专利名称：工件角度和长度测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种以光脉冲方法测量工件角度和长度的测量装置，特别适用平面形工件角度和长度的快速测量，属于以光学方法为特征的测量线性尺寸和角度和计量设备。
角度和长度是工件的重要参数。目前已有多种仪器和量具用于工件角度和长度的精密测量。如测量长度的干涉仪，测量角度的圆光栅、圆磁栅等。这些仪器结构复杂、价格昂贵，精度受到制造工艺限制，一般不适合批量工件的快速测量。
本实用新型的目的是设计一种结构简单、使用方便、测量迅速而价格较低的工件角度和长度的精密测量装置，本实用新型还可以用于速度的精密测量。
本实用新型的原理是利用频率高度稳定的脉冲光源，在运动系统带动下，待测工件相对脉冲光源作匀速运动。如脉冲频率为ν0，工件与光源的相对运动速度为u0或角速度ω0。工件角度或长度为α或l，在工件与光源相对运动过程中，待测角度或长度对应的接收或失去的光脉冲数为n，则有l＝ (μ0)/(ν0) ·n (1)α＝ (ω0)/(ν0) ·n (2)如工件长度或角度已知为l0或α0，则可测定速度u或角速度ω，即
u＝ (l0)/(n) ·ν0(3)ω＝ (α0)/(n) ·ν0(4)当测量待测工件的长度或角度时，用已知长度l0或已知角度α0的标准试样(标样)先求得u0和ω0，然后用(1)、(2)式可测得工件长度或角度。即l＝l0· (n0)/(n) (5)α＝α0· (n0)/(n) (6)式中n0为标样对应的接收或失去的光脉冲数。
本实用新型在测量角度时，可用360°圆周角作为绝对标样，此时，(6)式可写成α＝360°· (n)/(n0′) (7)式中n0’为360°圆周角对应的脉冲数。
本实用新型也可以在工件与光源相对作匀变速运动下进行测量。例如，在光源与工件相对作匀减速运动时，将待测长度的工件置于两个标样之间。设前、后二个标样的长度分别为l1、l2，这二个标样对应的脉冲数分别为n1、n2。从第一个标样中心开始计算脉冲数，工件的第一个边对应第N1个脉冲，工件的第二个边对应第N2个脉冲，第二个标样中心对应第N0个脉冲，经过简单推导，得工件长度
l =〔l1n1－(l1n1－l2n2)(N1+ N2)2N0〕(N2－ N1)]]>(8)类似地，在光源与工件相对作匀减速(角速度)运动测量工件角度时，在工件转动的同一圆周平面内任意设置一参考角，则待测角α =4πN0(1n1+1n2)〔1n1－ (1n1－1n2)·N1+ N22N0〕(N2－ N1)]]>(9)式中，n1、n2分别为参考角转动一周先后二次对应的脉冲数，N0为360°圆周角对应的脉冲数，从参考角中心开始计算脉冲数，待测角第一个边对应第N1个脉冲，第二个边对应第N2个脉冲。
本实用新型的测量精度取决于脉冲频率ν0的稳定性，工件运动速度或加速度的稳定性、脉冲探头(探测器窗口)尺寸、长度测量的长度标样精度。使用晶体振荡器稳频的脉冲电源激励光源可以得到频率高于1兆赫且极其稳定的脉冲光源，光探测器也足以检测到每个一光脉冲，因此，ν0与计数的误差可以忽略。工件与光源相对运动速度的稳定性由运动系统保证。在光探测器前设置光阑或将探测器与光纤耦合，使光探测器窗口直径小于10μm，并可通过脉冲幅度分析，进一步减少探头尺寸(探测器窗口)的影响。长度标样用现有测量仪器测量可优于1μm，而角度可采用360°作为绝对标样，因此，本实用新型的长度测量精度可近于1μm，角度测量精度可优于1秒。
本实用新型的基本结构包括脉冲计数电路，其特征在于有一由晶体振荡器稳频的脉冲电源激励的脉冲光源和光探测器组成的光学探头、探头位置调整机构以及使待测工件与光源作相对运动的由电机、减速器、皮带传动机构和飞轮构成的运动系统。
本实用新型的脉冲光源可以是发出平行光的激光器，也可是用光学准直系统准直的激光器或普通光源。脉冲光的接收可采用对射式或反射式两种。采用对射式的光学探头其光源和光探测器相对放置，待测工件置于光源和光探测器之间，光探测器直接接收来自光源的光。采用反射式的光学探头其光源和光探测器分别与一根光缆的二根光纤的端口耦合并置于待测工件的同一侧，光探测器接收来自工件表面的反射光。
对于对射式结构的光学探头，为了保证测量精度，在光探测器前还设有光阑或使光探测器与光纤耦合，使接收的光斑尺寸尽可能小。
为了减小光斑尺寸对测量精度的影响，本实用新型还设置脉冲幅度分析单元。
本实用新型还可以有计算机及显示、打印系统，以实现自动与快速测量。
本实用新型与已有的精密测角、测长仪器相比，在同样精密度条件下，具有结构简单、成本低、测量迅速的特点，适于大批量工件的快速测量。由于采用360°圆周角作为绝对标样，在工件转动中心与光学探头之间的距离大于200毫米时，测角精度优于1秒。长度测量可接近标样的精度。本实用新型可广泛用于精密机械零部件的检测。同时，也可用于速度和角速度的精密测量。
图1是对射式结构光学探头的测角装置。图中1为同步电机，2为减速箱，3是皮带传动机构，4是主轴，5是离合器，6是飞轮，7是工件台，8是待测工件(例如齿轮)，9是参考槽片，用作参考角，10为脉冲光源，11是光探测器，12是脉冲光源10和光探测器11组成的光学探头位移机构，13为由晶体振荡器稳频的脉冲电源，脉冲计数电路和脉冲幅度分析单元，14为计算机及显示、打印系统。
图2是反射式结构光学探头的测长装置。图中21为同步电机，22是减速箱，23是皮带传动机构，25是离合器，26是飞轮，27为工件、标样传输轮，28是工件、标样传输带，29是长度标样，30是待测工件，31为在其一端分别耦合有脉冲光源和光探测器的二根光纤组成的反射式光学探头，32是光学探头位移机构，33为与图1的13一样的脉冲电源、脉冲计数电路和脉冲幅度分析单元，34为计算机及显示、打印系统。
图1也可以采用反射式光学探头。此时，只需将图2中的光纤探头31、探头位移机构32代替图1中的光源10、光探器11和光学探头位移结构12。同样，图2也可以采用对射式光学探头，即将图1中的10、11、12代替图2中的31、32，只要将脉冲光源10和光探器11置于工件及标样传输带28的二侧。采用对射式光学探头要求工件待测角或待测长度二个边处有透光、遮光的变化；采用反射光学探头要求工件表面光亮，探头能探测到来自工件表面的足够强度的反射光。
图3是运动系统带动光学探头运动而工件与标样静止情况下测量长度的装置。图中41、42、43分别为同步电机、减速箱和皮带轮，44是压带轮，它用来增加皮带和皮带轮之间的摩擦力，并使绕过皮带轮二侧皮带之间距离缩短，45是飞轮，46为皮带，47为绳轮，48是钢丝绳，49、50为限位开关，51为由钢丝绳带动探头运动的滑车，52是滑车导轨，脉冲光源53和光探器54组成光学探头，待测工件55和标样56置于工作台57上，58是光学探头位移机构，59为由晶体振荡器稳频的脉冲电源、脉冲计数电路和脉冲幅度分析单元，60是计算机及显示、打印系统，61为滑车51上的触头，62是皮带46和钢丝绳48之间的离合装置。
以下结合
几个实施例实施例1见图1。待测工件8是齿轮，将待测工件固定于工件台7上并使齿轮中心与主轴4中心重合。由位移机构12将脉冲光源10与光探测器11调整到对准齿轮边缘齿处。在齿轮的任一齿槽处贴附参考槽片9。起动电机1，经减速箱2减速，皮带传动机构3带动飞轮6与工作台7、工件8运动。由于飞轮6的稳速作用，可保证运动系统作慢速的匀速圆周运动。起动脉冲电源、脉冲计数装置和脉冲幅度分析单元13，并由计算机系统14显示、分析；当参考槽片9相继二次在脉冲光源10和光探测器11之间通过，检测到的脉冲数在要求的误差范围可认为相等时，则表明待测工件已保持匀速圆周运动，此时，可按(7)式测定待测齿轮的齿间角，并由计算机系统14进行计算、显示、存储或打印输出。参考槽片9除了用于判断工件是否作匀速圆周运动外，还作为待测各齿编号的起点，以使测量数据与待测齿一一对应。脉冲光源10是发射平行光的激光器，也可以是配有光学准直系统的激光器或普通光源以保证其发射平行光。光探测器11前有直径约5μm光阑，并紧靠齿轮下表面。由于光阑有一定尺寸(这里为5μm)，在齿轮转动过程中，齿轮边缘有时只有光束的一部分通过，使接收到的脉冲幅度下降，设置的脉冲幅度分析单元(波高分析器)将只对高于正常脉冲幅度一半的脉冲计数，大大减少了探测器窗口(光阑)尺寸对测量精度的影响。
本实施例也可以在工件作匀减速运动条件下按(9)式测量齿间角。此时，只需在运动系统带动工件转动达到一定转速后，松开离合器5，工件在飞轮6的惯性驱动下，作匀减速运动，测量过程与前述相同。
如果齿轮边缘整齐，表面光亮，也可以用图2所示的反射式探头进行齿间角的测量，只需将图2的光学探头31，探头位移机构32代替脉冲光源10、光探器11和位移机构12即可。
实施例2见图2。待测工件是一截面为梯形的长方零件。由于其二边有一斜度，为测定其梯形顶边的长度不能采用对射式探头，因而采用反射式探头进行测量。反射式光学探头31为一光缆，其中二根光纤的一端耦合有脉冲光源和光探测器。工件置于传输带28上，多个已知长度的标样则均匀固定在传输带28上。在同步电机21、减速箱22、皮带传动机构23以及飞轮26带动下作均速运动。当相同尺寸的二个标样反射的光脉冲数相同时，工件30已处于匀速运动状态，开始进行测量，由(5)式可测得工件长度l。
本实施例也可以在工件作匀减速运动条件下，按(8)式测量工件长度，只需要工件运动系统正常运行后，松开离合器25，使工件与标样在飞轮26带动下作匀减速运动即可。
如果工件边界没有斜度，则可以采用如图1的对射式探头。此时，只需将反射式光学探头31及其位移机构32用图1的对射式探头部分(即光源10、探测器11和位移机构12)代替，并将10与11置于工件及标样传输带27的两侧。
实施例3如图3所示。该实施例以光学探头的运动实现工件与探头的相对运动。本实施例的运动系统41、42、43、44、45始终在同一方向运动，而皮带46上、下二侧的运动方向相反。装有光学探头的光源53和探测器54的滑车51由钢丝绳48带动在导轨52上滑动，当滑车触头61与限位开关49、50接触时，离合装置62使网丝绳48分别与上、下侧皮带46扣合，以此实现光学探头在导轨上作往复运动。本实施例的原理和测量方法与前述相同，其光学探头当然也可换成反射式结构。
在测角时，也可用光学探头转动而工件静止。但需解决一系列光源与探测器和电源与脉冲计数装置的电连接问题，结构要复杂些。如使用电刷连接，由于电刷磨损，影响可靠性。因此，不适合采用。
上述实施例均可按(3)、(4)式实现运动系统速度的测量。
权利要求1.一种以光脉冲方法测量工件角度和长度的测量装置，包括脉冲计数电路，本实用新型的特征在于有一由晶体振荡器稳频的脉冲电源激励的脉冲光源和光探测器组成的光学探头、探头位置调整机构以及使待测工件与光源作相对运动的由电机、减速器、皮带传动机构和飞轮构成的运动系统。
2.按权利要求1所述的测量装置，其特征是所说的光学探头的脉冲光源是发出平行光的激光器或用光学准直系统准直的激光器或普通光源。
3.按权利要求1或2所述的测量装置，其特征是所说的光学探头是光探测器与脉冲光源置于待测工件二边，光探测器直接接收脉冲光源发出的光的对射式结构光学探头。
4.按权利要求1或2所述的测量装置，其特征是所说的光学探头是光探测器和脉冲光源分别与一根光缆的二根光纤的端口耦合，光缆置于待测工件同一侧，光探测器接收工件表面反射光的反射式结构光学探头。
5.按权利要求3所述的测量装置，其特征是所说的对射式光学探头的光探测器前设有光阑或光探测器与光纤耦合。
6.按权利要求1所述的测量装置，其特征是还有脉冲幅度分析单元。
7.按权利要求1所述的测量装置，其特征是所说的运动系统还包括离合器。
8.按权利要求1所述的测量装置，其特征是还包括计算机及显示、打印系统。
专利摘要一种以光脉冲方法测量工件角度与长度的装置，属于以光学方法为特征的测量线性尺寸和角度的计量设备。它包括脉冲计数电路，其特征是有一由频率高度稳定的脉冲光源和光探测器组成的光学探头，探头位置调整机构及使待测工件与光学探头作相对匀速或匀减速运动的运动系统。本实用新型的测角精度可优于1秒，测长精度可接近标准试样精度，具有结构简单、成本低，测量迅速的优点，可广泛用于机械加工工业的精密零部件检测。
文档编号G01B11/24GK2196290SQ9423860
公开日1995年5月3日 申请日期1994年4月27日 优先权日1994年4月27日
发明者李润身, 姜小龙 申请人:中国科学院上海冶金研究所