該連桿的另一端通過精密鉸鏈連接到滑塊下伸出導(dǎo)軌下部的突出部上；3根連接桿成傘狀結(jié)構(gòu)，支架固定在滑塊上，該滑塊可沿直線導(dǎo)軌移動(dòng)；該導(dǎo)軌支架由直線導(dǎo)軌、滑塊、支架、突出部和小鋼球組成導(dǎo)軌支架頭部通過支撐桿固定在底座上，尾部固定在機(jī)體的外壁上，滑塊卡在直線導(dǎo)軌上，直線導(dǎo)軌底部是開槽的，滑塊下部具有突出部，該突出部通過槽口伸出直線導(dǎo)軌的部分安裝精密鉸鏈，支架固定在滑塊之上，支架在相同的部位開定位孔，在安裝時(shí)確保三條直線導(dǎo)軌齊平并互成120°，所述的小鋼球安裝在支架的尖端上，當(dāng)三個(gè)支架同時(shí)向中心移動(dòng)時(shí)，所述的小鋼球可同時(shí)集中在同一中心點(diǎn)；所述的光柵尺，包括本體、測(cè)量頭和探頭，光柵尺垂直放置，其本體的底端用螺釘固定在平臺(tái)上，該平臺(tái)通過支架固定在底座上，確保探頭比小鋼球組成的平面略高。
所述的光柵尺具有光信號(hào)接收、光電信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)輸出功能。
本發(fā)明可變徑接觸式球徑儀有以下優(yōu)點(diǎn)1、使用方便，測(cè)量不同半徑的球面鏡無須更換測(cè)環(huán)，也不需要每次都在測(cè)量前校零；2、精度高，測(cè)量不同球面鏡時(shí)，可以調(diào)節(jié)支架使支撐點(diǎn)的對(duì)心距與待測(cè)球面鏡的底面半徑相同，達(dá)到最高測(cè)量精度效果；3、實(shí)現(xiàn)了對(duì)同一待測(cè)鏡面的變參量弦半徑r的重復(fù)測(cè)量。這里所說的弦半徑是指小鋼球與球面鏡鏡面的3個(gè)接觸點(diǎn)所形成的圓的半徑，它是指實(shí)際球徑儀使用的球面弦半徑，即最后代入計(jì)算式計(jì)算得弦半徑r。由于，通過每次改變少許弦半徑r，同一球面鏡可以在不同弦半徑下多次測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了變參量即弦半徑r的重復(fù)測(cè)量。克服了測(cè)環(huán)對(duì)同一球面鏡無法多次測(cè)量的弊病，消除了隨機(jī)誤差和人為因素影響。
4、自動(dòng)化程度較高，在光柵尺測(cè)量后的得到數(shù)據(jù)后，輸入微機(jī)中，由計(jì)算程序計(jì)算后直接將結(jié)果顯示在微機(jī)顯示屏上。


圖1是本發(fā)明可變徑接觸式球徑儀整個(gè)裝置的示意圖。
圖2是本發(fā)明裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。
圖3是導(dǎo)軌支架1的主視圖。
圖4是導(dǎo)軌支架1的俯視圖。
圖5是圖3導(dǎo)軌支架1的A-A剖視圖。
圖6是機(jī)械部分裝置俯視圖。
圖7是滾軸絲桿4部分視圖。
具體實(shí)施例方式
首先請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明可變徑接觸式球徑儀由自控部分和機(jī)械主體兩個(gè)部分組成自控部分有微機(jī)7-1，驅(qū)動(dòng)電源7-2，步進(jìn)電機(jī)5-1。通過使用以單片機(jī)7-1為核心的驅(qū)動(dòng)電源7-2，以數(shù)據(jù)線7-3聯(lián)結(jié)步進(jìn)電機(jī)5-1，使步進(jìn)電機(jī)5-1具有步數(shù)，方向，速度均可控的功能。機(jī)械主體部分有導(dǎo)軌支架1、連接桿2、光柵尺3、滾軸絲桿機(jī)構(gòu)4和機(jī)體6。
具體的連接和安裝如下計(jì)算機(jī)7-1有2條線路連接，一路接步進(jìn)電機(jī)5-1的驅(qū)動(dòng)電源7-2，給出驅(qū)動(dòng)電源7-2的信號(hào)脈沖，一路接光柵尺3，接收光柵尺3輸出的信號(hào)，得出測(cè)量結(jié)果并提供給計(jì)算機(jī)7-1。參閱圖2和圖7，步進(jìn)電機(jī)5-1固定于底部的底座6-2上，步進(jìn)電機(jī)5-1上轉(zhuǎn)子配套的聯(lián)軸器5-2連接到滾軸絲桿4-1，滾軸絲桿4-1底部有外套管4-4，4根支撐桿4-5一端連接外套管4-4，一端固定于底座6-2，將絲桿4穩(wěn)穩(wěn)固定于中心位置。絲桿軸4-1底部開有長螺紋，頂部加裝的兩片夾板4-6將圓環(huán)套件4-2禁錮于絲桿軸4-1頂部，隨絲桿軸4-1而移動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)5-1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，推動(dòng)滾軸絲桿4，設(shè)定為當(dāng)步進(jìn)電機(jī)5-1正轉(zhuǎn)時(shí)，滾軸絲桿4-1向上運(yùn)動(dòng)，反之，則向下運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)5-1通過編程，設(shè)定電機(jī)的速度，方向，走動(dòng)步數(shù)。圓環(huán)套件4-2移動(dòng)時(shí)，通過精密鉸鏈2-3帶動(dòng)連桿2-1，連桿2-1起到將絲桿4的豎直運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為水平運(yùn)動(dòng)的作用，連桿2-1的兩頭使用精密鉸鏈2-3和2-2連接到圓環(huán)套件4-2和滑塊1-2下伸出導(dǎo)軌下部的突出部1-4上。3根連接桿2-1成傘狀結(jié)構(gòu)，上部連接到滑塊1-2上的半圓形突出部1-4上，連桿2-1的擴(kuò)張收縮則通過突出部1-4上的鉸鏈2-2推動(dòng)或者拉動(dòng)滑塊1-2，由此來帶動(dòng)固定在滑塊上支架1-3在直線導(dǎo)軌1-1上移動(dòng)。
導(dǎo)軌支架1頭部通過支撐桿6-4固定在底座6-2上，尾部固定在外壁6-1上，以確保導(dǎo)軌支架1的穩(wěn)固。導(dǎo)軌支架1由直線導(dǎo)軌1-1、滑塊1-2、支架1-3、突出部1-4和小鋼球1-5組成?；瑝K1-2卡在直線導(dǎo)軌上只能沿著導(dǎo)軌方向移動(dòng)，直線導(dǎo)軌1-1底部是開有槽口的，滑塊1-2下部安裝好突出部1-4，該突出部1-4伸出直線導(dǎo)軌1-1槽口的部分安裝精密鉸鏈2-2，用于連接連桿2-1。支架1-3固定在滑塊1-2上部，支架1-3在相同的部位開定位孔。在安裝時(shí)確保3個(gè)支架齊平并互成120°。由于將直線導(dǎo)軌1-1預(yù)先調(diào)節(jié)成互成120度角，并且必須對(duì)中心點(diǎn)的對(duì)心度要高。中心點(diǎn)是指當(dāng)3個(gè)支架1-3同時(shí)向中心移動(dòng)，同時(shí)集中在同一點(diǎn)，這一點(diǎn)應(yīng)該是整個(gè)裝置的面中心點(diǎn)。此時(shí)當(dāng)調(diào)節(jié)弦半徑時(shí)就可以達(dá)到3個(gè)支架1-3的同步連續(xù)調(diào)節(jié)，其對(duì)心距相等，即測(cè)量時(shí)所得的弦半徑無結(jié)構(gòu)上誤差。為了不磨損鏡面而設(shè)的小鋼球1-5采用膠合的方法連接在支架1-3上。
測(cè)量器件可以根據(jù)需要選用測(cè)量?jī)x器，對(duì)精度要求較高的可以使用高精度光柵尺，本發(fā)明采用光柵尺3。
該光柵尺3要能在垂直方向使用，該光柵尺3包括本體3-1、測(cè)量頭3-2和探頭3-3。光柵尺3的本體3-1具有光信號(hào)接收、光電信號(hào)轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號(hào)輸出功能，市場(chǎng)可買。其安裝方法為將光柵尺3的本體3-1垂直放置并將底端用螺釘固定在平臺(tái)6-3上，確保探頭3-3能比小鋼球1-5組成的平面略高。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，裝置可以測(cè)量底面弦半徑范圍為10-300毫米的球面鏡，其測(cè)量精度為1微米。
本發(fā)明儀器的使用方法如下在使用前，首先調(diào)節(jié)好支架1-3，光柵尺3探頭3-3。校零過程是將標(biāo)準(zhǔn)平晶放置于導(dǎo)軌支架1的小鋼球1-5上，調(diào)節(jié)光柵尺表頭3-2，使得探頭3-3頂部接觸點(diǎn)與小球1-5與鏡面接觸點(diǎn)處在同一水平面上，這樣就完成了校零。然后步進(jìn)電機(jī)5-1置初值零，在支架1-3放基準(zhǔn)平晶，此時(shí)光柵尺3的測(cè)量頭3-3將與支撐的小鋼球1-5接觸點(diǎn)齊平，此時(shí)光柵尺3的表頭3-2的讀數(shù)設(shè)為零。將待測(cè)球面鏡放于支架1-3小鋼球1-5上，通過步進(jìn)電機(jī)5-1調(diào)節(jié)好小鋼球1-5的對(duì)心距，使小鋼球1-5盡量靠近待測(cè)鏡面的邊緣，以保證測(cè)量結(jié)果的精度，記錄此時(shí)步進(jìn)電機(jī)5-1已走過的步數(shù)。將光柵尺3的讀數(shù)輸入微機(jī)7-1上即得到矢高，將矢高和步進(jìn)步數(shù)輸入預(yù)編的計(jì)算軟件后得到一次測(cè)量結(jié)果。在一次測(cè)量完成后，逐次改變少許弦半徑，按相同步驟多次測(cè)量。經(jīng)過6-8次測(cè)量后得到的數(shù)據(jù)，由微機(jī)7-1處理輸出最后結(jié)果。一次測(cè)量完成后可以由計(jì)算機(jī)7-1給光柵尺3發(fā)出指令，使得光柵尺3復(fù)位。
導(dǎo)軌1-1的安裝要與水平面平行，導(dǎo)軌1-1各沿120度分布成3點(diǎn)支撐，3個(gè)支撐的小鋼球1-5到中心的中心距要相同，否則將對(duì)矢高的測(cè)量產(chǎn)生較大的影響。圖2中的底座6-2必須水平，以保證上方機(jī)件的水平度。光柵尺3的測(cè)量頭3-3應(yīng)處于正中心，使得球面鏡放置后能精確測(cè)量矢高。滾軸絲桿軸4-1必須垂直于水平面，以保證圓環(huán)套件4-2同樣垂直運(yùn)動(dòng)，而連接桿2-1推動(dòng)導(dǎo)軌支架1上的滑塊1-2以同一速度運(yùn)動(dòng)，也可以保證運(yùn)動(dòng)后支撐點(diǎn)離中心的中心距保持相等。由于滾軸絲桿4-1上的圓環(huán)套件4-2上的耳杯4-3上沿著導(dǎo)軌支架1的方向安裝同類型3個(gè)精密鉸鏈2-3，確保其中心同一圓上。6-3為平臺(tái)，上邊放置光柵尺3，下部用4根相同的支架6-4支撐，保證其穩(wěn)定性和水平。
圖3是導(dǎo)軌1的主視圖，其中A-A剖面如圖5所示。導(dǎo)軌基座1-1底部開槽，導(dǎo)軌的滑塊1-2鑲嵌于基座中，使得滑塊1-2只能沿導(dǎo)軌1-1方向移動(dòng)，滑塊1-2底部有半圓形突出部1-4通過底部的槽伸出導(dǎo)軌1-2，與連接桿2-1通過鉸鏈2-2連接。在滑塊1-2上固定好支架1-3，保證3個(gè)支架1-3同長，同型，保證支架1-3對(duì)心距的相等。在支架1-3的支撐點(diǎn)上為保證不損傷鏡面，可以作半圓形倒角，也可加裝剛性小球1-5。當(dāng)改變弦半徑時(shí)，連接桿2-1推動(dòng)向外推動(dòng)，帶動(dòng)滑塊1-2沿著導(dǎo)軌1-1方向移動(dòng)，支架1-3緊固于滑塊1-2上也產(chǎn)生同樣的運(yùn)動(dòng)，并且3個(gè)支架1-3以同步同速運(yùn)動(dòng)，由此可以保證最后支撐點(diǎn)處于同一圓上。在保證精度的基礎(chǔ)上，可以通過步進(jìn)電機(jī)5-1的轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)來確定弦半徑的大小。由于小鋼球1-5存在，測(cè)量的最小半徑為1cm。
本發(fā)明的外形可以根據(jù)需要采用不同的形狀，如筒狀，下細(xì)上開的形狀均。
在測(cè)量的器具上，可以根據(jù)需要使用不同的器件，如要求高則可以使用光柵尺，要求不是很高用于實(shí)時(shí)測(cè)量的則可以用千分表，在光柵尺的放置上可以用特殊的豎直放置的也可以將其水平放置，并加改向裝置以取得豎直方向上的測(cè)量。
本發(fā)明的測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于測(cè)量精度不高情況下，可以使用千分表代替光柵尺，可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)復(fù)雜性。千分表的安裝同樣是垂直放置，在千分表下方安放可調(diào)節(jié)高度的支架，調(diào)節(jié)支架將千分表的測(cè)量頭與小鋼球平面齊平，同樣進(jìn)行校零。
本發(fā)明與蘇州大學(xué)趙陽發(fā)明的直讀式球徑儀(CN86201617u)和德國的Spheromatic H球徑儀相比，結(jié)構(gòu)有新的創(chuàng)新點(diǎn)，性能優(yōu)良。本發(fā)明對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)半徑球面鏡的測(cè)量都能達(dá)到較高的精度，對(duì)同一個(gè)球面鏡可進(jìn)行變參量的重復(fù)測(cè)量，減少了測(cè)量中的隨機(jī)誤差。
權(quán)利要求
1.一種可變徑接觸式球徑儀，其特征在于它由自動(dòng)控制和機(jī)械主體兩部分組成該自動(dòng)控制部分的計(jì)算機(jī)(7-1)有2條線路連接，一路接電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源(7-2)，該驅(qū)動(dòng)電源(7-2)以數(shù)據(jù)線聯(lián)結(jié)步進(jìn)電機(jī)(5-1)，另一路接光柵尺(3)；機(jī)械主體部分由導(dǎo)軌支架(1)、連接桿(2)、光柵尺(3)、滾軸絲桿機(jī)構(gòu)(4)和機(jī)體(6)組成該步進(jìn)電機(jī)(5-1)固定在機(jī)體(6)的底座(6-2)上，步進(jìn)電機(jī)(5-1)上與轉(zhuǎn)子配套的聯(lián)軸器(5-2)連接滾軸絲桿(4)，該滾軸絲桿(4)底部有外套管(4-4)，4根支撐桿(4-5)一端連接外套管(4-4)，另一端固定于底座(6-2)，將滾軸絲桿(4)固定在底座(6-2)的中心位置，絲桿軸(4-1)底部開有長螺紋，頂部加裝的兩片夾板(4-6)將圓環(huán)套件(4-2)禁錮于絲桿軸(4-1)頂部，隨絲桿軸4-1而移動(dòng)，該圓環(huán)套件(4-2)通過精密鉸鏈(2-3)與連桿(2-1)相連，該連桿(2-1)的另一端通過精密鉸鏈(2-2)連接到滑塊(1-2)下伸出導(dǎo)軌(1-1)下部的突出部(1-4)上；3根連接桿(2-1)成傘狀結(jié)構(gòu)，支架(1-3)固定在滑塊(1-2)上，該滑塊(1-2)可沿直線導(dǎo)軌(1-1)移動(dòng)；該導(dǎo)軌支架(1)由直線導(dǎo)軌(1-1)、滑塊(1-2)、支架(1-3)、突出部(1-4)和小鋼球(1-5)組成導(dǎo)軌支架(1)頭部通過支撐桿(6-5)固定在底座(6-2)上，尾部固定在機(jī)體(6)的外壁(6-1)上，滑塊(1-2)卡在直線導(dǎo)軌(1-1)上，直線導(dǎo)軌(1-1)底部是開槽的，滑塊(1-2)下部具有突出部(1-4)，該突出部(1-4)通過槽口伸出直線導(dǎo)軌(1-1)的部分安裝精密鉸鏈(2-2)，支架(1-3)固定在滑塊(1-2)之上，支架(1-3)在相同的部位開定位孔，在安裝時(shí)確保三條直線導(dǎo)軌(1-1)互成120°，所述的小鋼球(1-5)安裝在支架(1-3)的尖端上，當(dāng)三個(gè)支架(1-3)同時(shí)向中心移動(dòng)時(shí)，所述的小鋼球(1-5)可同時(shí)集中在同一中心點(diǎn)；所述的光柵尺(3)，包括本體(3-1)、測(cè)量頭(3-2)和探頭(3-3)，光柵尺(3)的本體(3-1)垂直放置并將底端用螺釘固定在平臺(tái)(6-3)上，該平臺(tái)(6-3)通過支架(6-4)固定在底座(6-2)上，確保探頭(3-3)比小鋼球(1-5)組成的平面略高。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變徑接觸式球徑儀，其特征在于所述的光柵尺(3)具有光信號(hào)接收、光電信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)輸出功能。
全文摘要
一種測(cè)量球面鏡球半徑的可變徑接觸式球徑儀，它由微機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、直線導(dǎo)軌、光柵尺和滾軸絲桿等部件組成。由光柵尺測(cè)量球面鏡的矢高，再由計(jì)算機(jī)根據(jù)公式算出球面鏡的半徑。它具有對(duì)任一半徑的球面鏡可測(cè)的特點(diǎn)，測(cè)量精度高，大大減小了測(cè)量過程的隨機(jī)誤差和人為因素影響。
文檔編號(hào)G01B5/22GK1580688SQ20041001834
公開日2005年2月16日 申請(qǐng)日期2004年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月14日
發(fā)明者董華興, 龐向陽, 博鋒, 王勇, 朱健強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所