一種圓錐量規多參數測量裝置及方法
【專利摘要】本發明提供了一種圓錐量規多參數測量裝置及方法，屬于精密測量【技術領域】。本測量裝置包括激光小角度測量系統、母線直線度測量及定位系統、精密轉臺(21)、多齒分度臺(23)和量規支架(25)；所述多齒分度臺(23)固定于精密轉臺(21)上，所述量規支架(25)固定于多齒分度臺(23)的上齒盤上；待測的圓錐量規安裝在所述量規支架(25)上。
【專利說明】一種圓錐量規多參數測量裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于精密測量【技術領域】，特別屬于機械幾何尺寸誤差測量【技術領域】，具體涉及一種圓錐量規多參數測量裝置及方法，用于測量圓錐量規錐度及母線直線度。
【背景技術】
[0002]圓錐配合是機床主軸孔與刀具配合的最重要方式，其刀具錐柄的錐度直接影響機床的加工精度和刀具的磨損情況，而圓錐量規則是檢驗刀柄錐度的量具。對于圓錐量規錐度的測量手段目前多采用萬能工具顯微鏡法、正弦尺法、涂色法等，但這些方法的測量精度較低，不能適用于高等級量規的測量，并且無法測量母線直線度。此外，也可利用通用三坐標測量機(CMM)進行測量計算后得到圓錐量規的錐度和母線直線度，但測量效率低，并且要實現高精度測量必須采用超高精度的CMM。
[0003]在上世紀八、九十年代，雖已有錐度測量儀問世，但其僅利用圓錐量規一條母線上的兩個點進行定位，對錐度的測量尚不夠科學。并且該測量裝置也無法直接測量母線直線度。

【發明內容】

[0004]本發明的目的在于解決上述現有技術中存在的難題，提供一種圓錐量規多參數測量裝置及方法，實現高等級圓錐量規錐度和直線度參數的精確測量。
[0005]本發明是通過以下技術方案實現的:
[0006]一種圓錐量規多參數測量裝置，包括激光小角度測量系統、母線直線度測量及定位系統、精密轉臺21、多齒分度臺23和量規支架25 ；
[0007]所述多齒分度臺23固定于精密轉臺21上，所述量規支架25固定于多齒分度臺23的上齒盤上；待測的圓錐量規安裝在所述量規支架25上；
[0008]所述測量裝置進一步包括微動機構，用于對精密轉臺21進行微動調整。
[0009]所述激光小角度測量系統包括He-Ne激光器1、第一擴束準直鏡2、第一反射鏡3、第二反射鏡5、移相分光鏡4、第一直角棱鏡6、第二直角棱鏡7、第三直角棱鏡8、第四直角棱鏡9和第五直角棱鏡10 ；
[0010]所述第一直角棱鏡6和第二直角棱鏡7固定在精密轉臺21上，兩者位于精密轉臺21的一條直徑的兩端，所述第一直角棱鏡6和第二直角棱鏡7構成正弦臂；
[0011]所述第三直角棱鏡8設置在第一直角棱鏡6的一側,所述第四直角棱鏡9設置在第二直角棱鏡7的一側；
[0012]第五直角棱鏡10的位置高于入射光線；
[0013]在第五直角棱鏡10的一側設有第一光電探測器11,在移相分光鏡4的一側設有第二光電探測器12。
[0014]所述He-Ne激光器I發出的光束經過第一擴束準直鏡2入射到第一反射鏡3上，經第一反射鏡3反射后直接入射到移相分光鏡4上,在移相分光鏡4上光束分為兩路,一路經過第一直角棱鏡6反射后入射到第三直角棱鏡8上，然后在高度方向偏移一定距離(該距離與第三直角棱鏡8的高度位置有關，在裝置安裝調試時就已確定，是一固定值。與測量無關。)后180度折回，經過第一直角棱鏡6后到達移相分光鏡4 ;另一路入射到第二反射鏡5上，經第二反射鏡5反射后入射到第二直角棱鏡7上，經過第二直角棱鏡7反射后入射到第四直角棱鏡9上，然后在高度方向偏移一定距離(該距離與第四直角棱鏡9的高度位置有關，在裝置安裝調試時就已確定，是一固定值。與測量無關。)后180度折回，依次經過第二直角棱鏡7和第二反射鏡5后到達移相分光鏡4 ;兩路光在移相分光鏡4處會合后,一部分光經第五直角棱鏡10反射后由第一光電探測器11接收，另一部分由第二光電探測器12接收。
[0015]所述母線直線度測量及定位系統包括激光器13、第二擴束準直鏡14、第一柱面透鏡15、分光鏡16、第二柱面透鏡17、長平晶18、透鏡19和CXD相機20:
[0016]所述激光器13、第二擴束準直鏡組14、第一柱面透鏡15和第二柱面透鏡17的光軸重合，分光鏡16的分光面與光軸呈45度，長平晶18的工作面與光軸垂直；
[0017]所述透鏡19和(XD相機20依次置于經分光鏡16反射后的光路上；
[0018]所述長平晶18的工作面和圓錐量規24的左側母線都垂直于入射光線；
[0019]所述激光器13米用He-Ne激光器；
[0020]所述第一柱面透鏡15和第二柱面透鏡17的焦平面重合。
[0021]所述激光器13發出的光束經第二擴束準直鏡14，再經第一柱面透鏡15、分光鏡16和第二柱面透鏡17后，成為平行線激光束；
[0022]所述平行線激光束入射至所述長平晶18的工作面后被分為兩路光:一路光由長平晶18的工作面反射；另一路光經長平晶18的工作面透射，入射至圓錐量規的表面后反射，再次經長平晶18的工作面后返回；
[0023]這兩路光都再次經過第二柱面透鏡17回到分光鏡16，再經過透鏡19后在CXD相機20的接收像面處產生干涉，被CCD相機20接收，在CCD像面上得到干涉圖像。
[0024]所述量規支架25為V型可調支架，包括兩個平行設置的V型塊；
[0025]兩個V型塊的高度分別能夠調節，兩個V型塊均能夠沿導軌移動。
[0026]一種圓錐量規多參數測量方法，包括:
[0027](I)，將被測圓錐量規置于量規支架25上后，調整量規支架25的高度，使圓錐量規的被測母線水平且位于平行線激光束的測量范圍內；旋轉多齒分度臺23的上齒盤和精密轉臺21，使圓錐量規一側的母線與長平晶18的工作面平行；
[0028](2)，記錄多齒分度臺23的示值，并將激光小角度測量系統的示值清零；
[0029](3)，通過對母線直線度測量及定位系統中的CXD相機20采集的干涉圖像進行分析處理，得到該條母線的直線度以及母線相對于長平晶18的工作面的夾角大小和方向；
[0030](4)，旋轉多齒分度臺23的上齒盤，再旋轉精密轉臺21，使圓錐量規另一側的母線與長平晶18的工作面平行；
[0031](5)，分別記錄多齒分度臺23的示值與激光小角度測量系統的示值；
[0032](6)，通過對母線直線度測量及定位系統中的CXD相機20采集的干涉圖像進行分析處理，得到該條母線的直線度以及母線相對于長平晶18的工作面的夾角大小和方向；
[0033](7)，將多齒分度臺23的示值、激光小角度測量系統的示值和母線直線度測量及定位系統的示值三者相加減，即可得到該圓錐量規的錐角的準確大小。
[0034]與現有技術相比，本發明的有益效果是:利用本發明能夠同時實現圓錐量規母線直線度和錐度的高精度測量，并且錐度測量結果與擬合的母線相關。與利用圓錐量規一條母線上的兩個點進行定位相比，錐度的測量評價更為科學，測量的調整過程也更為方便。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]圖1是本發明圓錐量規多參數測量裝置的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0036]下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述:
[0037]本發明解決了高等級圓錐量規錐度和直線度參數的精確測量問題，以及滿足機床工具高精度錐度量值傳遞的需求。
[0038]如圖1所示，本發明的測量裝置組成主要包括激光小角度測量系統、雙向異倍率單次成像的母線直線度激光干涉測量及定位系統(下文簡稱母線直線度測量及定位系統)、精密轉臺21及微動機構22、多齒分度臺23和量規支架25 (V型可調支架。前端和后端各有一個V型塊，高度分別可調，兩V型塊可沿導軌移動，以適應不同大小、長度的圓錐量規。使用時，量規的頭部和手柄部分分別支撐在V型槽上，如圖1所示。)等。多齒分度臺23固定于精密轉臺21上，量規支架25固定于多齒分度臺23的上齒盤上。具體來說，包括He-Ne激光器1，擴束準直鏡2，反射鏡3和5 (用于轉折光路)，移相分光鏡4 (激光干涉測量計數需要分成2路相位相差90度的信號)，直角棱鏡6、7、8、9、10 (光線折轉180度返回，并且反射光線相對于入射光線偏移一定的位移。)，光電探測器11、12(將光信號轉化為電信號，進行干涉信號的計數。)，He-Ne激光器13，擴束準直鏡14，柱面透鏡15、17，分光鏡16，長平晶18，透鏡19，CXD相機20，精密轉臺21，微動機構22 (例如可采用現有的微動機構。)(對轉臺進行微動調整)，多齒分度臺23，圓錐量規24，量規支架25。
[0039]采用的多齒分度臺的分度值為0.5° (720齒)，用于測量圓錐量規錐角的0.5°整數倍數，其余0.5°以內的數值由激光小角度測量系統和母線直線度測量及定位系統測得。因為2條對徑母線之間的夾角就是圓錐量規的錐角，所以就是測量兩條母線的位置關系。720齒的多齒分度臺是把360度等分成了 720份，所以最小分度間隔就是0.5度，屬于離散型的位置。為了讓母線精確定位，必須能進行0.5度以內的精確調整，所以由微動機構驅動精密轉臺(包括放在上面的多齒分度臺、錐度規)一起旋轉。也可采用其他齒數的多齒分度臺，對于其它分度值，也是分度值以內的數值由激光小角度測量系統和母線直線度測量及定位系統測得。
[0040]激光小角度測量系統由穩頻激光器(即穩頻He-Ne激光器)、光學元件(反射鏡、透鏡、棱鏡等)、光電探測器、信號采集處理電路(采用現有電路即可，信號處理電路未標示，位于11、12元件后)等組成。該系統的測量基于正弦原理，其構成正弦臂的兩個棱鏡(即6和7)固定于精密轉臺上。
[0041]母線直線度測量及定位系統的組成包括激光光源(即He-Ne激光器13)、擴束準直鏡、柱面透鏡組、分光鏡、參考長平晶、成像透鏡、CCD相機和計算機采集裝置。該系統以Fizeau干涉儀的基本原理為基礎，利用柱面透鏡組將激光束進行擴束，使其在兩個方向上具有不同的放大倍率。用長平晶的工作面作為參考平面，激光在參考平面和量規母線上分別反射后產生干涉，干涉圖像由C⑶相機接收。經圖像處理算法后，一次便可以得到量規整條母線的直線度及其相對于長平晶工作面的夾角。
[0042]具體實施時，母線直線度測量及定位系統如圖1中的下半部分所示，包括激光器13、擴束準直鏡組14、柱面透鏡組15、17、分光鏡16、參考長平晶18、成像透鏡19、C⑶相機20、被測圓錐量規24和量規支架25等。所述激光器13采用He-Ne激光器。
[0043]1、激光器13發出的光束經擴束準直鏡組14( 一個透鏡只能實現光束的會聚或擴散，兩個透鏡組成倒置的望遠系統才能實現既擴束又準直，兩透鏡間的距離約等于焦距之和)，再經柱面透鏡15、分光鏡16和柱面透鏡17后，成為有一定寬度的平行線激光束。
[0044]2，平行線激光束入射至參考長平晶18的工作面后被分為兩部分:一路光由長平晶工作面反射；另一路光經長平晶工作面透射，入射至圓錐量規表面后反射，再次經長平晶工作面后返回。這兩路光都再次經過柱面透鏡17回到分光鏡16，這兩路光產生干涉。
[0045]3，為使反射光能原路返回，應保證長平晶工作面(即圖中右側的面)和圓錐量規的左側母線都垂直于入射光線。
[0046]4，兩路光(經過長平晶18反射和透射后經過量規反射再返回的這兩路光)由分光鏡16部分反射(還有一部分又透射過分光鏡16 了，但是那部分沒有作用，因此不予考慮)，再經成像透鏡19后被CXD相機20 (分光鏡沿光軸方向的位置沒有嚴格要求。透鏡7和CCD相機的相對位置只要能保證干涉條紋清晰成像就可以)接收，即可在CCD像面上得到干涉圖像。
[0047]該部分系統的工作原理為:所述激光器13發出的光束經擴束準直鏡組14，再經第一柱面透鏡15、分光鏡16和第二柱面透鏡17后，成為平行線激光束；
[0048]所述平行線激光束入射至所述長平晶18的工作面后被分為兩路光:一路光由長平晶18的工作面反射；另一路光經長平晶18的工作面透射，入射至圓錐量規24的表面后反射，再次經長平晶18的工作面后返回；
[0049]這兩路光都再次經過第二柱面透鏡17回到分光鏡16，再經過透鏡19后在CXD相機20的接收像面處產生干涉，被CCD相機20接收，在CCD像面上得到干涉圖像；
[0050]對干涉圖像進行處理得到母線直線度。
[0051]對干涉圖像進行處理并得到母線直線度的方法有兩種(是現有干涉條紋的通用方法，可以用于此系統的條紋處理):一種是在參考平晶6固定裝置上安裝壓電陶瓷(PZT)(推動6沿光軸方向運動)，通過移相的方式(移相技術是通用的干涉測量技術，也稱相移。)獲得多幅干涉圖像(PZT推動平晶移動多個位置，在每個位置都會產生一幅干涉圖像。)，然后利用移相算法計算得到母線上各點相位值的大小，最后利用最小二乘算法(或其他算法)計算出直線度；另一種是直接對一幅干涉圖像進行相位解算，將圖像中的母線等分若干份，在每個等分位置計算條紋所占的黑白比例，從而直接解算各點相位值大小，最后利用最小二乘算法(或其他算法)計算出直線度。第一種方法的優點是精度高，但因需要高精度的PZT，成本高；第二種方法則是精度適中，結構簡單，成本較低。
[0052]本發明的具體測量方法如下:
[0053]1，被測圓錐量規置于量規支架25上后，調整量規支架的高度，使圓錐量規的被測母線水平且位于平行線激光束的測量范圍內。旋轉多齒分度臺23的上齒盤和精密轉臺21，使量規一側的母線與參考平晶的工作面平行；
[0054]2，記錄多齒分度臺的示值，并將激光小角度干涉測量系統的示值(多齒分度臺的示值為標識在其上的刻度值；小角度測量系統的示值為通過信號處理顯示在計算機上的角度值。兩者均為角度值。)清零；
[0055]3，通過對母線直線度測量及定位系統CXD相機采集的干涉圖像進行分析處理，得到該條母線的直線度以及母線相對于參考平晶工作面的夾角大小和方向(根據條紋彎曲的方向可以判斷夾角的方向；根據條紋的疏密可以判斷夾角的大小)；
[0056]4，旋轉多齒分度臺上齒盤，再旋轉精密轉臺，使量規另一側的母線與參考平晶的工作面平行；
[0057]5，分別記錄多齒分度臺的示值與激光小角度干涉測量系統的示值；
[0058]6，通過對母線直線度測量及定位系統CXD相機采集的干涉圖像進行分析處理，得到該條母線的直線度以及母線相對于參考平晶工作面的夾角大小和方向；
[0059]7，將多齒分度臺示值、激光小角度干涉測量系統示值和母線直線度測量及定位系統示值三者相加減(何時加、何時減與多個因素有關，如測量量規兩條母線的先后順序、干涉條紋的方向等。)，即可得到該圓錐量規錐角的準確大小。
[0060]上述技術方案只是本發明的一種實施方式，對于本領域內的技術人員而言，在本發明公開了應用方法和原理的基礎上，很容易做出各種類型的改進或變形，而不僅限于本發明上述【具體實施方式】所描述的方法，因此前面描述的方式只是優選的，而并不具有限制性的意義。
【權利要求】
1.一種圓錐量規多參數測量裝置，其特征在于:所述測量裝置包括激光小角度測量系統、母線直線度測量及定位系統、精密轉臺(21)、多齒分度臺(23)和量規支架(25)； 所述多齒分度臺(23)固定于精密轉臺(21)上，所述量規支架(25)固定于多齒分度臺(23)的上齒盤上；待測的圓錐量規安裝在所述量規支架(25)上。
2.根據權利要求1所述的圓錐量規多參數測量裝置，其特征在于:所述測量裝置進一步包括微動機構，用于對精密轉臺(21)進行微動調整。
3.根據權利要求2所述的圓錐量規多參數測量裝置，其特征在于:所述激光小角度測量系統包括He-Ne激光器(I)、第一擴束準直鏡(2)、第一反射鏡(3)、第二反射鏡(5)、移相分光鏡(4)、第一直角棱鏡(6)、第二直角棱鏡(7)、第三直角棱鏡(8)、第四直角棱鏡(9)和第五直角棱鏡(10)； 所述第一直角棱鏡(6)和第二直角棱鏡(7)固定在精密轉臺(21)上，兩者位于精密轉臺(21)的一條直徑的兩端，所述第一直角棱鏡(6)和第二直角棱鏡(7)構成正弦臂； 所述第三直角棱鏡(8)設置在第一直角棱鏡(6)的一側,所述第四直角棱鏡(9)設置在第二直角棱鏡(7)的一側； 第五直角棱鏡(10)的位置高于入射光線； 在第五直角棱鏡(10)的一側設有第一光電探測器(11)，在移相分光鏡(4)的一側設有第二光電探測器(12)。
4.根據權利要求3所述的圓錐量規多參數測量裝置，其特征在于:所述He-Ne激光器(I)發出的光束經過第一擴束準直鏡(2)入射到第一反射鏡(3)上，經第一反射鏡(3)反射后直接入射到移相分光鏡(4)上，在移相分光鏡(4)上光束分為兩路,一路經過第一直角棱鏡(6)反射后入射到第三直角棱鏡(8)上，然后在高度方向偏移一定距離后180度折回，經過第一直角棱鏡(6)后到達移相分光鏡(4);另一路入射到第二反射鏡(5)上，經第二反射鏡(5)反射后入射到第二直角棱鏡(7)上，經過第二直角棱鏡(7)反射后入射到第四直角棱鏡(9)上，然后在高度方向偏移一定距離后180度折回，依次經過第二直角棱鏡(7)和第二反射鏡(5)后到達移相分光鏡(4);兩路光在移相分光鏡(4)處會合后,一部分光經第五直角棱鏡(10)反射后由第一光電探測器(11)接收，另一部分由第二光電探測器(12)接收。
5.根據權利要求4所述的圓錐量規多參數測量裝置，其特征在于:所述母線直線度測量及定位系統包括激光器(13)、第二擴束準直鏡(14)、第一柱面透鏡(15)、分光鏡(16)、第二柱面透鏡(17)、長平晶(18)、透鏡(19)和C⑶相機(20)； 所述激光器(13)、擴束準直鏡組(14)、第一柱面透鏡(15)和第二柱面透鏡(17)的光軸重合，分光鏡(16)的分光面與光軸呈45度，長平晶(18)的工作面與光軸垂直； 所述透鏡(19)和CCD相機(20)依次置于經分光鏡(16)反射后的光路上； 所述長平晶(18)的工作面和圓錐量規的左側母線都垂直于入射光線。
6.根據權利要求5所述的圓錐量規多參數測量裝置，其特征在于:所述激光器(13)采用He-Ne激光器。
7.根據權利要求6所述的圓錐量規多參數測量裝置，其特征在于:所述第一柱面透鏡(15)和第二柱面透鏡(17)的焦平面重合。
8.根據權利要求7所述的圓錐量規多參數測量裝置，其特征在于:所述激光器(13)發出的光束經第二擴束準直鏡(14)，再經第一柱面透鏡(15)、分光鏡(16)和第二柱面透鏡(17)后，成為平行線激光束； 所述平行線激光束入射至所述長平晶(18)的工作面后被分為兩路光:一路光由長平晶(18)的工作面反射；另一路光經長平晶(18)的工作面透射，入射至圓錐量規的表面后反射，再次經長平晶(18)的工作面后返回；這兩路光都再次經過第二柱面透鏡(17)回到分光鏡(16)，再經過透鏡(19)后在C⑶相機(20)的接收像面處產生干涉，被C⑶相機(20)接收，在CCD像面上得到干涉圖像。
9.根據權利要求1至8任一所述的圓錐量規多參數測量裝置，其特征在于:所述量規支架(25)為V型可調支架，包括兩個平行設置的V型塊，兩個V型塊的高度分別能夠調節，兩個V型塊均能夠沿導軌移動。
10.一種利用權利要求1至9任一所述的圓錐量規多參數測量裝置進行圓錐量規多參數測量方法，其特征在于:所述方法包括: (1)將被測圓錐量規置于量規支架(25)上后，調整量規支架(25)的高度，使圓錐量規的被測母線水平且位于平行線激光束的測量范圍內；旋轉多齒分度臺(23)的上齒盤和精密轉臺(21)，使圓錐量規一側的母線與長平晶(18)的工作面平行； (2)，記錄多齒分度臺(23)的示值，并將激光小角度測量系統的示值清零； (3)，通過對母線直線度測量及定位系統中的CCD相機(20)采集的干涉圖像進行分析處理，得到該條母線的直線度以及母線相對于長平晶(18)的工作面的夾角大小和方向； (4)，旋轉多齒分度臺(23)的上齒盤，再旋轉精密轉臺(21)，使圓錐量規另一側的母線與長平晶(18)的工作面平行； (5)，分別記錄多齒分度臺(23)的示值與激光小角度測量系統的示值； (6)，通過對母線直線度測量及定位系統中的CCD相機(20)采集的干涉圖像進行分析處理，得到該條母線的直線度以及母線相對于長平晶(18)的工作面的夾角大小和方向； (7)，將多齒分度臺(23)的示值、激光小角度測量系統的示值和母線直線度測量及定位系統的示值三者相加減，即可得到該圓錐量規的錐角的準確大小。
【文檔編號】G01B5/24GK104019729SQ201410281029
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月20日 優先權日:2014年6月20日
【發明者】康巖輝, 張恒, 郎巖梅, 黃楊, 楊自本 申請人:中國計量科學研究院