專利名稱：：低熱膨脹石英量棒、其標(biāo)定方法及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體地說(shuō)是用于關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)標(biāo)定用的低熱膨脹量塊。
背景技術(shù)：
：關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)通常由各測(cè)量臂串聯(lián)各旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和線位移關(guān)節(jié)形成開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)，開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)的末端為測(cè)量機(jī)的測(cè)頭，如全關(guān)節(jié)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和平行關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等。有的關(guān)節(jié)可以繞其自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，有的關(guān)節(jié)可以沿其自身軸線平移。為記錄關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)量或線位移量，各相對(duì)運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)都裝有角度傳感器或位移傳感器，在使用測(cè)量機(jī)進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量時(shí)，測(cè)量機(jī)測(cè)頭坐標(biāo)是以測(cè)量機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)與其各關(guān)節(jié)角度、位移等為變量的函數(shù)。未標(biāo)定的關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)頭位置誤差往往很大，不能滿足使用要求，為保證測(cè)量機(jī)整體精度，需要對(duì)測(cè)量機(jī)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定進(jìn)而補(bǔ)償各項(xiàng)主要誤差。標(biāo)定過(guò)程是用被標(biāo)定測(cè)量機(jī)與高精度測(cè)量?jī)x器或標(biāo)準(zhǔn)件比對(duì)的過(guò)程，從而可以獲得測(cè)量機(jī)更精確的幾何參數(shù)?！N標(biāo)定方法是用待標(biāo)定關(guān)節(jié)式測(cè)量機(jī)測(cè)量較高精度的量塊，用量塊工作長(zhǎng)度為標(biāo)準(zhǔn)量來(lái)與測(cè)量機(jī)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。同時(shí)改變量塊在測(cè)量空間的位置、姿態(tài)，以獲得關(guān)節(jié)式測(cè)量機(jī)在不同姿態(tài)時(shí)的測(cè)量誤差，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的計(jì)算來(lái)獲得測(cè)量機(jī)各項(xiàng)幾何參數(shù)。量塊是由兩個(gè)相互平行的測(cè)量面之間的距離來(lái)確定其工作長(zhǎng)度的高精度量具，其工作長(zhǎng)度為計(jì)量器具的長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)對(duì)計(jì)量?jī)x器、量具和量規(guī)等示值誤差的檢定等方式，使機(jī)械加工中各種制成品的尺寸能夠溯源到長(zhǎng)度基準(zhǔn)。量塊一般用鉻錳鋼等特殊合金鋼或線膨脹系數(shù)小、性質(zhì)穩(wěn)定、耐磨以及不易變形的其它材料制成，市場(chǎng)上的量塊大多用合金鋼或是陶瓷材料。使用量塊對(duì)關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定的方法是可行的，但目前使用的量塊有很多缺陷1、熱變形誤差較大—般使用的量塊多為鋼合金量塊，鋼量塊的溫度線膨脹系數(shù)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)值即=(11.5±1)X10—7°C。按膨脹計(jì)算公式，AL二[X(ts-20)]Xl，ts為量塊在測(cè)量時(shí)的測(cè)量溫度(°C)，1為被測(cè)量塊的標(biāo)稱長(zhǎng)度(m)。根據(jù)公式，標(biāo)稱長(zhǎng)度500mm，膨脹系數(shù)12X10—7"的量塊，在溫度變化rC的情況下，AL=6um。這樣，在非恒溫環(huán)境下，量塊使用環(huán)境35t:的變化，就會(huì)給測(cè)量帶來(lái)20um30um的系統(tǒng)誤差，嚴(yán)重影響量塊的使用精度。所以，在使用量塊做標(biāo)準(zhǔn)器件來(lái)傳遞比對(duì)，長(zhǎng)度大的量塊受溫度影響很大。所以，在使用長(zhǎng)量塊為柔性關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)做大量程的參數(shù)標(biāo)定時(shí)，量塊的溫度變形就會(huì)是測(cè)量誤差中的一個(gè)重要因素，直接影響了標(biāo)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。2、工作面加工精度要求高量塊具有兩個(gè)互相平行的工作面，以工作面之間的距離來(lái)確定其工作長(zhǎng)度。兩個(gè)工作面的平面度和平行度精度會(huì)直接影響到量塊的精度，高等級(jí)量塊對(duì)加工的要求很高，從而導(dǎo)致高精度量塊價(jià)格也比較高。3、量塊使用時(shí)，會(huì)帶來(lái)擬合誤差在使用量塊標(biāo)定測(cè)量系統(tǒng)(三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等)時(shí)，一般的使用方法是先以量塊的其中一個(gè)工作面做參考面，在上面取至少三個(gè)點(diǎn)形成平面，然后再在量塊的另一工作面取一點(diǎn)，以此點(diǎn)到擬合面的距離為量塊的工作長(zhǎng)度，這種測(cè)量方法，需要測(cè)至少4個(gè)點(diǎn)。如在參考面上采點(diǎn)超過(guò)三點(diǎn)，則采用最小二乘擬合等方法擬合出被測(cè)量面，再來(lái)計(jì)算出測(cè)量長(zhǎng)度。量塊兩工作面的平行度和平面度，采樣點(diǎn)采點(diǎn)的數(shù)量和位置，還有用于擬合平面的數(shù)學(xué)方式，都會(huì)對(duì)得出的量塊工作長(zhǎng)度有較大影響。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是為了避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種受溫度影響很小、使用時(shí)所需采點(diǎn)數(shù)目少，能有效降低測(cè)量溫度誤差、加工精度和數(shù)據(jù)擬合誤差對(duì)量塊的工作長(zhǎng)度的影響的低熱膨脹石英量棒及其標(biāo)定方法，以適用于關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)參數(shù)標(biāo)定。本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題采用如下的技術(shù)方案本發(fā)明低熱膨脹石英量棒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是所述石英量棒的結(jié)構(gòu)形式為設(shè)置低熱膨脹系數(shù)的石英棒為主體，兩端套裝金屬套筒，所述兩端金屬套筒的端面上各有一錐窩，所述兩個(gè)端面上的錐窩其錐角和深度相同，兩端錐窩中心線重合。本發(fā)明低熱膨脹石英量棒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于設(shè)置所述錐窩的錐角e為90°120°。本發(fā)明低熱膨脹石英量棒的標(biāo)定方法的特點(diǎn)是采用半徑為R的兩只標(biāo)準(zhǔn)球，將所述標(biāo)準(zhǔn)球分別置于兩個(gè)端面上的錐窩中，使球面與錐窩面相切，用測(cè)長(zhǎng)儀標(biāo)定兩標(biāo)準(zhǔn)球之間的球心距，所標(biāo)定的球心距即為所述石英量棒在測(cè)球半徑為R下的工作長(zhǎng)度；本發(fā)明低熱膨脹石英量棒的使用方法的特點(diǎn)是以石英棒為量塊主體，以兩端錐窩為工作面，工作長(zhǎng)度為卡在兩個(gè)端面上的錐窩中的標(biāo)定用球的球心距。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在1、本發(fā)明所采用的石英量棒受溫度變化影響較小石英具有耐高溫性強(qiáng)及熱膨脹系數(shù)低的特點(diǎn)，其密度(Density)為2.2X103kg/m3，熱膨脹系數(shù)(Coefficientofexpansion)在25300°C時(shí)，膨脹系數(shù)為0.56X10—6,C，本發(fā)明使用石英棒做量塊，會(huì)使得量塊受溫度影響而帶來(lái)得測(cè)量誤差很小。例如長(zhǎng)度為500mm，膨脹系數(shù)為0.6X10—6/°C的石英棒，在溫度變化rC的情況下，形變AL=0.3um。石英材料的低膨脹系數(shù)使石英量棒的工作長(zhǎng)度受溫度影響很小，具有比鋼合金量塊熱穩(wěn)定性好的特性。2、本發(fā)明中石英量棒加工要求較低本發(fā)明量棒中的石英棒不需要加工，其兩端的金屬套筒在加工時(shí)只要求錐窩的圓錐面圓錐度較好即可，對(duì)圓錐面的錐角誤差和粘合兩錐窩的兩中心線夾角誤差都要求不高，用較高精度儀器對(duì)整個(gè)石英量棒標(biāo)定后便可使用。3、本發(fā)明使用時(shí)所需采點(diǎn)數(shù)少，無(wú)擬合誤差在使用傳統(tǒng)量塊標(biāo)定測(cè)量機(jī)時(shí)，需要采至少4點(diǎn)，工作面的平面度誤差還會(huì)帶來(lái)數(shù)據(jù)的擬合誤差。而使用這種端部帶有錐窩的石英量棒時(shí)，只需采兩點(diǎn)，無(wú)需數(shù)據(jù)擬合過(guò)程。圖1為本發(fā)明石英量棒剖面圖。圖2為本發(fā)明石英量棒裝夾在三自由度夾具架上以便標(biāo)定關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的示意圖。圖3為無(wú)結(jié)構(gòu)誤差的石英量棒標(biāo)定補(bǔ)償示意圖。圖4為存在結(jié)構(gòu)誤差的石英量棒標(biāo)定補(bǔ)償示意圖。圖中標(biāo)號(hào)1為待標(biāo)定測(cè)量機(jī)測(cè)頭，2為錐窩，3為金屬套筒，4為低熱膨脹膠層，5為石英棒，6為石英棒夾具架。以下是通過(guò)具體實(shí)施方式，結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖1、圖2，設(shè)置低熱膨脹系數(shù)的石英棒5為主體，兩端套裝金屬套筒3，兩端金屬套筒的端面各有一錐窩2，兩端面上的錐窩2其錐角和深度相同，兩端錐窩中心線重合。具體實(shí)施中，錐窩的錐角9設(shè)置為90°120°。錐窩2是用于定位關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的待標(biāo)定測(cè)量機(jī)測(cè)頭l，表面需仔細(xì)研磨加工，使其圓錐度較好。金屬套筒3和石英棒5之間采用膠結(jié)合方式，選用熱膨脹系數(shù)低、熱穩(wěn)定性好的粘膠形成低熱膨脹膠層4，實(shí)現(xiàn)粘合固定。在粘合金屬套筒3時(shí)，以其中一個(gè)套筒端面為基準(zhǔn)，盡可能地調(diào)整使兩錐窩中心線重合。本實(shí)施例中，低熱膨脹石英量棒的標(biāo)定方法是采用半徑為R的兩標(biāo)準(zhǔn)球，將標(biāo)準(zhǔn)球分別置于兩端錐窩中，使球面與錐窩面相切。使用較高精度的測(cè)長(zhǎng)儀對(duì)兩球球心距進(jìn)行檢定，多次測(cè)量求均值后，記錄下兩標(biāo)定鋼球的球心距，所標(biāo)定的球心距即為石英量棒在測(cè)球半徑為R的之下的工作長(zhǎng)度。在標(biāo)定石英量棒時(shí)，如果標(biāo)定用鋼球與實(shí)際測(cè)頭直徑有一定差值，按公式(1)補(bǔ)償石英棒標(biāo)定差值后便可得到實(shí)際測(cè)頭中心距。本實(shí)施例中低熱膨脹石英量棒的使用方法是以石英棒5為量塊主體，以兩端錐窩2為工作面，工作長(zhǎng)度為卡在兩端錐窩2中的標(biāo)定用球的球心距。這一使用方法以石英棒為量塊主體，用精磨錐窩為工作面代替?zhèn)鹘y(tǒng)的平面，量棒的工作長(zhǎng)度為卡在兩錐窩的標(biāo)定用球的球心距。在使用石英量棒標(biāo)定時(shí)，先將量棒夾持固定在夾具臺(tái)上，然后只需將測(cè)頭卡在量棒兩端的錐窩中采得兩點(diǎn)，根據(jù)量棒標(biāo)定值獲得這兩點(diǎn)的空間距離。由于是使用錐窩而不是平面來(lái)定位測(cè)量機(jī)測(cè)頭，本發(fā)明石英量棒更適于用作關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的標(biāo)定。使用時(shí)，石英量塊棒被夾持在夾具架6上，標(biāo)定過(guò)程如下為了標(biāo)定量塊的工作參數(shù)，可用精度較高的比長(zhǎng)儀或光柵測(cè)長(zhǎng)機(jī)來(lái)標(biāo)定量塊。由于用直接測(cè)量的方法來(lái)獲得錐窩的參數(shù)較困難，只能用間接測(cè)量的方法來(lái)標(biāo)定。先用一對(duì)與測(cè)頭半徑相同的鋼球卡在量塊的左右兩個(gè)錐窩中，用測(cè)長(zhǎng)機(jī)的兩個(gè)測(cè)量平面與被測(cè)鋼球相切，測(cè)得值減去鋼球直徑即為球心距。但標(biāo)定時(shí)，一般很難獲得與待標(biāo)定測(cè)量機(jī)測(cè)頭半徑完全相同的鋼球，可以使用尺寸相近的標(biāo)準(zhǔn)球代替，這樣石英量棒的標(biāo)定值與使用值就會(huì)存在一定偏差，可以將差值補(bǔ)償后再使用。下面是對(duì)補(bǔ)償量的詳細(xì)分析，計(jì)算補(bǔ)償量的大小和分析補(bǔ)償后的殘余誤差量的大小。①圖3是在理想情況下，石英量棒兩端錐窩的中心線重合，錐角都為e，測(cè)頭半徑為12，兩標(biāo)定用球半徑都為&。k為石英量棒標(biāo)定值，L2為實(shí)際使用時(shí)測(cè)頭的中心距。在理想狀況時(shí)，補(bǔ)償值公式為A-Z2=2-(1)，4②圖4是在實(shí)際情況下石英量棒結(jié)構(gòu)誤差示意圖。由于量棒兩端的錐窩的錐角本身會(huì)存在一定的偏差，而且中心線也不在同一方向上，兩套筒錐窩的錐角分別有ae工和A92的偏差，錐窩中心線與錐頂連線也分別有A、和A02的偏差角度，這使得補(bǔ)償公式有一定變化。在使用半徑為&的鋼球標(biāo)定石英棒時(shí)，標(biāo)定值為,—I"《'cosA^i廣cosAa2、2;.w'"Aq《57'"Aa2、2e+械2|J"!2同理可得，在使用半徑為R2的測(cè)頭時(shí)，測(cè)頭球心距離L2為厶Ji2cos72.cosAa22if2.s/wA(^72.s/wA^^2V5W"y^sm^j^w打^^"由上面的式子可以得出，補(bǔ)償值為L(zhǎng)「L^，補(bǔ)償公式應(yīng)為(2)(3)Z2-A=&cos《cos厶"22^wA"i《*Ao2、2訓(xùn)—(4)L72cosi2.cos2i2w'/7A",i2s/wA^2,("1,歸《1^+A《~J+("，一P+A^ff+A《—J2(《—72)由于石英量棒的安裝加工誤差量AepAe^AcipAc^難以直接測(cè)得，而且按公式(4)的補(bǔ)償也較麻煩。實(shí)際補(bǔ)償時(shí)，在安裝加工誤差不大時(shí)，可直接按照公式(1)進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后仍會(huì)存在一定的殘余誤差，可忽略不計(jì)。下面是一組實(shí)際算例，反映了殘余誤差的大小。令待標(biāo)定關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)頭半徑為R2，標(biāo)定用球半徑為&，錐窩角度為9，兩錐窩加工誤差分別為A9工和A92，兩錐窩安裝誤差分別為Aa工和Aa2。設(shè)定錐窩頂點(diǎn)距離L為500mm，e為90°，測(cè)頭半徑為R2為4.997mm。下表中，公式(4)為當(dāng)石英量棒存在結(jié)構(gòu)誤差時(shí)，由于標(biāo)定用球半徑與測(cè)頭球半徑不同而產(chǎn)生的實(shí)際應(yīng)補(bǔ)償量，即按公式(4)計(jì)算；公式(1)為為方便計(jì)算，忽略結(jié)構(gòu)誤差，按理想狀況補(bǔ)償量，即按公式(1)計(jì)算。表1公式誤差Rl(mm)R2(mm)A9i△92Aai△a2公式(4)(mm)公式(1)(mm)殘余誤差(um)5.04.9970Q0Q-8.485-8.48505.04.9970.25°0.25°0.25°0.25°-8.467-8.4850.018<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>由上表可以看出，當(dāng)標(biāo)定用球和實(shí)際測(cè)頭半徑不同時(shí)，隨錐窩偏角不同，會(huì)存在一定的公式誤差。在標(biāo)定用球半徑與測(cè)頭半徑相差較小時(shí)，殘余誤差很小，可以忽略不計(jì)，使用公式(1)或(4)都可；當(dāng)標(biāo)定用球半徑差和偏角較大時(shí)，公式殘余誤差在微米量級(jí)。所以，在實(shí)際標(biāo)定過(guò)程中，應(yīng)盡量使用與測(cè)頭半徑相同或相近的鋼球來(lái)標(biāo)定，半徑差越小，殘余誤差越小。而在實(shí)際加工和裝配時(shí)，是比較容易做到控制加工和裝配誤差在O.1°以內(nèi)的，在根據(jù)公式(1)補(bǔ)償后，殘余誤差很小，在0.01um量級(jí)，相比其它誤差，可以忽略不計(jì)；而且溫度對(duì)整個(gè)石英量棒的影響也十分有限，TC的溫度變化對(duì)500mm石英量棒造成的長(zhǎng)度變化約為0.3um左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的鋼合金量塊。所以，這種低加工成本、低溫度膨脹的石英量棒，具有較高的使用前景。由于是使用錐窩而不是平面來(lái)定位測(cè)頭，本發(fā)明更適于用作關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的標(biāo)定。權(quán)利要求低熱膨脹石英量棒，其特征是所述石英量棒的結(jié)構(gòu)形式為設(shè)置低熱膨脹系數(shù)的石英棒(5)為主體，兩端套裝金屬套筒(3)，所述兩端金屬套筒(3)的端面上各有一錐窩(2)，所述兩個(gè)端面上的錐窩(2)其錐角和深度相同，兩端錐窩中心線重合。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的低熱膨脹石英量棒，其特征是設(shè)置所述錐窩的錐角9為90°120°。3.—種權(quán)利要求1所述低熱膨脹石英量棒的標(biāo)定方法，其特征是采用半徑為R的兩只標(biāo)準(zhǔn)球，將所述標(biāo)準(zhǔn)球分別置于兩個(gè)端面上的錐窩(2)中，使球面與錐窩面相切，用測(cè)長(zhǎng)儀標(biāo)定兩標(biāo)準(zhǔn)球之間的球心距，所標(biāo)定的球心距即為所述石英量棒在測(cè)球半徑為R下的工作長(zhǎng)度；4.一種權(quán)利要求l所述低熱膨脹石英量棒的使用方法，其特征是以石英棒(5)為量塊主體，以兩端錐窩(2)為工作面，工作長(zhǎng)度為卡在兩個(gè)端面上的錐窩(2)中的標(biāo)定用球的球心距。全文摘要低熱膨脹石英量棒、其標(biāo)定方法及其應(yīng)用，其特征是石英量棒的結(jié)構(gòu)形式為設(shè)置低熱膨脹系數(shù)的石英棒為主體，兩端套裝金屬套筒，兩端金屬套筒的端面上各有一錐窩，兩個(gè)端面上的錐窩其錐角和深度相同，兩端錐窩中心線重合。本發(fā)明受溫度影響很小、使用時(shí)所需采點(diǎn)數(shù)目少，能有效降低測(cè)量溫度誤差、加工精度和數(shù)據(jù)擬合誤差對(duì)量塊的工作長(zhǎng)度的影響，尤其適用于關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)參數(shù)標(biāo)定。文檔編號(hào)G01B5/008GK101701786SQ20091018500公開(kāi)日2010年5月5日申請(qǐng)日期2009年10月28日優(yōu)先權(quán)日2009年10月28日發(fā)明者尚平,楊睿嫦,王晨晨,程文濤,費(fèi)業(yè)泰申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)