專利名稱：工件形狀測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種工件截面形狀的測(cè)量裝置，特別適用于平面工件外形的測(cè)量。屬于以采用光學(xué)方法為特征的，用于測(cè)定外形的計(jì)量設(shè)備。本實(shí)用新型亦可用于測(cè)量與工件截面形狀有關(guān)的參數(shù)，例如面積、輪廓、曲率等。
工件截面形狀是工件的重要測(cè)量參數(shù)，如各種標(biāo)準(zhǔn)卡規(guī)的外形、齒輪的齒形及油馬達(dá)轉(zhuǎn)子、定子的牙形等。其測(cè)量比測(cè)量工件尺寸和角度更為困難。目前雖有多種測(cè)量?jī)x器，大多采用探頭沿工件外表面掃描，然后用光柵測(cè)定探頭的位移，從而得到工件邊緣各點(diǎn)的座標(biāo)。探頭的形狀、尺寸，探頭與工件接觸點(diǎn)的隨意性都會(huì)影響這類儀器的測(cè)量精度。由于要應(yīng)用光柵測(cè)量位移，設(shè)備比較昂貴，成本高，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，不適于批量工件的快速測(cè)量。
本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)一種測(cè)量迅速、方便、價(jià)格較低的工件截面形狀的精密測(cè)量裝置。本實(shí)用新型亦可測(cè)定與工件形狀相關(guān)的其它參數(shù)，如面積、曲率等。
本實(shí)用新型采用頻率高度穩(wěn)定的脈沖光源和光探測(cè)器組成的光學(xué)探頭對(duì)待測(cè)工件與標(biāo)準(zhǔn)圖形進(jìn)行掃描，計(jì)算工件和標(biāo)準(zhǔn)圖形通過(guò)或阻擋的光脈沖數(shù)來(lái)讀出待測(cè)工件邊緣的坐標(biāo)，從而測(cè)定工件的截面形狀及與此相關(guān)的其它參數(shù)。掃描方式可以用逐行直線掃描，也可以采用圓弧掃描方式。標(biāo)準(zhǔn)圖形可依待測(cè)工件靈活選擇，但要求圖形易于加工，精度高。一般選擇圓形、弓形、矩形或正方形。以下簡(jiǎn)單說(shuō)明本實(shí)用新型采用二種掃描方式的測(cè)量原理。


圖1表示光學(xué)探頭相對(duì)于待測(cè)工件作直線掃描方式的測(cè)量原理。標(biāo)準(zhǔn)圖形是圓心為O，并徑為r的圓孔，r為已精密測(cè)量值。待測(cè)工件是一螺紋規(guī)。確定一通過(guò)圓心的直角座標(biāo)系XOY，橫軸OX，縱軸OY。光學(xué)探頭的初始掃描行K1K2平行于OX軸，K1K2與Y軸交點(diǎn)為K0。K1K2間的距離l可以從該行掃描中通過(guò)的脈沖數(shù)n0與沿標(biāo)準(zhǔn)圓孔直徑上掃描時(shí)通過(guò)的脈沖數(shù)n’求得［l＝2r·(n0／n’)］。也可以通過(guò)一長(zhǎng)度已精密測(cè)量的標(biāo)樣掃描或直接用其它精密測(cè)量方法(例如測(cè)定OK0)后求得。探頭從初始掃描行K1K2開始掃描標(biāo)準(zhǔn)圓孔，每掃描一行后，探頭沿Y軸位移一小步長(zhǎng)，繼續(xù)在平行于X軸方向進(jìn)行下一行掃描。當(dāng)掃描線經(jīng)過(guò)待測(cè)工件，例如圖1中的A1A2A3A4線。其中A1、A4為掃描線與標(biāo)準(zhǔn)圓孔圓周的二個(gè)交點(diǎn)，A2、A3為待測(cè)工件二個(gè)邊緣與掃描線的交點(diǎn)。設(shè)A1A2間掃描通過(guò)的光脈沖數(shù)為n1，A2A3間遮斷的光脈沖數(shù)為n2，A3A4間透過(guò)的光脈沖數(shù)為n3，則有()/(A1A2) = (L)/(n0) n1()/(A2A3) = (L)/(n0) n2()/(A3A4) = (L)/(n0) n3()/(A1A4) = (L)/(n0) nk ,nK＝n1＋n2＋n3于是，工件邊緣A2、A3點(diǎn)的座標(biāo)可確定為
A2(X，Y)＝A2 A3(X，Y)＝A3 當(dāng)探頭沿Y軸方向每步進(jìn)一次，在平行于X軸方向掃描一次，即可得到工件邊界上二個(gè)點(diǎn)的座標(biāo)，從而可測(cè)定整個(gè)待測(cè)工件的外形。
圖2表示光學(xué)探頭相對(duì)于待測(cè)工件作圓弧掃描方式的測(cè)量原理。待測(cè)工件同樣為螺紋規(guī)，置于旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)上。樣品臺(tái)上放有一圓心為0半徑為r的圓上截取的標(biāo)準(zhǔn)弓形孔，其弦為K1K2。圓心0到至K1K2的距離OK0為用其它精密測(cè)量方法已精確測(cè)量的量。光學(xué)探頭沿以0為圓心的圓周掃描，每掃描一周，探頭沿徑向進(jìn)動(dòng)一次。以0為極座標(biāo)原點(diǎn)，OK0為極軸，測(cè)定待測(cè)工件邊緣每一點(diǎn)的極座標(biāo)。假定沿A1A2A3A4A1圓周掃描一周的光脈沖數(shù)為n0，而對(duì)應(yīng)圓弧A1A2，A2A3，A3A4間的光脈沖數(shù)分別為n1，n2，n3，則有∠A1OA2＝360°.(n1／n0)∠A3OA4＝360°.(n3／n0)∠A1OA4＝360°.(nK／nO)，nK＝n1＋n2＋n3從而，工件邊緣二點(diǎn)A2、A3的極角分別為φA2＝ 1/2 ∠A1OA4－∠A1OA2＝180°. (nk-2n1)/(n0)φA3＝－［ 1/2 ∠A1OA4－∠A3OA4＝－180°. (nk-2n3)/(n0)A2、A3點(diǎn)共同的極跳
P＝OA1＝OK0／cos 1/2 ∠A1OA4＝OK0／cos(180°. (nk)/(n0) )這樣，通過(guò)測(cè)量待測(cè)工件邊緣各點(diǎn)的極座標(biāo)，即可測(cè)定整個(gè)工件的外形。
從上述這原理可見，標(biāo)準(zhǔn)圖形的精度是測(cè)量的關(guān)鍵。選取不同的標(biāo)準(zhǔn)圖形，其計(jì)算公式雖不相同，但也不難推導(dǎo)。
本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)應(yīng)保證脈沖光源的頻率穩(wěn)定。光學(xué)探頭相對(duì)于待測(cè)工件及標(biāo)準(zhǔn)圖形作掃描運(yùn)動(dòng)時(shí)，掃描速度應(yīng)恒定(以圓弧方式掃描時(shí)，只須同一圓弧上的掃描速度恒定)。光學(xué)探頭的步進(jìn)步長(zhǎng)，可依測(cè)量點(diǎn)的多少選擇，測(cè)量點(diǎn)越多(步長(zhǎng)越小)，測(cè)量精度越高。
本實(shí)用新型包括脈沖計(jì)數(shù)電路，其特征在于有一由晶體振蕩器穩(wěn)頻的脈沖電源激勵(lì)的脈沖光源和光探測(cè)器組成的光學(xué)探頭，光學(xué)探頭位置調(diào)整和步進(jìn)機(jī)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)圖形板，放置待測(cè)工件和標(biāo)準(zhǔn)圖形板的工作臺(tái)以及使光學(xué)探頭相對(duì)于待測(cè)工件和標(biāo)準(zhǔn)圖形板作掃描運(yùn)動(dòng)的、由電機(jī)、減速器、皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和飛輪構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。晶體振蕩器穩(wěn)頻的脈沖電源可保證脈沖光源頻率穩(wěn)定，飛輪可使掃描運(yùn)動(dòng)的掃描速度保持恒定。
本實(shí)用新型的脈沖光源最好是發(fā)出平行光的激發(fā)器或用光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)準(zhǔn)直的激光器或普通光源，以增強(qiáng)光束強(qiáng)度及提高測(cè)量精度。脈沖光的接收可采用對(duì)射式或反射式二種結(jié)構(gòu)。對(duì)射式結(jié)構(gòu)光學(xué)探頭的光源和光探測(cè)器相對(duì)放置，待測(cè)工件置于光源和探測(cè)器之間，光探測(cè)器直接接收脈沖光源發(fā)出的光。反射式結(jié)構(gòu)光學(xué)探頭的光源和光探測(cè)器分別與一根光纜的二根光纖相耦合并置于待測(cè)工件同一側(cè)，光探測(cè)器接收工件表面的反射光。由此可見，使用對(duì)射式光學(xué)探頭，則要求待測(cè)工件表面光亮，能夠反射光并使反射光有一定強(qiáng)度，以使光探測(cè)器接收。
為了保證測(cè)量精度，對(duì)射式光學(xué)探頭的光探測(cè)器前設(shè)有限制光接收窗口大小的光闌或?qū)⒐馓綔y(cè)器與光纖耦合，使光接收窗口盡可能小。
為了進(jìn)一步減小探測(cè)器接收窗口尺寸對(duì)測(cè)量精度的影響，本實(shí)用新型還設(shè)置脈沖幅度分析單元，使只對(duì)超過(guò)脈沖峰值50％的光脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。
本實(shí)用新型的標(biāo)準(zhǔn)圖形板的形狀可以是加工方便，尺寸精確的任意圖形，最好是圓形孔、弓形孔、矩形孔或正方形孔。標(biāo)準(zhǔn)圖形板可與工作臺(tái)制成一體。
由于采用了晶體振蕩器穩(wěn)頻，保證了脈沖光源的頻率穩(wěn)定，對(duì)106赫茲的脈沖光，光探器能檢測(cè)到每一個(gè)脈沖。由電機(jī)、皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及飛輪構(gòu)成的掃描運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)掃描速度恒定。充分小的光探器窗口及脈沖幅度分析單元減少了光束尺寸對(duì)測(cè)量的影響。因此，本實(shí)用新型的測(cè)量誤差主要來(lái)自標(biāo)準(zhǔn)圖形的形狀和尺寸誤差。精密測(cè)量的測(cè)量精度可接近標(biāo)準(zhǔn)圖形精度。
與現(xiàn)有工件形狀測(cè)量?jī)x器相比，本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量迅速方便，成本低的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)測(cè)定工件邊緣的坐標(biāo)，不僅測(cè)定了工件截面的形狀，而且可迅速由計(jì)算機(jī)計(jì)算出與待測(cè)工件截面形狀有關(guān)的其它參數(shù)，如面積，曲率等。
圖1與圖2分別是說(shuō)明本實(shí)用新型采用直線掃描方式和圓弧掃描方式的測(cè)量原理的示意圖。
圖3是本實(shí)用新型一種較佳的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。
本實(shí)用新型可以有多種實(shí)施方式。正如前面所述，光學(xué)探頭相對(duì)于待測(cè)工件的掃描方式可以是直線掃描或圓弧掃描，相對(duì)掃描運(yùn)動(dòng)可以是待測(cè)工件運(yùn)動(dòng)而光學(xué)探頭不動(dòng)或者相反，光學(xué)探頭可以是對(duì)射式結(jié)構(gòu)或反射式結(jié)構(gòu)。這些方式可以按待測(cè)工件及測(cè)量要求的不同而加以組合，從而有多種實(shí)施方案。當(dāng)然，在圓弧掃描方式中采用光學(xué)探頭運(yùn)動(dòng)而待測(cè)工件不動(dòng)，會(huì)涉及光學(xué)探頭電連接的困難，一般不宜采用。
以下結(jié)合圖3推薦一較佳的實(shí)施例。本實(shí)施例采用工件運(yùn)動(dòng)而相對(duì)于光學(xué)探頭作圓弧掃描方式。根據(jù)不同工件，探頭可采用對(duì)射式或反射式。圖3畫出的是對(duì)射式光學(xué)探頭。
圖3中1是同步電機(jī)，2是減速箱，3是皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，4是飛輪，5是工件轉(zhuǎn)臺(tái)，轉(zhuǎn)臺(tái)上附有標(biāo)準(zhǔn)圖形圓孔P，6為待測(cè)工件，本圖中畫出一齒輪，7與8分別是脈沖光源和光探測(cè)器，構(gòu)成一光學(xué)探頭，9為探頭上下位移機(jī)構(gòu)，10為包括一步進(jìn)電機(jī)13及絲桿螺母、導(dǎo)軌(圖中未詳細(xì)畫出)在內(nèi)的探頭徑向(進(jìn)動(dòng))位移機(jī)構(gòu)，11是光源的脈沖電源、脈沖計(jì)數(shù)電路和脈沖幅度分析單元，脈沖電源由晶體振蕩器穩(wěn)頻，12為計(jì)算機(jī)及顯示、打印系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量及計(jì)算、打印等。
測(cè)量時(shí)，將待測(cè)工件(齒輪)6放置在工件臺(tái)5上，使待測(cè)齒位于標(biāo)準(zhǔn)圓孔P之內(nèi)，根據(jù)要求的測(cè)量點(diǎn)密度，選擇光學(xué)探頭徑向步長(zhǎng)。待測(cè)工件在電機(jī)1、減速箱2、皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3及飛輪4帶動(dòng)下，隨工作臺(tái)作均速圓周運(yùn)動(dòng)。為判斷工作臺(tái)是否已進(jìn)入勻速圓周運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可由工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，待測(cè)齒連續(xù)二次阻斷的光脈沖數(shù)是否相等來(lái)確定。當(dāng)工作臺(tái)(工件)處于勻速圓周運(yùn)動(dòng)后，即可進(jìn)行測(cè)量。工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)一周，光學(xué)探頭進(jìn)動(dòng)一步長(zhǎng)，步長(zhǎng)按工件形狀和測(cè)量要求選擇，測(cè)出齒輪邊緣的極座標(biāo)，從而測(cè)得齒輪的形狀。
如果待測(cè)工件表面光亮，邊緣清晰，但邊緣處不是透光或遮光的邊界(例如，工件邊緣有一斜面，而要測(cè)量的是其內(nèi)側(cè)所包含的工件形狀)，則可以應(yīng)采用反射式光學(xué)探頭。
本實(shí)施例測(cè)定截面形狀的同時(shí)，通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算，很容易得到與待測(cè)工件截面形狀有關(guān)的其它參數(shù)，例如面積、曲率等。
權(quán)利要求1.一種以光脈沖方法測(cè)量工件截面形狀的測(cè)量裝置，包括脈沖計(jì)數(shù)電路，本實(shí)用新型的特征在于有一由晶體振蕩器穩(wěn)頻的脈沖電源激發(fā)的脈沖光源和光探測(cè)器組成的光學(xué)探頭，光學(xué)探頭位置調(diào)整和步進(jìn)機(jī)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)圖形板，放置待測(cè)工件和標(biāo)準(zhǔn)圖形板的工作臺(tái)以及使光學(xué)探頭相對(duì)于待測(cè)工件和標(biāo)準(zhǔn)圖形板作掃描運(yùn)動(dòng)的由電機(jī)、減速器、皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和飛輪構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。
2.按權(quán)利要求1所述的測(cè)量裝置，其特征是所說(shuō)的光學(xué)探頭的脈沖光源是發(fā)出平行光的激光器或由光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)準(zhǔn)直的激光或普通光源。
3.按權(quán)利要求1或2所述的測(cè)量裝置，其特征在于所說(shuō)的光學(xué)探頭是光探測(cè)器與脈沖光源相對(duì)放置并置于待測(cè)工件二邊，光探測(cè)器直接接收光源發(fā)出的脈沖光的對(duì)射式光學(xué)探頭。
4.按權(quán)利要求1或2所述的測(cè)量裝置，其特征在于所說(shuō)的光學(xué)探頭是光探測(cè)器和脈沖光源分別與一根光纜的二根光纖耦合并置于待測(cè)工件同一側(cè)，光探測(cè)器接收工件表面反射光的反射式光學(xué)探頭。
5.按權(quán)利要求3所述的測(cè)量裝置，其特征在于所說(shuō)的對(duì)射式光學(xué)探頭的光探測(cè)器前設(shè)有限制光接收窗口大小的光闌或?qū)⒐馓綔y(cè)器與光纖耦合。
6.按權(quán)利要求1所述的測(cè)量裝置，其特征是還有脈沖幅度分析單元。
7.按權(quán)利要求1所述的測(cè)量裝置，其特征是所說(shuō)的標(biāo)準(zhǔn)圖形板的形狀可以是加工方便、尺寸精確的任意圖形，最好是圓形孔、弓形孔、矩形孔或正方形孔。
8.按權(quán)利要求1或7所述的測(cè)量裝置，其特征是所說(shuō)的標(biāo)準(zhǔn)圖形板和工作臺(tái)是一體制成的。
9.按權(quán)利要求1所述的測(cè)量裝置，其特征是還包括計(jì)算機(jī)及顯示、打印系統(tǒng)。
專利摘要一種以光脈沖方法測(cè)量工件截面形狀的測(cè)量裝置，屬于以采用光學(xué)方法為特征的，用于測(cè)量外形的計(jì)量設(shè)備。它包括脈沖計(jì)數(shù)電路。其特征是有一頻率穩(wěn)定的脈沖光源和光探測(cè)器組成的光學(xué)探頭、光學(xué)探頭位置調(diào)整和步進(jìn)機(jī)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)圖形板和工作臺(tái)以及使光學(xué)探頭相對(duì)于待測(cè)工件作掃描運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。本實(shí)用新型最好的測(cè)量精度接近標(biāo)準(zhǔn)圖形板的精度，可廣泛用于機(jī)械零部件形狀檢測(cè)，特別適于測(cè)量平面工件形狀進(jìn)而給出與形狀有關(guān)的其它參數(shù)。
文檔編號(hào)G01B11/24GK2190279SQ9423860
公開日1995年2月22日 申請(qǐng)日期1994年4月27日 優(yōu)先權(quán)日1994年4月27日
發(fā)明者李潤(rùn)身 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海冶金研究所