专利名称：测量盲小孔与狭槽的三维测头和测量方法
技术领域：
本发明属长度计量与测试技术领域。
高精度与微型化是当前科技与工业发展的必然趋势，微小内尺寸的测量比微小外尺寸更困难，对于盲小孔的测量，特别是要测出其任意截面处孔的尺寸和形状误差，未见到报到。
现有的测孔方法很多，主要有接触法和非接触法两种。
一.接触式测量1.坐标测量机测量法坐标测量机测量法是在三坐标测量机上，利用测球和孔壁接触，感受并存储球坐标值，通过数据处理而实现对孔的测量，这种方法既能测通孔而且能够测盲孔，在测量φ0.5mm及至更小的孔时，由于测头细测杆的变形误差，测量力不稳定引起的测量误差等因素的影响，所以在测量φ0.5mm以下的孔时，其测量性能明显下降，而且测量头也容易损坏。
2.701A孔径测量仪中国计量科学院生产的701A孔径测量仪其测量精度±0.5mm，被测孔范围Φ1～Φ50，被测孔最深度为30mm，并且要配合二.三等量块使用，此仪器采用接触式干涉法进行则量，将被测孔与量块进行比较，瞄准机构用电路系统控制平行片簧自动停车，读数系统用消色差光楔补偿电路的方法读数。
3.电接触法测孔哈尔滨工业大学研究的微机控制的电接触微孔测量方法，用5V低电压接触来判断探针与被测工件孔壁的按触状态，并用微机对测量过程进行控制，被测孔放置在精密X-Y测量机工作台上，工作台X和Y方向分别装有步进电机.(见王东浩等著，微机控制和电接触微孔测量方法，计量技术No.1 1981)这种方法最大极限误差为7um。
二.非接触式测量方法1.光学放大方法光学放大方法是采用光学放大成像的测孔方法对孔进行测量.例如，用400倍的放大倍数，可以检验孔径为0.038mm大小的孔，对于更小的孔，可以采用扫描电镜来检测，但光学放大方法只能到孔表面的测量信息，而不能测量孔深处的尺寸，而且在孔端面的任何毛刺，杂物和边缘缺陷都将影响取得的读数结果。
2.小孔的夫琅和费衍射测量孔径这种方法是将一束平行激光束垂直入射圆孔中心，形成夫琅和费衍射图象，从而测得孔径A的方法，A＝Mλ△L/△RK，其中λ为激光波长，M＝Z/2，Z是Z阶贝塞尔函数的零点值，L是衍射距离L的改变量，RK为衍射距离L改变前后第K阶衍射环半径的变化量，这种方法检测精度为1%左右，但只能测通孔而不能测盲孔，见(微机控制的微孔径激光检测装置的研究，仪器仪表学报No.1 1988.)3.激光光点扫描反射测量法。
利用He/Ne激光器，它对工件进行调焦，激光通过聚光镜聚焦在目标表面上，反射光回来，经过同一个聚光镜落到双单元“零灵敏”的光电检测器上当目标表面在聚光镜焦面上时，这时光电接收元件得到零信号，当目标表面离开光电检测器的零点，并产生电流信号，从而进行瞄准，测量时利用扫描镜使激光束对孔的横截面扫描，分别瞄准被测孔的孔壁，从而测得孔的直径，这种方法只能测量孔端面的尺寸，而不能测得任意截面孔的尺寸。
4.气动式孔径测量方法用此方法来实现小孔测量时，往往以小孔本身作为测量喷嘴，这样小孔的孔径值直接由浮标所处的高度H显示出来D＝F(H)，也有利用测定一定量的气体流过被孔的时间来确定孔径大小的方法，气动式孔径测量，只综合反映小孔对气体流径过它时的影响，是对孔在最小截面处的平均直径的测量，只能测量通孔。
综合上述，现有的小孔测量技术有以下不足对于直径0.5mm以下的小孔，测量时由于存在细测杆变形误差的影响，而使接触测量很困难.现有的光学测量小孔的方法，一般只能获得孔端面或最小截面的尺寸和形状误差，而且光学方法对盲小孔几乎无法测量。
本发明的目的在于1.可以测量大于φ0.2mm的盲小孔和狭槽，并对测杆变形误差自动补偿。
2.可以测出φ0.2mm以上的孔和狭槽的任意截面尺寸和形状误差。
3.能用于三维测量。
图1是本发明的具体结构与工作原理图。
它是由三维位移测量单元组成，所说的三维位移测量单元由波纹管或膜片三维弹性体(1)，上端固定夹板(2)，下端固定夹板(3)，弹性测杆(4)，对称分布固定于上端固定夹板(2)上的电容测微仪的四个测头(5)，金属十字平板(6)，球状测端(7)组成，对盲小孔或狭缝进行测量时，将三维测头安装在三坐标测量机上，将球状测端(7)引入被测工件(8)的被测区域内，球状测端(7)触测被测工件(8)，这时测头产生测微和瞄准信号，这时读出坐标机的读数，和电容测微仪的位移读数A，对三维测头进行标定得到测头传递系数B，将A与B相乘得球状测端相对于其零点的实际位移C，C与坐标机读出的读数相加得被测点的几何坐标值。
在直径方向的两个被测点的几何坐标值之差就是被测孔的直径，也可以对孔进行多点测量用最小二乘法得到被测孔任意截面的直径和孔中心坐标值，对于狭槽，只要找出被测狭槽平面的垂直方向，在垂直方向上进行测量。
当球状测端触测孔底时，测杆受竖直向上的力，这时十字平板向上平移，四个电容测头测得的位移相同，同时记下坐标机示值和电容测值仪读数，而读数和就是被测点坐标值。
本发明的积极效果在于，它可以测量大于φ0.2mm的盲小孔和狭槽的任意截面的尺寸和形状误差，并对弹性测杆变形自动补偿，测头精度优于0.5μm，可测深径比30∶1的深孔。
权利要求
1.测量盲小孔与狭槽的三维测头，其特征在于，波纹管或膜片三维弹性体(1)，上端固定夹板(2)，下断固定夹板(3)，弹性测杆(4)，电容测微仪的四个测头(5)，金属十字平板(6)，和球状测端(7)组成三维位移单元，三维弹性体(1)上部固定于上端固定夹板(2)上，三维弹性体(1)下部固定于下端固定夹板(3)上，下端固定夹板(3)与十字平板(6)固定联接，电容测微仪的四个测头(5)对称分布固定于上端固定夹板(2)上，弹性测杆(4)的上端与固定夹板(3)固定联接，球状测端(7)固定于弹性测杆(4)的下端。
2.按照权利要求1所说的三维测头测量盲小孔与狭槽的测量方法，其特征在于，所说的三维测头安装在三维坐标测量机上，将球状测端(7)引入被测工件(8)的被测区域内，球状测端(7)触测工件(8)测头产生测微和瞄准信号，读出坐标机读数，读出电容测微仪的位移读数A，对三维测头标定得到测头传递系数B，将A与B相乘得球状测端(7)相对于其零点的实际位移C，位移C与坐标机读出的读数值相加得被测点的几何坐标值。
全文摘要
测量盲小孔与狭槽的三维测头和测量方法。本发明属长度计量与测试技术领域，结构由三维位移测量单元组成，其导向元件为波纹管或膜片三维弹性体，其优点在于可测量大于Φ0.2mm的通孔或盲孔和狭槽任意截面尺寸和形状误差，被测小孔深径比大于30∶1，本发明测头可装在三坐标测量机上，当测头接触工件时，测杆变形并带动弹性体变形，用电容测微仪测头测出固定于三维弹性体上的金属平板竖向位移值，就可以对工件瞄准和测量，用电容测微仪示值计算可修正测杆变形误差。
文档编号G01B7/02GK1104765SQ93121289
公开日1995年7月5日 申请日期1993年12月30日 优先权日1993年12月30日
发明者张国雄, 杨世民 申请人:天津大学