專利名稱:長度測量中違背阿貝原則產生誤差的平行尺補償裝置的制作方法
技術領域:
本實用新型涉及一種長度計量儀器,具體地說是一種長度測量中違背阿貝原則產生誤差的平行尺補償裝置。
阿貝原則是長度計量儀器設計和使用時應盡量遵守的原則。阿貝原則的要點是“要使量儀給出準確的測量結果,必須將被測件布置在基準件運動方向的延長線上。”此時,可以避免一階誤差。
當違背阿貝原則時,參見圖7,標準尺線為NN,被測件線為OO,它們兩者之間平行安置。當裝有讀數瞄準器的支架從M1沿導軌移動到M2時,由于MM導軌的直線誤差,支架將在xy平面上繞z軸有角的轉動,被測件長度O1O2與標準尺讀數N1N2之間就有誤差δA。
圖7中O2N0∥O1N1δA≈h×式中,h為NN與OO之間的距離當遵守阿貝原則時h=0,有δA=0。此時可以避免一階誤差。
若h=100mm,導軌直線性誤差=60″δA≈100×3×10-4=0.03mm可見,當導軌精度不高時,如果違背阿貝原則,對于儀器測量精度影響很大。
目前使用的萬能工具顯微鏡,不符合阿貝原則。為保證達到較高的精度,對儀器導軌直線性將提出很高的要求。當無法滿足阿貝原則時,對于某些測量儀器所產生的誤差可以用誤差補償原理進行補償,愛彭斯坦(Epstein)原理就是運用光學系統補償違背阿貝原則所引起誤差的一個著名范例。參見圖8。
在圖8中,測量線與刻尺分劃面不在同一直線上,違背阿貝原則。由于間隙等原因造成尾架傾斜角,使得測頭頂點由A移至A1,引起誤差Δl1通過光學系統產生Δl2進行補償,若要消除一階誤差,使Δl1=Δl2則F=f′。
對于萬能工具顯微鏡來說,要符合阿貝原則,必須加長工作臺運動導軌的長度,由此產生的變形也要喪失精度。
因此萬能工具顯微鏡對運動導軌的直線性要求非常高,使得加工成本高。使用過程中導軌磨損后使導軌直線性誤差增大,測量精度將下降。類似這種不符合阿貝原則的情況很多,也有的是結構設計不允許標準尺在工件測量線的延長線上而導致的。
本實用新型的目的,就是針對目前現有技術存在的問題,提供一種長度測量中違背阿貝原則產生誤差的平行尺補償裝置。
為了實現上述目的,本實用新型所采取的技術方案是該裝置包括一個帶導軌的底座6,底座6的導軌上安置有可運動的工作臺2,工作臺2的一側裝有標準尺1,且與工作臺運動方向平行,底座6的一側裝有與標準尺1配合的游標或讀數對準器4,其特點是工作臺2的另一側還安裝有補償尺3,與補償尺3相配合的游標或讀數對準器5安裝在底座6的另一側上,補償尺3與標準尺1平行安置,被測工件7的測量線與補償尺3、標準尺1相互平行安置且處于同一平面。
其另外的特點是標準尺1與補償尺3為光學玻璃刻尺或光柵尺或激光測長系統。
本實用新型所采取的另一種技術方案是該裝置包括一個帶導軌的底座6,底座6的導軌上安置有可運動的工作臺2,工作臺2的一側裝有標準尺1,且與工作臺運動方向平行,底座6的一側裝有與標準尺1配合的游標或讀數對準器4,其特點是工作臺2的另一側還安裝有補償尺3,與補償尺3相配合的游標或讀數對準器5安裝在底座6的另一側上,補償尺3與標準尺1平行安置,被測工件7的測量線與補償尺3、標準尺1相互平行安置且與標準尺1和補償尺3組成的平面相距Z,工作臺2下面另外還設有一個補償平行尺9,補償平行尺9與標準尺1和補償尺3平行安置,且與標準尺1和補償尺3平面相距HZ,與補償平行尺9相配合的游標或讀數對準器10固定在底座6上。
其另外的特點是標準尺1、補償尺3、補償平行尺9為光學玻璃刻尺或光柵尺或激光測長系統。
本實用新型由于采用了單平行補償尺或雙平行補償尺,可以分別對一維或二維情況下違背阿貝原則的長度測量所引起的誤差進行補償。
圖1是本實用新型一維補償裝置結構示意主視圖;圖2是本實用新型一維補償裝置結構示意俯視圖;圖3是本實用新型一維補償裝置結構示意左視圖;圖4是本實用新型二維補償裝置結構示意主視圖;圖5是本實用新型二維補償裝置結構示意俯視圖;圖6是本實用新型二維補償裝置結構示意左視圖;圖7是阿貝誤差原理圖;圖8是愛彭斯坦補償應用圖;圖9是單平行尺補償原理圖;圖10是雙平行尺補償原理圖。
下面通過附圖和實施例對本實用新型進行詳細描述。
實施例1本實施例是一種單平行尺補償裝置,對于一維情況下阿貝原則的補償。
參見圖1~3,圖9,標準尺1安置在運動工作臺2上并與工作臺運動方向平行。補償尺3與標準尺1平行安置在工作臺2上。標準尺1的游標或讀數對準器4和補償尺3的游標或讀數對準器5被安置在底座6上。
測量時調整工件7,使它的測量線OO與標準尺1平行且與標準尺1和補償尺3處于同一平面內,標準尺1和補償尺3之間的距離H為已知值,標準尺1和測量線OO之間的距離x可以量出。測量時通過移動工作臺2對工件7的兩測量端面進行兩次對準。標準尺1和補償尺3可以是光學玻璃刻尺,也可以是光柵尺或激光測長系統。
單平行尺補償原理如圖9所示。
標準尺線NN與被測量線OO平行,兩者組成一平面。設置坐標系xyz,使xy平面與NN線和OO線處于同一平面內。在xy平面上與標準尺線NN平行的N′N′線上放置一平行補償尺,組成雙平行尺,并設平行補償尺線N′N′與標準尺線NN距離為H,標準尺線NN與測量線OO距離為x。導軌MM也處在xy平面上,并與NN平行。當支架從M1沿導軌MM移動到M2時,由于支架在xy平面上繞z軸有角的轉動,若沒有平行補償尺時,標準尺讀數為N1N2,O1O2測量時將有誤差δ=N2A。如安置平行補償尺N′N′時,當支架從M1沿著導軌移動到M2時,平行補償尺讀數為N1′N2′,此時也將有誤差δ′=N2′B。圖9中,過O2點的直線AB平行于N1N1′。
令被測件長度O1O2=L,測量測件為O1O2時,標準尺讀數為N1N2=l平行補償尺讀數為N1′N2′=l′從圖9中有L=(l+δ)+(l′+δ′)2------(1)]]>δ=x(2)δ′=x′(3)φ=l′-lH-----(4)]]>x+x′=H (5)利用(1)-(5)式經過簡單推導有
L=xHl′+x′H-l------(6)]]>L=xHl′+(H-xH)l----(6′)]]>(6)式中,x、x′,H為已知值,讀取l、l′值就可得工件長度值L。當工件測量線置中時,x=x′,δ=δ′完全補償,此時L=12(l′+l)------(7)]]>(6)式是對于l′>l時推出,但當l′<l和l′=l時的情況也同樣適用。
誤差分析對(6)式全微分,并設標準尺與平行補償尺制造精度和瞄準讀數精度等均相等,則Δl′=Δl。
ΔL=∂L∂xΔx+∂L∂HΔH+(∂L∂l′+∂L∂l)Δl---------(8)]]>其中∂L∂x=1H(l′-l)=1H·H·φ=φ]]>∂L∂H=-xH2(l′-l)=-xH2·H·φ=-xH·φ]]>∂L∂l′+∂L∂l=xH+H-xH=1]]>以上代入(8)式有ΔL=φ·Δx-xH·φ·ΔH+Δl-------(9)]]>若導軌直線性誤差為=1′=3×10-4弧,ΔH=0.2mm,Δx=0.2mm, 。
則(9)式中的前兩項為φ·Δx-xH·φ·ΔH=3×10-4×0.2-0.5×3×10-4×0.2]]>=3×10-5mm=0.03μmΔL=Δl+0.03μmΔL≈Δl (10)由此可見,對于導軌精度只有1分的直線運動導軌用雙平行補償尺的方法,幾乎不產生由于違背阿貝原則所引起的誤差。
實施例2本實施例是一種雙平行尺補償裝置,對于二維情況下違背阿貝原則的補償,與實施例1所不同的是裝置中另外還設置了一個補償平行尺9,構成了雙平行尺補償裝置。補償平行尺9與標準尺1和補償尺3平行安置,且與標準尺1和補償尺3平面相距H2,與補償平行尺9相配合的游標或讀數對準器10固定在底座6上。標準尺1、補償尺3、補償平行尺9可以是光學玻璃刻尺,也可以是光柵尺或激光測長系統。
參見圖4~6,圖10,雙平行尺補償裝置是對于測量時工件7的測量線OO與標準尺1和補償尺3不在同一平面上時,二維情況下違背阿貝原則的一種補償裝置。
在圖4~6中規定XYZ座標,Y座標箭頭垂直向紙內。
如工件7的測量線為O′O′,O′O′與OO平行,O′O′距YZ平面為x,O′O′距XY平面為z。此時,是在二維情況下不符合阿貝原則。
圖10中(a)是(b)的右視圖,此時測量件的測量線O′O′不在XY平面上,而是在距XY平面為z,距離YZ平面為x的位置上。這是一種二維情況下違背阿貝原則的測量。在與雙平行尺NN,N′N′平行并距XY平面HZ的位置上放置二維補償尺NZNZ,被測量件長度為O1′O2′,當支架沿導軌MM從M1移動到M2時,測點分別對準O1′和O2′,由于導軌的直線性誤差,支架在YZ平面上繞X軸有′轉角,此時二維補償尺NZNZ讀數為NZ1NZ2,有誤差ΔZ。圖10(a)中過O2′的直線CD平行于O1′NZ1。
令Nz1Nz2=LzNx2C=ΔNz2D=ΔzNx1Nx2=L O1′O2′=L′由圖10有Δ=L′-L (11)Δz=Δ·z+Hzz=(1+Hzz)(L′-L)------(12)]]>L′=(L+Δ)+(Lz+Δz)2-----------(13)]]>由(12)-(14)式可得L′=L+(L-Lz)zHz-------(14)]]>上式中L值由(6)式根據l、l′和測得x可得,當測得z值和已知常數HZ,并由二維補償尺NZNZ讀得LZ即可得測件的測量值L′。對(14)式全微分,設二維補償尺NZNZ與一維情況下的NN和N′N′兩支平行尺有相同精度,利用(10)式有ΔL=ΔLzΔL′=(∂L′∂L+∂L′∂Lz)ΔL+∂L′∂zΔz+∂L′∂HzΔHz------(15)]]>ΔL′=ΔL+φ′·Δz-zHz·φ′·ΔHz-------(16)]]>設Δz=ΔHz=0.2mm又有zHz<1]]>在′=1′時,(16)式后兩項可略去,并由(10)式可得ΔL′≈ΔLΔL′≈Δl
用單平行尺補償可以對一維情況下違背阿貝原則的長度測量所引起的誤差進行補償。
當用雙平行尺補償時,可以對二維情況下違背阿貝原則的長度測量所引起的誤差進行補償。
計算表明,對于低精度直線導軌,可以使違背阿貝原則所引起的誤差得到完全補償。
要使測量符合阿貝原則,必須使標準尺NN位于被測量線O′O′的延長線上,或者使兩者盡量靠近減少阿貝誤差。但是很多情況下,由于測件的具體形狀,或者考慮到變形的原因使儀器的縱向尺寸不能太大時,往往不宜或不可能使被測量線位于標準尺線的延長線上,只得采取使標準尺線NN與被測量線OO平行放置的方法。當兩者距離較大時,由于導軌的直線性誤差,將使測量結果產生較大誤差。
本實用新型的補償尺原理可以對圖10中任意x,z位置的測量線O′O′的測量進行補償,從而可以提高測量精度,或者可以降低導軌的精度。這可以看作對阿貝原則的推廣,對長度測量儀器的設計提出了一個新的設計思路。
權利要求1.一種長度測量中違背阿貝原則產生誤差的平行尺補償裝置,包括一個帶導軌的底座[6],底座[6]的導軌上安置有可運動的工作臺[2],工作臺[2]的一側裝有標準尺[1],且與工作臺運動方向平行,底座[6]的一側裝有與標準尺[1]配合的游標或讀數對準器[4],其特征在于工作臺[2]的另一側還安裝有補償尺[3],與補償尺[3]相配合的游標或讀數對準器[5]安裝在底座[6]的另一側上,補償尺[3]與標準尺[1]平行安置,被測工件[7]的測量線與補償尺[3]、標準尺[1]相互平行安置且處于同一平面。
2.根據權利要求1所述的長度測量中違背阿貝原則產生誤差的平行尺補償裝置,其特征在于所述標準尺[1]與補償尺[3]為光學玻璃刻尺。
3.根據權利要求1所述的長度測量中違背阿貝原則產生誤差的平行尺補償裝置,其特征在于所述標準尺[1]與補償尺[3]為光柵尺。
4.根據權利要求1所述的長度測量中違背阿貝原則產生誤差的平行尺補償裝置,其特征在于所述平行尺[1]與補償尺[3]為激光測長系統。
5.一種長度測量中違背阿貝原則產生誤差的平行尺補償裝置,包括一個帶導軌的底座[6],底座[6]的導軌上安置有可運動的工作臺[2],工作臺[2]的一側裝有標準尺[1],且與工作臺運動方向平行,底座[6]的一側裝有與標準尺[1]配合的游標或讀數對準器[4],其特征在于工作臺[2]的另一側還安裝有補償尺[3],與補償尺[3]相配合的游標或讀數對準器[5]安裝在底座[6]的另一側上,補償尺[3]與標準尺[1]平行安置,被測工件[7]的測量線與補償尺[3]、標準尺[1]相互平行安置且與標準尺[1]和補償尺[3]組成的平面相距Z,工作臺[2]下面另外還設有一個補償平行尺[9],補償平行尺[9]與標準尺[1]和補償尺[3]平行安置,且與標準尺[1]和補償尺[3]平面相距HZ,與補償平行尺[9]相配合的游標或讀數對準器[10]固定在底座[6]上。
6.根據權利要求5所述的長度測量中違背阿貝原則產生誤差的平行尺補償裝置,其特征在于所述標準尺[1]、補償尺[3]、補償平行尺[9]為光學玻璃刻尺。
7.根據權利要求5所述的長度測量中違背阿貝原則產生誤差的平行尺補償裝置,其特征在于所述標準尺[1]、補償尺[3]、補償平行尺[9]為光柵尺。
8.根據權利要求5所述的長度測量中違背阿貝原則產生誤差的平行尺補償裝置,其特征在于所述標準尺[1]、補償尺[3]、補償平行尺[9]為激光測長系統。
專利摘要本實用新型公開了一種長度測量中違背阿貝原則產生誤差的平行尺補償裝置,由一個帶導軌的底座,可運動的工作臺、標準尺與標準尺配合的游標或讀數對準器、補償尺、與補償尺相配合的游標或讀數對準器構成,補償尺與標準尺平行安置,當用單平行補償尺時可以對長度測量中一維情況下違背阿貝原則時產生的誤差進行補償,當用雙平行補償尺時可以對長度測量中二維情況下違背阿貝原則時產生的誤差進行補償,可以提高測量精度或降低導軌精度。
文檔編號G01B11/02GK2482054SQ0124046
公開日2002年3月13日 申請日期2001年5月31日 優先權日2001年5月31日
發明者徐昌杰, 董威, 權貴秦, 劉纏牢 申請人:西安工業學院