专利名称：工件形状测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种工件截面形状的测量装置，特别适用于平面工件外形的测量。属于以采用光学方法为特征的，用于测定外形的计量设备。本实用新型亦可用于测量与工件截面形状有关的参数，例如面积、轮廓、曲率等。
工件截面形状是工件的重要测量参数，如各种标准卡规的外形、齿轮的齿形及油马达转子、定子的牙形等。其测量比测量工件尺寸和角度更为困难。目前虽有多种测量仪器，大多采用探头沿工件外表面扫描，然后用光栅测定探头的位移，从而得到工件边缘各点的座标。探头的形状、尺寸，探头与工件接触点的随意性都会影响这类仪器的测量精度。由于要应用光栅测量位移，设备比较昂贵，成本高，测量时间长，不适于批量工件的快速测量。
本实用新型的目的是设计一种测量迅速、方便、价格较低的工件截面形状的精密测量装置。本实用新型亦可测定与工件形状相关的其它参数，如面积、曲率等。
本实用新型采用频率高度稳定的脉冲光源和光探测器组成的光学探头对待测工件与标准图形进行扫描，计算工件和标准图形通过或阻挡的光脉冲数来读出待测工件边缘的坐标，从而测定工件的截面形状及与此相关的其它参数。扫描方式可以用逐行直线扫描，也可以采用圆弧扫描方式。标准图形可依待测工件灵活选择，但要求图形易于加工，精度高。一般选择圆形、弓形、矩形或正方形。以下简单说明本实用新型采用二种扫描方式的测量原理。
图1表示光学探头相对于待测工件作直线扫描方式的测量原理。标准图形是圆心为O，并径为r的圆孔，r为已精密测量值。待测工件是一螺纹规。确定一通过圆心的直角座标系XOY，横轴OX，纵轴OY。光学探头的初始扫描行K1K2平行于OX轴，K1K2与Y轴交点为K0。K1K2间的距离l可以从该行扫描中通过的脉冲数n0与沿标准圆孔直径上扫描时通过的脉冲数n’求得［l＝2r·(n0／n’)］。也可以通过一长度已精密测量的标样扫描或直接用其它精密测量方法(例如测定OK0)后求得。探头从初始扫描行K1K2开始扫描标准圆孔，每扫描一行后，探头沿Y轴位移一小步长，继续在平行于X轴方向进行下一行扫描。当扫描线经过待测工件，例如图1中的A1A2A3A4线。其中A1、A4为扫描线与标准圆孔圆周的二个交点，A2、A3为待测工件二个边缘与扫描线的交点。设A1A2间扫描通过的光脉冲数为n1，A2A3间遮断的光脉冲数为n2，A3A4间透过的光脉冲数为n3，则有()/(A1A2) = (L)/(n0) n1()/(A2A3) = (L)/(n0) n2()/(A3A4) = (L)/(n0) n3()/(A1A4) = (L)/(n0) nk ,nK＝n1＋n2＋n3于是，工件边缘A2、A3点的座标可确定为
A2(X，Y)＝A2 A3(X，Y)＝A3 当探头沿Y轴方向每步进一次，在平行于X轴方向扫描一次，即可得到工件边界上二个点的座标，从而可测定整个待测工件的外形。
图2表示光学探头相对于待测工件作圆弧扫描方式的测量原理。待测工件同样为螺纹规，置于旋转样品台上。样品台上放有一圆心为0半径为r的圆上截取的标准弓形孔，其弦为K1K2。圆心0到至K1K2的距离OK0为用其它精密测量方法已精确测量的量。光学探头沿以0为圆心的圆周扫描，每扫描一周，探头沿径向进动一次。以0为极座标原点，OK0为极轴，测定待测工件边缘每一点的极座标。假定沿A1A2A3A4A1圆周扫描一周的光脉冲数为n0，而对应圆弧A1A2，A2A3，A3A4间的光脉冲数分别为n1，n2，n3，则有∠A1OA2＝360°.(n1／n0)∠A3OA4＝360°.(n3／n0)∠A1OA4＝360°.(nK／nO)，nK＝n1＋n2＋n3从而，工件边缘二点A2、A3的极角分别为φA2＝ 1/2 ∠A1OA4－∠A1OA2＝180°. (nk-2n1)/(n0)φA3＝－［ 1/2 ∠A1OA4－∠A3OA4＝－180°. (nk-2n3)/(n0)A2、A3点共同的极跳
P＝OA1＝OK0／cos 1/2 ∠A1OA4＝OK0／cos(180°. (nk)/(n0) )这样，通过测量待测工件边缘各点的极座标，即可测定整个工件的外形。
从上述这原理可见，标准图形的精度是测量的关键。选取不同的标准图形，其计算公式虽不相同，但也不难推导。
本实用新型的结构应保证脉冲光源的频率稳定。光学探头相对于待测工件及标准图形作扫描运动时，扫描速度应恒定(以圆弧方式扫描时，只须同一圆弧上的扫描速度恒定)。光学探头的步进步长，可依测量点的多少选择，测量点越多(步长越小)，测量精度越高。
本实用新型包括脉冲计数电路，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，光学探头位置调整和步进机构，标准图形板，放置待测工件和标准图形板的工作台以及使光学探头相对于待测工件和标准图形板作扫描运动的、由电机、减速器、皮带传动机构和飞轮构成的运动系统。晶体振荡器稳频的脉冲电源可保证脉冲光源频率稳定，飞轮可使扫描运动的扫描速度保持恒定。
本实用新型的脉冲光源最好是发出平行光的激发器或用光学准直系统准直的激光器或普通光源，以增强光束强度及提高测量精度。脉冲光的接收可采用对射式或反射式二种结构。对射式结构光学探头的光源和光探测器相对放置，待测工件置于光源和探测器之间，光探测器直接接收脉冲光源发出的光。反射式结构光学探头的光源和光探测器分别与一根光缆的二根光纤相耦合并置于待测工件同一侧，光探测器接收工件表面的反射光。由此可见，使用对射式光学探头，则要求待测工件表面光亮，能够反射光并使反射光有一定强度，以使光探测器接收。
为了保证测量精度，对射式光学探头的光探测器前设有限制光接收窗口大小的光阑或将光探测器与光纤耦合，使光接收窗口尽可能小。
为了进一步减小探测器接收窗口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，使只对超过脉冲峰值50％的光脉冲进行计数。
本实用新型的标准图形板的形状可以是加工方便，尺寸精确的任意图形，最好是圆形孔、弓形孔、矩形孔或正方形孔。标准图形板可与工作台制成一体。
由于采用了晶体振荡器稳频，保证了脉冲光源的频率稳定，对106赫兹的脉冲光，光探器能检测到每一个脉冲。由电机、皮带传动机构及飞轮构成的扫描运动系统可实现扫描速度恒定。充分小的光探器窗口及脉冲幅度分析单元减少了光束尺寸对测量的影响。因此，本实用新型的测量误差主要来自标准图形的形状和尺寸误差。精密测量的测量精度可接近标准图形精度。
与现有工件形状测量仪器相比，本实用新型具有结构简单，测量迅速方便，成本低的优点。通过测定工件边缘的坐标，不仅测定了工件截面的形状，而且可迅速由计算机计算出与待测工件截面形状有关的其它参数，如面积，曲率等。
图1与图2分别是说明本实用新型采用直线扫描方式和圆弧扫描方式的测量原理的示意图。
图3是本实用新型一种较佳的实施例的结构图。
本实用新型可以有多种实施方式。正如前面所述，光学探头相对于待测工件的扫描方式可以是直线扫描或圆弧扫描，相对扫描运动可以是待测工件运动而光学探头不动或者相反，光学探头可以是对射式结构或反射式结构。这些方式可以按待测工件及测量要求的不同而加以组合，从而有多种实施方案。当然，在圆弧扫描方式中采用光学探头运动而待测工件不动，会涉及光学探头电连接的困难，一般不宜采用。
以下结合图3推荐一较佳的实施例。本实施例采用工件运动而相对于光学探头作圆弧扫描方式。根据不同工件，探头可采用对射式或反射式。图3画出的是对射式光学探头。
图3中1是同步电机，2是减速箱，3是皮带传动机构，4是飞轮，5是工件转台，转台上附有标准图形圆孔P，6为待测工件，本图中画出一齿轮，7与8分别是脉冲光源和光探测器，构成一光学探头，9为探头上下位移机构，10为包括一步进电机13及丝杆螺母、导轨(图中未详细画出)在内的探头径向(进动)位移机构，11是光源的脉冲电源、脉冲计数电路和脉冲幅度分析单元，脉冲电源由晶体振荡器稳频，12为计算机及显示、打印系统，以实现自动测量及计算、打印等。
测量时，将待测工件(齿轮)6放置在工件台5上，使待测齿位于标准圆孔P之内，根据要求的测量点密度，选择光学探头径向步长。待测工件在电机1、减速箱2、皮带传动机构3及飞轮4带动下，随工作台作均速圆周运动。为判断工作台是否已进入匀速圆周运动状态，可由工作台转动时，待测齿连续二次阻断的光脉冲数是否相等来确定。当工作台(工件)处于匀速圆周运动后，即可进行测量。工作台转动一周，光学探头进动一步长，步长按工件形状和测量要求选择，测出齿轮边缘的极座标，从而测得齿轮的形状。
如果待测工件表面光亮，边缘清晰，但边缘处不是透光或遮光的边界(例如，工件边缘有一斜面，而要测量的是其内侧所包含的工件形状)，则可以应采用反射式光学探头。
本实施例测定截面形状的同时，通过计算机计算，很容易得到与待测工件截面形状有关的其它参数，例如面积、曲率等。
权利要求1.一种以光脉冲方法测量工件截面形状的测量装置，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发的脉冲光源和光探测器组成的光学探头，光学探头位置调整和步进机构，标准图形板，放置待测工件和标准图形板的工作台以及使光学探头相对于待测工件和标准图形板作扫描运动的由电机、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由光学准直系统准直的激光或普通光源。
3.按权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于所说的光学探头是光探测器与脉冲光源相对放置并置于待测工件二边，光探测器直接接收光源发出的脉冲光的对射式光学探头。
4.按权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于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耦合并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光学探头。
5.按权利要求3所述的测量装置，其特征在于所说的对射式光学探头的光探测器前设有限制光接收窗口大小的光阑或将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，其特征是所说的标准图形板的形状可以是加工方便、尺寸精确的任意图形，最好是圆形孔、弓形孔、矩形孔或正方形孔。
8.按权利要求1或7所述的测量装置，其特征是所说的标准图形板和工作台是一体制成的。
9.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截面形状的测量装置，属于以采用光学方法为特征的，用于测量外形的计量设备。它包括脉冲计数电路。其特征是有一频率稳定的脉冲光源和光探测器组成的光学探头、光学探头位置调整和步进机构、标准图形板和工作台以及使光学探头相对于待测工件作扫描运动的运动系统。本实用新型最好的测量精度接近标准图形板的精度，可广泛用于机械零部件形状检测，特别适于测量平面工件形状进而给出与形状有关的其它参数。
文档编号G01B11/24GK2190279SQ9423860
公开日1995年2月22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 申请人:中国科学院上海冶金研究所