几何公差测量设备的制作方法

1.本实用新型涉及测量技术领域，特别涉及一种几何公差测量设备。


背景技术：

2.为了应对现代工业、航天航空领域对高精度大尺寸几何量精确测量的需求，配合工业制造、能源设备、航天航空等大型装备要求,目前已将大空间坐标测量扩展至大空间位姿6维参量测量，坐标测量系统已从传统的正交系统向非正交坐标测量系统发展。特别是随着激光测量及传感器技术的快速发展，出现了无需坐标测量系统就可测量大尺寸机械产品直线度、平面度、垂直度、平行度、同轴度等几何公差参数的激光测量仪器。
3.用于测量直线度、平面度、垂直度、平行度、同轴度等参数的激光几何公差参数测量仪器主要包括：激光测平仪、激光直线度测量仪、激光垂直度测量仪、机床加工中心校准系统、二轴及三轴扫描系统等。该类仪器已广泛应用于电力、船舶、航空航天、铁路、数控加工中心等大型机械装备制造业的测量及运行中的设备动态监控。由于该类仪器准确度高，使用简便，在国内进口激光几何公差参数测量仪器的数量持续增加，具有很大的增长空间。而国内针对上述测量仪器还没有统一的测量依据，测量标准尚未建立。
4.虽然该类激光几何公差参数测量仪器的测量精度高，操作简单，效率高，但是国外商品化的该类激光几何公差参数测量仪器价格昂贵，限制了该类激光几何公差参数测量仪器在国内企业中的推广应用。近年来国内的很多人都对该类激光几何公差参数测量仪器的测量原理和算法优化等方面做了大量的研究，提出了各种测量原理的数学模型，为国产化奠定了基础。但目前国产化还很低，测量准确度与进口仪器相比也有较大的差距，因此研制操作简便、高精度的具有自主知识产权的国产激光几何公差参数测量仪器对提高企业的经济效益和产品质量具有很大的意义。激光几何公差参数测量仪器的测量准确度不但与坐标量、距离等的数学模型的理论值有关，还需要进行非线性的补偿，建立更准确的模型，这就需要对仪器进行准确的测量，确定其示值误差与坐标量、距离等的数学关系模型。目前国内还没有测量激光几何公差参数测量仪器示值误差完善的测量方法及高准确度的测量设备，无法为仪器的国产化提供很好的技术支持。
5.目前在国内外基本都是采用一可移动的平台校准接收传感器的示值误差，利用0级平板测量其线性度及平面度，利用0级平板及直角尺组合测量其垂直度。目前有高准确度的平台可满足被测仪器接收传感器示值误差的测量要求。由于平板及直角尺的测量范围有限，所以对仪器的直线度、平面度及垂直度，无法在仪器的有效测量范围内进行全面测量及评估，而且由于0级平板及直角尺的直线度、平面度、垂直度的准确度不高，所以限制了激光几何公差参数测量仪向更高准确度的方向发展。解决该类几何仪器测量校准的方法是：使用比平板及直角尺准确度更高的大尺寸标准直线、标准平面、标准垂直度进行测量校准。但是，由于制造成本、安装场地、标准器变形、测量方法等原因，很难建立大尺寸标准直线、平面、垂直度的实物标准器。利用一大长度的平台及导轨、激光干涉仪、旋转台组合，可以构建高准确度的大尺寸标准直线、平面、垂直度的标准器，其可直接溯源至激光干涉仪，大大提
高了测量精度，解决激光几何公差参数测量仪测量的难题。


技术实现要素：

6.根据本实用新型的一个方面，提供了几何公差测量设备，包括基座及设于基座上的导轨，还包括以下部件：
7.移动平台、固定平台，移动平台、固定平台设于导轨上并沿基座的中轴方向分布，移动平台能够相对于固定平台沿基座中轴方向在导轨上进行移动；
8.旋转台，旋转台设于固定平台上且位于基座的中轴上，旋转台上可放置被测仪器；
9.第一激光干涉仪、第二激光干涉仪，第一激光干涉仪、第二激光干涉仪均设于固定平台上，第一激光干涉仪、第二激光干涉仪沿中轴对称分布；
10.第一反射镜、第二反射镜，第一反射镜、第二反射镜均设于移动平台上，第一反射镜、第二反射镜沿中轴对称分布；
11.第一反射镜与第一激光干涉仪的连线、第二反射镜与第二激光干涉仪的连线均与中轴平行。
12.本实用新型提供一种利用激光干涉与角度编码原理相结合，对仪器的几何公差参数进行测量的设备，本设备根据激光几何公差参数测量仪器的量值传递规律，建立激光几何公差参数类测量仪器溯源体系；可解决国内无法准确校准激光几何公差参数测量仪器的直线度、平面度及垂直度的问题，实现量值的统一，建立和完善该类仪器校准方法及溯源体系，保证它们的测量准确可靠。
13.在一些实施方式中，旋转台位于第一激光干涉仪、第二激光干涉仪之间的连线上。
14.在一些实施方式中，被测仪器、接收传感器、第一激光干涉仪、第二激光干涉仪、第一反射镜以及第二反射镜均位于同一平面内。
15.由此，保证测量准确可靠。
16.在一些实施方式中，第一激光干涉仪、第一反射镜之间配合，用于构建在水平面上垂直方向的标准直线。
17.由此，通过第一激光干涉仪、第一反射镜之间构建在水平面上垂直方向的直线，且以之为在垂直方向的标准直线。
18.在一些实施方式中，第二激光干涉仪、第二反射镜之间配合，用于构建在水平面上水平方向的标准直线。
19.由此，通过第二激光干涉仪、第二反射镜之间构建在水平面上水平方向的直线，且以之为在水平方向的标准直线。
20.在一些实施方式中，导轨沿基座的中轴延伸，固定平台设于导轨的一端，移动平台可活动地设于导轨上，移动平台沿导轨远离或靠近固定平台。
21.由此，利用导轨保证移动平台的移动轨迹。
22.根据本实用新型的一个方面，还提供了测量方法，包括上述的几何公差测量设备，还包括以下步骤，
23.构造两条标准的直线：第一激光干涉仪、第一反射镜之间配合，得到的特征点构造在水平面上垂直方向的标准直线，第二激光干涉仪、第二反射镜之间配合，得到的特征点构造在水平面上水平方向的标准直线；
24.构造一个标准的平面：旋转台的水平旋转角、第一激光干涉仪、第一反射镜之间配合，得到的特征点构造在水平面上的标准平面；
25.构造一个标准的两直线垂直度：旋转台垂直方向的旋转角、第一激光干涉仪、第一反射镜之间配合，得到的特征点构造水平与垂直平面间两直线的标准垂直度；
26.构造一个标准的直线与平面的垂直度：旋转台、第一激光干涉仪、第一反射镜之间配合，得到的特征点构造水平平面与垂直平面直线的标准垂直度；
27.安装被测仪器；
28.直线度测量：
29.在导轨的起始位置分别对激光干涉仪及被测仪器置零，移动平台沿中轴方向远离固定平台，在标准直线全长范围内均匀分布不少于10个测量点，分别读取第一激光干涉仪、第二激光干涉仪、被测仪器的读数；
30.第一激光干涉仪的读数与被测仪器垂直方向对应点的读数差，构造到被测仪器垂直方向直线度的特征点，按照直线度计算方法可得被测仪器垂直方向的直线度；
31.第二激光干涉仪的读数与被测仪器水平方向对应点的读数差，构造到被测仪器水平方向直线度的特征点，按照直线度计算方法可得被测仪器在水平方向的直线度；
32.平面度测量：由多条直线度特定的点组合，通过最小条件原则计算得到；
33.两直线垂直度测量：
34.在导轨的起始位置分别对激光干涉仪及被测仪器置零，移动平台沿中轴方向远离固定平台至最远点，得到第一激光干涉仪的读数与被测仪器垂直方向对应点的读数差，被测仪器的激光发射器不动，旋转台的垂直旋转角转动90
°
，此时被测仪器在垂直平面的激光束射到接收传感器上，在导轨的起始位置分别对激光干涉仪及被测仪器置零，移动平台沿中轴方向远离固定平台至最远点，再次读取第一激光干涉仪与被测仪器的读数差，两读数差之和即为两直线的垂直度；
35.平面与直线垂直度测量：
36.在导轨的起始位置分别对激光干涉仪及被测仪器置零，移动平台(3)沿中轴方向远离固定平台至最远点，旋转台的水平旋转角转动一周，读取第一激光干涉仪与被测仪器的读数，得到激光扫平面旋转一周在标准直线最长处的最大及最小读数差；
37.被测仪器的激光发射器不动，旋转台的垂直旋转角旋转90
°
，此时被测仪器在垂直平面的激光束射到接收传感器上，在导轨的起始位置分别对激光干涉仪及被测仪器置零，移动平台沿中轴方向远离固定平台至最远点，此时被测仪器垂直方向的光束射到接收传感器上，读取第一激光干涉仪与被测仪器的读数差，其读数差分别与激光扫平面在标准直线最长处的最大及最小读数差之和即为激光扫平面与垂直平面的激光束的垂直度，取两计算结果绝对值最大值为为激光扫平面与垂直平面激光束的垂直度。
38.根据激光几何公差参数测量仪器的测量原理和直线度、平面度、垂直度的测量方法，提出利用长导轨、激光干涉仪、高精度的旋转台构建大长度标准直线度、标准平面度、标准垂直度的方法。
39.在一些实施方式中，安装被测仪器中：将被测仪器的激光发射器安装在水平方向转台上，接收传感器安装在移动平台上；调整激光发射器及接收传感器的位置，使被测仪器能在导轨的全程范围进行正常工作。
40.由此，通过该方法对被测仪器进行测量。
41.在一些实施方式中，在平面度测量中：
42.平面度的测量采用对角线分布，测量点数不少于49个；
43.利用标准转台及水平面上垂直方向的标准直线构建一标准平面，在标准直线全长的0.7071长度范围内均匀分布n个测量点(不包含0点，n＞3)，每个测量点之间间距为l；
44.在导轨的起始位置分别对激光干涉仪及被测仪器置零，移动平台到相应的测量点，分别读取第一激光干涉仪及被测仪器垂直方向的读数；
45.第一激光干涉仪的读数与被测仪器垂直方向对应点的读数差为a
i0
(i＝
‑
n～n，i≠0)，得到被测仪器在水平面的第0条直线的特征点a
i0
；被测仪器的激光发射器转动，其转角为标准转台反向转动α
i1
，使激光线还是落在移动平台的接收传器上感，移动平台到相应的测量点，每个测量点之间间距为分别读取第一激光干涉仪及被测仪器垂直方向的读数，得到被测仪器在水平面的第一条直线特征点a
i1
；
46.被测仪器的激光发射器依次转动标准转台反向转动α
ij
，移动平台相应移动使激光线还是落在移动平台的接收传感器上，得到第j(j＝－n～n，j≠0)条直线相应测量点的特征点a
ij
，激光发射器转动一周，可得到(2n+1)2个特征点数据，按照平面度计算方法即可计算出被测仪器激光面的平面度。
47.由此，通过该方法进行平面度测量。
48.在一些实施方式中，在平面度测量中：测量点采用矩形阵列分布。
49.由此，保证测量准确性。
50.本实用新型的有益效果的具体体现为：本实用新型提供的测量设备和测量方法，能够完善激光几何公差参数测量仪器校准方法，能够完善激光几何公差参数测量仪器溯源体系，高准确度的测量激光几何公差参数测量仪器的标准器，可为激光几何公差参数测量仪器的国产化提供良好的技术支持，降低购买设备成本，提高企业的经济效益。
附图说明
51.图1为本实用新型一实施方式的几何公差测量设备的立体结构示意图。
52.图2为图1所示几何公差测量设备的构造标准平面的结构示意图。
53.图3为图1所示几何公差测量设备的构造标准垂直度的结构示意图。
54.图4为图1所示几何公差测量设备中激光干涉仪的原理结构示意图。
55.图5为图1所示几何公差测量设备中平面度测量点的分布结构示意图。
56.图中标号：1
‑
基座、2
‑
导轨、3
‑
移动平台、4
‑
固定平台、5
‑
旋转台、6
‑
接收传感器、7
‑
第一激光干涉仪、8
‑
第二激光干涉仪、9
‑
第一反射镜、10
‑
第二反射镜、a
‑
被测仪器。
具体实施方式
57.下面结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。
58.图1示意性地显示了根据本实用新型的一种实施方式的几何公差测量设备，包括
基座1及设于基座1上的导轨2。
59.为更好地对本实施例中的各个部件进行说明，将x、y、z轴三维概念引入本实施例中，对本实施例的各个部件进行详细说明。其中，以基座1的中轴方向为x轴，垂直于x轴的纵向方向为y轴，垂直于x轴的竖直方向为z轴；x轴与z轴组成的平面为xz平面，x轴与y轴组成的平面为xy平面，y轴与z轴组成的平面为yz平面。而且，结合附图1，x轴的正向为右侧方位，反之则为左侧方位；z轴的正向为上侧方位，反之则为下侧方位；y轴的正向为前侧方位，反之则为后侧方位。
60.本实施例中的几何公差测量设备中，基座1的端面位于x轴与y轴组成水平面内，导轨2沿x轴方向延伸。
61.本实施例中的几何公差测量设备还包括以下部件：
62.移动平台3、固定平台4，移动平台3、固定平台4设于导轨2上并沿基座1的中轴方向分布，固定平台4位于导轨2的左端。本实施例中，移动平台3、固定平台4均为气浮移动平台；顾名思义，固定平台4为固定设置的，移动平台3能够相对于固定平台4沿基座1中轴方向在导轨2上进行移动。
63.旋转台5，旋转台5设于固定平台4上且位于基座1的中轴上，旋转台5上可放置被测仪器a；旋转台5为水平及垂直两转轴的标准转台，在本领域中对高精度有定义。
64.接收传感器6，接收传感器6设于移动平台3上且位于基座1的中轴上，用于与被测仪器a配合传感。
65.第一激光干涉仪7、第二激光干涉仪8，第一激光干涉仪7、第二激光干涉仪8均设于固定平台4上，第一激光干涉仪7、第二激光干涉仪8沿中轴对称分布；
66.第一反射镜9、第二反射镜10，第一反射镜9、第二反射镜10均设于移动平台3上，第一反射镜9、第二反射镜10沿中轴对称分布；
67.第一反射镜9与第一激光干涉仪7的连线、第二反射镜10与第二激光干涉仪8的连线均与中轴平行。
68.本实用新型提供一种利用激光干涉及角度编码原理对仪器的几何公差参数进行测量的设备，本设备根据激光几何公差参数测量仪器的量值传递规律，建立激光几何公差参数类测量仪器溯源体系；可解决国内无法准确测量校准激光几何公差参数测量仪器的直线度、平面度及垂直度的问题，实现量值的统一，建立和完善该类仪器校准方法及溯源体系，保证它们的测量准确可靠。
69.结合图1，旋转台5位于第一激光干涉仪7、第二激光干涉仪8之间的连线上。
70.结合图1，被测仪器a、接收传感器6、第一激光干涉仪7、第二激光干涉仪8、第一反射镜9以及第二反射镜10均位于同一平面内。
71.结合图1，第一激光干涉仪7、第一反射镜9之间配合，用于构建垂直方向的标准直线。第二激光干涉仪8、第二反射镜10之间配合，用于构建水平方向的标准直线。
72.如图1所示,第一激光干涉仪7测量垂直方向的直线度，第二激光干涉仪8测量水平方向的直线度，利用一些特征点构造两条标准的直线。被测仪器a的激光发射器安装在旋转台5上，接收传感器6安装在移动平台3上，接收传感器6与第一反射镜9、第二反射镜10同时移动,保证被测仪器a采集的测量点与第一激光干涉仪7、第二激光干涉仪8采集的测量点一致，得到激光干涉仪与被测仪器a的读数，其读数差即为被测仪器a直线度的特征点，通过最
小条件原则计算得到直线度，如图2所示，建立好大长度标准直线后，转动被测仪器a的激光发射器可构成一激光测量平面，为了让安装在移动平台3上的接收传感器6接收到被测仪器a激光发射器发出的光斑，高精度的旋转台5要反向转动相同的角度。在垂直方向测量一些特征点，根据平面度测量的要求转动相应的角度测出多组垂直方向的特征点数值，按照平面度计算方法计算被测仪器a激光面的平面度。
73.如图3所示，在构建好大长度标准直线后，将垂直方向的标准直线作为基准，被测仪器a的激光发射器不动，高精度的旋转台5垂直方向的旋转轴旋转90
°
，此时垂直平面的激光束射到接收传感器6上，再次测量该光束垂直方向的直线度，两直线在最远点的读数和即为水平面与垂直面两激光束的垂直度，垂直平面的激光束与水平面所有激光束的垂直度最大值即为垂直平面的激光束与激光扫平面的垂直度。
74.结合图1，导轨2沿基座1的中轴延伸，固定平台4设于导轨2的一端，移动平台3可活动地设于导轨2上，移动平台3沿导轨2远离或靠近固定平台4。
75.根据本实用新型的一个方面，还提供了测量方法，包括上述的几何公差测量设备，还包括以下步骤，
76.s1.1、构造两条标准的直线：第一激光干涉仪7、第一反射镜9之间配合，得到的特征点构造垂直方向的标准直线，第二激光干涉仪8、第二反射镜10之间配合，得到的特征点构造水平方向的标准直线；
77.s1.2、构造一个标准的平面：旋转台5的水平旋转角、第一激光干涉仪7、第一反射镜9之间配合，得到的特征点构造水平面的标准平面；
78.s1.3、构造一个标准的垂直度：旋转台5的两个旋转角、第一激光干涉仪7、第一反射镜9之间配合，得到的特征点构造水平面与垂直面两直线的标准垂直度，构造水平面与垂直面一直线的标准垂直度；
79.s2、安装被测仪器a：将被测仪器a的激光发射器安装在水平转台上，接收传感器6安装在移动平台3上；调整激光发射器及接收传感器6的位置，使被测仪器a能在导轨2的全程范围进行正常工作。
80.s3.1、直线度测量：
81.在导轨2的起始位置分别对激光干涉仪及被测仪器a置零，移动平台3沿中轴方向远离固定平台4，在标准直线全长范围内均匀分布不少于10个测量点，分别读取第一激光干涉仪7、第二激光干涉仪8、被测仪器a的读数；
82.第一激光干涉仪7的读数与被测仪器a垂直方向对应点的读数差，构造到被测仪器a垂直方向直线度的特征点，按照直线度计算方法可得被测仪器a垂直方向的直线度；
83.第二激光干涉仪8的读数与被测仪器a水平方向对应点的读数差，构造到被测仪器a水平方向直线度的特征点，按照直线度计算方法可得被测仪器a在水平方向的直线度；
84.s3.2、平面度测量：由多条直线度特定的点组合，通过最小条件原则计算得到。在一些实施方式中，在平面度测量中：
85.平面度的测量采用对角线分布，测量点数不少于49个，测量点的分布见图5，测量点以矩形阵列分布；本实施例中，以7*7矩形阵列分布，测量点数为49个。
86.利用旋转台5及水平方向的标准直线构建一标准平面，在标准直线全长的0.7071长度范围内均匀分布n个测量点(不包含0点，n>3)，每个测量点之间间距为l；
87.在导轨2的起始位置分别对第一激光干涉仪7及被测仪器a置零，移动平台3到相应的测量点，分别读取第一激光干涉仪7及被测仪器a垂直方向的读数；
88.第一激光干涉仪7的读数与被测仪器a垂直方向对应点的读数差为a
i0
(i＝
‑
n～n，i≠0)，得到被测仪器a在水平面的第0条直线的特征点a
i0
；被测仪器a的激光发射器转动，其转角为标准转台反向转动α
i1
，使激光线还是落在移动平台3的接收传感器6上，移动平台3到相应的测量点，每个测量点之间间距为分别读取第一激光干涉仪7及被测仪器a垂直方向的读数；
89.得到被测仪器a在水平面的第一条直线特征点a
i1
。被测仪器a的激光发射器依次转动标准转台反向转动α
ij
，移动平台3相应移动使激光线还是落在移动平台3的接收传感器6上，得到第j(j＝
‑
n～n，j≠0)条直线相应测量点的特征点a
ij
，激光发射器转动一周，可得到(2n+1)2个特征点数据；
90.按照平面度计算方法即可计算出被测仪器a激光面的平面度。
91.s3.3、垂直度误差测量：
92.两直线垂直度测量：
93.在导轨2的起始位置分别对激光干涉仪及被测仪器a置零，移动平台3沿中轴方向远离固定平台4至最远点，得到第一激光干涉仪7的读数与被测仪器a垂直方向对应点的读数差，被测仪器a的激光发射器不动，旋转台5的垂直旋转角转动90
°
，此时被测仪器a在垂直平面的激光束射到接收传感器6上，在导轨2的起始位置分别对激光干涉仪及被测仪器a置零，移动平台3沿中轴方向远离固定平台4至最远点，再次读取第一激光干涉仪7与被测仪器a的读数差，两读数差之和即为两直线的垂直度；
94.平面与直线垂直度测量：
95.在导轨2的起始位置分别对激光干涉仪及被测仪器a置零，移动平台3沿中轴方向远离固定平台4至最远点，旋转台5的水平旋转角转动一周，读取第一激光干涉仪7与被测仪器a的读数，得到激光扫平面旋转一周在标准直线最长处的最大及最小读数差；
96.被测仪器a的激光发射器不动，旋转台5的垂直旋转角旋转90
°
，此时被测仪器a在垂直平面的激光束射到接收传感器6上，在导轨2的起始位置分别对激光干涉仪及被测仪器置a零，移动平台3沿中轴方向远离固定平台4至最远点，此时被测仪器a垂直方向的光束射到接收传感器6上，读取第一激光干涉仪7与被测仪器a的读数差，其读数差分别与激光扫平面在标准直线最长处的最大及最小读数差之和即为激光扫平面与垂直平面的激光束的垂直度，取两计算结果绝对值最大值为为激光扫平面与垂直平面激光束的垂直度。
97.本实用新型提供的测量设备和测量方法，能够完善激光几何公差参数测量仪器校准方法，能够完善激光几何公差参数测量仪器溯源体系，高准确度的测量激光几何公差参数测量仪器示值误差的标准器，可为激光几何公差参数测量仪器的国产化提供良好的技术支持，降低购买设备成本，提高企业的经济效益。
98.以上所述的仅是本实用新型的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用
新型的保护范围。