專利名稱：測量盲小孔與狹槽的三維測頭和測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬長度計量與測試技術(shù)領(lǐng)域。
高精度與微型化是當(dāng)前科技與工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，微小內(nèi)尺寸的測量比微小外尺寸更困難，對于盲小孔的測量，特別是要測出其任意截面處孔的尺寸和形狀誤差，未見到報到。
現(xiàn)有的測孔方法很多，主要有接觸法和非接觸法兩種。
一.接觸式測量1.坐標(biāo)測量機測量法坐標(biāo)測量機測量法是在三坐標(biāo)測量機上，利用測球和孔壁接觸，感受并存儲球坐標(biāo)值，通過數(shù)據(jù)處理而實現(xiàn)對孔的測量，這種方法既能測通孔而且能夠測盲孔，在測量φ0.5mm及至更小的孔時，由于測頭細(xì)測桿的變形誤差，測量力不穩(wěn)定引起的測量誤差等因素的影響，所以在測量φ0.5mm以下的孔時，其測量性能明顯下降，而且測量頭也容易損壞。
2.701A孔徑測量儀中國計量科學(xué)院生產(chǎn)的701A孔徑測量儀其測量精度±0.5mm，被測孔范圍Φ1～Φ50，被測孔最深度為30mm，并且要配合二.三等量塊使用，此儀器采用接觸式干涉法進行則量，將被測孔與量塊進行比較，瞄準(zhǔn)機構(gòu)用電路系統(tǒng)控制平行片簧自動停車，讀數(shù)系統(tǒng)用消色差光楔補償電路的方法讀數(shù)。
3.電接觸法測孔哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究的微機控制的電接觸微孔測量方法，用5V低電壓接觸來判斷探針與被測工件孔壁的按觸狀態(tài)，并用微機對測量過程進行控制，被測孔放置在精密X-Y測量機工作臺上，工作臺X和Y方向分別裝有步進電機.(見王東浩等著，微機控制和電接觸微孔測量方法，計量技術(shù)No.1 1981)這種方法最大極限誤差為7um。
二.非接觸式測量方法1.光學(xué)放大方法光學(xué)放大方法是采用光學(xué)放大成像的測孔方法對孔進行測量.例如，用400倍的放大倍數(shù)，可以檢驗孔徑為0.038mm大小的孔，對于更小的孔，可以采用掃描電鏡來檢測，但光學(xué)放大方法只能到孔表面的測量信息，而不能測量孔深處的尺寸，而且在孔端面的任何毛刺，雜物和邊緣缺陷都將影響取得的讀數(shù)結(jié)果。
2.小孔的夫瑯和費衍射測量孔徑這種方法是將一束平行激光束垂直入射圓孔中心，形成夫瑯和費衍射圖象，從而測得孔徑A的方法，A＝Mλ△L/△RK，其中λ為激光波長，M＝Z/2，Z是Z階貝塞爾函數(shù)的零點值，L是衍射距離L的改變量，RK為衍射距離L改變前后第K階衍射環(huán)半徑的變化量，這種方法檢測精度為1%左右，但只能測通孔而不能測盲孔，見(微機控制的微孔徑激光檢測裝置的研究，儀器儀表學(xué)報No.1 1988.)3.激光光點掃描反射測量法。
利用He/Ne激光器，它對工件進行調(diào)焦，激光通過聚光鏡聚焦在目標(biāo)表面上，反射光回來，經(jīng)過同一個聚光鏡落到雙單元“零靈敏”的光電檢測器上當(dāng)目標(biāo)表面在聚光鏡焦面上時，這時光電接收元件得到零信號，當(dāng)目標(biāo)表面離開光電檢測器的零點，并產(chǎn)生電流信號，從而進行瞄準(zhǔn)，測量時利用掃描鏡使激光束對孔的橫截面掃描，分別瞄準(zhǔn)被測孔的孔壁，從而測得孔的直徑，這種方法只能測量孔端面的尺寸，而不能測得任意截面孔的尺寸。
4.氣動式孔徑測量方法用此方法來實現(xiàn)小孔測量時，往往以小孔本身作為測量噴嘴，這樣小孔的孔徑值直接由浮標(biāo)所處的高度H顯示出來D＝F(H)，也有利用測定一定量的氣體流過被孔的時間來確定孔徑大小的方法，氣動式孔徑測量，只綜合反映小孔對氣體流徑過它時的影響，是對孔在最小截面處的平均直徑的測量，只能測量通孔。
綜合上述，現(xiàn)有的小孔測量技術(shù)有以下不足對于直徑0.5mm以下的小孔，測量時由于存在細(xì)測桿變形誤差的影響，而使接觸測量很困難.現(xiàn)有的光學(xué)測量小孔的方法，一般只能獲得孔端面或最小截面的尺寸和形狀誤差，而且光學(xué)方法對盲小孔幾乎無法測量。
本發(fā)明的目的在于1.可以測量大于φ0.2mm的盲小孔和狹槽，并對測桿變形誤差自動補償。
2.可以測出φ0.2mm以上的孔和狹槽的任意截面尺寸和形狀誤差。
3.能用于三維測量。


圖1是本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)與工作原理圖。
它是由三維位移測量單元組成，所說的三維位移測量單元由波紋管或膜片三維彈性體(1)，上端固定夾板(2)，下端固定夾板(3)，彈性測桿(4)，對稱分布固定于上端固定夾板(2)上的電容測微儀的四個測頭(5)，金屬十字平板(6)，球狀測端(7)組成，對盲小孔或狹縫進行測量時，將三維測頭安裝在三坐標(biāo)測量機上，將球狀測端(7)引入被測工件(8)的被測區(qū)域內(nèi)，球狀測端(7)觸測被測工件(8)，這時測頭產(chǎn)生測微和瞄準(zhǔn)信號，這時讀出坐標(biāo)機的讀數(shù)，和電容測微儀的位移讀數(shù)A，對三維測頭進行標(biāo)定得到測頭傳遞系數(shù)B，將A與B相乘得球狀測端相對于其零點的實際位移C，C與坐標(biāo)機讀出的讀數(shù)相加得被測點的幾何坐標(biāo)值。
在直徑方向的兩個被測點的幾何坐標(biāo)值之差就是被測孔的直徑，也可以對孔進行多點測量用最小二乘法得到被測孔任意截面的直徑和孔中心坐標(biāo)值，對于狹槽，只要找出被測狹槽平面的垂直方向，在垂直方向上進行測量。
當(dāng)球狀測端觸測孔底時，測桿受豎直向上的力，這時十字平板向上平移，四個電容測頭測得的位移相同，同時記下坐標(biāo)機示值和電容測值儀讀數(shù)，而讀數(shù)和就是被測點坐標(biāo)值。
本發(fā)明的積極效果在于，它可以測量大于φ0.2mm的盲小孔和狹槽的任意截面的尺寸和形狀誤差，并對彈性測桿變形自動補償，測頭精度優(yōu)于0.5μm，可測深徑比30∶1的深孔。
權(quán)利要求
1.測量盲小孔與狹槽的三維測頭，其特征在于，波紋管或膜片三維彈性體(1)，上端固定夾板(2)，下斷固定夾板(3)，彈性測桿(4)，電容測微儀的四個測頭(5)，金屬十字平板(6)，和球狀測端(7)組成三維位移單元，三維彈性體(1)上部固定于上端固定夾板(2)上，三維彈性體(1)下部固定于下端固定夾板(3)上，下端固定夾板(3)與十字平板(6)固定聯(lián)接，電容測微儀的四個測頭(5)對稱分布固定于上端固定夾板(2)上，彈性測桿(4)的上端與固定夾板(3)固定聯(lián)接，球狀測端(7)固定于彈性測桿(4)的下端。
2.按照權(quán)利要求1所說的三維測頭測量盲小孔與狹槽的測量方法，其特征在于，所說的三維測頭安裝在三維坐標(biāo)測量機上，將球狀測端(7)引入被測工件(8)的被測區(qū)域內(nèi)，球狀測端(7)觸測工件(8)測頭產(chǎn)生測微和瞄準(zhǔn)信號，讀出坐標(biāo)機讀數(shù)，讀出電容測微儀的位移讀數(shù)A，對三維測頭標(biāo)定得到測頭傳遞系數(shù)B，將A與B相乘得球狀測端(7)相對于其零點的實際位移C，位移C與坐標(biāo)機讀出的讀數(shù)值相加得被測點的幾何坐標(biāo)值。
全文摘要
測量盲小孔與狹槽的三維測頭和測量方法。本發(fā)明屬長度計量與測試技術(shù)領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)由三維位移測量單元組成，其導(dǎo)向元件為波紋管或膜片三維彈性體，其優(yōu)點在于可測量大于Φ0.2mm的通孔或盲孔和狹槽任意截面尺寸和形狀誤差，被測小孔深徑比大于30∶1，本發(fā)明測頭可裝在三坐標(biāo)測量機上，當(dāng)測頭接觸工件時，測桿變形并帶動彈性體變形，用電容測微儀測頭測出固定于三維彈性體上的金屬平板豎向位移值，就可以對工件瞄準(zhǔn)和測量，用電容測微儀示值計算可修正測桿變形誤差。
文檔編號G01B7/02GK1104765SQ93121289
公開日1995年7月5日 申請日期1993年12月30日 優(yōu)先權(quán)日1993年12月30日
發(fā)明者張國雄, 楊世民 申請人:天津大學(xué)