低热膨胀石英量棒、其标定方法及其应用技术

低热膨胀石英量棒、其标定方法及其应用，其特征是石英量棒的结构形式为设置低热膨胀系数的石英棒为主体，两端套装金属套筒，两端金属套筒的端面上各有一锥窝，两个端面上的锥窝其锥角和深度相同，两端锥窝中心线重合。本发明专利技术受温度影响很小、使用时所需采点数目少，能有效降低测量温度误差、加工精度和数据拟合误差对量块的工作长度的影响，尤其适用于关节式坐标测量机参数标定。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于关节式坐标测量机
，具体地说是用于关节式坐标测量机标定用的低热膨胀量块。
技术介绍
关节式坐标测量机通常由各测量臂串联各旋转关节和线位移关节形成开链结构， 开链结构的末端为测量机的测头，如全关节坐标测量机和平行关节臂坐标测量机等。有的 关节可以绕其自身轴线转动，有的关节可以沿其自身轴线平移。为记录关节转动量或线位 移量，各相对运动的关节都装有角度传感器或位移传感器，在使用测量机进行坐标测量时， 测量机测头坐标是以测量机结构参数与其各关节角度、位移等为变量的函数。未标定的关 节式坐标测量机测头位置误差往往很大，不能满足使用要求，为保证测量机整体精度，需要 对测量机各项参数进行标定进而补偿各项主要误差。标定过程是用被标定测量机与高精度 测量仪器或标准件比对的过程，从而可以获得测量机更精确的几何参数。 —种标定方法是用待标定关节式测量机测量较高精度的量块，用量块工作长度为 标准量来与测量机的测量结果进行比对。同时改变量块在测量空间的位置、姿态，以获得 关节式测量机在不同姿态时的测量误差，通过对这些数据的计算来获得测量机各项几何参 数。 量块是由两个相互平行的测量面之间的距离来确定其工作长度的高精度量具，其工作长度为计量器具的长度标准。通过对计量仪器、量具和量规等示值误差的检定等方式，使机械加工中各种制成品的尺寸能够溯源到长度基准。量块一般用铬锰钢等特殊合金钢或线膨胀系数小、性质稳定、耐磨以及不易变形的其它材料制成，市场上的量块大多用合金钢或是陶瓷材料。使用量块对关节式坐标测量机进行参数标定的方法是可行的，但目前使用的量块有很多缺陷 1、热变形误差较大 —般使用的量块多为钢合金量块，钢量块的温度线膨胀系数按照国家标准的数值 即 =(11.5±1)X10—7°C。按膨胀计算公式，AL二 [ X(ts-20)]Xl，ts为量块在测量 时的测量温度(°C ) ， 1为被测量块的标称长度(m)。根据公式，标称长度500mm，膨胀系数 12X10—7的量块，在温度变化rC的情况下，AL = 6um。这样，在非恒温环境下，量块使 用环境3 5t:的变化，就会给测量带来20um 30um的系统误差，严重影响量块的使用精 度。所以，在使用量块做标准器件来传递比对，长度大的量块受温度影响很大。所以，在使 用长量块为柔性关节式坐标测量机做大量程的参数标定时，量块的温度变形就会是测量误 差中的一个重要因素，直接影响了标定数据的准确性。 2、工作面加工精度要求高 量块具有两个互相平行的工作面，以工作面之间的距离来确定其工作长度。两个 工作面的平面度和平行度精度会直接影响到量块的精度，高等级量块对加工的要求很高， 从而导致高精度量块价格也比较高。 3 、量块使用时，会带来拟合误差 在使用量块标定测量系统(三坐标测量机、关节式坐标测量机等)时，一般的使用 方法是先以量块的其中一个工作面做参考面，在上面取至少三个点形成平面，然后再在量 块的另一工作面取一点，以此点到拟合面的距离为量块的工作长度，这种测量方法，需要测 至少4个点。如在参考面上采点超过三点，则采用最小二乘拟合等方法拟合出被测量面，再 来计算出测量长度。量块两工作面的平行度和平面度，采样点采点的数量和位置，还有用于 拟合平面的数学方式，都会对得出的量块工作长度有较大影响。
技术实现思路
本专利技术是为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种受温度影响很小、使用时所需采点数目少，能有效降低测量温度误差、加工精度和数据拟合误差对量块的工 作长度的影响的低热膨胀石英量棒及其标定方法，以适用于关节式坐标测量机参数标定。 本专利技术解决技术问题采用如下的技术方案 本专利技术低热膨胀石英量棒的结构特点是所述石英量棒的结构形式为设置低热膨 胀系数的石英棒为主体，两端套装金属套筒，所述两端金属套筒的端面上各有一锥窝，所述 两个端面上的锥窝其锥角和深度相同，两端锥窝中心线重合。 本专利技术低热膨胀石英量棒的结构特点也在于设置所述锥窝的锥角e为90° 120° 。 本专利技术低热膨胀石英量棒的标定方法的特点是采用半径为R的两只标准球，将所述标准球分别置于两个端面上的锥窝中，使球面与锥窝面相切，用测长仪标定两标准球之间的球心距，所标定的球心距即为所述石英量棒在测球半径为R下的工作长度； 本专利技术低热膨胀石英量棒的使用方法的特点是以石英棒为量块主体，以两端锥窝为工作面，工作长度为卡在两个端面上的锥窝中的标定用球的球心距。 与现有技术相比，本专利技术有益效果体现在 1、本专利技术所采用的石英量棒受温度变化影响较小 石英具有耐高温性强及热膨胀系数低的特点，其密度(Density)为2. 2X103kg/ m3，热膨胀系数(Coefficient of expansion)在25 300°C时，膨胀系数为0. 56X10—6,C， 本专利技术使用石英棒做量块，会使得量块受温度影响而带来得测量误差很小。例如长度为 500mm，膨胀系数为0. 6 X 10—6/°C的石英棒，在温度变化rC的情况下，形变A L = 0. 3um。石 英材料的低膨胀系数使石英量棒的工作长度受温度影响很小，具有比钢合金量块热稳定性 好的特性。 2、本专利技术中石英量棒加工要求较低 本专利技术量棒中的石英棒不需要加工，其两端的金属套筒在加工时只要求锥窝的圆 锥面圆锥度较好即可，对圆锥面的锥角误差和粘合两锥窝的两中心线夹角误差都要求不 高，用较高精度仪器对整个石英量棒标定后便可使用。 3、本专利技术使用时所需采点数少，无拟合误差 在使用传统量块标定测量机时，需要采至少4点，工作面的平面度误差还会带来 数据的拟合误差。而使用这种端部带有锥窝的石英量棒时，只需采两点，无需数据拟合过 程。附图说明 图1为本专利技术石英量棒剖面图。 图2为本专利技术石英量棒装夹在三自由度夹具架上以便标定关节式坐标测量机的 示意图。 图3为无结构误差的石英量棒标定补偿示意图。 图4为存在结构误差的石英量棒标定补偿示意图。 图中标号1为待标定测量机测头，2为锥窝，3为金属套筒，4为低热膨胀胶层，5 为石英棒，6为石英棒夹具架。 以下是通过具体实施方式，结合附图对本专利技术做进一步说明。 具体实施例方式参见图1 、图2，设置低热膨胀系数的石英棒5为主体，两端套装金属套筒3，两端金 属套筒的端面各有一锥窝2，两端面上的锥窝2其锥角和深度相同，两端锥窝中心线重合。 具体实施中，锥窝的锥角9设置为90° 120° 。 锥窝2是用于定位关节式坐标测量机的待标定测量机测头l，表面需仔细研磨加 工，使其圆锥度较好。 金属套筒3和石英棒5之间采用胶结合方式，选用热膨胀系数低、热稳定性好的粘 胶形成低热膨胀胶层4，实现粘合固定。在粘合金属套筒3时，以其中一个套筒端面为基准， 尽可能地调整使两锥窝中心线重合。 本实施例中，低热膨胀石英量棒的标定方法是采用半径为R的两标准球，将标准 球分别置于两端锥窝中，使球面与锥窝面相切。使用较高精度的测长仪对两球球心距进行 检定，多次测量求均值后，记录下两标定钢球的球心距，所标定的球心距即为石英量棒在测 球半径为R的之下的工作长度。 在标定石英量棒时，如果标定用钢球与实际测头直径有一定差值，按公式(1)补 偿石英棒标定差值后便可得到实际测头中心距。 本实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
低热膨胀石英量棒，其特征是所述石英量棒的结构形式为：设置低热膨胀系数的石英棒（５）为主体，两端套装金属套筒（３），所述两端金属套筒（３）的端面上各有一锥窝（２），所述两个端面上的锥窝（２）其锥角和深度相同，两端锥窝中心线重合。

【技术特征摘要】
低热膨胀石英量棒，其特征是所述石英量棒的结构形式为设置低热膨胀系数的石英棒(5)为主体，两端套装金属套筒(3)，所述两端金属套筒(3)的端面上各有一锥窝(2)，所述两个端面上的锥窝(2)其锥角和深度相同，两端锥窝中心线重合。2. 根据权利要求l所述的低热膨胀石英量棒，其特征是设置所述锥窝的锥角9为90° 120° 。3. —种权利要求1所述低热膨胀石英量棒的标定方...

【专利技术属性】
技术研发人员：费业泰，王晨晨，程文涛，杨睿嫦，尚平，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]