小球球径差测量仪制造技术

本发明专利技术的小球球径差测量仪，是用于圆珠笔芯中球珠、微型轴承滚珠以及各种小球形有高质量要求的小球球形测量。主要由含有光学尖劈工作台的光学测量系统和列阵采数及计算机数据处理系统三部分所构成。具有测量精度高（测量精度可达０．０５微米）、速度快（每粒球珠测量时间小于５分钟）、装球简单、操作方便等优点。（*该技术在2012年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术是关于测量小球球径离散量的仪器，属于微型几何形状测量。小球(圆珠笔芯中的球珠，微型轴承中的滚珠)的外形与理想球面的偏离程度，反映了小球的外形质量，会直接影响到小球在使用时的滚动特性。对一个理想球面来说通过球面各点测得的直径应该是相等的，如果在球面上随机取足够多的采样点，测得其直径有一定的离散分布，那么这种不等径量的分布就反映了实际小球外形偏离理想球面的程度。这种不等径量往往是很小的，以圆珠笔芯中的球珠为例，小球直径约700微米。其不等径离散量为0.1～0.2微米。所以这种测量是高精度的测量，本专利技术的使用对象就是对小直径圆球的高精度球径离散度的测量。已有技术关于球径测量已有一些专利技术。例US4132001专利中采用Y形叉规尺，带有螺旋测微尺的计量器。这种计量器可用来测量圆球，圆柱或带球形外角的外形半径。其测量对象是厘米级以上的球径，测量精度为10微米量级。测量是基于螺旋测微原理。并不适用于毫米级球径的小球，不适用亚微米径差高精度测量。US3897156专利中介绍一种用列阵和一系列标记传感器来进行长度、柱体直径、宽度等位形尺寸的实时测量。他沿着待测物体运动方向以一定距离放置一系列标记传感器和一维线性列阵。当物体通过该测量系统时，由标记传感器和列阵的讯号实时测量物体的长度。在垂直运动方向的截面上也放置相互垂直的列阵探测器，以测量运动杆的直径。如果是规则形状的物体，该系统可以直接计算出截面积和体积。整个测量是在物体做定向运动的过程中进行的。该技术的测量对象也是较大工件的几何尺寸，不能用来测量小球球径离散量。本专利技术目的为小球球径离散量提供定量测量仪器，可用于圆珠笔芯中球珠、微型轴承滚珠以及各种对球形有高质量要求的小球球形测量。要求仪器测量精度既高、测量速度又快、操作又方便。本专利技术为小球径差自动测量仪器。它是由光学测量系统1、列阵采数系统3和计算机数据处理系统2所构成。具体结构是由光源4、发射光束经聚光系统5、狭缝6和反射镜7，由显微物镜8将被照明的狭缝成像到工作台9上光学尖劈中的待测小球上。同样放大倍数的显微物镜10将小球成象到CCD列阵接收器15上。CCD列阵接收器输出小球象的边缘讯号，经系数电路17放大，数模变换将数据送到计算机18进行数据处理，最后经打印机19打印出。在测量光路中有可移动反光棱镜11、当移入反光棱镜时，小球可成象到观察光路的小球成象位置13上，通过目镜12进行观察。如图1所示。光学测量系统中主要部件是测量工作台9中的光学尖劈。光学尖劈是由两块光学平板20组成。二平板有夹角θ，此夹角θ过大则放大倍数降低，θ过小球珠位移量变大，受到物镜视场范围限制，θ的选择可根据所测小球的精度要求和光学系统的视场而定。尖劈的窄端间隔略小于待测小球的直径D。尖劈的另一端间隔大于直径D。如图2所示。将待测小球21放入尖劈中，接触点是(A，B)二点，接触点到底部距离为h′，由于尖劈的夹角θ很小，h′处的弦长S和经过球心直径D的差值P也很小。由几何分析，P＝ (D)/2 θ2，以θ＝10-3计，P≈10-6毫米量级。多次测量时其球径差和接触点的弦差之间差别更小。因此把弦长S近似等同于小球的直径并不影响测量精度。测量时，以小球的上、下边缘位置来求出小球中心高度h，光学尖劈夹角为θ，小球直径为D，尖劈的下底宽为d，则D＝d+h×θ(1)每次测量后，由动珠机构14推动小球运动，再自由滚动落下。改变小球的方位状态。反复测量小球的中心高度h。如果小球球径在不同方位状态下不相同，那么小球的中心高度也不相同。通过尖劈就将对小球球径变化的测量变为对小球的中心高度变化的测量。△h＝△D/θ(2)这里1/θ就是球径差的放大倍数M1M1＝1/θ(3)如果θ＝10-3弧度，那么球径差放大倍数就为1000。在透射照明的情况下，通过低倍放大物镜10将小球成像到一维CCD列阵上。由列阵扫描的输出讯号读出小球上、下边缘的位置，由此求出小球的中心位置。设计物镜系统的放大倍数M2＝4，那么总的球径差放大倍数M＝M1×M2＝4000倍。在光学尖劈的二块平板之间，夹有梳状栅格称为梳栅22，梳栅的栅缝23宽略大于被测量的小球21直径，梳栅栅缝沿着光学尖劈的夹角θ方向。梳栅的作用是限制球珠的运动范围，使球珠在测量过程中不致运动到物镜范围之外。多条梳栅还可用来多道测量。每条梳栅缝中装一粒待测球珠。如图3所示。列阵每次采数后由动珠针推动小珠在梳缝中向上运动，再自由滚落。通过小球的随机滚动，小球和尖劈平板的接触点也随机改变。每粒球珠测量n次，将n次小球中心位置的数据送到计算机进行数据处理。其中心高度的离散量可计算出球珠球径的离散量。 (4)式中M＝M1×M2，n-测量总次数，i-为每次测量数，测完一粒球珠。工作平台平移到第二条栅缝，测量第二粒球粒，这样一次装珠可以进行多珠测量。光学尖劈前光源可采用反射照明，这样可以将小球的球心像直接成象到列阵上进行中心高度读数。只要小球表面光洁度足够高，反射照明也是一种可取方式。采数系统可采用CCD列阵、PCD列阵、二极管列阵或摄象管。本专利技术优点①可进行小球珠球径离散量自动测量，计算机处理数据，直接打印结果。②测量精度高，本专利技术测量精度可达0.05微米。③测量速度快，采用多道测量，每粒球珠测量时间小于5分钟。④装珠简单，操作方便，不需要专门装珠对准技术。 附图说明图1.小球球径差测量仪结构示意图。图2是光学尖劈。图3测量状态的小球位置。每粒小球被梳栅分隔。最佳实施例如图1、2、3所示，用于测量0.7毫米球径的球珠。光学尖劈长30毫米，高20毫米，尖劈角θ为1毫弧度，窄端间隔0.689毫米，光学平板厚度3毫米，平度N～λ/10。梳栅栅缝宽0.9～1毫米，栅缝10条，CCD列阵采用1024单元线列阵，每单元宽度14微米。光学放大系统中物镜放大倍数为4倍。权利要求1.一种测量微型几何形状的小球球径差测量仪，含有列阵采数和计算机数据处理，其特征在于由含有光学尖劈工作台9的光学测量系统、列阵采数系统3及计算机数据处理系统2三部分所构成。2.根据权利要求1所述的一种小球球径差测量仪，其特征在于置于工作台9中的光学尖劈是由二块之间有夹角θ的光学平板20所构成、带有动珠机构14，两光学平板之间还夹有梳栅22。3.根据权利要求1、2所述的一种小球球径差测量仪，其特征在于夹在光学尖劈中梳栅的栅缝宽略大于被测量的小球直径，梳栅的栅缝沿着光学尖劈的夹角θ的方向。全文摘要本专利技术的小球球径差测量仪，是用于圆珠笔芯中球珠、微型轴承滚珠以及各种小球形有高质量要求的小球球形测量。主要由含有光学尖劈工作台的光学测量系统和列阵采数及计算机数据处理系统三部分所构成。具有测量精度高(测量精度可达0.05微米)、速度快(每粒球珠测量时间小于5分钟)、装球简单、操作方便等优点。文档编号G01B11/08GK1078551SQ92108418公开日1993年11月17日 申请日期1992年5月15日 优先权日1992年5月15日专利技术者沃敏政, 邹海兴 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量微型几何形状的小球球径差测量仪，含有列阵采数和计算机数据处理，其特征在于由含有光学尖劈工作台９的光学测量系统、列阵采数系统３及计算机数据处理系统２三部分所构成。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：沃敏政，邹海兴，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]