专利名称：新型高精度球体多参数测量仪及其精度调整方法
技术领域：
本发明属于一种测量仪器，具体是一种高精度球体测量仪器。
技术背景球体是机械中一个非常重要的基本形体，高精度球体广泛应用于航空航天、 国防装备等上的各种精密仪器设备。几何学定义球面为三维空间中到定点距离为 常数的点的集合，但是实际的球面与几何学上定义的理想球面是有差异的，这就 是球度误差，它是一个反映实际球面偏离理想球面大小程度的一个综合指标。相 关研究表明，球度误差不仅给各种精密仪器带来很大能量损耗，引起结构形体的 热变形，还对仪器的使用性能产生很大影响。因此球度误差的检测至关重要，但 球度的高精密测量一直困扰着各国的科研人员。二十世纪七十年代以来，国外许 多学者提出并研制了相应的高精度球度误差的测量装置，而我国的球度误差高精 度测量装置目前还处于初级阶段。目前球体参数的高精度测量方法主要有三坐标测量法、圆度仪测量法、几何 法等。坐标测量法根据坐标测量原理，4点定球心，从而确定球的半径，然而测 量机的测量精度不但不能满,足高精度的球度误差检测要求，而且测量机价格昂 贵，操作复杂，不适合大批量测量。圆度仪测量法是将被测球和专用夹具一起放 在圆度仪的工作台上，测量时将球在支座上多次转位，在每个位置测量赤道圆的 圆度来评定球度误差。测量时必须多次转位，导致赤道圆的选取是随机的，影响 测量精度，并且圆度仪价格昂贵，而且只能测量球度，不能测量球体直径。几何 测量法是便携式仪器测量的基础，通过检测球上某一扇区的高度把三维球的问题 转化为立体几何问题，该方法是通过球上某一局部扇区来评定球度误差，测量位 置的选取对测量精度影响较大，而且测量时球表面在测力作用下产生局部接触变 形，影响测量精度。上述测量方法测量点的选取都有随机性，其共同缺点是测头在运动或球体 在转位过程中，所得的球心在变化移动，即每个测点所得半径都不是从同一点出发的，也就是所谓的"无心"，故存在较大的原理误差。 发明内容鉴于以上测量方法的缺点，本发明提供了新型高精度球体多参数测量仪及其 精度调整方法，既能测量球体直径，又能测量球度误差，而且适用于内外球面的 测量。本发明的技术方案如下新型高精度球体多参数测量仪，其特征在于包括有底座，底座上安装有垂直 旋转轴系构成转台，垂直旋转轴系上安装有锥窝夹具，底座上锥窝夹具一侧安装 有立柱，所述的立柱上有可上下滑动的滑块，滑块与立柱上有上下调整及锁紧的 机构，所述的滑块上安装有水平旋转轴系，水平旋转轴系上安装有旋转臂，所述 的旋转臂上安装有高精度测头，所述的垂直旋转轴系与水平旋转轴系垂直正交， 所述的测头位于锥窝夹具的正上方。所述的新型高精度球体多参数测量仪，其特征在于所述的旋转臂上安装的测 头指向球心或背向球心，分别用于测量外球面或内球面。所述的新型高精度球体多参数测量仪的精度调整方法，其特征在于包括-(1) 、测量外球面时，测头在水平方向的调整与垂直方向的调整，水平方向 的调整为测外径为2R的外球面时，首先用高精度的量块叠排成一个长度为2R 的量块组，放在锥窝上，使得测头在水平方向上反复测量量块组两端的的两个工 作面，通过调整量块组的位置和测头的装夹位置，最后使得测头在量块组的两个 工作面的测量值为零，此表示测头在水平方向调整准确；垂直方向的调整为测 量外径为2R的外球面时，首先叠放一个长度为D量块组，将它垂直放在锥窝的 上平面上，调整滑块位置，使得测头在垂直状态测量量块组的上表面，测头的示 值为d，反复调整滑块的位置，使得量块组的长度D和测头的示值d应满足，此 时表示测头垂直调整准确= + ~^——/z sin or / 2式中R为被测球体的外球面半径，H为外球面最高点到锥窝上平面的距离，h为锥窝的深度，"为锥窝锥角；(2) 、测量内球面时，测头在水平方向的调整与垂直方向的调整，水平方向的调整为测定内径为2R的内球面时，首先用量块夹装夹高精度的量块叠排成 一个长度为2R的量块组，放在锥窝上，使得测头在水平方向上反复测量量块夹两端的的两个工作面，通过调整量块夹的位置和测头的装夹位置，最后使得测头在量块夹的两个工作面测量值为零，此表示测头在水平方向调整准确；垂直方向 的调整为测量内径为2R的内球面时，首先用量块夹装夹高精度的量块叠排成 一个长度为D的量块组，将它们垂直放在锥窝的上平面上，调整滑块位置，使 得测头在垂直状态测量量块夹的上工作面，测头的示值为d，反复调整滑块的位 置，使得量块组的长度D和测头的示值d应满足，此时表示测头垂直调整准确—m式中&为被测内球面的公称球半径，R为其外球面的半径，H为内球面最高点到锥窝上表面的距离，h为锥窝的深度，m为量块夹夹脚的厚度，"为锥窝锥 角。测头装夹在旋转臂上并能随其绕水平轴系旋转中心转动，水平轴系可做上下 调整运动，被测球体使用锥窝夹具装夹固定，锥窝夹具固定在垂直轴系转台上， 、测量时，被测球体绕垂直轴系旋转实现纬线转位，测头绕水平轴系旋转实现经线几何学把球面定义为半圆绕其直径一周后所形成的表面，也即三维空间中到 定点距离为常数的点的集合。球面由双回转运动合成，本发明主要有两垂直正交 的高精密轴系、测头系统和数据处理等部分组成，适用于不同直径球体的球径和 球度测量，而且通过更换旋转臂对内外球面都可以进行测量，精度很高。
图l为本发明结构方案示意图。图l (a)为测外球面结构图，图l (b)为测内球面结构图 图2为本发明进行测头水平方向调整时结构图。图2 (a)为测外球面示意，图2 (b)为测内球面示意图3为本发明进行测头垂直方向调整时结构图。图3 (a)为测外球面示意，图3 (b)为测内球面示意具体实施方式
参见图1。新型高精度球体多参数测量仪，包括有底座1，底座1上安装有 垂直旋转轴系8，垂直旋转轴8构成转台结构，其上端安装有锥窝夹具2，底座 上锥窝夹具2—侧安装有立柱3，所述的立柱3上有可上下滑动的滑块4，滑块 4与立柱3有上下调整及锁紧机构5，所述的滑块4上安装有水平旋转轴系9， 所述的水平旋转轴系9上安装有旋转臂6，所述的旋转臂6上安装有测头7，所 述的测头7位于锥窝夹具2的正上方。所述的测头为高精度测头，所述的锥窝夹 具锥底角度为12(T ，所述的旋转臂6可以根据测量外球面与内球面的不同进行 更换。测量不同直径的球体时为了保证测头都使用在测量范围内，要对测头在旋转 臂上的装夹位置进行调整，调整方法分述如下(1) 、测量外球面时，测头在水平方向的调整与垂直方向的调整 水平方向的调整为，参见图2 (a):测外径为2R的外球面时，首先用高精度的量块叠排成一个长度为2R的量块组，放在锥窝上，使得测头在水平方向上 反复测量量块组两端的的两个工作面，通过调整量块组的位置和测头的装夹位 置，最后使得测头在量块组的两个工作面的测量值为零，此表示测头在水平方向 调整准确；垂直方向的调整为，参见图3 (a):测量外径为2R的外球面时，首先叠放 一个长度为D量块组，将它垂直放在锥窝的上平面上，调整滑块位置，使得测 头在垂直状态测量量块组的上表面，测头的示值为d，反复调整滑块的位置，使 得量块组的长度D和测头的示值d应满足，此时表示测头垂直调整准确<formula>formula see original document page 7</formula>式中R为被测球体的外球面半径，H为外球面最高点到锥窝上表面的距离， h为锥窝的深度，"为锥窝锥角。(2) 、测量内球面时，测头在水平方向的调整与垂直方向的调整水平方向的调整为，参见图2 (b):测定内径为2R的内球面时，首先用量块夹装夹高精度的量块叠排成一个长度为2R的量块组，放在锥窝上，使得测头 在水平方向上反复测量量块夹两端的的两个工作面，通过调整量块夹的位置和测 头的装夹位置，最后使得测头在量块夹的两个工作面测量值为零，此表示测头在 水平方向调整准确；垂直方向的调整为，参见图3 (b):测量内径为2R的内球面时，首先用量 块夹装夹高精度的量块叠排成一个长度为D的量块组，将它们垂直放在锥窝的 上平面上，调整滑块位置，使得测头在垂直状态测量量块夹的上工作面，测头的 示值为d，反复调整滑块的位置，使得量块组的长度D和测头的示值d应满足， 此时表示测头垂直调整准确式中&为被测内球面的公称球半径，R为其外球面的半径，H为内球面最高点到锥窝上表面的距离，h为锥窝的深度，m为量块夹夹脚的厚度，a为锥窝锥 角。
权利要求
1、新型高精度球体多参数测量仪，其特征在于包括有底座，底座上安装有垂直旋转轴系构成转台，垂直旋转轴系上安装有锥窝夹具，底座上锥窝夹具一侧安装有立柱，所述的立柱上有可上下滑动的滑块，滑块与立柱上有上下调整及锁紧的机构，所述的滑块上安装有水平旋转轴系，水平旋转轴系上安装有旋转臂，所述的旋转臂上安装有高精度测头，所述的垂直旋转轴系与水平旋转轴系垂直正交，所述的测头位于锥窝夹具的正上方。
2、 根据权利要求1所述的新型高精度球体多参数测量仪，其特征在于所述的旋转臂上安装的测头指向球心或背向球心，分别用于测量外球面或内球面。
3、 根据权利要求1所述的新型高精度球体多参数测量仪的精度调整方法，其特征在于包括(1) 、测量外球面时，测头在水平方向的调整与垂直方向的调整，水平方向的调整为测外径为2R的外球面时，首先用高精度的量块叠排成一个长度为2R的量块组，放在锥窝上，使得测头在水平方向上反复测量量块组两端的的两个工 作面，通过调整量块组的位置和测头的装夹位置，最后使得测头在量块组的两个工作面的测量值为零，此表示测头在水平方向调整准确；垂直方向的调整为测 量外径为2R的外球面时，首先叠放一个长度为D量块组，将它垂直放在锥窝的 上平面上，调整滑块位置，使得测头在垂直状态测量量块组的上表面，测头的示 值为d，反复调整滑块的位置，使得量块组的长度D和测头的示值d应满足，此 时表示测头垂直调整准确<formula>formula see original document page 2</formula>式中R为被测球体的外球面半径，H为外球面最高点到锥窝上平面的距离，h为锥窝的深度，"为锥窝锥角；(2) 、测量内球面时，测头在水平方向的调整与垂直方向的调整，水平方向的调整为测定内径为2R的内球面时，首先用量块夹装夹高精度的量块叠排成一个长度为2R的量块组，放在锥窝上，使得测头在水平方向上反复测量量块夹 两端的的两个工作面，通过调整量块夹的位置和测头的装夹位置，最后使得测头 在量块夹的两个工作面测量值为零，此表示测头在水平方向调整准确；垂直方向的调整为测量内径为2R的内球面时，首先用量块夹装夹高精度的量块叠排成 一个长度为D的量块组，将它们垂直放在锥窝的上平面上，调整滑块位置，使 得测头在垂直状态测量量块夹的上工作面，测头的示值为d，反复调整滑块的位 置，使得量块组的长度D和测头的示值d应满足，此时表示测头垂直调整准确<formula>formula see original document page 3</formula>式中^为被测内球面的公称球半径，R为其外球面的半径，H为内球面最高点到锥窝上表面的距离，h为锥窝的深度，m为量块夹夹脚的厚度，"为锥窝锥 角。
全文摘要
本发明公开了一种新型高精度球体多参数测量仪及其精度调整方法，包括有底座，底座上安装在可转动的锥窝夹具，底座上锥窝夹具一侧安装有立柱，所述的立柱上有可上下滑动的滑块，滑块与立柱有上下调整及锁紧机构，所述的滑块上安装有旋转臂，所述的旋转臂上安装有测头，所述的测头位于锥窝夹具的正上方。适用于不同直径球体的球径和球度测量，而且通过更换旋转臂对内外球面都可以进行测量，精度很高。
文档编号G01B5/20GK101221031SQ20081001953
公开日2008年7月16日 申请日期2008年1月21日 优先权日2008年1月21日
发明者夏豪杰, 平 尚, 王晨晨, 费业泰, 陈宝刚, 陈晓怀 申请人:合肥工业大学