精密球径的在线测量

　　1　内球径在线测量方法

　　精密内球的球径精度很高,而一般其形状精度又比其球径精度高一个数量级,所以测量球径时,可忽略球的形状误差的影响,或多测几个地方的球径值进行平均,以排除球的形状误差的影响。

　　直接测量球的直径比较困难,特别是当球面小于半球时更是如此,所以球径的测量多采用间接法。在计量室常用三坐标测量机测量,通过数据处理求得球径,其测量精度和可靠性均较高,但不能用于在线测量。为了解决球径的在线测量问题,本文提出用弓高弦长法测量球径,其原理如图1所示。

　　图1所示球面小于半球,设已知球径为D,在某已知弦长S处测量得弓高为H,则有

　　为了实现上述方案,采用如图2所示的测量装置。图中测量圆盘的直径S已知,即已知球的弦长S。在测量圆盘的中心且垂直于测量圆盘装有电感测头,由其原始伸出长度H0和实际测量时的压缩量ΔH决定了弓高H。根据公式(1),由S和H即可求得球径D。

　　应该指出,在图2所示测量装置中,应保证电感测头通过测量圆盘的中心且垂直于测量圆盘,并且测量时不能摆动,因此电感测头与测量圆盘之间要有较高的配合精度。电感测头的原始伸出长度H0要在计量室精确标定,而且在测量不同球径的工件时,要重新调整电感测头的伸出长度,并且要重新标定。

　　另一方面,测量圆盘不可能是理想的锐边,总存在一小的过渡圆弧,设其半径为r。这样,在测量时,圆盘与球面的实际接触点与理论接触点不重合,而且球径变化时接触点也改变。这就导致了实际的弦长与公式(1)中的弦长S不一致,从而导致较大的测量误差。因此,必须对公式(1)进行修正。

　　2　内球径在线测量的修正公式

　　为了加工和测量方便,把测量圆盘的周边做成半径为r的圆弧,如图3所示。

　　图中O为球心,O′为测量圆盘周边圆弧的圆心,A为测量圆盘与内球面的切点,OB平行于测量圆盘,O′B垂直于OB。由图3可知

　　利用图3所示原理示意图和公式(2)测量球径,因把测量圆盘周边圆弧半径r作为一个已知参数包含在公式(2)中,所以测量时无论测量圆盘与内球面的接触点怎样变化,对测量精度都没有影响。

　　3　内球径在线测量系统

　　在公式(2)中,S和r以测量圆盘的实际计量值代入,是已知量。所以,只要测出弓高H,就可由公式(2)求得球径。为了求得弓高H,建立如图4所示的测量系统。

　　测量时,把测量圆盘放入球腔,电感器测头受到压缩,其输出的电信号经交流放大、相敏检波和直流放大后,由数/模(A/D)转换器变成数字信号,再送入单片机进行处理,根据公式(2)计算出被测球的直径,并实时显示出来。