專利名稱：可變徑接觸式球徑儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及球面光學元件，特別是一種可變徑接觸式球徑儀。
背景技術：
球徑儀就是測量球面光學元件表面曲率半徑的儀器。光學元件是很精密的元件，球面鏡的球半徑如果不能夠測準，則無法確定焦點等元件參數。現有的測量球徑的接觸式球徑儀典型的有兩種第一是用于現場加工時的粗略測量，精度低，采用的機械裝置誤差較大。優點是能改變弦半徑，使用方便。比如CN86201617u，名稱為直讀式球徑儀。它采用卡盤作為支架的底座，當轉動卡盤時帶動支架的同時向外移動，在測量方面采用螺旋測微結構，然而這種方法精度太低。因為測量時1、頂桿是否已經正好頂到球面不能很好判斷，有很大的人為隨機誤差。
2、卡盤在制造上精度不高，在轉動時同步性能不佳，所以它只能用于現場的即時粗略測量。
第二種典型器件是使用測環的接觸式球徑儀，它能夠達到很高的精度。它的基本原理是使用多個高精度測環對各種不同曲率半徑的球面鏡進行測量，可以達到很高的測量精度。但測量前要先將一平晶放在測環上作測桿位置的零位校正，然后放上待測球面鏡測出矢高，再代入球徑公式計算，求得球半徑R。這種球徑儀精度很高，但是造價昂貴，并且由于測環有限，只有固定直徑的環，因此不可能所有直徑的球面鏡都能達到標稱的最高精度，如德國的Spheromatic H球徑儀，精度很高，但是并非對所有的球面鏡都達到最高的測量精度，并且更換測環后再次測量比較麻煩，并容易損壞器件。
發明內容
本發明要解決的技術問題在于克服上面兩種器件的不足，提供一種可變徑接觸式球徑儀，以使非標準半徑的球面鏡的測量都能達到較高的精度，對同一個球面鏡可進行變參量的重復測量，大大減小測量過程的隨機誤差和人為因素影響。
本發明的技術解決方案如下一種可變徑接觸式球徑儀，其特征在于它由自動控制和機械主體兩部分組成該自動控制部分的計算機有2條線路連接，一路接電機驅動電源，該驅動電源以數據線聯結步進電機，另一路接光柵尺；機械主體部分由導軌支架、連接桿、光柵尺、滾軸絲桿機構和機體組成該步進電機固定在機體的底座上，步進電機上與轉子配套的聯軸器連接滾軸絲桿，該滾軸絲桿底部有外套管，4根支撐桿一端連接外套管，另一端固定于底座，將滾軸絲桿固定在底座的中心位置，絲桿軸底部開有長螺紋，頂部加裝的兩片夾板將圓環套件禁錮于絲桿軸頂部，隨絲桿軸而上下移動，該圓環套件通過精密鉸鏈與連桿相連，該連桿的另一端通過精密鉸鏈連接到滑塊下伸出導軌下部的突出部上；3根連接桿成傘狀結構，支架固定在滑塊上，該滑塊可沿直線導軌移動；該導軌支架由直線導軌、滑塊、支架、突出部和小鋼球組成導軌支架頭部通過支撐桿固定在底座上，尾部固定在機體的外壁上，滑塊卡在直線導軌上，直線導軌底部是開槽的，滑塊下部具有突出部，該突出部通過槽口伸出直線導軌的部分安裝精密鉸鏈，支架固定在滑塊之上，支架在相同的部位開定位孔，在安裝時確保三條直線導軌齊平并互成120°，所述的小鋼球安裝在支架的尖端上，當三個支架同時向中心移動時，所述的小鋼球可同時集中在同一中心點；所述的光柵尺，包括本體、測量頭和探頭，光柵尺垂直放置，其本體的底端用螺釘固定在平臺上，該平臺通過支架固定在底座上，確保探頭比小鋼球組成的平面略高。
所述的光柵尺具有光信號接收、光電信號轉換、數字信號輸出功能。
本發明可變徑接觸式球徑儀有以下優點1、使用方便，測量不同半徑的球面鏡無須更換測環，也不需要每次都在測量前校零；2、精度高，測量不同球面鏡時，可以調節支架使支撐點的對心距與待測球面鏡的底面半徑相同，達到最高測量精度效果；3、實現了對同一待測鏡面的變參量弦半徑r的重復測量。這里所說的弦半徑是指小鋼球與球面鏡鏡面的3個接觸點所形成的圓的半徑，它是指實際球徑儀使用的球面弦半徑，即最后代入計算式計算得弦半徑r。由于，通過每次改變少許弦半徑r，同一球面鏡可以在不同弦半徑下多次測量，實現了變參量即弦半徑r的重復測量。克服了測環對同一球面鏡無法多次測量的弊病，消除了隨機誤差和人為因素影響。
4、自動化程度較高，在光柵尺測量后的得到數據后，輸入微機中，由計算程序計算后直接將結果顯示在微機顯示屏上。
圖1是本發明可變徑接觸式球徑儀整個裝置的示意圖。
圖2是本發明裝置機械結構圖。
圖3是導軌支架1的主視圖。
圖4是導軌支架1的俯視圖。
圖5是圖3導軌支架1的A-A剖視圖。
圖6是機械部分裝置俯視圖。
圖7是滾軸絲桿4部分視圖。
具體實施例方式
首先請參閱圖1，本發明可變徑接觸式球徑儀由自控部分和機械主體兩個部分組成自控部分有微機7-1，驅動電源7-2，步進電機5-1。通過使用以單片機7-1為核心的驅動電源7-2，以數據線7-3聯結步進電機5-1，使步進電機5-1具有步數，方向，速度均可控的功能。機械主體部分有導軌支架1、連接桿2、光柵尺3、滾軸絲桿機構4和機體6。
具體的連接和安裝如下計算機7-1有2條線路連接，一路接步進電機5-1的驅動電源7-2，給出驅動電源7-2的信號脈沖，一路接光柵尺3，接收光柵尺3輸出的信號，得出測量結果并提供給計算機7-1。參閱圖2和圖7，步進電機5-1固定于底部的底座6-2上，步進電機5-1上轉子配套的聯軸器5-2連接到滾軸絲桿4-1，滾軸絲桿4-1底部有外套管4-4，4根支撐桿4-5一端連接外套管4-4，一端固定于底座6-2，將絲桿4穩穩固定于中心位置。絲桿軸4-1底部開有長螺紋，頂部加裝的兩片夾板4-6將圓環套件4-2禁錮于絲桿軸4-1頂部，隨絲桿軸4-1而移動。步進電機5-1轉動時，推動滾軸絲桿4，設定為當步進電機5-1正轉時，滾軸絲桿4-1向上運動，反之，則向下運動。步進電機5-1通過編程，設定電機的速度，方向，走動步數。圓環套件4-2移動時，通過精密鉸鏈2-3帶動連桿2-1，連桿2-1起到將絲桿4的豎直運動轉換為水平運動的作用，連桿2-1的兩頭使用精密鉸鏈2-3和2-2連接到圓環套件4-2和滑塊1-2下伸出導軌下部的突出部1-4上。3根連接桿2-1成傘狀結構，上部連接到滑塊1-2上的半圓形突出部1-4上，連桿2-1的擴張收縮則通過突出部1-4上的鉸鏈2-2推動或者拉動滑塊1-2，由此來帶動固定在滑塊上支架1-3在直線導軌1-1上移動。
導軌支架1頭部通過支撐桿6-4固定在底座6-2上，尾部固定在外壁6-1上，以確保導軌支架1的穩固。導軌支架1由直線導軌1-1、滑塊1-2、支架1-3、突出部1-4和小鋼球1-5組成。滑塊1-2卡在直線導軌上只能沿著導軌方向移動，直線導軌1-1底部是開有槽口的，滑塊1-2下部安裝好突出部1-4，該突出部1-4伸出直線導軌1-1槽口的部分安裝精密鉸鏈2-2，用于連接連桿2-1。支架1-3固定在滑塊1-2上部，支架1-3在相同的部位開定位孔。在安裝時確保3個支架齊平并互成120°。由于將直線導軌1-1預先調節成互成120度角，并且必須對中心點的對心度要高。中心點是指當3個支架1-3同時向中心移動，同時集中在同一點，這一點應該是整個裝置的面中心點。此時當調節弦半徑時就可以達到3個支架1-3的同步連續調節，其對心距相等，即測量時所得的弦半徑無結構上誤差。為了不磨損鏡面而設的小鋼球1-5采用膠合的方法連接在支架1-3上。
測量器件可以根據需要選用測量儀器，對精度要求較高的可以使用高精度光柵尺，本發明采用光柵尺3。
該光柵尺3要能在垂直方向使用，該光柵尺3包括本體3-1、測量頭3-2和探頭3-3。光柵尺3的本體3-1具有光信號接收、光電信號轉換和數字信號輸出功能，市場可買。其安裝方法為將光柵尺3的本體3-1垂直放置并將底端用螺釘固定在平臺6-3上，確保探頭3-3能比小鋼球1-5組成的平面略高。經過實驗，裝置可以測量底面弦半徑范圍為10-300毫米的球面鏡，其測量精度為1微米。
本發明儀器的使用方法如下在使用前，首先調節好支架1-3，光柵尺3探頭3-3。校零過程是將標準平晶放置于導軌支架1的小鋼球1-5上，調節光柵尺表頭3-2，使得探頭3-3頂部接觸點與小球1-5與鏡面接觸點處在同一水平面上，這樣就完成了校零。然后步進電機5-1置初值零，在支架1-3放基準平晶，此時光柵尺3的測量頭3-3將與支撐的小鋼球1-5接觸點齊平，此時光柵尺3的表頭3-2的讀數設為零。將待測球面鏡放于支架1-3小鋼球1-5上，通過步進電機5-1調節好小鋼球1-5的對心距，使小鋼球1-5盡量靠近待測鏡面的邊緣，以保證測量結果的精度，記錄此時步進電機5-1已走過的步數。將光柵尺3的讀數輸入微機7-1上即得到矢高，將矢高和步進步數輸入預編的計算軟件后得到一次測量結果。在一次測量完成后，逐次改變少許弦半徑，按相同步驟多次測量。經過6-8次測量后得到的數據，由微機7-1處理輸出最后結果。一次測量完成后可以由計算機7-1給光柵尺3發出指令，使得光柵尺3復位。
導軌1-1的安裝要與水平面平行，導軌1-1各沿120度分布成3點支撐，3個支撐的小鋼球1-5到中心的中心距要相同，否則將對矢高的測量產生較大的影響。圖2中的底座6-2必須水平，以保證上方機件的水平度。光柵尺3的測量頭3-3應處于正中心，使得球面鏡放置后能精確測量矢高。滾軸絲桿軸4-1必須垂直于水平面，以保證圓環套件4-2同樣垂直運動，而連接桿2-1推動導軌支架1上的滑塊1-2以同一速度運動，也可以保證運動后支撐點離中心的中心距保持相等。由于滾軸絲桿4-1上的圓環套件4-2上的耳杯4-3上沿著導軌支架1的方向安裝同類型3個精密鉸鏈2-3，確保其中心同一圓上。6-3為平臺，上邊放置光柵尺3，下部用4根相同的支架6-4支撐，保證其穩定性和水平。
圖3是導軌1的主視圖，其中A-A剖面如圖5所示。導軌基座1-1底部開槽，導軌的滑塊1-2鑲嵌于基座中，使得滑塊1-2只能沿導軌1-1方向移動，滑塊1-2底部有半圓形突出部1-4通過底部的槽伸出導軌1-2，與連接桿2-1通過鉸鏈2-2連接。在滑塊1-2上固定好支架1-3，保證3個支架1-3同長，同型，保證支架1-3對心距的相等。在支架1-3的支撐點上為保證不損傷鏡面，可以作半圓形倒角，也可加裝剛性小球1-5。當改變弦半徑時，連接桿2-1推動向外推動，帶動滑塊1-2沿著導軌1-1方向移動，支架1-3緊固于滑塊1-2上也產生同樣的運動，并且3個支架1-3以同步同速運動，由此可以保證最后支撐點處于同一圓上。在保證精度的基礎上，可以通過步進電機5-1的轉動步數來確定弦半徑的大小。由于小鋼球1-5存在，測量的最小半徑為1cm。
本發明的外形可以根據需要采用不同的形狀，如筒狀，下細上開的形狀均。
在測量的器具上，可以根據需要使用不同的器件，如要求高則可以使用光柵尺，要求不是很高用于實時測量的則可以用千分表，在光柵尺的放置上可以用特殊的豎直放置的也可以將其水平放置，并加改向裝置以取得豎直方向上的測量。
本發明的測量系統對于測量精度不高情況下，可以使用千分表代替光柵尺，可以簡化系統復雜性。千分表的安裝同樣是垂直放置，在千分表下方安放可調節高度的支架，調節支架將千分表的測量頭與小鋼球平面齊平，同樣進行校零。
本發明與蘇州大學趙陽發明的直讀式球徑儀(CN86201617u)和德國的Spheromatic H球徑儀相比，結構有新的創新點，性能優良。本發明對非標準半徑球面鏡的測量都能達到較高的精度，對同一個球面鏡可進行變參量的重復測量，減少了測量中的隨機誤差。
權利要求
1.一種可變徑接觸式球徑儀，其特征在于它由自動控制和機械主體兩部分組成該自動控制部分的計算機(7-1)有2條線路連接，一路接電機驅動電源(7-2)，該驅動電源(7-2)以數據線聯結步進電機(5-1)，另一路接光柵尺(3)；機械主體部分由導軌支架(1)、連接桿(2)、光柵尺(3)、滾軸絲桿機構(4)和機體(6)組成該步進電機(5-1)固定在機體(6)的底座(6-2)上，步進電機(5-1)上與轉子配套的聯軸器(5-2)連接滾軸絲桿(4)，該滾軸絲桿(4)底部有外套管(4-4)，4根支撐桿(4-5)一端連接外套管(4-4)，另一端固定于底座(6-2)，將滾軸絲桿(4)固定在底座(6-2)的中心位置，絲桿軸(4-1)底部開有長螺紋，頂部加裝的兩片夾板(4-6)將圓環套件(4-2)禁錮于絲桿軸(4-1)頂部，隨絲桿軸4-1而移動，該圓環套件(4-2)通過精密鉸鏈(2-3)與連桿(2-1)相連，該連桿(2-1)的另一端通過精密鉸鏈(2-2)連接到滑塊(1-2)下伸出導軌(1-1)下部的突出部(1-4)上；3根連接桿(2-1)成傘狀結構，支架(1-3)固定在滑塊(1-2)上，該滑塊(1-2)可沿直線導軌(1-1)移動；該導軌支架(1)由直線導軌(1-1)、滑塊(1-2)、支架(1-3)、突出部(1-4)和小鋼球(1-5)組成導軌支架(1)頭部通過支撐桿(6-5)固定在底座(6-2)上，尾部固定在機體(6)的外壁(6-1)上，滑塊(1-2)卡在直線導軌(1-1)上，直線導軌(1-1)底部是開槽的，滑塊(1-2)下部具有突出部(1-4)，該突出部(1-4)通過槽口伸出直線導軌(1-1)的部分安裝精密鉸鏈(2-2)，支架(1-3)固定在滑塊(1-2)之上，支架(1-3)在相同的部位開定位孔，在安裝時確保三條直線導軌(1-1)互成120°，所述的小鋼球(1-5)安裝在支架(1-3)的尖端上，當三個支架(1-3)同時向中心移動時，所述的小鋼球(1-5)可同時集中在同一中心點；所述的光柵尺(3)，包括本體(3-1)、測量頭(3-2)和探頭(3-3)，光柵尺(3)的本體(3-1)垂直放置并將底端用螺釘固定在平臺(6-3)上，該平臺(6-3)通過支架(6-4)固定在底座(6-2)上，確保探頭(3-3)比小鋼球(1-5)組成的平面略高。
2.根據權利要求1所述的可變徑接觸式球徑儀，其特征在于所述的光柵尺(3)具有光信號接收、光電信號轉換、數字信號輸出功能。
全文摘要
一種測量球面鏡球半徑的可變徑接觸式球徑儀，它由微機、步進電機、直線導軌、光柵尺和滾軸絲桿等部件組成。由光柵尺測量球面鏡的矢高，再由計算機根據公式算出球面鏡的半徑。它具有對任一半徑的球面鏡可測的特點，測量精度高，大大減小了測量過程的隨機誤差和人為因素影響。
文檔編號G01B5/22GK1580688SQ20041001834
公開日2005年2月16日 申請日期2004年5月14日 優先權日2004年5月14日
發明者董華興, 龐向陽, 博鋒, 王勇, 朱健強 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所