三維高精度多功能熱變形實驗裝置的製作方法

2023-11-04 05:57:57 3

專利名稱：三維高精度多功能熱變形實驗裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及機械光電式精密測試技術，特別是一種用於進行精密機械零件熱變形測量、研究機械零件熱變形理論的測量裝置。
背景技術：
人們很早就注意到熱誤差對機械精度、測量精度的影響，並且從各個角度進行了大量的研究。根據特定研究目的提出的測量方法，以及設計的測量裝置不下幾十種。目前，主要的測量方法有頂杆法、光槓桿法、光幹涉法等，典型的測量儀器有幹涉儀、光槓桿儀、旋轉鏡儀、張絲目鏡顯微鏡等。但現有的這些測量儀器大都僅適用於測量小尺寸、特定的細杆類形體，一般只能測定與國家標準中材料線膨脹係數測定規程中的標準試樣的相類似的形體，即試樣長度在50mm～120mm之間、直徑約在3mm～5mm之間的細長形體。
用它們直接來測量機械零件的熱變形存在以下幾個方面的問題現有熱膨脹測量裝置限制了被測對象的形狀與尺寸大小；測量的方向單一，調節調整困難；測量的溫度範圍過寬，不能實現高精度；很少有兩維，國內尚無能實現三維測量的專用實驗裝置，普遍不適於直接對機械零件的熱膨脹進行測量，尤其不適於對複雜幾何形體的機械零件進行測量。

發明內容
本實用新型是為避免上述已有技術存在的不足之處，提供一種三維高精度多功能熱變形實驗裝置，用於測量複雜形體的機械零件的熱變形。
本實用新型解決技術問題所採用的技術方案是本實用新型裝置由測、控溫系統、支持與調整系統、微變形測量系統和瞄準定位系統組成。
本實用新型裝置的結構特點是a、在所述測、控溫系統中設置恆溫恆溼箱及測溫電路；b、所述支持與調整系統為設置在恆溫恆溼箱中二維工作檯，所述二維工作檯由固定底板、中間層Z向調整臺和頂層Y向調整臺構成，其中，所述固定底板由獨立於恆溫恆溼箱的支承杆支承；c、在所述微變形測量系統中採用雙頻雷射幹涉儀，其分光鏡固定在微動工作檯底板上，靶鏡固定在X向工作檯上，所述X向工作檯以滾動導軌副導向，並以千分螺紋副為驅動；d、所述瞄準定位系統由電感測微儀、測杆座、測杆和電感測頭組成，測杆一端與電感測頭固定，另一端貫穿恆溫恆溼箱的側壁，並通過測杆座與X向工作檯固聯。
本實用新型是一種光電機械式測量裝置。以測、控溫系統給被測試樣提供穩定的溫度場，並準確測出被測件溫度；支持與調整系統用於支承被測試樣，並帶動試樣在溫度箱內實現二維運動；微變形與測量系統用於測量受溫前後試樣的形體尺寸；瞄準定位系統則是為微變形運動系統提供準確定位，是測量系統中的第三維。測量時，將試樣置於恆溫恆溼箱內，由瞄準與定位系統帶動微變形系統將被測量傳出恆溫箱並由測量系統測出。在實現不同的測量功能時，測量系統的瞄準定位系統和長度測量系統必要時可以進行功能互換。
與已有技術相比，本實用新型的有益效果體現在本裝置不但可以測量材料的膨脹係數，還可以測量複雜形體的機械零件的熱變形。由於本裝置實現了三維測量的功能，並且恆溫箱內的有效空間較大，三個維度方向的調整調節方便，因此相對於已有的測量裝置，這套裝置的測量範圍，無論是測量對象的幾何尺寸大小，還是形體結構的複雜程度，都遠超過現有裝置。


圖1為本實用新型結構示意圖。
圖2為本實用新型處在恆溼恆溼箱內的工作檯俯視結構示意圖。
圖3為本實用新型用於X方向微變形測量的測頭裝夾方式示意圖。
圖4、圖5為本實用新型測頭另外兩種裝夾方式示意圖。
圖中標號1雙頻雷射幹涉儀、2微動裝置、3分光鏡、4微動工作檯底板、5為X向工作檯、6靶鏡、7測杆座、8為X向滾動導軌副、9測杆、10電感測微儀、11為Y向調整手輪、12恆溫恆溼箱、13傘齒輪副、14試件、15電感測頭、16鉑電阻溫度傳感器、17為Y向調整臺、18為Y嚮導軌副、19為Z向調整臺、20為Z嚮導軌副、21為Z向調整螺紋副、22為Z向調整手輪、23固定底板、24支承杆。
具體實施方式
參見圖1，本實施例由測、控溫系統、支持與調整系統、微變形測量系統和瞄準定位系統組成。
參見圖2、圖3，具體實施中，測、控溫系統由EL-04AGT型恆溫恆溼箱12和高精度鉑電阻溫度傳感器16組成。恆溫恆溼箱12是智能化的設備，可以進行編程控制，其控溫範圍是-40℃～+150℃，有效內尺寸為600×850×800mm，測溫精度為±0.2℃，控溫精度為±0.5℃。為了保證測量精度，選用A級工業測溫鉑電阻溫度傳感器16，該傳感器的直徑只有1.5mm、長度約為5mm，體積很小，熱容量小，可迅速響應環境溫度的變化。在測量電路中，用四線制的測溫電路配合7151型數字多用表組成一套高精度的測溫系統。為了充分利用鉑電阻溫度傳感器16測溫的穩定性好的優點，進一步提高測溫精度，我們對每個鉑電阻都進行了電阻——溫度曲線擬合。整個裝置測溫精確快速、控溫方便可靠。
支持與調整系統工作檯由底部固定底板23、中間層Z向調整臺19和頂層Y向調整臺17構成，其中，固定底板23由獨立於恆溫恆溼箱12的支承杆24支承，Z向調整臺19通過Z嚮導軌副20支承在固定底板23上，並設置Z向調整螺紋副21和Z向調整手輪22；Y向調整臺17通過Y嚮導軌副18由Z向調整臺19支撐，並設置以傘齒輪副13為傳動構件的Y向調整手輪11。
恆溫恆溼箱12內的工作檯是本裝置實現多功能三維測量的關鍵部分，主要是用於支持和調整被測試件14，兼有部分輔助測量的功能。因該工作檯處於恆溫恆溼箱12的內部，需經受溫度的變化，為了減小溫度對工作檯的影響及減小工作檯的熱容量，我們在保證支承系統的穩定性的前提下儘量採用了對稱與薄壁的設計。工作檯的運動分別由Y向調整手輪11和Z向調整手輪22驅動。具體實施中，如圖1、圖2所示，Y向平行安裝了兩副高精度滾動式Y嚮導軌副18，Z向安裝了三副導軌副，包括左側兩副和右側一副。在驅動系統和高精度滾動導軌副的共同作用下，可以實現工作檯沿Y向、Z向的運動平穩、靈活，運動的導向精度高。另外，工作檯獨立的支承體系，使得在測量過程中，溫度箱的振動不會影響到工作檯，從而保證測量的高精度。
關於微變形測量系統本裝置中微變形系統也十分重要，它直接驅動微變形測量系統，因此它的運動誤差將直接影響到測量系統的測量精度。本裝置的微變形運動系統的最大行程為250mm，採用高精度密封滾動導軌副導向，微動由千分螺紋副驅動，並自帶鎖緊裝置，因此既可以實現大範圍快速移動，又可以實現小範圍微動，便於測量點的快速、準確定位。
用雙頻雷射幹涉儀1測量微變形，雙頻雷射幹涉儀1的分光鏡3固定在微動工作檯底板4上，靶鏡6直接固定在X向工作檯5上，這樣，當微動裝置2中的X向滾動導軌副8運動時，靶鏡6與分光鏡3的距離隨之改變，雙頻雷射幹涉儀1就可以測出工作檯的運動距離。
考慮到雙頻雷射幹涉儀1的精度會受到環境條件的影響，為了進一步提高測量精度，必須對測量環境的某些參數(主要是溫度、溼度和大氣壓)進行監測，從而利用誤差修正軟體對測量結果進行修正。實驗中我們選擇了解析度為0.1℃的水銀溫度計與示值為相對溼度、解析度為2％的乾濕球溼度計；而大氣壓的監測工具採用了氣象臺站用來測量大氣壓的高精度遊標式DYMI型動槽水銀氣壓表，該表的解析度可達0.1Pa。
關於瞄準定位系統由電感測微儀10、測杆座7、測杆9、旁向電感測頭15組成。
由於被測試件14處於變化的溫度場中，而精密的長度測量系統不能在變化的溫度場中工作，為了避免恆溫恆溼箱12的溫度變化對測量系統及微變形系統的影響，我們設計了一套定位裝置使雙頻雷射幹涉儀1在恆溫恆溼箱12的外部就可以測得恆溫恆溼箱12內不同溫度下試件14的長度。
測杆座7將測杆9與X向工作檯5固定在一起，恆溫恆溼箱12的左壁預留有一孔，可以使測杆9無摩擦地通過，測杆9上開有一小槽，可以放置電感測頭15的信號線，用於傳輸電感測頭15的測量信號。
圖3所示，針對X方向的長度測量，使用兩隻DGC-6PG/A旁向電感測頭15來確定在同一溫度場下被測點的準確位置，發出兩被測點的零位信號，被測點之間的距離的經過測杆9傳出並由恆溼恆溼箱12外部的雙頻雷射幹涉儀1測出。
微變形運動系統位移量的大小由微變形測量系統精確測量，它們處於恆溫恆溫箱外部，只受環境溫度的影響；這樣，置於恆溫箱內的旁向電感頭只起到定位的作用而並非測量，所以溫度對傳感器性能的影響對測量精度的影響極小。
由於本裝置功能多樣，結構複雜，在使用的過程中應該注意到以下這些問題以保證測量的高精度。
(1)專用夾具和測頭裝夾作為X向受溫變形測量系統，其電感測頭採用旁向電感測頭(如圖3所示)。其它測量功能的實現，例如測量直線度、平面度受溫後的變化情況，應將旁向電感測頭換為軸向電感測頭，並改變電感測頭的裝夾方法。圖4和圖5所示的電感測頭15不同的裝夾方式可分別用於測量試件14不同平面上的平面度受溫變化情況。測量過程中，電感測頭變成了測量元件，而原先的測量元件——雷射幹涉儀變成了整個裝置中的定位系統。這種情況下，由於測量傳感器置於變化的溫度場內，所以測量精度不如測量X向受溫變形時高。如果在內工作檯上安裝一個迴轉工作檯，本裝置就可以實現多維測量。
使用輔助測量裝置，例如專用夾具，會帶來新的誤差源，最常見的是由於測頭的測量線和被測對象不再同一直線上而引起阿貝誤差。根據阿貝誤差的計算方法，測量附件引起的阿貝誤差為δa＝s×sinθa其中，s為運動線和測量線之間的距離；θa為測頭在測量點處導軌的運動誤差。θa是由X嚮導軌的運動誤差引起的，但對熱變形量測量結果產生影響的只是導軌的運動重複性。
(2)測量中應該考慮的其它因素由於本裝置的部分測量系統和被測量同時處於變化的溫度場中，因此測量系統隨溫度變化引起的不確定度分量會影響測量結果。
電感測頭隨著溫度的變化會有兩個方面的變化零點漂移和非線性，這兩者對不同的測量方法的影響不同。當電感測頭作為瞄準元件使用時，只有零點漂移對測量結果有影響；當電感測頭是測量元件時，零漂和非線性都有明顯的影響。可以在測量前對電感測頭的零漂和非線性進行了測量和標定。
當使用兩個旁向電感測頭雙向瞄準時，裝夾測頭的夾具會隨著溫度變化發生受溫變形，引起電感測頭的相對位置的變化，對於這個系統誤差，採用在0～50℃區間膨脹係數溫變性很小的標準石英棒比對標定後，在測量結果中將其剔除。
測杆在測量過程中的變形主要有沿Z方向力變形，和沿X方向的溫度變形。前者在測量X方向的熱變形時可以忽略，後者在測量Z方向的熱變形時可以忽略。因為溫度變形的遲滯性，單次測量時可以忽略。
內工作檯隨著溫度的變化會發生轉動、傾斜和升降，引起被測試件和瞄準定位系統之間相對位置的變化，因此測量時要儘量將試樣放置在靠近工作檯絕對中心的位置，並且在測量迴轉體的熱變形時每次測量都要重新調整Y向工作檯，尋找拐點並進行瞄準，以消除其影響。
以測量圓環內徑(圖2所示)為例來說明本實驗裝置的工作過程。
當試件的溫度穩定後，向左移動X向工作檯、測杆、測頭，當左測頭接近試樣後，鎖緊X向工作檯，旋動微動螺紋，使測頭接觸試樣並使電感測微儀指針接近零值；然後旋動Y向調整手輪，使工作檯及試樣沿Y方向慢慢移動，當電感測微儀指針的擺動出現最大值時，電感測頭處於圓環的最大直徑處，此時調整微動裝置時電感測微儀示值為零，然後將雙頻雷射幹涉儀的示值清零；鬆開鎖緊機構，向右移動X向工作檯、測杆、測頭，在右測頭接近圓環的另一壁後，再鎖緊X嚮導軌，改用微動調整，直至電感測頭的示值完全為零，此時雙頻雷射幹涉儀測量系統的示值就是測得值，將該值和測頭系統用標準石英棒標定的該溫度下的長度相加即是所需要的被測量值。
當然，如果測量內徑不均勻的圓環，或是錐孔，則可以在Z軸方向上取多個測量面進行測量，測量過程完全一樣，只是在測量不同高度的被測面之前要通過Z向調整手輪調整試件和Z向工作檯的高度選擇被測面。
由於本裝置可以測量各種幾何形體的機械零件的熱變形，對於不同形狀的被測對象，測量方法會有所差異，各誤差源對測量結果影響也不同，測量時必須針對具體的測量對象進行分析計算。考慮到測、控溫系統、支承與調整系統、微變形與測量系統、瞄準定位系統、測頭金屬球的熱變形、旁向電感頭的零漂、測頭夾具的變形修正後殘餘誤差、機械震動、實驗人員走動等誤差因素的綜合影響，測量內徑為80mm的鋼質圓環，取線膨脹係數為λ＝11.6×10-6/℃，則合成標準測量不確定度為U＝0.28um。
權利要求1.三維高精度多功能熱變形實驗裝置，由測、控溫系統、支持與調整系統、微變形測量系統和瞄準定位系統組成，其特徵是a、在所述測、控溫系統中設置恆溫恆溼箱(12)及測溫電路；b、所述支持與調整系統為設置在恆溫恆溼箱(12)中二維工作檯，所述二維工作檯由固定底板(23)、中間層Z向調整臺(19)和頂層Y向調整臺(17)構成，其中，所述固定底板(23)由獨立於恆溫恆溼箱(12)的支承杆(24)支承；c、在所述微變形測量系統中採用雙頻雷射幹涉儀(1)，其分光鏡(3)固定在微動工作檯底板(4)上，靶鏡(6)固定在X向工作檯(5)上，所述X向工作檯(5)以X向滾動導軌副(8)導向，並以千分螺紋副為驅動；d、所述瞄準定位系統由電感測微儀(10)、測杆座(7)、測杆(9)和電感測頭(15)組成，測杆(9)一端與電感測頭(15)固定，另一端貫穿恆溫恆溼箱(12)的側壁，並通過測杆座(7)與X向工作檯(5)固聯。
2.根據權利要求1所述的三維高精度多功能熱變形實驗裝置，其特徵是在所述測溫電路中採用鉑電阻溫度傳感器(16)。
3.根據權利要求1所述的三維高精度多功能熱變形實驗裝置，其特徵是所述二維工作檯中的Z向調整臺(19)通過Z嚮導軌副(20)支承在固定底板(23)上，並設置Z向調整螺紋副(21)和Z向調整手輪(22)；所述Y向調整臺(17)通過Y嚮導軌副(18)由Z向調整臺(19)支撐，並設置以傘齒輪副(13)為傳動構件的Y向調整手輪(11)。
專利摘要三維高精度多功能熱變形實驗裝置，由測、控溫系統、支持與調整系統、微變形測量系統和瞄準定位系統組成，其特徵是設置恆溫恆溼箱及測溫電路，在恆溫恆溼箱中設置二維工作檯，在微變形測量系統中採用雙頻雷射幹涉儀，瞄準定位系統中的測杆一端與電感測頭固定，另一端貫穿恆溫恆溼箱側壁通過測杆座與X向工作檯固聯。本實用新型可用於複雜幾何形體的機械零件熱變形的測量和材料膨脹係數的測定。
文檔編號G01N21/41GK2700874SQ20042002684
公開日2005年5月18日 申請日期2004年4月30日 優先權日2004年4月30日
發明者費業泰, 苗恩銘, 孟勇, 羅哉 申請人:合肥工業大學