袖珍三坐標測長儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明‘袖珍三坐標測長儀’，一種‘虛擬測長儀器’，它以三坐標空間測量的方式測量全世界各種‘傳統(tǒng)單(雙)坐標測長儀器’(例如萬能測長儀、立式測長儀、圓柱度測量儀、測高儀、便攜式孔板測量儀等)的所有測量對象(例如塊規(guī)、卡規(guī)、環(huán)規(guī)、塞規(guī)、量棒、內(nèi)外螺紋、螺紋環(huán)規(guī)、螺紋塞規(guī)、圓柱、圓球、孔板等)的幾何尺寸和形位公差，其測量的精度和效率遠高于各種‘傳統(tǒng)單(雙)坐標測長儀器’，其成本、價格，體積、重量反而遠低于‘傳統(tǒng)單(雙)坐標測長儀器’，其需求市場遠大于各種‘傳統(tǒng)單(雙)坐標測長儀器’。
【專利說明】袖珍三坐標測長儀
【技術領域】
[0001]本發(fā)明‘袖珍三坐標測長儀’所屬【技術領域】，按‘國際專利分類表’(IPC)分類:G ‘部’，物理；GOl ‘大類’，測量；GOlB ‘小類’，長度、厚度或類似線性尺寸的計量；G01B7 /00 ‘大組’，以采用電或磁的方法為特征的計量設備；G01B7 / 400 ‘小組’，用于測量各點的坐標。它的【技術領域】按IPC分類為G01B7 / 400，屬坐標測量儀器【技術領域】。
【背景技術】
[0002]本發(fā)明‘袖珍三坐標測長儀’，目的是要更新?lián)Q代各種傳統(tǒng)單機‘測長儀器’。這些傳統(tǒng)單機‘測長儀器’，例如萬能測長儀(臥式測長儀)、立式測長儀、測高儀、圓柱度測量儀、輪廓測量儀等，它們的測量對象主要是塊規(guī)長度，環(huán)規(guī)內(nèi)徑、外徑，內(nèi)螺紋、外螺紋中徑，高度，圓柱外徑，球的直徑，塞規(guī)厚度，圓柱度，圓柱母線的直線度等。都是單機單軸一維全手動測量，帶進誤差源，又不能修正誤差，譬如萬能測長儀測量環(huán)規(guī)直徑，這個被測件安裝在工作臺上，被測尺寸線往往與儀器測量軸線不重合，這就需要進行零件找正，通過尋找零件拐點來實現(xiàn)，需要手動調(diào)整工作臺的五個自由度，測量精度和效率受到很大局限。即使傳統(tǒng)單機‘測長儀器’如萬能測長儀加數(shù)顯、計算機，也只是單軸數(shù)顯，單軸誤差修正，判斷拐點，而工作臺沿X、Y、Z軸移動，工作臺繞Y、Z的轉(zhuǎn)動，工作臺這五個自由度的運動仍然是手動，單軸一維手動測量，不能全方位修正誤差，它的測量功能還是制造廠家定義的功能，用戶不能通過自編軟件定義測量功能，更不能通過軟件擴展測量功能，所以它的‘傳統(tǒng)單機儀器’的本質(zhì)并未改變。如果用通用‘三坐標測量儀’測量各種傳統(tǒng)單機‘測長儀器’的測量對象，三軸三維全自動采集幾個測量點的空間坐標值，計算機作數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲，全方位修正誤差(不管被測尺寸線與儀器測量軸線是否重合，不用找正拐點)，一定是高精度、高效率測量。雖然如此，但是通用‘三坐標測量儀’成本、價格高，體積、重量大，不適合更新?lián)Q代成本、價格低，體積、重量小的傳統(tǒng)單機‘測長儀器’。本發(fā)明‘袖珍三坐標測長儀’，它測量各種傳統(tǒng)單機‘測長儀器’的測量對象的幾何尺寸和形位公差，其測量效果跟通用‘三坐標測量儀’ 一樣高精度、高效率，而成本、價格，體積、重量反而低于傳統(tǒng)單機‘測長儀器’，更低于通用‘三坐標測量儀’，僅為其若干分之一。一臺本發(fā)明‘袖珍三坐標測長儀’能測量各種傳統(tǒng)單機‘測長儀器’的所有測量對象，按相應的測量軟件運行，增加一個單機的測量對象，只需要增加一段測量軟件，也就是說，用戶可以根據(jù)被測對象編制測量軟件，用戶自己定義測量功能，擴展測量功能，成為‘虛擬測量儀器’(Virtual instrument)，資料介紹(搜索‘虛擬儀器VS傳統(tǒng)儀器’)，‘虛擬儀器’是本世紀的發(fā)展方向，它必將替代相對應的‘傳統(tǒng)單機儀器’。本發(fā)明‘袖珍三坐標測長儀’是更新?lián)Q代各種傳統(tǒng)單機‘測長儀器’性價比最高的坐標測量儀器?！湔淙鴺藴y長儀’配上或者不配微型CCD攝像頭都可以是最完善的‘袖珍孔板測量儀’。對于孔板的綜合參數(shù)(開孔直徑dm，開孔圓度Dd，孔板厚度E，上游端面平面度P，上下游端面平行度DE，開孔圓筒部分長度e，上游端面與開孔圓筒邊緣之間的銳度rk，表面粗糙度Ra)，‘袖珍三坐標測長儀’都可以以三坐標的形式自動測量它們，其中e、rk、Ra可以用掃描軟件測量，也可以另配CCD微型攝像頭和粗糙度頭測量，兩種孔板測量儀等效，都可謂‘袖珍孔板測量儀’。據(jù)說國外目前還沒有這類孔板測量儀，它們?nèi)匀挥梅稚螜C在實驗室測量，不能現(xiàn)場測量孔板。十多年前面世的便攜式孔板測量儀，現(xiàn)在看出有四個弊病:1、X-軸測頭和Z-軸測頭兩測桿是分離的而不是共用的，Z-軸測微儀與X-軸光柵沒有偶聯(lián)，X-軸測頭也沒有跟Z-軸測微儀相連接，X的坐標值沒有相應的Z值，Z的坐標值也沒有相應的X值，形成不了空間坐標值，不是空間測量，影響測量精度和效率；2、它測量孔板內(nèi)徑再測量外徑時，要手動卸裝X-軸測頭，嚴重影響測量精度和效率；3、它的Z-軸測微儀沒有雙向恒定測力發(fā)出采樣脈沖的功能，影響測量精度和效率；4、它測量e、rk專門制造的測量顯微鏡，制造成本高，手動測量，影響測量精度和效率。‘便攜式孔板測量儀’的這四個弊病，現(xiàn)在‘袖珍孔板測量儀’全部克服了。按國際標準規(guī)定，石油天然氣輸送管道中使用的差壓式流量計的節(jié)流孔板的綜合參數(shù)，必須定期作例行檢查，這就是‘孔板測量儀’的任務。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明‘袖珍三坐標測長儀’，測量各種傳統(tǒng)單機‘測長儀器’的測量對象，測量效果與通用‘三坐標測量儀’ 一樣高精度、高效率；同時，它的成本、價格，體積、重量反而低于單機‘測長儀器’，更低于通用‘三坐標測量儀’，僅為其若干分之一。它是測量各種傳統(tǒng)單機‘測長儀器’的測量對象的性價比最高的坐標測量儀器。如何實現(xiàn)這些特征呢？首先，坐標測量儀都要有測頭(這里用接觸式測頭)，通用‘三坐標測量儀’有，‘袖珍三坐標測長儀’也要有。通用‘三坐標測量儀’的測頭的測桿探測球，接觸被測件時，受到以探測球為中心的任意輻射方向的測力達到設定值時，都會發(fā)出采樣脈沖。這種測頭相當完善，適合于通用‘三坐標測量儀’，但造價昂貴。而‘袖珍三坐標測長儀’的測頭，根據(jù)它的測量對象，不用如此完善，經(jīng)分析和實踐證明，測頭的探測球只需要在X-Z平面內(nèi)相互垂直的兩軸三向X+、X-、Z+探測被測工件，三個方向中任意一方向接觸工件，達到設定測力時，該測頭也會發(fā)出采樣脈沖，這就夠了。工作臺的Y-軸、W-軸的移動量、轉(zhuǎn)動量不用測頭探測定位，用步進電機驅(qū)動，其位移量、轉(zhuǎn)動量是計算機送數(shù)控制，其位移數(shù)字已在計算機內(nèi)。這種X-Z測頭是這樣實現(xiàn)的:用一臺具有雙向測力恒定時發(fā)采樣脈沖信號的Z-軸測微儀和一套由‘水平恒定測力筒’構(gòu)成的X-軸恒定測力發(fā)采樣脈沖的驅(qū)動機構(gòu)，在X-Z平面內(nèi)相互垂直耦合，兩軸共用Z-軸測微儀的測桿，這就構(gòu)成了本發(fā)明‘袖珍三坐標測量儀’ X-Z測頭，既保障有通用‘三坐標測量儀’測頭的性能、作用，又使該測頭成本降低到幾十分之一。第二、通用‘三坐標測量儀’的x、Y、z、w各軸都安裝了價格昂貴的精密光柵傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器，而‘袖珍三坐標測長儀’，只需要x、z軸安裝光柵傳感器，而Y軸不用安裝光柵傳感器，W旋轉(zhuǎn)方向不用安裝旋轉(zhuǎn)編碼器，僅以步進電機代替了光柵傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器以及直流電機的作用，既能按要求送數(shù)，也能驅(qū)動，同時也保證了與通用‘三坐標測量儀’安裝的光柵傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器相同的作用。這方面，成本也降低到幾十分之一。第三、通用‘三坐標測量儀’的Y-軸和Z-軸的最大測量行程一般是相等而且接近X-軸的最大測量行程，如FD-S500型，Sy=Sz=400-Sx=500，其測量容積V=SxXSyXSz.‘袖珍三坐標測長儀’，根據(jù)它的測量對象，經(jīng)過分析和實踐證實，選擇Y-軸最大測量行程Sy=5毫米，根據(jù)各規(guī)格而異，平均取X-軸最大測量行程Sx=300，Z-軸最大測量行程Sz=25，其測量容積僅為通用‘三坐標測量儀’的幾百分之一，體積、重量、材料成本相應降低，‘袖珍三坐標測長儀’與通用‘三坐標測量儀’都有跟測量對象相適應的測量容積。第四、‘袖珍三坐標測長儀’使用的軟件與通用‘三坐標測量儀’使用的軟件大同小異，‘袖珍三坐標測長儀’的軟件跟通用‘三坐標測量儀’軟件，測相同對象時可以通用，‘袖珍三坐標測長儀’使用的軟件可以跟通用‘三坐標測量儀’ 一樣先進，并不因此增加‘袖珍三坐標測長儀’的成本，跟傳統(tǒng)單機‘測長儀器’相比，取消了工作臺的手動調(diào)整機構(gòu)，倒反而更降低了成本。所以‘袖珍三坐標測長儀’保留通用‘三坐標測量儀’的特性，又根據(jù)‘袖珍三坐標測長儀’測量對象的特點，整合前述四方面的
【發(fā)明內(nèi)容】
，在成本、價格，體積、重量諸方面優(yōu)于各類傳統(tǒng)單機‘測長儀器’，也優(yōu)于通用‘三坐標測量儀’。用三坐標空間測量的方式測量單軸量，通過空間坐標值在計算機內(nèi)的數(shù)據(jù)處理、顯示，不管兩軸線是否重合，都能高精度、高效率測量。本發(fā)明‘袖珍三坐標測長儀’可以由用戶按需要自編測量軟件，自定義測量功能，它是測量各類傳統(tǒng)單機‘測長儀器’的測量對象的性價比最高的坐標測量儀器。再說孔板的綜合參數(shù)完全可以用‘袖珍三坐標測長儀’作三坐標測量，其中的e、rk可以用掃描軟件測量，也可以配用一臺微型CCD攝像頭來測量，兩者是等效的，都是目前最完善的‘袖珍孔板測量儀’。
[0004]實施方式(通過附圖加以說明):
[0005]附圖1是Z-軸雙向測力恒定發(fā)出采樣脈沖的測微儀的測桿示意圖，當探測頭I受到軸向雙向測力時，信號電平從10號電線輸出，外殼2與滑套6相互固定，2、6均為金屬材料制成，而上下兩個3號彈簧接頭，固定在4號滑桿上，I是與外殼2連接在一起的探測頭，當探頭I受其軸向壓力或拉力(即測力)時，滑套6在4號滑桿上滑動，同時外殼2在滑柱8上滑動，8號滑柱是絕緣材料制成，上下兩組彈簧5分別受壓和拉，直到外殼2與上電極9(受壓)或下電極7(受拉)接觸，電線10輸出信號電平。接觸頭所受的力，即測力就是上下彈簧5受壓受拉變形產(chǎn)生的力，彈簧變形的長度就是外殼2在滑柱8上向上或向下滑動，直到接觸到上電極9或下電極7，外殼2所經(jīng)歷的距離d，彈簧受壓、拉產(chǎn)生的力，即接觸頭上受到的測力F=2kd，k為彈性系數(shù)，接觸頭I上受到的測力達到設定值時，10號線發(fā)出采樣電平信號。
[0006]附圖2是Z-軸雙向測力恒定發(fā)出采樣脈沖的測微儀示意圖，測桿I就是附圖1所示的測桿，測桿上端與光柵尺主光柵5相連接，可以在滑軌2中上下移動，當直流電機驅(qū)動上滑輪8逆時針轉(zhuǎn)動時，滑輪線牽引測桿I向下移動，探測頭接觸工件后，滑輪線還繼續(xù)把測桿向下壓，直到圖1中的測桿外殼2接觸到上電極9時電線10(圖2的4)發(fā)出信號，通到電路板6，從而產(chǎn)生單脈沖11，同時光柵5輸出位移數(shù)字12，這個脈沖便是測桿接觸頭在被測工件上產(chǎn)生恒定測力后出現(xiàn)的。這個單脈沖有四個作用:把當時的光柵數(shù)字采入計算機，使驅(qū)動直流馬達停止并保持或反轉(zhuǎn)，采樣的聲音警示9，采樣的燈光警示10。當測桿反向運動時，達到恒定測力時也會產(chǎn)生單脈沖和光柵數(shù)字。
[0007]附圖3是水平恒定測力筒的示意圖，測量頭可以固定在地電極筒7上，彈簧接頭3 (左右兩頭各一個)，固定在滑桿5兩端，地電極筒7與滑套6固定，滑套6可以在滑桿5上左右滑動，左右兩根彈簧8分別固定在左右彈簧接頭3和滑套6上，當跟地電極筒連接的測量頭受到向左的力時，滑套6向左移動，右邊彈簧受拉，左邊彈簧受壓，直到地電極筒7接觸到左電極9，電線輸出信號電平，進入圖2中4號位置，產(chǎn)生脈沖11，該脈沖的作用與圖2中4產(chǎn)生的脈沖是同樣的作用。正負電極間的靜態(tài)距離設為d，左右彈簧受壓(或拉)變形的長度也為d，測量頭受的力，即測力F=2kd，k為彈簧的彈性系數(shù)。測量頭反向運動時，同樣的效果。
[0008]附圖4所示為X-軸驅(qū)動組，該圖是把附圖3的水平恒定測力筒連接在X-軸驅(qū)動系統(tǒng)中，圖中3就是附圖3所示的水平恒定測力筒，I為從動輪，5為主動輪和驅(qū)動馬達，4為驅(qū)動托板。工作時，3的地電極筒與圖6的滑塊2相連接。
[0009]附圖5所示為光柵傳感器的安裝圖，它是測頭X-軸的測量標尺，讀數(shù)頭2和尺體3相對移動，讀數(shù)頭2連接在圖6導軌的滑塊2的上面，I為信號輸出電纜，接入計算機接口箱。
[0010]附圖6是滑動導軌安裝圖，I為導軌，2為滑塊。
[0011]附圖7是‘袖珍三坐標測長儀’的X-Y測頭系統(tǒng)機構(gòu)示意圖，1，8是左右支架，2是附圖5的光柵傳感器的尺體，3就是圖4的X-軸驅(qū)動系統(tǒng)的3水平恒定測力筒，7是圖6的滑動導軌的導軌I，這三部件平行安裝于左右支架I和8上，X-驅(qū)動系統(tǒng)的水平恒定測力筒3的地電極筒與導軌滑塊后側(cè)面連接，5是光柵傳感器動尺頭，它固定于導軌滑塊的上面，4是Z-軸恒定測力測微儀，它與X-軸導軌相互垂直通過6安裝于導軌滑塊的前側(cè)面。這時X-軸驅(qū)動馬達轉(zhuǎn)動，動滑輪牽動水平恒定測力筒，帶動滑塊和固定在上面的Z-軸測微儀以及光柵讀數(shù)頭在導軌7上滑動，光柵傳感器有位移數(shù)字輸出，測桿探測頭如遇工件且測力達設定值，水平恒定測力筒發(fā)出采樣信號電平，經(jīng)Z-軸測微儀輸出采樣脈沖，將X、Y、Z、W的坐標值采入計算機，當X、Y、z、W各軸同時運動時,測桿探測球在X+ / X- / z+ / Z-四個方向的任意一個方向受到的測力達到設定值時，在圖2的Z-軸測微儀的11號線輸出采樣脈沖，采集各軸數(shù)字，在計算機內(nèi)形成測量點的坐標值(x，y，z，w)供數(shù)據(jù)處理和控制用。
[0012]圖8是本發(fā)明‘袖珍三坐標測長儀’的系統(tǒng)示意圖，左邊是系統(tǒng)主機圖，它由圖7的X-Y測頭機構(gòu)3和基座4組成，基座4中有圓工作臺，可以在步進電機的驅(qū)動下作360度旋轉(zhuǎn)，也可以在步進電機的驅(qū)動下在Y-軸向定量移動，基座中還有吸附被測工件的微型抽氣泵等。圖8的I是計算機接口箱，2是計算機。
[0013]用本專利可以開發(fā)三類若干規(guī)格新儀器:1、袖珍三坐標測長儀；2袖珍孔板測量儀；3、雙向測力恒定發(fā)采樣信號的立式測微儀；4、雙向測力恒定發(fā)采樣信號的臥式探測儀。
【權(quán)利要求】
1.本發(fā)明‘袖珍三坐標測長儀’，一種‘虛擬測長儀器’，用戶可以自定義測長功能，它具有通用‘三坐標測量儀’的高精度、高效率測量的特性，同時它的成本、價格，體積、重量又遠低于通用三坐標測量儀，也低于傳統(tǒng)單機‘測長儀器’。它配上微型C⑶攝像頭構(gòu)成‘袖珍孔板測量儀’。
2.‘權(quán)利I’所涉及的‘袖珍三坐標測長儀’，其主機是由X-Z測頭和基座組成。
3.‘權(quán)利2’所涉及的‘X-Z測頭’，是由雙向測力達到恒定值時發(fā)出采樣脈沖信號的‘Z-軸測微儀’和由水平恒定測力筒、光柵、導軌及直流馬達組成的X-軸雙向測力恒定時發(fā)采樣脈沖的‘X-驅(qū)動機構(gòu)’，在‘X-Z平面內(nèi)相互垂直耦合，兩軸共用Z-軸測微儀的測桿。測桿探測頭在X+、X-、Z+的任意一個方向達到恒定測力即發(fā)出采樣脈沖，該脈沖把各軸位移數(shù)字(即該點的三維空間坐標值)采入計算機按測量軟件作數(shù)據(jù)處理，使驅(qū)動馬達停止或者反向，聲、光顯示采樣狀況，這便是‘X-Z測頭’。
4.‘權(quán)利3’所涉及的‘Z-軸測微儀’，雙向測力達到設定值時，發(fā)出采樣脈沖，該脈沖把當時的各軸的位移數(shù)字記入顯示器或采入計算機，該脈沖還使驅(qū)動馬達停止或反轉(zhuǎn)，聲、光提不米樣狀況。
5.‘權(quán)利3’所涉及的X-軸雙向測力恒定發(fā)采樣脈沖的X-軸驅(qū)動系統(tǒng)的水平恒定測力筒，測桿探測球在X-軸向產(chǎn)生正/負測力，達到設定值時發(fā)出采樣脈沖，把當時各軸的位移數(shù)字記入顯示器或采入計算機，該脈沖還使驅(qū)動馬達停止或反轉(zhuǎn)，聲、光提示采樣狀況。
【文檔編號】G01B7/008GK103727869SQ201310430614
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年9月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月22日
【發(fā)明者】雷孔成 申請人:雷孔成