專利名稱：六點(diǎn)接觸式平面度高精度測(cè)量方法及裝置的制作方法
專利說明 本發(fā)明屬于平面度測(cè)量方法及儀器。
大型機(jī)械零件表面地平面度測(cè)量，目前國(guó)內(nèi)外所常用的方法是水平儀法和準(zhǔn)直儀法。水平儀法是采用節(jié)距法一點(diǎn)一點(diǎn)的測(cè)量，依靠人工讀數(shù)，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，精度低。準(zhǔn)直儀法常用的儀器為自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡和激光準(zhǔn)直儀，測(cè)量過程與水平儀法類似，主機(jī)不動(dòng)，接收靶則在被測(cè)表面上一點(diǎn)一點(diǎn)移動(dòng)，受環(huán)境影響較大，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，且精度也不高。這兩種方法都不便實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量及微機(jī)采集數(shù)據(jù)處理。
本發(fā)明的目的是研制一種適用大平面及超大平面的平面度高精度的且能進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量的方法及儀器。
本發(fā)明的構(gòu)成是采用三個(gè)固定測(cè)頭及三個(gè)動(dòng)測(cè)頭，布置成上下兩排，每排三個(gè)測(cè)頭，其中第一排連續(xù)布置兩個(gè)固定測(cè)頭，第二排中間位置布置一個(gè)固定測(cè)頭，其他位置分別布置三個(gè)動(dòng)測(cè)頭，測(cè)頭之間的距離為等距。
按上述方式布置測(cè)頭的測(cè)量裝置可籍助常規(guī)的傳動(dòng)方法在被測(cè)表面上連續(xù)移動(dòng)，并在所需的測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。
動(dòng)測(cè)頭可以是接觸式的如電感測(cè)頭、光柵測(cè)頭等。也可以是非接觸式的，如電容測(cè)頭。
為便于說明工作原理，將


如下 圖1為測(cè)量裝置示意圖。A，B，E為固定測(cè)頭位置，C，D，F(xiàn)為動(dòng)測(cè)頭位置。a為測(cè)頭間的距離。1為底盤，2為固定測(cè)頭，3為動(dòng)測(cè)頭。
圖2為測(cè)量過程中，測(cè)量裝置測(cè)頭所處的不同位置。其中A1，B1，C1，D1，E1，F(xiàn)1;B1，B2，C2，D2，E2，F(xiàn)2;B2，B3，C3，D3，E3，F(xiàn)3等分別為三次測(cè)量時(shí)，六個(gè)測(cè)頭所處的位置。曲線表示被測(cè)表面的起伏狀況。α為第一次測(cè)量時(shí)，固定測(cè)頭A1，B1，E1所確定的平面，即為整個(gè)測(cè)量過程中的參考基準(zhǔn)平面，直線MN∥M′N′且在平面α上。
圖3為測(cè)量平面時(shí)，測(cè)量裝置的運(yùn)動(dòng)路線。其中A，B，C，D，E，F(xiàn);A′，B′，C′，D′，E′，F(xiàn)′分別為測(cè)量裝置所處不同位置時(shí)測(cè)頭的位置。
圖4被測(cè)表面的三維立體形貌圖。
圖5被測(cè)鋼板的表面被測(cè)點(diǎn)中三高一低點(diǎn)的位置圖。
本發(fā)明的工作原理如下 設(shè)A，B，E三個(gè)固定測(cè)頭在開始測(cè)量時(shí)所確定的平面為基準(zhǔn)平面α，在測(cè)量前將測(cè)量裝置放在標(biāo)準(zhǔn)平晶面上，使六個(gè)測(cè)點(diǎn)與其相接觸，并調(diào)整動(dòng)測(cè)頭的讀數(shù)為“零”，在測(cè)量過程中如動(dòng)測(cè)頭的讀數(shù)為“零”則表示六點(diǎn)都在基準(zhǔn)平面α內(nèi)，如讀數(shù)不為“零”則表示該測(cè)點(diǎn)的位置偏離基準(zhǔn)平面。圖2所示為測(cè)量過程中各測(cè)頭的位置。第一次測(cè)量時(shí)固定測(cè)頭A1，B1，E1接觸被測(cè)表面，A1，B1，E1三點(diǎn)確定一平面。即基準(zhǔn)平面α，通過A1，B1，作MN直線。該線在基準(zhǔn)面α上。通過E1作M′N′線平行MN線，且也在基準(zhǔn)面α上。此時(shí)如三個(gè)動(dòng)測(cè)頭C1，D1，F(xiàn)1的讀數(shù)都為“零”時(shí)則表示被測(cè)六點(diǎn)都在基準(zhǔn)面α上。即被測(cè)六點(diǎn)在同一平面上。如圖2中C1B2，D1D′1，F(xiàn)1E2為三個(gè)動(dòng)測(cè)頭與被測(cè)表面的距離，即表示該三點(diǎn)不與A1，B1，E1三點(diǎn)在同一平面內(nèi)。假定第一排測(cè)頭A1，B1，C1由被測(cè)點(diǎn)表面到基準(zhǔn)面α的距離用Y表示，動(dòng)測(cè)頭的讀數(shù)用X表示。第二排測(cè)頭D1，E1，F(xiàn)1由被測(cè)點(diǎn)到基準(zhǔn)平面α的距離用Y′表示，動(dòng)測(cè)頭讀數(shù)X′表示。則由圖2中可以看出在A1點(diǎn)Y1＝0，在B1點(diǎn)Y2＝0，在C1點(diǎn)｜Y3｜＝C1B2＝｜X1｜，即Y3＝X1。在D1點(diǎn)｜Y′1｜＝D1D′1＝｜X′0｜，即Y′1＝X′0。在E1點(diǎn)Y′2＝0。在F1點(diǎn)｜Y′3｜＝F1E2＝｜X′1｜，即Y′3＝X′1。所以在第一次測(cè)量時(shí)，六個(gè)測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)面的距離分別為Y1，Y2，Y3，Y′1，Y′2，Y′3，其中Y1＝Y(jié)2＝Y(jié)′2＝0。Y3＝X1，Y′1＝X′0，Y′3＝X′1。X1，X′0，X′1都是動(dòng)測(cè)頭的讀數(shù)，故六個(gè)被測(cè)點(diǎn)的數(shù)值都可知。
第二次測(cè)量時(shí)將測(cè)量裝置向右移動(dòng)一段距離a。處于B1，B2，C2，D2，E2，F(xiàn)2的位置。從第一排測(cè)頭看，因C2B3垂直基準(zhǔn)面(即B3點(diǎn)到基準(zhǔn)面的垂線)，所以△B1C2C′2為直角三角形。又因B1B2＝B2C2＝a(a為各測(cè)頭間的距離)∴C2C′2＝2C1B2B3C′2為被測(cè)點(diǎn)到基準(zhǔn)面α的距離距Y4。由圖知B3C′2＝B3C2-C2C′2∴B3C′2＝B3C2-2C1B2 因B3C′2＝｜Y4｜C1B2＝｜Y3｜B3C2＝｜X2｜(即測(cè)頭C2第二次測(cè)量時(shí)的讀數(shù))代入可得 ｜Y4｜＝｜X2｜-｜2Y3｜ 符號(hào)規(guī)定對(duì)Y和Y′值在基準(zhǔn)平面α以上為“正”。反之為“負(fù)”。對(duì)X和X′值在三個(gè)固定測(cè)頭所確定的平面以上的為“正”。反之為“負(fù)”。故可知Y4，X2為正。Y3為負(fù)。
∴可得Y4＝X2+2Y3＝2Y3+X2 本式可寫成Y4＝2Y3-Y2+X2(1)因Y2＝0。
從第二排測(cè)頭看，作F1F′1＝C1B2并過F′1作F′1F′″2∥E2F2，則四邊形B2C2C′2C1≌四邊形F′1F′″2F′2F1(∵F1F′1

C1B2，F(xiàn)′″2 F′2和C2C′2都垂直基準(zhǔn)平面α，又∵E2F2

B2C2，F(xiàn)′1F′″2

E2F2∴F′1F′″2

B2C2)∴F′″2F′2＝C2C′2 由圖知E3F′2＝F′″2F′2-F′″2E3＝C2C′2-F′″2E3 且由前知C2C′2＝2B2C1故代入可得E3F′2＝2B2C1-F′″2E3 又因F′″2E3＝F2E3-F2F′″2，F(xiàn)2F′″2＝E2F′1(平行四邊形對(duì)邊) ∴F′″2E3＝F2E3-E2F′1由圖知E2F′1＝E2F1-F′1F1 ∴F′″2E3＝F2E3-(E2F1-B2C1)(∵F′1F1＝B2C1) ∴E3F′2＝2B2C1-(F2E3-E2F1+B2C1) ＝B2C1-F2E3+E2F1 因E3F′2＝｜Y′4｜，B2C1＝｜Y3｜，F(xiàn)2E3＝｜X′2｜，E2F1＝｜Y′3｜故代入可得｜Y′4｜＝｜Y3｜-｜X′2｜+｜Y′3｜ 按符號(hào)規(guī)則知Y′4，Y′3和Y3都為“負(fù)”。X′2為“正”。
所以可得-Y′4＝-Y3-Y′3-X′2 即Y′4＝Y(jié)3+Y′3+X′2 此式可寫成Y′4＝Y(jié)3-Y2+Y′3+X′2(2)因Y2＝0。
在式(1)，(2)中，Y3，Y′3為已知值。X2，X′2為動(dòng)測(cè)頭讀數(shù)。故在第二次測(cè)量時(shí)即可通過(1)，(2)式的計(jì)算得出Y4，Y′4的數(shù)值，也即是測(cè)點(diǎn)C2，F(xiàn)2偏離基準(zhǔn)面的數(shù)值。
第三次測(cè)量時(shí)再將測(cè)量裝置向右移動(dòng)一距離a。即處于B2，B3，C3，D3，E3，F(xiàn)3位置。從第一排測(cè)頭看，作C1C″3∥B2C3，C1C″3與C′3C3延線交于C″3，并與C2B3延線交于C″2。
由圖知B4C′3＝C″3C′3-C″3B4 在△C1C′3C″3中C″3C′3＝2C′2C″2(∵C′2C″2⊥MN.C′3C″3⊥MN且B2B3＝B3C3，即C1C″2＝C″2C″3)又因C″2C′2＝C″2B3+B3C′2 ∵C″2B3＝C1B2∴C″2C′2＝C1B2+B3C′2 ∴C″3C′3＝2(C1B2+B3C′2) 又因C″3B4＝C″3C3+C3B4C″3C3＝C1B2 ∴C″3B4＝C1B2+C3B4 ∴B4C′3＝2(C′2B3+C1B2)-C″3B4 ＝2C′2B3+2C1B2-(C1B2+C3B4) ＝2C′2B3+C1B2-C3B4 因B4C′3＝｜Y5｜C′2B3＝｜Y4｜C1B2＝｜Y3｜C3B4＝｜X3｜故代入可得｜Y5｜＝2｜Y4｜+｜Y3｜-｜X3｜ 由符號(hào)規(guī)則知Y5，Y4為“正”，Y3，X3為“負(fù)” ∴Y5＝2Y4-Y3+X3(3) 從第二排測(cè)頭看，作F′2F″2

C′2B3 并過F″2作F″2F′3∥E3F3 又∵E3F″2和F3F′3都垂直基準(zhǔn)平面α?！郌″2F′3

E3F3 從圖中可知E4E′4＝E4F3-E′4F3E′4F3＝E′4F′3-F3F′3 因四邊形 F″2F′2E′4F′3≌四邊形B3C′2C′3C3 (∵F′2F″2

C′2B3，F(xiàn)′2E′4

C′2C′3 其它對(duì)應(yīng)邊也相互平行F″2F′3∥B3C3，E′4F′3∥C′3C3) ∴E′4F′3＝C′3C3∴E′4F3＝C3C′3-F3F′3 因四邊形F″2F′3F3E3為平行四邊形 ∴F3F′3＝E3F″2＝E3F′2+F′2F″2∵F′2F″2＝C′2B3 ∴F3F′3＝E3F′2+C′2B3 ∴E4E′4＝E4F3-(C3C′3-F3F′3)＝E4F3-C3C′3+F3F′3) ＝E4F3-C3C′3+E3F′2+C′2B3 ∵E4E′4＝｜Y′5｜，E4E3＝｜X′3｜，E3F′2＝｜Y′4｜，C′2B3＝｜Y4｜ C′3C3＝｜2Y4+Y3｜(因C3C′3＝C′3C″3-C3C″3，而 C′3C″3＝2｜(Y4+Y3)｜C3C″3＝｜Y3｜ ∴C3C′3＝｜2Y4+2Y3-Y3｜＝｜2Y4+Y3｜) 故代入得｜Y′5｜＝｜X′3｜-｜2Y4+Y3｜+｜Y′4｜+｜Y4｜ ＝｜X′3｜-｜Y4｜-｜Y3｜+｜Y′4｜ 按符號(hào)規(guī)則Y′5，Y′4，Y3，X′3均為“負(fù)”，Y4為“正”。
故可得-Y′5＝-X′3-Y4+Y3-Y′4 得Y′5＝Y(jié)4-Y3+Y′4+X′3(4) 同上理(3)、(4)式中除Y5，Y′5外都為已知數(shù)。所以可通過計(jì)算求得Y5，Y′5。
歸納(1)、(3)及(2)、(4)式可看出 Y4＝2Y3-Y2+X2(1) Y5＝2Y4-Y3+X3(3) Y′4＝Y(jié)3-Y2+Y′3+X′2(2) Y′5＝Y(jié)4-Y3+Y′4+X′3(4) 故可得通式 Yi＝2Yi-1-Yi-2+Xi-2 Y′i＝Y(jié)i-1-Yi-2+Y′i-1+X′i-2 具體測(cè)量過程以矩形平面為例。如圖3。將被測(cè)平面按需要測(cè)量的點(diǎn)距分成N行、M列、且使M為偶數(shù)，因測(cè)量點(diǎn)距a即測(cè)量裝置測(cè)頭間的距離可以調(diào)整，所以可從被測(cè)表面的兩邊長(zhǎng)度值求出其最大公約數(shù)即可確定a值。測(cè)量前將裝置放在標(biāo)準(zhǔn)平晶面上調(diào)整三個(gè)動(dòng)測(cè)頭的讀數(shù)為“零”。第一次測(cè)量從點(diǎn)“1”開始，讀出三個(gè)動(dòng)測(cè)頭的讀數(shù)。第二次測(cè)量時(shí)將裝置向右(依箭頭方向)移動(dòng)一點(diǎn)距a，讀出動(dòng)測(cè)頭讀數(shù)可得新的二點(diǎn)的讀數(shù)(即X2，X′2)然后再向右移一a距。讀得X3，X′3，如此連續(xù)測(cè)到邊緣后，將裝置以E點(diǎn)為圓心，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°。即成A′，B′，C′，D′，E，F(xiàn)′位置。這樣即可新讀得兩個(gè)讀數(shù)(即F′，C′點(diǎn))。然后將裝置沿箭頭方向向下移動(dòng)一a距，又可讀得二點(diǎn)的讀數(shù)。如此連續(xù)進(jìn)行到下邊緣，將測(cè)量裝置移放到左上角沿箭頭向下依次測(cè)量，到下邊緣后，再將測(cè)量裝置移放到上部中間部位，按箭頭方向向下測(cè)量，到邊緣即可測(cè)完整個(gè)平面各點(diǎn)的讀數(shù)。所測(cè)得各點(diǎn)的數(shù)據(jù)按通式求出其歸化值，即各被測(cè)點(diǎn)相對(duì)于第一次測(cè)量時(shí)的基準(zhǔn)面α的偏離值，然后將所得數(shù)據(jù)按最小二乘法(或其他方法)計(jì)算出平面度大小或直線度大小。
對(duì)本發(fā)明測(cè)量方法的精度分析如下 測(cè)量精度包括用本發(fā)明的裝置對(duì)每一點(diǎn)測(cè)量時(shí)的誤差及對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)行處理后的誤差之和。
本發(fā)明的測(cè)量裝置的動(dòng)測(cè)頭可采用電感式，電容式等測(cè)頭。目前商品的電感測(cè)頭其誤差為0.1μm。即每一點(diǎn)的讀數(shù)誤差δx＝0.1μm。
因所測(cè)數(shù)距用微機(jī)處理通過A/D變換所產(chǎn)生的誤差δ1＜0.1μm 按通式Y(jié)i＝2Yi-1-Yi-2+Xi-2 Y′i＝Y(jié)i-1-Yi-2+Y′i-2+X′i-1 則得某一測(cè)點(diǎn)的誤差為 加上微機(jī)處理后的誤差δ1＜0.1取δ1＝0.1μm ∴誤差 由于測(cè)量過程是多點(diǎn)測(cè)量，可能產(chǎn)生積累誤差，但這一誤差與一個(gè)方向的測(cè)量點(diǎn)數(shù)有關(guān)，且是隨機(jī)的，與用水平儀測(cè)量時(shí)的情況相似，即以原測(cè)量誤差再乘以/2(n為一個(gè)方向的測(cè)量點(diǎn)數(shù))。
所以用本發(fā)明測(cè)量裝置的總誤差為 目前國(guó)內(nèi)所生產(chǎn)的水平儀和自準(zhǔn)直儀的精度指標(biāo)如下 水平儀
自準(zhǔn)直儀
按計(jì)量?jī)x器設(shè)計(jì)理論可知，儀器精度是儀器讀數(shù)刻度值的1/3～1/10。即低于刻度值的3倍到10倍。所以目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的水平儀和自準(zhǔn)直儀的精度，最好為±2×10-6m/m。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是 1.測(cè)量精度高。如前分析，用本發(fā)明裝置測(cè)量總誤差為μm。對(duì)1米×1米n＝5(按水平儀點(diǎn)距)。則總誤差為±0.23μm，即±0.23×10-6m/m。而用目前常用的水平儀及準(zhǔn)直儀測(cè)量其誤差最好為±2×10-6m/m。
2.可連續(xù)自動(dòng)測(cè)量。適用測(cè)量大尺寸的表面。由于能自動(dòng)測(cè)量，所需時(shí)間較短，所以不會(huì)由于被測(cè)件的溫度變化而影響測(cè)量精度，特別適用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量大件。
3.本測(cè)量方法是以第一次測(cè)量時(shí)三個(gè)固定測(cè)頭與被測(cè)表面接觸點(diǎn)所形成的平面作為基準(zhǔn)面。此后不因被測(cè)件位置的變化(如傾斜及低速運(yùn)動(dòng)等)及其它輔助設(shè)施的精度，環(huán)境變化而影響測(cè)量精度。
4.本發(fā)明對(duì)被測(cè)物體表面形狀和尺寸大小沒有限制。從幾百毫米到十幾米或更大均適用。
本發(fā)明的實(shí)施例如下 被測(cè)表面是用铇床加工的400×450mm2的鋼板。表面用砂紙打磨過。動(dòng)測(cè)頭的讀數(shù)由微機(jī)采樣，并實(shí)時(shí)處理。按最小二乘法計(jì)算出平面度大小及繪出被測(cè)表面的三維立體形貌圖(圖4)，圖5為該鋼板被測(cè)點(diǎn)的三高一低的位置圖。
用本發(fā)明的裝置測(cè)得的平面度為43.45μm。用水平儀法測(cè)量同一鋼板計(jì)算結(jié)果其平面度41.8μm。
附各點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)如下 F＝43.45μm 0-12.7125-23.525-30.8375-35.15-35.5625-34.375-32.6875-26.1-2.4-14.8125-25.225-31.6375-34.95-35.3625-33.775-31.3875-26.8-7.8-18.3125-27.625-34.5375-39.95-39.3625-35.475-28.8875-20.4-10.9-21.1125-29.825-38.8375-43.45-43.1625-38.875-32.1875-24.2-12.5-22.0125-27.82-31.2375-31.05-29.2625-26.075-19.7875-11.7-10.5-19.5125-25.825-30.5375-32.65-31.0625-27.375-21.3875-13.4-8.99999-18.1125-24.525-27.7375-28.45-25.9625-20.375-12.08750-6.89999-16.5125-24.125-27.9375-28.55-25.1625-20.175-11.48750
權(quán)利要求
1、一種由固定測(cè)頭、動(dòng)測(cè)頭、底盤組成的接觸式測(cè)量裝置，其特征是測(cè)頭布置成上下兩排，每排三個(gè)測(cè)頭。其中第一排連續(xù)布置兩個(gè)固定測(cè)頭，第二排中間位置布置一個(gè)固定測(cè)頭，其他位置分別布置三個(gè)動(dòng)測(cè)頭，測(cè)頭之間的距離為等距。
2、按權(quán)利要求書1所說的測(cè)量裝置，其特征是動(dòng)測(cè)頭可以是接觸式的如電感測(cè)頭，光柵測(cè)頭，也可以是非接觸式的如電容測(cè)頭。
全文摘要
六點(diǎn)接觸式平面度高精度測(cè)量方法及其裝置，采用第一次測(cè)量時(shí)所確定的平面作為全部測(cè)量的參考基準(zhǔn)面。故不受被測(cè)件位置，運(yùn)動(dòng)狀況的變化及其他因素的影響。測(cè)量精度高，且可連續(xù)自動(dòng)測(cè)量。數(shù)據(jù)可由微機(jī)采集后實(shí)時(shí)處理，適宜于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量大型或超大型工件的平面度。
文檔編號(hào)G01B7/34GK1031892SQ88104989
公開日1989年3月22日 申請(qǐng)日期1988年8月18日 優(yōu)先權(quán)日1988年8月18日
發(fā)明者劉興占, 梁晉文 申請(qǐng)人:清華大學(xué)