測量大直徑圓環面平面度的裝置及方法
【專利摘要】測量大直徑圓環面平面度的裝置及方法，涉及機械加工裝調檢測領域的測量技術，解決現有圓環平面度的測量裝置存在結構復雜和使用受限的問題，現在測量方法由于存在測量精度低而導致測量誤差大等問題，包括精密轉臺、內調焦光管、光纖點光源、轉臺調平機構、測桿和CCD探測器。本方法首先利用內調焦光管把光纖點光源成像在被測圓環面上方，精密轉臺帶動點光源的像點旋轉在空間畫圓，然后以此圓所在的平面為基準，用CCD探測器接收點光源像點，根據脫靶量測出被測點與基準平面的距離，最后通過數據處理計算即可得到被測圓環面的平面度。本發明測量精度高，數據處理簡單，操作方便，效率高，成本低；本發明適用于大尺寸圓環件平面度的檢測。
【專利說明】測量大直徑圓環面平面度的裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及機械加工裝調檢測領域的測量技術，具體涉及一種對大直徑圓環面平 面度檢測的裝置與方法。
【背景技術】
[0002] 平面度的高精度測量是機械加工裝調檢測過程中的重要環節，大尺寸圓環型零件 的直徑都在數米量級，其平面度的精確測量一直是一個難點，目前生產中使用的方法有水 平儀法、多測頭誤差分離法、三坐標測量法、液面法、轉臺回轉法、三點測定器法和測微準直 望遠鏡法等。
[0003] 其中水平儀法應用最廣，由于采用節距逐點測量，測量速度太慢，受外界干擾因素 多，另外該法最成熟的應用主要針對中間無孔的大平面，以便于測量網格的劃分；多測頭分 離法可以獲得微米級的高精度，但由于使用傳感器多，需要處理的數據量大，結構復雜，操 作不便，使用受限；三坐標測量法精度隨著測量尺寸的增大而降低，移動橋式坐標測量機最 大只能測量直徑兩米左右的圓環零件，便攜式坐標測量機（關節臂式或激光跟蹤儀）可以 測量大尺寸零件，但精度較低，價格昂貴；液面法系統硬件配置復雜，采點測量過程需要等 待液面穩定，效率低，受環境影響大，精度差；轉臺回轉法由于受測量懸臂剛度的影響，對大 尺寸圓環的測量精度較低；三點測定器法是專門針對光電經煒儀轉臺軸承環的平面度測量 而研發的，但由于三點測定器自身剛度的影響，只在直徑一米左右及以下的軸承環上得到 很好的應用；測微準直望遠鏡配合五棱鏡旋轉形成基準平面，該方法比較適合圓環件平面 度的測量，但由于其采用平板測微器原理讀數，遠距離測量時，受光學系統像質及放大倍數 的影響，測量誤差較大。
【發明內容】
[0004] 本發明為解決現有圓環平面度的測量裝置存在結構復雜和使用受限的問題，現在 測量方法由于存在測量精度低而導致測量誤差大等問題，提供一種測量大直徑圓環面平面 度的裝置及方法。
[0005] 測量大直徑圓環面平面度的裝置，包括精密轉臺、內調焦光管、光纖點光源、轉臺 調平機構、測桿和CCD探測器；精密轉臺放置在轉臺調平機構上，內調焦光管固定在精密轉 臺臺面上，所述內調焦光管光軸與精密轉臺的旋轉軸垂直，所述精密轉臺的旋轉軸與被測 圓環面的中心重合，所述光纖點光源連接在內調焦光管的焦點位置，CCD探測器靶面與測桿 的軸線平行，測桿軸線與被測圓環面垂直，測桿頭部為球面，且與被測圓環面為點接觸。
[0006] 測量大直徑圓環面平面度的方法，該方法由以下步驟實現：
[0007] 步驟一、依次將測桿放在被測圓環面上等間隔的標記被測點位置所述被測點的位 置上，使CCD探測器接收不同被測點位置的光纖點光源的像點，旋轉精密轉臺，使所述不同 被測點位置的光纖點光源的像點在CCD探測器水平方向的脫靶量為零，并記錄CCD探測器 垂直方向的脫靶量；
[0008] 步驟二、對步驟一所述的記錄C⑶探測器垂直方向的脫靶量進行數據處理，獲得 被測圓環面平面度的誤差，實現對被測圓環面的平面度的檢測。
[0009] 本發明的有益效果：本發明在傳統方法的基礎上創新改進，克服了傳統方法的不 足，采用光學及圖像處理的方法，使用內調焦光管結合精密轉臺，以光纖點光源像點在空間 旋轉所形成的圓面為基準，用CCD探測器接收光纖點光源像點并測量其脫靶量，最后通過 數據處理計算得出被測圓環面的平面度。本發明原理明確，結構簡單，操作方便，精度高，實 用性強。本發明以光學的方式形成基準平面，精度不受結構剛度影響；采用CCD直接測量基 準光斑與被測面的距離，測量精度高；針對不同直徑的被測圓環件，調節內調焦光管，把光 纖點光源像點透射到被測圓環上方，測量適應性強；同時還可以進行現場檢測以指導剛度 較差的大型圓環件的裝調，使其平面度誤差滿足要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010] 圖1為本發明所述的測量大直徑圓環面平面度的裝置示意圖。
[0011] 圖中：1、C⑶探測器，2、固定透鏡組，3、調焦透鏡組，4、光纖點光源，5、精密轉臺， 6、轉臺調平機構，7、測桿，8、被測圓環。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0012] 一、結合圖1說明本實施方式，測量大直徑圓環面平面度的裝置，該 裝置包括精密轉臺5、內調焦光管、光纖點光源4、轉臺調平機構6、測桿7和CCD探測器1。 內調焦光管由固定透鏡組2及調焦透鏡組3組成。精密轉臺5安放在轉臺調平機構6上， 內調焦光管固定在精密轉臺5臺面上，光纖點光源4連接在內調焦光管的焦點位置，CCD探 測器1安裝在測桿7上。
[0013] 本實施方式所述的內調焦光管中的調焦透鏡組3可以沿光軸方向移動，精密轉臺 5旋轉軸線與被測圓環面8中心重合。內調焦光管光軸與精密轉臺5旋轉軸垂直。C⑶探 測器1靶面與測桿7軸線平行，測桿7軸線與被測圓環面8垂直，測桿7頭部為球面，與被 測圓環面8為點接觸。
【具體實施方式】 [0014] 二、本實施方式為一所述的測量大直徑圓環面平面度 的裝置的方法，該方法的具體步驟為：
[0015] 首先，測量前調節好內調焦光管，把測桿7垂直放在被測圓環面8上，CXD探測器1 接收光纖點光源4的像點，調整調焦透鏡組3的位置，使像點光斑最小。
[0016] 其次，調整好精密轉臺5的姿態，移動測桿7的位置，使CCD探測器1在被測圓環 面8上等間隔的三個不同位置接收光纖點光源4的像點，調整精密轉臺調平機構6,使像點 在CXD探測器1垂直方向的脫靶量相等。
[0017] 測量時，先在被測圓環面8上等間隔標記被測點的位置，然后依次把測桿7放在被 測點的位置0 i，旋轉精密轉臺5,使像點在CCD探測器1水平方向脫靶量為零，記錄CCD探 測器1垂直方向的脫靶量yi。
[0018] 最后，對測量數據進行處理，首先把測量數據yi展開成傅里葉級數f( 0 i)進行諧 波分析，然后去除常數項I及一次項諧波Y1，得到數據ti。
【權利要求】
1. 測量大直徑圓環面平面度的裝置，包括精密轉臺（5)、內調焦光管、光纖點光源（4)、 轉臺調平機構（6)、測桿（7)和CCD探測器（1);精密轉臺（5)放置在轉臺調平機構（6)上， 內調焦光管固定在精密轉臺（5)臺面上，其特征是，所述內調焦光管光軸與精密轉臺（5)的 旋轉軸垂直，所述精密轉臺（5)的旋轉軸與被測圓環面（8)的中心重合，所述光纖點光源 (4) 連接在內調焦光管的焦點位置，CCD探測器（1)靶面與測桿（7)的軸線平行，測桿（7) 軸線與被測圓環面（8)垂直，測桿（7)頭部為球面，且與被測圓環面（8)為點接觸。
2. 根據權利要求1所述的所述的測量大直徑圓環面平面度的裝置，其特征在于，所述 內調焦光管由固定透鏡組（2)和調焦透鏡組（3)組成；所述的內調焦光管中的調焦透鏡組 (3)沿光軸方向移動。
3. 根據權利要求1所述的測量大直徑圓環面平面度的裝置的方法，其特征在于，該方 法由以下步驟實現： 步驟一、依次將測桿（7)放在被測圓環面（8)上等間隔的標記被測點位置所述被測點 的位置上，使CCD探測器（1)接收不同被測點位置的光纖點光源（4)的像點，旋轉精密轉臺 (5) ，使所述不同被測點位置的光纖點光源（4)的像點在CCD探測器（1)水平方向的脫靶量 為零，并記錄(XD探測器（1)垂直方向的脫靶量； 步驟二、對步驟一所述的記錄CCD探測器（1)垂直方向的脫靶量進行數據處理，獲得被 測圓環面（8)平面度的誤差，實現對被測圓環面的平面度的檢測。
4. 根據權利要求3所述的測量大直徑圓環面平面度的方法，其特征在于，步驟二中獲 得平面度誤差的具體過程為：首先把測量脫靶量數據展開成傅里葉級數進行諧波分析，其 次，去除常數項及一次項諧波，再次，進行最小二乘擬合，最后計算得出平面度誤差。
5. 根據權利要求3或4所述的測量大直徑圓環面平面度的方法，其特征在于，在步驟 一之前，還包括對內調焦光管的調節，將測桿（7)垂直放在被測圓環面（8)上，（XD探測器 (1)接收光纖點光源（4)的像點，調整調焦透鏡組（3)的位置，使像點光斑最小；對精密轉 臺（5)姿態的調整，移動測桿（7)的位置，使CCD探測器⑴在被測圓環面⑶上標記的等 間隔的不同位置接收光纖點光源（4)的像點，調整轉臺調平機構（6)，使像點在CCD探測器 (1)垂直方向的脫靶量相等。
【文檔編號】G01B11/30GK104515481SQ201410788237
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年12月17日 優先權日:2014年12月17日
【發明者】陳寶剛, 張景旭, 吳小霞, 徐偉, 張巖 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所