专利名称：孔径测量装置及其测量方法
孔径测量装置及其测量方法
技术领域：
本发明涉及一种孔径测量装置及其测量方法。背景技术：
目前通常采用球规测量产品的孔径(见图1),即手工操作球规穿孔，看球 规在穿孔时是否能够通过或被止挡。例如，如果小的球规能通过而大的球规被
止挡，则孔径是合格的。但是，这种测量方式存在以下缺点
(1) 当球规通过产品的孔时，球规和产品的孔之间有相对运动，容易和孔 壁磨擦，使孔壁产生批锋，造成产品不良；
(2) 当产品孔径在临界值附近时，不同的操作员检测，由于所用力度不同， 会得出不同的检测结果；
(3) 球规经长时间使用后，自身容易磨损，使测量结果不准确；
(4) 购买球规的成本高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种孔径测量装置，能精确测量产品孔径 的尺寸，且有效避免批锋的产生。
此外，还需要提供一种能精确测量产品孔径的尺寸，且有效避免产生批锋 的孔径测量方法。
为了解决上述技术问题，本发明孔径测量装置，包括孔径测量机构、驱动 机构、被测工件固定夹具及控制�？椋�
所述被测工件固定夹具设于孔径测量机构对应位置，用于固定被测工件； 所述驱动机构与孔径测量机构连接，用于控制孔径测量机构的升降；
所述孔径测量机构包括一活动测量针、两个固定测量针、测量驱动器、位 移传感器，所述测量驱动器用于驱动该活动测量针，使所述活动测量针和两个
固定测量针都与待测圆孔内壁接触，所述位移传感器用于^r测该活动测量针在 孔径测量过程中产生的位移量；
所述控制模块与所述位移传感器相连并根据所述位移量计算所述待测圆孔 的内径。
所述孔径测量^/L构还包括滑块，该滑块分别与所述活动测量针、位移传感
器连接，在该滑块上设有所述测量驱动器。
所述滑块的上方设有导轨，使其负载结构能沿着导轨作高精度线性运动。 所述孔径测量机构还包括气缸，该气缸与所述滑块连接，以使所述活动测
量针回归原点。
所述滑块与位移传感器、气缸的连接处分别设有緩沖器，用于对测量驱动 器产生的弹力提供阻力，使活动测量针被平稳地顶开，有效避免了该活动测量 针的沖击影响测量的稳定性。
所述活动测量针和固定测量针的长度一致，在其自由端末端都设有圆球状 的测量头，便于测量和计算出待测圆孔的内径。
所述驱动机构包括升降平台、升降电机、旋转电机，该旋转电机设置在 该升降平台上，该升降平台与设有所述升降电机的板连接。
本发明孔径测量方法，包括如下步骤
(1) 将一活动测量针、两个固定测量针伸入到待测圆孔中；
(2) 驱动所述活动测量针移动，使所述活动测量针、两个固定测量针都与 待测圓孔内壁接触；
(3 )获取活动测量针的位移量； (4 )根据所述位移量以及已知的两个固定测量针的坐标计算所述待测圆孔 的内径。
较佳的，所述步骤(4)之后还包括步骤将所述活动测量针回归原位，并 将该活动测量针和两个固定测量针旋转一个角度，重复步骤(2)至(4)，计算 出所述待测圓孔内径的第二个数值，以进一步判断待测圓孔内径的 一致性。
所述待测圆孔的内径范围为大于等于2亳米。
本发明孔径测量装置及其测量方法，由于采用三根探针的接触式测量，使 孔径测量的精度显着提高，测量精度达到0. OOl咖以下，而用传统的德国Mahr 机测量的重复精度在0. 002mm以下，且德国Mahr机的价格昂贵，本发明方法还 能有效避免因测量孔径给产品带来的批锋。此外，由于本发明采用机械自动化 测量取代传统的手工操作测量，能减少人力，提高效率。
图l是现有用王求规测量产品孔径的示意图； 图2是本发明孔径测量依据的数学模型的示意图； 图3是本发明孔径测量装置的分解示意图； 图4是本发明孔径测量机构的分解示意图； 图5是采用本发明孔径测量装置测量绝对圆孔径的示意图； 图6是采用本发明孔径测量装置测量非绝对圆孔径的示意图； 图7是采用本发明孔径测量装置测量孔径所得凝:据的波动图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。 本发明提供了一种精确、简便、高效的孔径测量装置及其测量方法，其理 论基础是根据三点确定该三点外接圆的直径，其建立的数学模型中，有两点坐
标位置相对固定，另外一点为活动测量针，活动的距离用高精度的位移传感器 测量，根据测量结果确定第三点坐标，再将该第三点坐标与另外两点坐标相结 合，求出由此三点组成的外接圆直径。
根据三点求出该三点外接圓直径的计算过程如下
如图2所示，已知三个圓(即三个^^形测量^l十)的半径和初始坐标，求与 它们外切圆(即待测孔径的圆孑L)的圆心坐标和半径的大小。
设第一个圓半径为R1，坐标为(X1， Yl)，第二个圆半径为R2，坐标为(X2， Y2)，第三个圆半径为R3 ,坐标为(X3， Y3),外切圆半径为R,坐标为(X, Y)， 则有
(X-X1) 2 + (Y-Y1)2 = (R-R1)2 (X - X2 ) 2 + (Y-Y2)2 = (R-R2)2 (X-X3) 2 + (Y_Y3)2 = (R-R3)2 由此可求出R, X, Y。
在实际测量过程中，如上所述，有两个球形测量针的位置是固定的，即已 知(X1， Y1)R1， (X2， Y2)R2，而第三个球形测量针可移动，用以测量圆孔的 直径，其三个位置参数(X3， Y3)R3中，X3与R3是固定的，而Y3是变化的， 其中Y3-C +测量值(C为常量)，通过位置传感器可以获得Y3中的测量值，从 而可以求得(X, Y) R。
由上述方程可求得
X = B3 + SQR ( B32 -4A3C3 ) / (2A3)或X0 = B3-SQR ( B32 -4A3C3 ) / (2A3) Y=A1-B1X0 R=A2X+B2 其中Al= (R2—Rl) (X12+Y12-X32-Y32+R32-R12-(R3-R1)(X12+Y12-X22-Y22+R22-R12)
2[(Y2-Y1 )(R3-R1 )陽(Y3 -Y1 )(R2-R 1)] Bl= (X2-X1)(R3陽R1)-(X3-X1)(R2-R1) (Y2-Y1 )(R3-R1 )-(Y3-Yl )(R2-R1) A 2= (X2-X1)-(Y2-Y1)B1 R2-R1
B 2 = XI 2+Yl 2-X22-Y22+R22-R12+2(Y2-Y 1 )A 1 2(R2-R1)
A3=1+B12-A22
B3=2 (X1+ (A1-Y1) Bl+A2 (B2-R1)) C3=X12 + (A1-Y1)2-(B2-R1)2 应用实例
已知第一个圆圆心Ol坐标为(-3. 5， -2.02)，半径为Rl-l. 475;第二个圆 圆心02坐标为(3. 5， -2.02)，半径为R2-1. 525;第三个圆圆心03坐标为(0, 2.98))，半径为R3-1.5。求此三圆外切圓直径及圆心坐标，其中坐标系原点为 以此三圆心为顶点的三角形的重心，X轴与Ol、 02的连线平行，依上述算法可 求得
外切圆直径D-IO. 4501; 外切圆圆心坐标为0(2. 6607， -0.7449 )。
根据上述理论，研发出了本发明孔径测量装置，如图3、 4所示，包括孔径 测量机构l、驱动机构2、被测工件固定夹具3及控制模块，
所述被测工件固定夹具3设于孔径测量机构1对应位置，用于固定被测工
件；
所述驱动机构2与孔径测量机构1连接，用于控制孔径测量机构1的升降 及旋转；
所述孔径测量才几构1包括一活动测量针11、两个固定测量针13、测量驱动 器15、位移传感器16，所述测量驱动器15用于驱动该活动测量针11，使所述 活动测量针11和两个固定测量针13都与待测圆孔内壁接触，所述位移传感器 16用于检测该活动测量针11在孔径测量过程中产生的位移量；
所述控制模块与所述位移传感器16相连并根据所述位移量计算所述待测圆 孔的内径。
所述孔径测量机构1还包括滑块14，该滑块14分别与所述活动测量针11、 位移传感器16连接，在该滑块14上设有所述测量驱动器15。
所述滑块14的上方设有导轨19，使其负载结构能沿着导轨作高精度线性运动。
所述孔径测量机构1还包括气缸17,该气缸17与所述滑块14连接，用于 驱动所述活动测量4十11回归原点。
所述滑块14与位移传感器16、气缸17的连接处分别设有緩沖器18，用于 对测量驱动器15产生的弹力提供阻力，使活动测量针11被平稳地移动并平稳 地接触到产品孔壁，有效避免了该活动测量针与产品的冲击造成位移传感器读 数不准。
所述活动测量针11和固定测量针13的长度一致，在其自由端末端都设有 圆球状的测量头，保证了测量针与产品孔壁以点接触的方式接触，便于测量和 计算出待测圆孔的内径。所述固定测量针13设置于一连接块12上，以固定该 两个固定测量针13之间的距离。优选的，所述活动测量针11和两个固定测量 针13的三点组成一个等腰三角形，使测量孔径时所述活动测量针11沿两个固 定测量针13的垂直平分线方向移动，便于孔径的测量及孔径测量机构的加工。
所述驱动机构2包括升降平台21、升降电机22、旋转电机23，该旋转电
机23设置在该升降平台21上，并与孔径测量机构1相连接，该升降平台21与 设有所述升降电机22的板24连接，这样保证了孔径测量机构1能够做上下运 动和旋转运动。
本发明孔径测量方法，包括如下步骤
(1) 将一活动测量针、两个固定测量针伸入到待测圓孔中；
(2) 驱动所述活动测量针移动，使所述活动测量针、两个固定测量针都与 待测圆孔内壁接触；
(3 )获取活动测量针的位移量；
(4 )根据所述位移量以及已知的两个固定测量针的坐标计算所述待测圆孔 的内径。
在本发明的一个具体实施方式
中，孔径测量方法包括如下步骤
(1) 用驱动才几构驱动孔径测量才几构下降，^使该孔径测量^l构的活动测量4十 和两个固定测量针伸入待测圆孔中；
(2) 孔径测量机构的测量驱动器顶开活动测量针，使该活动测量针由伸入 该圆孔的初始位置向该圆孔的内壁移动，直至该活动测量针和两个固定测量针 都与所述待测圆孔内壁接触，当该三个测量针同时与待测圓孔内壁接触时，会 给出电信号并开始测量；
(3) 孔径测量机构的位移传感器检测出活动测量针在步骤(2)中产生的 位移量，并将该位移量的数值输入控制�？椋每刂颇？橥ǔＱ∮眉扑慊�
(4 )控制�？楦莶獾玫乃龌疃饬空氲奈灰屏恳约耙阎牧礁龉潭ú� 量针的坐标，求出所述待测圆孔的内径。
所述待测圆孔的内径范围为大于等于2毫米。
在本发明的一个优选实施方式中，所述步骤(4)之后还包括步骤通过孔
径测量才几构的气缸驱动将所述活动测量针回归原位，并将该活动测量4十和两个
固定测量针在驱动机构的带动下旋转一个角度，重复步骤(2)至(4)，计算出 所述待测圆孔内径的第二个数值，以进一步判断待测圆孔内径的一致性。 本发明采用上述优选实施方式，主要基于以下原因
当被测圆孔R是一个绝对圆时(见图5)，孔径测量装置测量出来的直径值 是圆的真实值R,在这种情况下测量一次或测量多次其测量值是同一个值，即圓 孔R。
但是，当被测圓孔不是绝对圆时(见图6),孔径测量仪测量出来的圆的直 径是三个点确定的一个虚拟圆Rl和R2 (图6中用虚线表示)，不是工件真实的 尺寸；而工件在加工过程中，圆孔的实际尺寸都会和理论尺寸或多或少的有所 偏差，圆度方面也不可能是一个标准的圆，所以在测量过程中如果只测量一次， 那么测量值不能完全反应圆的具体形状，很可能把不合格的产品误判为合格的 产品；如果通过在圆孔的不同角度多次测量，通过比较多个测量值得出最大值 和最小值，进而判断此圆孔是否合格，这样就能更真实地反应被测圆孔的大小 及其圆度的好坏。
采用本发明孔径测量装置测量孔径，与传统的球规测量或用德国Mahr机测 量相比，在测量精度和效率方面具有明显的优越性。本发明孔径测量装置的测 量精度达到0. 001毫米以下，而德国Mahr机的测量精度在0. 002毫米以下，并 且本发明装置测得的孔径数据稳定性好，可参阅图7所示的反映数据稳定性的 波动图，图7是测量仪在对同一个产品进行重复测量32000次的稳定性情况， 其中横轴代表测量次数，纵轴代表每次测量圆孔的直径，单位是毫米(mm),图 中的曲线是测量值的联机。
以上所述的几种实施方式较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发 明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱 离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保 护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
权利要求
1.一种孔径测量装置，其特征在于，包括孔径测量机构、驱动机构、被测工件固定夹具及控制�？椋霰徊夤ぜ潭芯呱栌诳拙恫饬炕苟杂ξ恢茫糜诠潭ū徊夤ぜ凰銮褂肟拙恫饬炕沽樱糜诳刂瓶拙恫饬炕沟纳担凰隹拙恫饬炕拱ㄒ换疃饬空�、两个固定测量针、测量驱动器、位移传感器，所述测量驱动器用于驱动该活动测量针，使所述活动测量针和两个固定测量针都与待测圆孔内壁接触，所述位移传感器用于检测该活动测量针在孔径测量过程中产生的位移量；所述控制模块与所述位移传感器相连并根据所述位移量计算所述待测圆孔的内径。
2. 根据权利要求l所述的孔径测量装置，其特征在于，所述孔径测量机构 还包括滑块，该滑块分别与所述活动测量针、位移传感器连接，在该滑块上设 有所述测量驱动器。
3. 根据权利要求2所述的孔径测量装置，其特征在于，所述滑块的上方设 有导轨。
4. 根据权利要求2所述的孔径测量装置，其特征在于，所述孔径测量机构 还包括气缸，该气缸与所述滑块连接，以使所述活动测量针回归原点。
5. 根据权利要求4所述的孔径测量装置，其特征在于，所述滑块与位移传 感器、气缸的连接处分别设有緩冲器。
6. 根据权利要求l所述的孔径测量装置，其特征在于，所述活动测量针和 固定测量针的长度一致，在其自由端末端都设有圆球状的测量头。
7. 根据权利要求1所述的孔径测量装置，其特征在于，所述驱动机构包括 升降平台、升降电机、旋转电机，该旋转电机设置在该升降平台上，该升降平 台与设有所述升降电机的板连接。
8. —种孔径测量方法，其特征在于，包括如下步骤(1) 将一活动测量针、两个固定测量针伸入到待测圆孔中；(2) 驱动所述活动测量针移动，使所述活动测量针、两个固定测量针都与 待测圆孔内壁4矣触；(3 )获取活动测量针的位移量；(4 )根据所述位移量以及已知的两个固定测量针的坐标计算所述待测圆孔 的内径。
9. 根据权利要求8所述的孔径测量方法，其特征在于，所述步骤(4)之 后还包括步骤将所述活动测量针回归原位，并将该活动测量针和两个固定测量 针旋转一个角度，重复步骤(2)至(4),计算出所述待测圆孔内径的第二个数 值，以进一步判断待测圆孔内径的一致性。
10. 根据权利要求8所述的孔径测量方法，其特征在于，所述待测圆孔的 内径范围为大于等于2毫米。
全文摘要
本发明公开了一种孔径测量装置，包括孔径测量机构、驱动机构、被测工件固定夹具及控制�？椋隹拙恫饬炕拱ㄒ换疃饬空�、两个固定测量针、测量驱动器、位移传感器，所述测量驱动器用于驱动该活动测量针，使所述活动测量针和两个固定测量针都与待测圆孔内壁接触，所述位移传感器用于检测该活动测量针在孔径测量过程中产生的位移量；所述控制�？橛胨鑫灰拼衅飨嗔⒏菟鑫灰屏考扑闼龃庠部椎哪诰�。本发明还公开了一种孔径测量方法。本发明孔径测量装置及其测量方法，能精确测量产品孔径的尺寸，且有效避免批锋的产生。
文档编号G01B7/12GK101373129SQ200810216020
公开日2009年2月25日 申请日期2008年9月4日 优先权日2008年9月4日
发明者曹艳美, 陈珏然, 马云青 申请人:福群电子(深圳)有限公司
专业数控铣床产品供应商
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