专利名称：可变径接触式球径仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及球面光学元件，特别是一种可变径接触式球径仪。
背景技术：
球径仪就是测量球面光学元件表面曲率半径的仪器。光学元件是很精密的元件，球面镜的球半径如果不能够测准，则无法确定焦点等元件参数。现有的测量球径的接触式球径仪典型的有两种第一是用于现场加工时的粗略测量，精度低，采用的机械装置误差较大。优点是能改变弦半径，使用方便。比如CN86201617u，名称为直读式球径仪。它采用卡盘作为支架的底座，当转动卡盘时带动支架的同时向外移动，在测量方面采用螺旋测微结构，然而这种方法精度太低。因为测量时1、顶杆是否已经正好顶到球面不能很好判断，有很大的人为随机误差。
2、卡盘在制造上精度不高，在转动时同步性能不佳，所以它只能用于现场的即时粗略测量。
第二种典型器件是使用测环的接触式球径仪，它能够达到很高的精度。它的基本原理是使用多个高精度测环对各种不同曲率半径的球面镜进行测量，可以达到很高的测量精度。但测量前要先将一平晶放在测环上作测杆位置的零位校正，然后放上待测球面镜测出矢高，再代入球径公式计算，求得球半径R。这种球径仪精度很高，但是造价昂贵，并且由于测环有限，只有固定直径的环，因此不可能所有直径的球面镜都能达到标称的最高精度，如德国的Spheromatic H球径仪，精度很高，但是并非对所有的球面镜都达到最高的测量精度，并且更换测环后再次测量比较麻烦，并容易损坏器件。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上面两种器件的不足，提供一种可变径接触式球径仪，以使非标准半径的球面镜的测量都能达到较高的精度，对同一个球面镜可进行变参量的重复测量，大大减小测量过程的随机误差和人为因素影响。
本发明的技术解决方案如下一种可变径接触式球径仪，其特征在于它由自动控制和机械主体两部分组成该自动控制部分的计算机有2条线路连接，一路接电机驱动电源，该驱动电源以数据线联结步进电机，另一路接光栅尺；机械主体部分由导轨支架、连接杆、光栅尺、滚轴丝杆机构和机体组成该步进电机固定在机体的底座上，步进电机上与转子配套的联轴器连接滚轴丝杆，该滚轴丝杆底部有外套管，4根支撑杆一端连接外套管，另一端固定于底座，将滚轴丝杆固定在底座的中心位置，丝杆轴底部开有长螺纹，顶部加装的两片夹板将圆环套件禁锢于丝杆轴顶部，随丝杆轴而上下移动，该圆环套件通过精密铰链与连杆相连，该连杆的另一端通过精密铰链连接到滑块下伸出导轨下部的突出部上；3根连接杆成伞状结构，支架固定在滑块上，该滑块可沿直线导轨移动；该导轨支架由直线导轨、滑块、支架、突出部和小钢球组成导轨支架头部通过支撑杆固定在底座上，尾部固定在机体的外壁上，滑块卡在直线导轨上，直线导轨底部是开槽的，滑块下部具有突出部，该突出部通过槽口伸出直线导轨的部分安装精密铰链，支架固定在滑块之上，支架在相同的部位开定位孔，在安装时确保三条直线导轨齐平并互成120°，所述的小钢球安装在支架的尖端上，当三个支架同时向中心移动时，所述的小钢球可同时集中在同一中心点；所述的光栅尺，包括本体、测量头和探头，光栅尺垂直放置，其本体的底端用螺钉固定在平台上，该平台通过支架固定在底座上，确保探头比小钢球组成的平面略高。
所述的光栅尺具有光信号接收、光电信号转换、数字信号输出功能。
本发明可变径接触式球径仪有以下优点1、使用方便，测量不同半径的球面镜无须更换测环，也不需要每次都在测量前校零；2、精度高，测量不同球面镜时，可以调节支架使支撑点的对心距与待测球面镜的底面半径相同，达到最高测量精度效果；3、实现了对同一待测镜面的变参量弦半径r的重复测量。这里所说的弦半径是指小钢球与球面镜镜面的3个接触点所形成的圆的半径，它是指实际球径仪使用的球面弦半径，即最后代入计算式计算得弦半径r。由于，通过每次改变少许弦半径r，同一球面镜可以在不同弦半径下多次测量，实现了变参量即弦半径r的重复测量。克服了测环对同一球面镜无法多次测量的弊病，消除了随机误差和人为因素影响。
4、自动化程度较高，在光栅尺测量后的得到数据后，输入微机中，由计算程序计算后直接将结果显示在微机显示屏上。
图1是本发明可变径接触式球径仪整个装置的示意图。
图2是本发明装置机械结构图。
图3是导轨支架1的主视图。
图4是导轨支架1的俯视图。
图5是图3导轨支架1的A-A剖视图。
图6是机械部分装置俯视图。
图7是滚轴丝杆4部分视图。
具体实施例方式
首先请参阅图1，本发明可变径接触式球径仪由自控部分和机械主体两个部分组成自控部分有微机7-1，驱动电源7-2，步进电机5-1。通过使用以单片机7-1为核心的驱动电源7-2，以数据线7-3联结步进电机5-1，使步进电机5-1具有步数，方向，速度均可控的功能。机械主体部分有导轨支架1、连接杆2、光栅尺3、滚轴丝杆机构4和机体6。
具体的连接和安装如下计算机7-1有2条线路连接，一路接步进电机5-1的驱动电源7-2，给出驱动电源7-2的信号脉冲，一路接光栅尺3，接收光栅尺3输出的信号，得出测量结果并提供给计算机7-1。参阅图2和图7，步进电机5-1固定于底部的底座6-2上，步进电机5-1上转子配套的联轴器5-2连接到滚轴丝杆4-1，滚轴丝杆4-1底部有外套管4-4，4根支撑杆4-5一端连接外套管4-4，一端固定于底座6-2，将丝杆4稳稳固定于中心位置。丝杆轴4-1底部开有长螺纹，顶部加装的两片夹板4-6将圆环套件4-2禁锢于丝杆轴4-1顶部，随丝杆轴4-1而移动。步进电机5-1转动时，推动滚轴丝杆4，设定为当步进电机5-1正转时，滚轴丝杆4-1向上运动，反之，则向下运动。步进电机5-1通过编程，设定电机的速度，方向，走动步数。圆环套件4-2移动时，通过精密铰链2-3带动连杆2-1，连杆2-1起到将丝杆4的竖直运动转换为水平运动的作用，连杆2-1的两头使用精密铰链2-3和2-2连接到圆环套件4-2和滑块1-2下伸出导轨下部的突出部1-4上。3根连接杆2-1成伞状结构，上部连接到滑块1-2上的半圆形突出部1-4上，连杆2-1的扩张收缩则通过突出部1-4上的铰链2-2推动或者拉动滑块1-2，由此来带动固定在滑块上支架1-3在直线导轨1-1上移动。
导轨支架1头部通过支撑杆6-4固定在底座6-2上，尾部固定在外壁6-1上，以确保导轨支架1的稳固。导轨支架1由直线导轨1-1、滑块1-2、支架1-3、突出部1-4和小钢球1-5组成。滑块1-2卡在直线导轨上只能沿着导轨方向移动，直线导轨1-1底部是开有槽口的，滑块1-2下部安装好突出部1-4，该突出部1-4伸出直线导轨1-1槽口的部分安装精密铰链2-2，用于连接连杆2-1。支架1-3固定在滑块1-2上部，支架1-3在相同的部位开定位孔。在安装时确保3个支架齐平并互成120°。由于将直线导轨1-1预先调节成互成120度角，并且必须对中心点的对心度要高。中心点是指当3个支架1-3同时向中心移动，同时集中在同一点，这一点应该是整个装置的面中心点。此时当调节弦半径时就可以达到3个支架1-3的同步连续调节，其对心距相等，即测量时所得的弦半径无结构上误差。为了不磨损镜面而设的小钢球1-5采用胶合的方法连接在支架1-3上。
测量器件可以根据需要选用测量仪器，对精度要求较高的可以使用高精度光栅尺，本发明采用光栅尺3。
该光栅尺3要能在垂直方向使用，该光栅尺3包括本体3-1、测量头3-2和探头3-3。光栅尺3的本体3-1具有光信号接收、光电信号转换和数字信号输出功能，市场可买。其安装方法为将光栅尺3的本体3-1垂直放置并将底端用螺钉固定在平台6-3上，确保探头3-3能比小钢球1-5组成的平面略高。经过实验，装置可以测量底面弦半径范围为10-300毫米的球面镜，其测量精度为1微米。
本发明仪器的使用方法如下在使用前，首先调节好支架1-3，光栅尺3探头3-3。校零过程是将标准平晶放置于导轨支架1的小钢球1-5上，调节光栅尺表头3-2，使得探头3-3顶部接触点与小球1-5与镜面接触点处在同一水平面上，这样就完成了校零。然后步进电机5-1置初值零，在支架1-3放基准平晶，此时光栅尺3的测量头3-3将与支撑的小钢球1-5接触点齐平，此时光栅尺3的表头3-2的读数设为零。将待测球面镜放于支架1-3小钢球1-5上，通过步进电机5-1调节好小钢球1-5的对心距，使小钢球1-5尽量靠近待测镜面的边缘，以保证测量结果的精度，记录此时步进电机5-1已走过的步数。将光栅尺3的读数输入微机7-1上即得到矢高，将矢高和步进步数输入预编的计算软件后得到一次测量结果。在一次测量完成后，逐次改变少许弦半径，按相同步骤多次测量。经过6-8次测量后得到的数据，由微机7-1处理输出最后结果。一次测量完成后可以由计算机7-1给光栅尺3发出指令，使得光栅尺3复位。
导轨1-1的安装要与水平面平行，导轨1-1各沿120度分布成3点支撑，3个支撑的小钢球1-5到中心的中心距要相同，否则将对矢高的测量产生较大的影响。图2中的底座6-2必须水平，以保证上方机件的水平度。光栅尺3的测量头3-3应处于正中心，使得球面镜放置后能精确测量矢高。滚轴丝杆轴4-1必须垂直于水平面，以保证圆环套件4-2同样垂直运动，而连接杆2-1推动导轨支架1上的滑块1-2以同一速度运动，也可以保证运动后支撑点离中心的中心距保持相等。由于滚轴丝杆4-1上的圆环套件4-2上的耳杯4-3上沿着导轨支架1的方向安装同类型3个精密铰链2-3，确保其中心同一圆上。6-3为平台，上边放置光栅尺3，下部用4根相同的支架6-4支撑，保证其稳定性和水平。
图3是导轨1的主视图，其中A-A剖面如图5所示。导轨基座1-1底部开槽，导轨的滑块1-2镶嵌于基座中，使得滑块1-2只能沿导轨1-1方向移动，滑块1-2底部有半圆形突出部1-4通过底部的槽伸出导轨1-2，与连接杆2-1通过铰链2-2连接。在滑块1-2上固定好支架1-3，保证3个支架1-3同长，同型，保证支架1-3对心距的相等。在支架1-3的支撑点上为保证不损伤镜面，可以作半圆形倒角，也可加装刚性小球1-5。当改变弦半径时，连接杆2-1推动向外推动，带动滑块1-2沿着导轨1-1方向移动，支架1-3紧固于滑块1-2上也产生同样的运动，并且3个支架1-3以同步同速运动，由此可以保证最后支撑点处于同一圆上。在保证精度的基础上，可以通过步进电机5-1的转动步数来确定弦半径的大小。由于小钢球1-5存在，测量的最小半径为1cm。
本发明的外形可以根据需要采用不同的形状，如筒状，下细上开的形状均。
在测量的器具上，可以根据需要使用不同的器件，如要求高则可以使用光栅尺，要求不是很高用于实时测量的则可以用千分表，在光栅尺的放置上可以用特殊的竖直放置的也可以将其水平放置，并加改向装置以取得竖直方向上的测量。
本发明的测量系统对于测量精度不高情况下，可以使用千分表代替光栅尺，可以简化系统复杂性。千分表的安装同样是垂直放置，在千分表下方安放可调节高度的支架，调节支架将千分表的测量头与小钢球平面齐平，同样进行校零。
本发明与苏州大学赵阳发明的直读式球径仪(CN86201617u)和德国的Spheromatic H球径仪相比，结构有新的创新点，性能优良。本发明对非标准半径球面镜的测量都能达到较高的精度，对同一个球面镜可进行变参量的重复测量，减少了测量中的随机误差。
权利要求
1.一种可变径接触式球径仪，其特征在于它由自动控制和机械主体两部分组成该自动控制部分的计算机(7-1)有2条线路连接，一路接电机驱动电源(7-2)，该驱动电源(7-2)以数据线联结步进电机(5-1)，另一路接光栅尺(3)；机械主体部分由导轨支架(1)、连接杆(2)、光栅尺(3)、滚轴丝杆机构(4)和机体(6)组成该步进电机(5-1)固定在机体(6)的底座(6-2)上，步进电机(5-1)上与转子配套的联轴器(5-2)连接滚轴丝杆(4)，该滚轴丝杆(4)底部有外套管(4-4)，4根支撑杆(4-5)一端连接外套管(4-4)，另一端固定于底座(6-2)，将滚轴丝杆(4)固定在底座(6-2)的中心位置，丝杆轴(4-1)底部开有长螺纹，顶部加装的两片夹板(4-6)将圆环套件(4-2)禁锢于丝杆轴(4-1)顶部，随丝杆轴4-1而移动，该圆环套件(4-2)通过精密铰链(2-3)与连杆(2-1)相连，该连杆(2-1)的另一端通过精密铰链(2-2)连接到滑块(1-2)下伸出导轨(1-1)下部的突出部(1-4)上；3根连接杆(2-1)成伞状结构，支架(1-3)固定在滑块(1-2)上，该滑块(1-2)可沿直线导轨(1-1)移动；该导轨支架(1)由直线导轨(1-1)、滑块(1-2)、支架(1-3)、突出部(1-4)和小钢球(1-5)组成导轨支架(1)头部通过支撑杆(6-5)固定在底座(6-2)上，尾部固定在机体(6)的外壁(6-1)上，滑块(1-2)卡在直线导轨(1-1)上，直线导轨(1-1)底部是开槽的，滑块(1-2)下部具有突出部(1-4)，该突出部(1-4)通过槽口伸出直线导轨(1-1)的部分安装精密铰链(2-2)，支架(1-3)固定在滑块(1-2)之上，支架(1-3)在相同的部位开定位孔，在安装时确保三条直线导轨(1-1)互成120°，所述的小钢球(1-5)安装在支架(1-3)的尖端上，当三个支架(1-3)同时向中心移动时，所述的小钢球(1-5)可同时集中在同一中心点；所述的光栅尺(3)，包括本体(3-1)、测量头(3-2)和探头(3-3)，光栅尺(3)的本体(3-1)垂直放置并将底端用螺钉固定在平台(6-3)上，该平台(6-3)通过支架(6-4)固定在底座(6-2)上，确保探头(3-3)比小钢球(1-5)组成的平面略高。
2.根据权利要求1所述的可变径接触式球径仪，其特征在于所述的光栅尺(3)具有光信号接收、光电信号转换、数字信号输出功能。
全文摘要
一种测量球面镜球半径的可变径接触式球径仪，它由微机、步进电机、直线导轨、光栅尺和滚轴丝杆等部件组成。由光栅尺测量球面镜的矢高，再由计算机根据公式算出球面镜的半径。它具有对任一半径的球面镜可测的特点，测量精度高，大大减小了测量过程的随机误差和人为因素影响。
文档编号G01B5/22GK1580688SQ20041001834
公开日2005年2月16日 申请日期2004年5月14日 优先权日2004年5月14日
发明者董华兴, 庞向阳, 博锋, 王勇, 朱健强 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所