专利名称：激光准直测量形位公差的方法
技术领域：
本发明属于激光准直测量方法，特别是一种使用组合式激光准直测量仪，来实测大尺寸零件的形位公差的激光准直测量形位公差的方法。
目前国内生产车间在测量大尺寸零件的同心度，直线度，平行度、平面度、垂直度时，仍在沿用拉钢丝放假轴、用大平尺、大角尺等方法。此方法使用时测量精度不理想，测量工序繁杂，费时，因此，机械工厂，尤其是重型机械厂需要在车间现场有实用的、简捷的、高精度的测量形位公差的方法。
本发明的目的是提供一种使用激光准直测量仪来实测大尺寸零件的形位公差的激光准直测量方法。即可测量距离大于20M，分辩率优于1/000mm的工件，自动完成大尺寸零件形位偏差测量，且可在生产现场实现测量的激光准直测量形位公差的方法。克服上述的原来在测量大尺寸零件的同心度，直线度，平行度、平面度、垂直度时使用原有的仪器和方法的缺点和不足。
本发明的目的是这样实现的采用一种激光准直测量仪，它由激光发射部分和激光位敏探测部分组成，激光发射部分是Ga-Al-As长距离激光发射管，装在四自由度光学云台中，此云台又支承在落地支架上，Ga-Al-As激光发射管由电源供电；激光位敏探测部分由内装PIN-SC硅光伏效应四轴线型位敏探测器的接收器插入靶芯中，其外为绝缘套，它的光电放大电路装设在其上的线路板上；放大后的光/电信号经由电缆9送入A/D转换放大盒，经过其内部电路的采集、保持、转换及输出控制，信号从放大盒上的62芯接口引出电缆与控制微机相联。(图1)测量值也可由激光位敏探测器运算电路给出。
本发明中使用的激光发射管为Ga-Al-As半导体二极管，红色可见光，作用距离20M、40M两种规格，是定向开发的关键光电子器件。本发明中使用的激光探测器为PIN-SC系列硅光伏效应二极管，它由四个分立元件组成，当激光光照射在探测器不同位置时，可显示出二维坐标(X、Y，有方向判断)读数；当激光光点照射在中心位置时，显示值为O(0，0)。这就是本发明中的调零和对中技术的硬件支持。这种二维坐标读数的激光探测器只感测出激光光斑的能量中心，和光斑的大小和形状无关。本发明中使用的PIN-SC硅光伏效应位敏探测器第三个特点是在90％的有效面积上，保持99.9％的绝对精度，它作为模拟量器件的位置探测精度只受光点位置和A/D转换驱动放大电路放大倍率的限制。本发明中，A/D转换驱动放大电路放大倍率已设计成0.01mm对应输出电压＞10mV，则本仪器的精度可达到0.001mm(1μm)。
本发明的技术方案还可用附图作更加具体详细的阐述。本发明使用的激光准直测量仪如图1所示，图中1是激光发射器，作成插入式靶芯，在靶芯内装有Ga-Al-As激光发射管2，由电源3供电。图中4是四自由度光学云台，此云台又支承在落地支架5上，设置1、2、3、4、5全套装置，就可校正得出基准直线13，一旦基准直线建立，就可对被调整对象14的形位公差作出实测，此时只需将激光探测器靶芯6支撑在被调对象14相应的基准点上，就可立刻读出X、Y两个方向的偏差，边调整，边复验直到合格为止。图1显示的激光探测器靶芯6，内装PIN-SC硅光伏效应四轴线型位敏探测器7及光放大电路8，放大后的光/电信号经由电缆9送入A/D转换放大盒10，经过其内部电路的采集、保持、转换及输出控制，信号从放大盒10上的62芯接口引出电缆11与控制微机12相联，由软件控制微机工作并自动完成测量。为了运用微机进行控制和操作设计一套功能齐全与工艺要求相匹配的软件系统支持运行，微机能自动检测出偏差及调整量，在微机屏幕上以汉字，图形显示，实时的数字文字说明，便于中国人使用。图1中基准直线13的校正，是通过O1-O2-O3三点共线得出。
本发明的方法图2是本发明特殊使用操作方法的详解，具体作法是二次瞄准，测量、计算再次瞄准而达到三点共线，建立测量基准直线20(即图1中的基准直线13)。对照图2详解作法如后图2中的2是激光发射管，15是双柱式导向支架，在双柱式导向支架15上安装PIN-SC硅光伏效应四轴线位敏探测器7，基准直线必经的二点为O2、O3，即O2、O3在基准直线20上，它的光点中心为O1′ 。如何将O1′ -O2-O3三点共线的熟练掌握，是运用本发明的基本技能，应牢固掌握熟练操作。
第一步将导向支架15确定支放点O2、O2并作明显标记(如在平面度，直线度测量时)。支放好激光发射管2、调整支架5，激光发射器2它的中心点为O1。
第二步将探测器靶芯插在支架15的O2处，将激光发射器与探测器瞄准对中(X＝0，Y＝0)然后将位敏探测器7移到O3处，得到读数A(图2中的线段18)，确定一个点O3′，由此得到O1-O2-O3′附助线，O1-O2′＝L1，O2′-O3″＝L2。
第三步计算O2-O2′＝X由图2几何关系有X＝O2-O2′A＝O3′-O3可标出X＝A×
将激光探测器它放在O2，调整激光发射器2，对准O2′，用X来控制，此时又可得出第二条辅助直线O1-O2′-O3″。(即20″线)第四步，操作调整支架5，移动空间直线20″(即O1-O2＇-O3″)使O1→O1′；O2′→O2，此时与基准直线O1′-O2-O3共线。图2中的编号20＝O1′-O2-O3为基准直线。
第五步校验。将位敏探测器7分别它放置在O2，O3处，激光发射器2在O1′处，分别对准测量O2处有X＝0，Y＝0；O3处同样有X＝0，Y＝0，即合格。
图3是本发明在直线度测量调整方法示意图，图3中的被检测调整工件21(图中标号21是被测工件的轮廓面)，第一步建立测量基准直线20，通过上述的二次瞄准方法，达到三点共线从而可建立测量基准直线20。图3中设二个通用型双导柱式靶芯支承架15，它们的位置应作标记以备复校基准直线20时作基准，第二步在被测工件的轮廓面上移动双导柱式靶芯支承架15，和读出其上的位敏探测器7的偏离读数，即得到直线度。同理图3所示的测量原理，亦一可用来检测平面度，静挠度，扭曲度，测量工作也简易可行。
图4是本发明在平行度测量调整方法示意图。图4中O4-O5中心线23与O6-O7中心线24为两条待检查的平行轴(例如滚筒)需要检测，用发明的经两次瞄准三点共线法测出基准直线22与中心线23是等效的，再用90°折转棱镜26，得到另一条基准光束27，再用第二个90°棱镜28，建立与中心线O4-O5等效的基准直线25，一旦基准直线建立，平行度检查与图3所示的方法相同。
图5是采用激光准直测量仪用于单光束激光对中测量系统的布置方法。图5中的29，30是需要对中的两旋转轴，对中时将激光发射器2用通用型双导柱式靶芯支承架15固定在29上，激光位敏探测器7用件双导柱式靶芯支承架15固定在旋转轴30上，对中测量时，按时钟1200；300；600；900盘动旋转轴在四个位置处停留，并由微机编程软件控制测取四组数据。
软件控制测取四组数据X12Y12X3Y3X6Y6X9Y7由激光探测器7读出上面4组数，根据探测器可显示二维坐标读数，很明显两轴对中在垂直方向偏差Y⊥由Y12、Y6决定，垂直方向的倾角α⊥由X3、X9得出；在水平方向偏差Y_由Y3、Y9决定水平方向的倾角α_由X12、X6得出。本发明用微机编程软件自动计算得出垂直，水平方向的偏差量，为了设计了一个专用软件来自动完成这一工作，在屏幕上以汉字，图形及数字，文字说明，便于中国人使用。
激光测量三点瞄准共线及两轴线对中共线计算方法本专利要求的计算方法是两种激光测量仪器在操作使用中所必须利用的工程计算方法，即1、激光准直仪在操作使用中，需要建立测量基准线，必须利用三点瞄准共线的测量计算方法。即利用准直仪的光电判读器在一点粗调时，光点在探测器可接收到；另一点已对准零位。根据三点瞄准原理，以及发射光源，第一基准点，第二基准点的几何尺寸和一个探测器上的偏差矢量(X、Y值探测器二维器件输出数)来指导手工微调1～2次，即以极高的精确度找到所需基准线，为进一步完成准直测量提供依据。现以Y方向不平度测来证明三点瞄准共线，(以X＝0来控制Y方向的不平度，使不平度严格在激光束建立的基准线上)图6为三点瞄准共线基准建立示意图。图中Q为被测平面，Q1、Q2为Q平面上两基准点，要求测量Q平面上Q3，Q4点的不平度(相对Q1、Q2基准)。
仪器操作使用方法1、在平面Q外任一点P立支架上架设激光发射管，射出R＇R＇激光束；在Q1点支架上设激光探测器，已瞄准光器判读器指O1(X＝0，Y＝0)，然后将同一探测器移到Q2点，此时探测器读数指 ]>作R＇R″∥RR，则有A→1L1=A→2L2]]>
再将Q2点处探测器放到Q1点，手工微调角度，使R＇R＇转向在探测器上读出
，即得到R＇R″激光束，再手工微调平移，使Q1处探测器读数为O1[X＝0，Y＝0]得到RR激光束。
二、激光对中仪在两轴线对中共线操作使用中，按规定同时盘动两轴，分别在时针(1200)(300)(600)(900)从光电判读器的显示数值，来计算出两轴在垂直方向和水平方向的平行偏差与倾角。
按下列数值组和公式，可以有工程允许的准确度，计算出两对中轴的偏差1、对单光束对中仪，见图7(1)对中仪显示数值
(2)对中共线偏差计算公式垂直方向Y⊥=Y3-Y92.......(1)]]>α⊥=X12-X62......(2)]]>水平方向Y_=Y3-Y92.....(3)]]>α_=X12-X62.......(4)]]>2、在双光束对中仪见图8此种结构是利用90°屋脊棱镜31将单光束激光折转180°，反射到同侧，优点可将激光发射/接收器作成一整体，而且可将仪器的读数精度提高1倍。
(1)对中仪显示数值结构形式同前，但绝值均扩大1倍。
(2)对中共线偏差计算公式的形式同前(1)-(4)式，只需将分母系数变为4，因此有垂直方向Y⊥=Y12′-Y6′4......(5)]]>α⊥=X3′-X9′4......(6)]]>水平方向Y_=Y3′-Y9′4......(7)]]>α_=X12′-X6′4.....(8)]]>激光对中仪两轴线对中共线公式用图解证明，为简化问题，假定水平方向两轴完全对中，只分析垂直方向有偏差，证明公式(1)-(8)的正确。
图解证明见图9其中a)两轴已对中共线，无论激光对中仪在1200或600，探测器读数不变。
b)两轴无倾角，左半轴上装激光发射器，右半轴上装激光探测器且右半轴比左半轴低，Y在1200时探测器调0，则600时探测器读数为2Y，代入公式(1)得Y⊥=0-2Y2=-Y]]>C)两轴无平行偏差有倾角斜度为X，在1200探测器调0，则600时探测器读数为0证明垂直方向的倾角只能在水平方向反射出来，是二维探测器的物理性决定。
d)同上b)但为双光束对中仪，则1200时探测器上读数变为0，到600时变为-Y，代入公式(5)得Y⊥=-4Y4=-Y]]>本发明的优点是本发明是使用组合式激光准直仪，免培训汉化模块操作的微机软件，使生产车间的测量检测工作实现自动化的方法，这是本发明是方便中国人使用，并具跨世纪的高新技术产品。
本发明所专项开发采用的最先进的半导体激光准直测量传感器，作用距离长，测量精度高，这对提高重型机械制造水平将起较大的推动作用。
本发明的优点体现在1、半导体激光测量传感器先进的技术指标。
2、以四坐标光学云台为代表的多种光学附件，使基本配置的功能得到最大的发挥。
3、丰富多样的自动测量用软件，既节约了工时费用，又提高了人员技术水平。
4、仪器系统的特殊生产全过程均在它配带的微机显示屏幕控制调正完成。
本发明的意义还表明，当今世界水平的高科技产品生产的全过程已为中国人所掌握。仪器的精度检测，售后技术服务，人员的培训，有实力保证，为在国内普遍推广应用创造了良好的环境。
下面是
图1是激光准直测量形位公差装置示意2是激光准直测量形位公差三点共线瞄准示意3是激光准直测量直线度、平面度形位公差示意4是激光准直测量垂直度、平行度形位公差示意5是单光束激光对中示意6是三点共线基准建立示意7是单光束激光对中仪示意8是双光束激光对中仪示意9是双光束激光对中仪图解证明示意图
权利要求
1.一种激光准直测量形位公差的方法，其特征在于本发明特殊使用操作方法的是二次瞄准，测量、计算再次瞄准而达到三点共线，建立测量基准直线；第一步将导向支架确定支放点O2、O2并作明显标记(如在平面度，直线度测量时)；支放好激光发射管、调整支架，激光发射器它的中心点为O1；第二步将探测器靶芯插在支架的O2处，将激光发射器与探测器瞄准对中(X＝0，Y＝0)然后将位敏探测器移到O3处，得到读数A，确定一个点O3＇，由此得到O1-O2-O3＇附助线，O1-O2＇＝L，O2′-O3″＝L2；第三步计算O2-O2＇＝X X＝A×
，将激光探测器它放在O2，调整激光发射器，对准O2＇，用X来控制，此时又可得出第二条辅助直线O1-O2＇-O3″；第四步，操作调整支架，移动空间直线O1-O2＇-O3″使O→O1＇；O2＇→O2，此时与基准直线O1＇-O2-O3共线；O1＇-O2-O3为基准直线；第五步校验。将位敏探测器分别它放置在O2，O3处，激光发射器2在O1＇处，分别对准测量O2＇处有X＝0，Y＝0；0处同样有X＝0，Y＝0，即合格。
2.根据权利要求1所述的激光准直测量形位公差的方法，其特征在于直线度测量调整方法第一步建立测量基准直线，通过上述的二次瞄准方法，达到三点共线从而可建立测量基准直线；第二步在被测工件的轮廓面上移动位敏探测器，读出其上的位敏探测器的偏离读数，即得到直线度。
3.根据权利要求2所述的激光准直测量形位公差的方法，其特征在于同理亦可用来检测平面度，静挠度，扭曲度。
4.根据权利要求1所述的激光准直测量形位公差的方法，其特征在于平行度测量调整方法，经两次瞄准三点共线法测出基准直线与中心线是等效的，再用90°折转棱镜，得到另一条基准光束，再用第二个90°棱镜建立与中心线等效的基准直线，一旦基准直线建立，平行度检查方法可按直线度测量调整方法。
全文摘要
激光准直测量形位公差的方法,第一步建立测量基准直线,通过上述的二次瞄准方法,达到三点共线从而可建立测量基准直线;第二步在被测工件的轮廓面上移动位敏探测器,读出其上的位敏探测器的偏离读数,即得到直线度。同理亦可用来检测平面度,静挠度,扭曲度。其优点:作用距离长,提高大型机械形位公差精度测量水平。
文档编号G01B11/27GK1208851SQ97116348
公开日1999年2月24日 申请日期1997年8月18日 优先权日1997年8月18日
发明者萧宁华, 武长贵, 张玉明 申请人:萧宁华, 武长贵, 张玉明