一种半径测量装置及半径测量方法与流程

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及到一种半径测量装置及测量方法。

背景技术

在生产实践当中，经常需要对零部件的内、外圆弧及球面的半径尺寸进行测量，通常采用半径规、多功能游标卡尺、三坐标测量仪等专用工具。由于测量工具和测量方法的限制，测得的弦长、弦高数据和真实尺寸往往出现偏差，影响最终半径计算结果的准确性，影响零件的测绘。

半径规俗称半径样板、r规、r样板、圆角规，是利用光隙法测量圆弧半径的工具。测量时必须使半径规的测量面与工件的圆弧完全的紧密的接触，当测量面与工件的圆弧中间没有间隙时，工件的圆弧度数则为此时半径规上所表示的数字。测量范围为r1～r25，通常用于测量半径为整数的小圆弧，因此测量范围有限，精度不高。多功能游标卡尺精度较高，广泛用于测量领域，但对于轮廓为劣弧的零件则无法完成。三坐标测量仪等高精度测量仪器，无法在生产现场操作，且操作耗时长、成本高。

申请号为92205678.1、201620450144.1、200710190665.3的中国专利公开的仪器/装置，均采用“弦高法”原理测量圆弧半径。即规定一段圆弧的弦长不变，通过测量弦高，并计算得到圆弧的半径。上述检测仪/装置在进行现场测量圆弧半径时，测量结果的不准确主要来源于三个方面：a、弦长不准确；b、弦高不准确；c、随机因素影响，多次测量时读数不重复。故上述检测仪存在以下缺陷:

1、刀刃形弦长测脚容易磨损，直接影响弦长的精度；

2、测量弦高的测头轴线应在弦长的中垂线上,但固定式结构和刀刃式测脚均难以调整，定位准确度不高，不利于精密调整和快速校准；

3、采用百分表读数，使用者持仪器/装置不稳，造成读数频繁跳动，难以确定测量值；

4、测量数据均要代入公式进行复杂计算，使用不方便；

5、固定式球形测头/刀刃形测脚存在磨损,且无法更换；

6、测量范围有限，仅能对特定范围的半径进行测量；

7、测量计算公式复杂，不能快速读取半径数值。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中零部件的内、外圆弧及球面的半径尺寸测量操作中存在的至少一个问题，提出一种半径测量装置及测量方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种半径测量装置，包括一水平设置的固定支架，固定支架具有贯穿其上下表面的通孔，通孔位于固定支架的中间位置，固定支架的两端垂直设置有固定测杆，还包含一弦高千分尺，弦高千分尺垂直安装于所述通孔中。

其中，弦高千分尺包括挡帽和测微螺杆，挡帽外圆柱面上有滚花纹路，测微螺杆穿过所述通孔，与固定测杆抵接在待测弧面上。

其中，测微螺杆的上端是细牙螺杆，下端是测头，测微螺杆上还设置有螺孔，固定测杆的下端设置有球头，测头与球头抵接在待测弧面上。

进一步的，还包括螺纹套筒，螺纹套筒是空心轴，测微螺杆穿过螺纹套筒。

进一步的，还包括锁紧螺钉，锁紧螺钉依次穿过固定支架、螺纹套筒，抵接在测微螺杆上的螺孔内。

进一步的，还包括微分筒，微分筒套设在螺纹套筒上，螺纹套筒的外圆柱面上沿轴线方向有主尺刻度，微分筒的外圆周上有副尺刻度。

进一步的，还包括调整螺钉，固定支架上设置有导向座，导向座与通孔相通，调整螺钉穿过所述导向座，抵接在螺纹套筒上。

其中，调整螺钉具有多个，周向分布于导向座上。

其中,导向座与与固定支架一体成型。

其中，待测弧面是标准量块和/或待测弧面的内圆弧和/或外圆弧。

一种半径测量方法，包括以下步骤：

选择不同弦长的固定支架，将弦高千分尺安装在固定支架的通孔中；

组装成半径测量装置，校准；

将固定测杆抵接在待测弧面上；调节挡帽，使测微螺杆抵接在待测弧面上，拧紧锁紧螺钉；

读取弦高尺寸，获得圆弧半径值。

其中，步骤(a)中所述固定支架的弦长为30mm、60mm、100mm、150mm中的一个，所述固定支架上标识该固定支架的可测量半径范围，所述半径测量装置可测量半径范围为r25～r500。

其中，步骤(b)的校准方法为：

b1、调节弦高千分尺高度，使所述测微螺杆的测头与所述固定测杆的球头抵接在同一个平面上，弦高千分尺的读数为12.000mm；

b2、用标准量块校准弦高千分尺，使弦高千分尺读数对应的半径与所述校准量块的半径一致。

其中，步骤(d)中获取圆弧半径值是读取弦高半径读数表或通过半径计算公式计算。

其中，半径计算公式是：

进一步的，还包括步骤e：半径测量装置放置和/或使用后，再次校准。然后重复步骤(c)和(d)。

本发明的有益效果是：结构简单，安装校准快捷、使用方便，测量范围广，精度适中。借助调整螺钉可快速更换不同跨距的固定支架，并完成校准，对内、外圆弧及球面半径的测量均适用，且原理一致，适用范围广。本发明的固定支架、固定测杆、千分尺等主要部件均为成熟技术的产品，制造、安装、调整方便，故本发明具有生产成本低廉，使用寿命长等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明的半径测量装置的结构示意图

图2为本发明的半径测量装置的剖面示意图

图3为本发明的半径测量装置测量外圆弧的示意图

图4为本发明的半径测量装置测量内圆弧的示意图

图5为本发明的半径测量装置测量外圆弧的计算原理图

图6为本发明的半径测量装置测量内圆弧的计算原理图

图7为本发明的一种固定支架的半径测量装置的结构示意图

图8为本发明的另一种固定支架的半径测量装置的结构示意图

图9为本发明的另一种固定支架的半径测量装置的结构示意图

图10为本发明的另一种固定支架的半径测量装置的结构示意图

图11为本发明的半径测量方法的流程示意图

图12为本发明的另一种半径测量方法的流程示意图

其中：1-挡帽；2-接头；3-测微螺杆；31-测头；4-微分筒；5-螺纹套筒；6-固定支架；7-固定测杆；71-导向座；72-球头；8-调整螺钉；9-紧锁螺钉。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包含复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包含”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1-2所示，本发明提供的半径测量装置，包括一水平设置的固定支架6，固定支架6的两端垂直设置有固定测杆7，固定支架6的两端设置有孔位，固定测杆7垂直安装在孔位的轴线上，固定测杆7还可以通过其他安装方式固定在固定支架6上，为了提高测量的准确性，固定支架6左右对称，且固定测杆7沿固定支架6的轴线对称。固定支架6具有贯穿其上下表面的通孔，通孔位于固定支架6的中间位置，通孔上端设置有导向座71，导向座71可以与固定支架6一体成型，也可以通过焊接等手段连接，本发明对此不作限定。

还包含一弦高千分尺，弦高千分尺由挡帽1、接头2、测微螺杆3、微分筒4、螺纹套筒5组成，挡帽1的一端带有螺柱结构，挡帽1外圆柱面有滚花纹路，增加旋转挡帽的摩擦力，当然也可以设置其他形状和纹路。接头2设置在挡帽1和螺纹套筒5之间，用于连接挡帽1和螺纹套筒5。测微螺杆3一端为细牙螺杆，末端有螺孔，另一端为球状测头31；微分筒4为圆筒状，外圆周上有副尺刻度；螺纹套筒5为空心轴，外圆柱面上沿轴线方向有主尺刻度。

弦高千分尺穿过导向座71，垂直安装于固定支架6的通孔中，锁紧螺钉9从侧面装入固定支架6上，穿过螺纹套筒5，可直接顶紧测微螺杆3的螺孔内，用于固定测微螺杆3。当需要调节测微螺杆3时，松开锁紧螺钉9，将测微螺杆3调节到测量所需的位置后，再拧紧锁紧螺钉9。也可以通过其他固定结构在松开或锁紧测微螺杆9，本发明对此不作限制。

多个调整螺钉9可调整测微螺杆3的轴线位置，使测微螺杆3的轴线处于两个固定测杆7的中央。为了提高测微螺杆3的稳定性和安装的准确性，可以从导向座71的周向方向上均匀间隔安装四个调整螺钉8，相应的，在导向座71上设置四个安装孔，微分筒4穿过导向座71后，插接在固定支架6上，四个调整螺钉8穿过安装孔71，调整螺钉8的末端抵接在微分筒4的外圆周上。通过四个方向的调整螺钉8的旋进距离，控制微分筒4的位置，由于测微螺杆3位于微分筒4的中心位置仅可以沿微分筒4的轴线方向移动，故当微分筒4位于固定支架6的轴线位置时，测微螺杆3一直位于固定支架6的轴线位置上。也可以设置其他数量的调整螺钉8和安装孔，本发明对此不作限制。

如图3-4和图7-10所示，本发明提供的半径测量装置可以测量圆弧的外径和内径，目测待测弧面的半径大小，根据使用范围，选择不同弦长的固定支架6，弦长即固定支架6的跨距a，本发明提供的固定支架的弦长为30mm、60mm、100mm、150mm，对应的测量分别为r25～80mm、r69～200mm、r181～360mm、r351～500mm，故本发明提供的半径测量装置的测试范围是r25～500mm，具体测量范围标示在固定支架6上，如图7所示，固定支架6的标示为r25～80，表示可测量的半径范围是为25～80mm。当待测弧面的半径大约是50mm时，选择弦长30mm的固定支架6；当待测弧面的半径大约是190mm时，可以选择弦长60mm的固定支架6，也可以选择弦长100mm的固定支架6。如果选择安装固定支架6后，发现待测弧面的半径未落入该半径测量装置的测量范围时，应该更换合适的固定支架6。

安装固定支架6后，需要对半径测量装置进行校准。1、调节半径测量测量仪的弦高千分尺高度，使测微螺杆3的测头31和两侧固定测杆7的球头72的最低点同时接触一个平面，弦高千分尺读数为12.000mm。2、根据该半径测量装置的固定支架设计原理，用标准量块校准弦高千分尺，使弦高千分尺读数对应之半径与标准量块的半径一致，校准完成。

半径测量装置安装调整好后，将将固定测杆7的两个球头72压紧在待测圆弧上；拧动弦高千分尺的挡帽1，使测微螺杆3的球头压在待测圆弧上，直至挡帽1发出“啪啪啪”的响声无法再拧动为止；拧紧锁紧螺钉9，锁定测微螺杆3的位置；移出半径测量装置并在微分筒4上根据刻度读出弦高尺寸。此时测量弦高尺寸操作结束。

如图5-6所示，根据上述弦高数值，可以直接在“弦高半径读数表”中查出对应的圆弧半径值，免去使用者自行计算的步骤，方便实用。

“弦高半径读数表”的计算公式如下：

外圆弧：

内圆弧：

本领域普通技术人员，可基于上述计算公式，通过大量简单实验手段，制作出“弦高半径读数表”，本发明对此不再赘述。

如需高精度测量，也可以代入半径计算公式中精确计算。

半径计算公式是：

其中，r外指待测弧面的外径，r内指待测弧面的内径，h指弦高，即上述半径测量装置的读数，r指固定测杆的球头半径，a指固定支架的弦长，当选择图7所示的固定支架时，弦长a即为30mm。本领域普通技术人员，可将测量结果代入上述计算公式，得出待测弧面的外径和/或内径。

其中影响其精度的因素包括:固定测杆球头半径r的形状误差；固定测杆轴线的位置误差；侧微螺杆轴线的位置误差。这些误差对公式计算数据的影响主要集中在对跨距a和弦高h的影响，最终影响待测弧面半径的计算值。

本领域普通技术人员可以得知，本发明提供的半径测量装置的主要误差有固定支架跨距误差δa，弦高的累积误差δh。

固定支架跨距2a的误差δa是由加工过程中的制造误差造成的，由于该固定支架是由数控机床加工并固定成型，数控机床加工而成的工件理论上精度均能控制在0.01mm以内，所以固定支架跨距误差δa＝0.008mm。

弦高h的累积误差δh由以下几项因素决定。

①固定测杆球头制造误差σ引起的弦高误差

本半径测量装置设计固定支架两端固定测杆球头r采用的材料为高硬度钨钢测头，钨钢材料在正常使用中磨损量基本可以忽略，因此只需要分析其制造误差即可。根据现有钨钢相关工艺资料可以得知，球头探针的工艺流程是首先烧结出探针毛坯，然后在毛坯基础上进行数控磨削加工(半精加工和精加工)，其制造误差取取经济精度±0.01较为合理。(实测圆半径r＝50mm，球头半径r＝2mm，跨距2a＝30mm)。

磨损误差计算公式为：

经计算可得

②装配时的对称度误差ψ引起的弦高误差

装配时将对称度误差ψ控制在0.05mm以内，弦高误差计算公式为(实测圆半径r＝50mm)：

其中r1表示弦高千分尺测头球头直径r1＝3.8mm，经计算可得

③弦高千分尺调零误差引起的弦高误差

弦高千分尺调零误差直接影响弦高误差根据量具的误差分析可知，千分尺调零误差引起的弦高误差

④弦高千分尺读数误差引起的弦高误差

千分尺读数误差也可直接影响弦高误差通过查阅资料[2]可得千分尺调零误差引起的弦高误差

弦高累积误差δh合成如下：

结合上述分析与计算,可得知,半径r的极限误差δr的计算如下：

不确定度计算如下：

标准不确定度计算uc按均匀分布计算：

uc＝δr/1.732＝0.0429mm

扩展不确定度计算，取k＝1.96：

u＝kuc＝0.0842mm

从上述误差分析计算可知，在跨距为30mm的固定支架下，半径的测量不确定度能够达到0.0842mm。同理分析得到跨距为60mm的固定支架测半径为150mm的圆弧的不确定度为0.1778mm，跨距为100mm的固定支架测半径为300mm的圆弧的不确定度为0.2521mm，和跨距为150mm的固定支架测半径为500mm的圆弧的不确定度为0.3094mm。

经计算证明，四个固定支架的半径测量不确定值均小于各固定支架设计测量半径最大允许误差±0.10mm、±0.20mm、±0.3mm、±0.50mm，满足该半径测量装置各固定支架设计测量半径最大允许误差，因此该半径测量装置虽然测量结构简单，但测量结果均满足各种圆弧半径的测量精度要求。适合于现场测量精度要求中等的各种零件和工件的内外圆弧半径。

实施例

为了考察本发明提供的半径测量装置的测量误差，提供减速器箱盖圆弧轮廓测量(真实值：r外＝115mm，r外＝105mm)，要求测量误差为0.5mm以内，采用本发明提供的半径测量装置及测量方法，具体操作方法如图3-6所示。

根据测量范围选择跨距60mm的固定支架，即a＝60/2＝30mm，球头半径r＝2mm，半径测量装置安装调整好后，将将固定测杆7的两个球头72压紧在减速箱盖外圆弧上；拧动弦高千分尺的挡帽1，使测微螺杆3的球头压在待测圆弧上，直至挡帽1发出“啪啪啪”的响声无法再拧动为止；拧紧锁紧螺钉9，锁定测微螺杆3的位置；移出半径测量装置并在微分筒4上根据刻度读出弦高尺寸，测得h外＝3.915mm。再将固定测杆7的两个球头72压紧在减速箱盖内圆弧上；拧动弦高千分尺的挡帽1，使测微螺杆3的球头压在待测圆弧上，直至挡帽1发出“啪啪啪”的响声无法再拧动为止；拧紧锁紧螺钉9，锁定测微螺杆3的位置；移出半径测量装置并在微分筒4上根据刻度读出弦高尺寸，测得h内＝4.282mm。

由数学模型计算所测圆弧半径：

测量误差计算如下：

△r外＝114.900-115＝-0.1mm；△r内＝105.232-105＝0.232mm

有此可知，本发明提供的半径测量装置及测量方法的精度能够达到0.5mm，完全满足铸造件的测量精度要求。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。