專利名稱：旋轉型球徑測量儀及其測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種測量儀器，尤其是一種球形元件曲率半徑測量的旋轉型球徑測量儀及其測量方法。
背景技術：
高精度球形元件在精密機械和航天工業(yè)中的應用越來越廣泛，在光學生產的加工制造過程中也大量需要對具有球形元件形狀的透鏡的曲率半徑進行測量的情況，因此，球形元件的曲率半徑測量是測試領域的重要課題之一。一般在對光學球形元件進行測量時，利用光學的測試方法雖然精度較高，但只能測量對光具有反射或折射性質的球形元件，而對不具備光學性質的球形元件不能進行測量。對不是光學元件的球形元件曲率半徑的測量普遍采用金屬樣板，簡易球徑測微器或環(huán)形球徑儀。對不同曲率半徑的球形元件，通常需配套制作金屬樣板，并只能固定使用，不可連續(xù)測量。環(huán)形球徑儀也只能夠進行簡單的測量，它的測量方法主要為“弓高弦長”法，它的測量原理主要是先由長度測微器測量出矢高，然后再根據公式算出球形元件的曲率半徑。然而對這種測量儀器進行精度分析可知，測量精度是隨著測環(huán)的半徑變化的，也隨著待測球形元件的曲率半徑發(fā)生變化的。目前解決這一矛盾的方法是準備多套不同半徑的測環(huán)，針對不同的待測球形元件曲率半徑和不同的測量精度使用不同的半徑的測環(huán)，由于首先必須粗估待測球形元件曲率半徑，然后做出判斷，選用合適的測環(huán)，再進行細測，而且在測量不同的待測球形元件曲率半徑時，須選用不同半徑的測環(huán)，這樣在儀器使用過程中就不可避免地裝卸和更換不同半徑的測環(huán)，從而引進了很多的隨機誤差和人為誤差，大大降低了測量精度。并且不同半徑的測環(huán)數目有限，并且只有幾套固定半徑的測環(huán)，因此測量待測球形元件時，不可能所有的待測球形元件的測量精度都能達到所標稱的最高精度。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了克服上述現有技術的不足，提供一種旋轉型球徑測量儀及其測量方法，其結構應簡單緊湊，可以即時顯示待測球形元件的曲率半徑和精度。它可以對精度進行分析和判斷，然后自動調節(jié)旋轉角度到達所需的位置再進行測量，還可以對同一球形元件進行多次測量，以使其達到高的測量精度。另外，由于不涉及測環(huán)零部件的裝卸和更換，所以大大減小了隨機誤差和人為誤差所帶來的影響。
本發(fā)明的技術解決方案如下一種旋轉型球徑測量儀，由微機、驅動器、步進電機、旋轉臂、長度測微器、工作平臺、支撐工作平臺的底座和三根等高的支撐桿組成，所述的工作平臺上位于一等邊三角形的角頂位置垂直地設置所述的三根等高的支撐桿，所述的步進電機固定在所述的底座上，該步進電機通過聯軸器和位于所述的工作平臺之上的旋轉臂一端的轉軸連接，另一端固定所述的長度測微器的測量桿，該測量桿垂直于工作平臺，所述的長度測微器的測量桿與所述的旋轉臂一端轉軸的距離等于所述的三根支撐桿所構成的等邊三角形的中心到所述的旋轉臂轉軸的距離；所述的微機的一條線路連接驅動器，該驅動器接所述的步進電機；另一條線路連接長度測微器，控制長度測微器測量桿的運動和接收長度測微器的測量桿測量的矢高數據并進行數據處理。
利用上述旋轉型球徑測量儀測量球形元件曲率半徑的方法，包括如下步驟1、啟動打開電源，微機自動地使步進電機的步數初值為零，即旋轉臂一端上的測量桿的中心與以工作平臺上三根支撐桿所構成的正三角形的中心重合，長度測微器的探頭處于縮回狀態(tài)；2、將待測球形元件輕放到所述的支撐桿上，校零將待測球形元件輕放到所述的三根支撐桿上，使待測球形元件的表面與三根支撐桿同時接觸，儀器開始工作后，微機令長度測微器的測量桿伸出，并使所述的探頭輕輕接觸到待測球形元件的表面，并將此時長度測微器的讀數自動設為初始零值，然后縮回探頭，完成校零過程；3、第一個矢高測量微機自動通過驅動器驅動步進電機旋轉一定的步數，使旋轉臂旋轉到一定的角度位置，然后令長度測微器的測量桿伸出，使探頭接觸待測球形元件的表面，這時長度測微器就得到了第一個矢高數值，然后縮回測量桿；4、數據處理微機利用曲率半徑的計算公式和精度計算公式并根據測得的第一個矢高數值計算出待測球形元件曲率半徑的初始值和此時的實際測量精度，此時微機自動把此時的測量精度與要求的精度進行比較，如果此時的實際測量精度比所要求的精度高，本儀器就不需進行第二次測量；所述的曲率半徑的計算公式R=r2h(1-cosθ)+h2±ρ...(1)]]>式中R為待測球形元件的曲率半徑；h為由長度測微器測得的矢高數值；r為旋轉臂的長度；θ為旋轉臂的轉角；ρ為支撐桿的頂端小球的半徑；說明對于一個凹形的球形元件，使用小球的正值(+ρ)，對于一個凸形的球形元件使用小球的負值(-ρ)，精度計算公式ΔR=±[12-r2h2(1-cosθ)]2Δh2+[2rh(1-cosθ)]2Δr2+(r2hsinθ)2Δθ2+Δρ2...(2)]]>式中ΔR為待測球形元件曲率半徑的測量精度；Δh為長度測微器的已知的測量矢高精度；Δr為旋轉臂的已知的長度制造精度；Δθ為旋轉臂的已知的旋轉精度；
Δρ為支撐桿的頂端小球半徑的制造精度；5、第二次矢高測量并進行數據處理如果此時的實際測量精度比所要求的精度低，微機就自動進行第二次矢高測量，此時微機動根據公式和公式反推出旋轉臂所需要旋轉的角度θ，然后根據旋轉臂所需要旋轉的角度換算出步進電機所需走的步數，微機指令驅動器控制步進電機走到所需要的步數，再自動伸出測量桿，使探頭接觸待到測球形元件的表面，微機從長度測微器獲得第二個矢高數值，經數據處理得到相應精度的待測的球形元件的曲率半徑數值；6、如果此時的實際測量精度仍比所要求的精度低，則重復第5步；7、最后微機將測得的球形元件的曲率半徑數值和測量精度自動顯示在顯示屏上。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明儀器的結構簡單緊湊，外形尺寸小，可連續(xù)測量，測量精度高，并且全部測量過程為自動測量過程。
2、測量時可以通過多次改變旋轉臂角度尺寸來提高測量精度，而且可以根據測量精度的需要來確定旋轉臂的角度，還可以即時顯示待測球形元件的曲率半徑尺寸，并給出實際的測量精度數值。
3、測量時無須更換和裝卸零部件，使用方便，大大減小了裝卸過程所帶來的隨機誤差和人為誤差的影響。
4、該旋轉型球徑測量儀不需要在每次測量時先用標準平晶來進行零位校準。


圖1為本發(fā)明旋轉型球徑測量儀的結構示意圖。
圖2為本發(fā)明的機械裝置主視圖。
圖3為本發(fā)明的機械裝置俯視圖。
圖4為本發(fā)明的機械裝置右視圖。
圖5為本發(fā)明的機械裝置左視圖。
圖6為本發(fā)明的長度測微器的主視圖。
圖7為本發(fā)明的長度測微器的俯視圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。
首先參閱圖1，圖1為本發(fā)明旋轉型球徑測量儀的結構示意圖。由圖可見，本發(fā)明旋轉型球徑測量儀由長度測微器5、步進電機3、驅動器2、微機1、旋轉臂4、工作平臺8、底座7-1、7-2和支撐桿6-1、6-2、6-3組成。
微機1有兩條線路連接一條連接步進電機3的驅動器2，以便給驅動器2輸出脈沖信號，再由驅動器2通過數據線輸出步進電機3的轉動控制信號；另一條連接長度測微器5，以便接收長度測微器5的測量信號，再由微機1根據公式程序計算出待測球面的曲率半徑和精度。
由于微機1、驅動器2和步進電機3是以數據線連接，所以微機1可以通過驅動器2來控制步進電機3的步數、方向和速度。也由于微機1和長度測微器5是以數據線相連接，因此，微機1也控制著長度測微器5的測量桿的運動和接受長度測微器5的測量數據。
機械主體部分主要有旋轉臂4、工作平臺8、底座7-1、7-2和三根支撐桿6-1、6-2、6-3組成。參閱圖2、圖3、圖4和圖5，步進電機3固定在底座7-1上，步進電機3通過聯軸器9和旋轉臂4連接，這樣，步進電機3就可把傳動傳遞給旋轉臂4，由于旋轉臂4旋轉時所走的路線經過三個支撐桿6-1、6-2、6-3所構成的等邊三角形的中心，因此，旋轉臂4的旋轉相當于測環(huán)半徑的變化，旋轉臂4旋轉的角度可以通過簡單的公式換算成測環(huán)半徑的尺寸數值，再由長度測微器5測量所得的矢高數值，就可以根據“弓高弦長法”原理公式計算出待測球形元件的曲率半徑數值，曲率半徑的計算公式為R=r2h(1-cosθ)+h2±ρ...(1)]]>式中R為待測球形元件的曲率半徑；h為由長度測微器5測得的矢高數值；r為旋轉臂4的長度；
θ為旋轉臂4的轉角；ρ為支撐桿6的頂端小球的半徑。
說明對于一個凹形的球形元件，使用小球的正值(+ρ)，對于一個凸形的球形元件使用小球的負值(-ρ)。
由曲率半徑的計算公式(1)可推導出精度計算公式ΔR=±(∂R∂h)2Δh2+(∂R∂r)2Δr2+(∂R∂θ)2Δθ2+(∂R∂ρ)2Δρ2]]>即ΔR=±[12-r2h2(1-cosθ)]2Δh2+[2rh(1-cosθ)]2Δr2+(r2hsinθ)2Δθ2+Δρ2...(2)]]>式中ΔR為待測球形元件曲率半徑的測量精度；Δh為長度測微器5的已知的測量矢高精度；Δr為旋轉臂4的已知的長度制造精度；Δθ為旋轉臂4的已知的旋轉精度；Δρ為支撐桿6的頂端小球半徑的制造精度。
因為旋轉臂4的長度r，長度測微器5的測量矢高精度Δh，旋轉臂4的長度的制造精度Δr，旋轉臂4的旋轉精度Δθ，支撐桿6的頂端小球的半徑制造精度Δρ為已知數，所以待測球形元件曲率半徑的測量精度ΔR只與矢高h，旋轉臂4的轉角θ參數有關。
因此，微機1可由測得的第一個矢高值根據公式(2)計算出此時的測量精度，如果此時的測量精度比所要求的精度高，則不需要進行第二次測量，如果此時的測量精度比所要求的精度低，則須進行第二次測量，這時可根據公式(1)和公式(2)反推出所需達到精度要求的旋轉臂4的旋轉角度θ的數值。
然后由微機1根據旋轉臂4所需的旋轉角度數值θ，通過步進電機3的驅動器2來控制步進電機3轉動，從而帶動旋轉臂4轉動，當旋轉臂4轉到所需的旋轉角度θ后，再由長度測微器5測量出第二個矢高值，最后由微機1根據第二個矢高值計算出所能達到精度要求的球形元件的曲率半徑。
參閱圖6、圖7，本發(fā)明的長度測微器5為德國HEIDENHAIN公司的增量式長度計，選用HEIDENHAIN-METRO系列長度計中的MT2500，它由探頭5-1、測量桿5-2、本體5-3組成。探頭5-1相對于測量桿5-2和本體5-3可以移動，長度測微器5就是通過探頭5-1的移動來精確測量長度位移的。參閱圖2，在本發(fā)明的機械結構中，長度測微器5的測量桿5-2穿過旋轉臂4的一端的孔，并且固定在旋轉臂4上，在旋轉臂4旋轉的過程中，長度測微器5隨著旋轉臂4一起旋轉，在旋轉臂4到達所需的角度位置后，再由長度測微器5來測量待測球形元件的矢高數值。
本發(fā)明儀器的使用方法包括如下步驟1、啟動；在使用本發(fā)明旋轉型球徑測量儀前，必須使本儀器處于初始狀態(tài)，啟動本儀器后，微機1自動地使步進電機3的步數初值為零，即旋轉臂4一端上的長度測微器5的測量桿5-2的中心與以工作平臺8上三個支撐桿6-1、6-2、6-3所構成的正三角形的中心重合，并且使長度測微器5的探頭5-1的初始狀態(tài)為縮回狀態(tài)。
2、將待測球形元件輕放到工作平臺8上的支撐桿6-1、6-2、6-3上，校零；測量時，把待測球形元件輕放到工作平臺8上的支撐桿6-1、6-2、6-3上，使待測球形元件的表面與三個支撐桿6-1、6-2、6-3同時接觸，這時，本儀器開始工作后，微機1令長度測微器5的測量桿5-2伸出，并使長度測微器5的探頭5-1輕輕接觸到待測球形元件的表面，并將此時長度測微器5的讀數自動設為初始值零，然后把長度測微器5的探頭5-1縮回，以免旋轉臂4在旋轉過程中長度測微器5的探頭5-1與待測球形元件的表面發(fā)生碰撞，這樣本發(fā)明儀器就自動完成了校零過程。
3、第一個矢高數值測量然后微機1自動通過驅動器2驅動步進電機3旋轉一定的步數，也就是使旋轉臂4旋轉到一定的角度位置。然后微機1再令長度測微器5的測量桿5-1伸出，使長度測微器5的探頭5-1接觸待測球形元件的表面，這時長度測微器5就得到了第一個矢高數值，然后把長度測微器5的測量桿5-2縮回到原來的狀態(tài)。
4、數據處理這時微機1就會自動根據測得的第一個矢高數值計算出待測球形元件曲率半徑的初始值和此時的實際測量精度，此時微機1會自動把此時的測量精度與要求的精度進行比較，如果此時的實際測量精度比所要求的精度高，本儀器就不需進行第二次測量；5、第二次矢高測量并進行數據處理如果此時的實際測量精度比所要求的精度低，本儀器就會自動進行第二次測量，此時微機1會自動根據公式1和公式2反推出旋轉臂4所需要旋轉的角度，然后根據旋轉臂4所需要旋轉的角度換算出步進電機3所需走的步數。再由微機1自動通過驅動器2控制步進電機3走到所需要的步數，也即旋轉臂4旋轉到所需的角度位置。微機1會自動再使長度測微器5的測量桿5-2伸出，使長度測微器5的探頭5-1接觸待到測球形元件的表面，這時長度測微器5就得到了第二個矢高數值，這樣由第二個矢高數值就可得到所能達到精度要求的待測球形元件的曲率半徑數值。
6、如果此時的實際測量精度仍比所要求的精度低，則重復第5步；7、最后在微機1顯示屏上自動顯示待測球形元件的曲率半徑數值和此時的測量精度。
本發(fā)明裝置的外形尺寸小，結構簡單緊湊，全部測量過程為自動測量過程。而且可以根據測量精度的要求來測量待測球形元件的曲率半徑的尺寸。另外，對同一個球形元件也可以進行變參量的多次測量，這樣就減小了測量過程中隨機誤差和人為誤差對測量精度的影響。
權利要求
1.一種旋轉型球徑測量儀，其特征在于它由微機(1)、驅動器(2)、步進電機(3)、旋轉臂(4)、長度測微器(5)、工作平臺(8)、支撐工作平臺(8)的底座(7-1、7-2)和三根等高的支撐桿(6-1、6-2、6-3)組成，所述的工作平臺(8)上一等邊三角形的角頂位置垂直地設置所述的三根等高的支撐桿(6-1、6-2、6-3)，所述的步進電機(3)固定在所述的底座(7-1)上，該步進電機(3)通過聯軸器(9)和位于所述的工作平臺(8)之上的旋轉臂(4)一端的轉軸連接，另一端固定所述的長度測微器(5)的測量桿，該測量桿垂直于工作平臺(8)，該旋轉臂(4)在所述的步進電機(3)的驅動下繞其轉軸在所述的工作平臺(8)的平行平面內轉動時，所述的長度測微器(5)的測量桿與所述的旋轉臂(4)一端轉軸的距離等于所述的三根支撐桿(6-1、6-2、6-3)所構成的等邊三角形的中心到所述的旋轉臂(4)轉軸的距離；所述的微機(1)的一條線路連接驅動器(2)，該驅動器(2)接所述的步進電機(3)；另一條線路連接長度測微器(5)，控制長度測微器(5)測量桿的運動和接收長度測微器(5)測量桿測量的矢高數據并進行數據處理。
2.利用權利要求1所述的旋轉型球徑測量儀測量球形元件曲率半徑的方法，其特征在于包括如下步驟(1)、啟動打開電源后，微機(1)自動地使步進電機(3)的步數初值為零，即旋轉臂(4)一端上的長度測微器(5)的測量桿(5-2)的中心與以工作平臺(8)上三根支撐桿(6-1、6-2、6-3)所構成的正三角形的中心重合，長度測微器(5)的探頭(5-1)處于縮回狀態(tài)；(2)、將待測球形元件輕放到所述的支撐桿(6-1、6-2、6-3)上，校零將待測球形元件輕放到所述的三根支撐桿(6-1、6-2、6-3)上，使待測球形元件的表面與三根支撐桿同時接觸，儀器開始工作后，微機(1)令長度測微器(5)的測量桿(5-2)伸出，并使所述的探頭(5-1)輕輕接觸到待測球形元件的表面，并將此時長度測微器(5)的讀數自動設為初始零值，然后縮回探頭(5-1)，完成校零過程；(3)、第一個矢高測量然后微機(1)自動通過驅動器(2)驅動步進電機(3)旋轉一定的步數，使旋轉臂(4)旋轉到一定的角度位置，然后令長度測微器(5)的測量桿(5-1)伸出，使探頭(5-1)接觸待測球形元件的表面，這時長度測微器(5)就得到了第一個矢高數值，然后縮回測量桿(5-2)；(4)、數據處理微機(1)利用曲率半徑的計算公式和精度計算公式并根據測得的第一個矢高數值計算出待測球形元件曲率半徑的初始值和此時的實際測量精度，此時微機(1)會自動把此時的測量精度與要求的精度進行比較，如果此時的實際測量精度比所要求的精度高，本儀器就不需進行第二次測量；所述的曲率半徑的計算公式R=r2h(1-cosθ)+h2±ρ---(1)]]>式中R為待測球形元件的曲率半徑；h為由長度測微器(5)測得的矢高數值；r為旋轉臂(4)的長度；θ為旋轉臂(4)的轉角；ρ為支撐桿(6)的頂端小球的半徑；對于一個凹形的球形元件，使用小球的正值(+ρ)，對于一個凸形的球形元件使用小球的負值(-ρ)，精度計算公式ΔR=±[12-r2r2(1-cosθ)]2Δh2+[2rh(1-cosθ)]2Δr2+(r2hsinθ)2Δθ2+Δρ2---(2)]]>式中ΔR為待測球形元件曲率半徑的測量精度；Δh為長度測微器(5)的已知的測量矢高精度；Δr為旋轉臂(4)的已知的長度制造精度；Δθ為旋轉臂(4)的已知的旋轉精度；Δρ為支撐桿(6-1、6-2、6-3)的頂端小球半徑的制造精度；(5)、第二次矢高測量并進行數據處理如果此時的實際測量精度比所要求的精度低，微機(1)就自動進行第二次矢高測量，此時微機(1)自動根據公式(1)和公式(2)反推出旋轉臂(4)所需要旋轉的角度θ，然后根據旋轉臂(4)所需要旋轉的角度換算出步進電機(3)所需走的步數，微機(1)指令驅動器(2)控制步進電機(3)走到所需要的步數，再自動伸出測量桿(5-2)，使探頭(5-1)接觸待到測球形元件的表面，微機(1)從長度測微器(5)獲得第二個矢高數值，經數據處理得到相應精度的待測的球形元件的曲率半徑數值；(6)、如果此時的實際測量精度仍比所要求的精度低，則重復第5步；(7)、最后微機(1)將測得的球形元件的曲率半徑數值和測量精度自動顯示在顯示屏上。
全文摘要
一種旋轉型球徑測量儀及其測量方法，該旋轉型球徑測量儀的工作平臺上位于一正三角形的角頂位置垂直地設置三根等高的支撐桿，一步進電機固定在底座上，該步進電機通過聯軸器和位于所述的工作平臺之上的旋轉臂一端的轉軸連接，另一端固定所述的長度測微器的測量桿，該測量桿垂直于工作平臺，所述的長度測微器的測量桿與所述的旋轉臂一端轉軸的距離等于所述的三根支撐桿所構成的等邊三角形的中心到所述的旋轉臂轉軸的距離；一微機的一條線路連接一驅動器，該驅動器接所述的步進電機；另一條線路連接長度測微器，控制長度測微器測量桿的運動和接收長度測微器的測量桿測量的矢高數據并進行數據處理。
文檔編號G01B5/20GK1916565SQ20061003096
公開日2007年2月21日 申請日期2006年9月8日 優(yōu)先權日2006年9月8日
發(fā)明者楊中國, 朱健強 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所