一种基于光隙法的直线度误差测量装置及其使用方法

摘要

本发明属于精密测量技术领域，涉及一种平面直线度误差的测量装置及其使用方法，装置包括：刀口尺夹持装置、精化刀口尺、变波长LED灯带、亚克力薄膜、LED灯带控制装置、电源。本发明的刀口尺夹持装置，解决手扶刀口尺时刀口尺与被测平面存在偏摆的问题，通过精化刀口尺的直线度误差，提高了刀口尺光隙法测量直线度误差的精度；通过将变波长LED灯带和观测孔集成在夹持装置上，测量更简便；根据不同波长光的可见性来判断刀口尺和被测平面之间的间隙大小，进而判断待测平面的直线度误差。该装置的测量精度相较于传统的刀口尺光隙法测量直线度误差提高了一倍以上，具有测量效率高、使用方便、成本低的优点，具有广阔的市场应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，涉及一种基于光隙法的直线度误差测量装置及其使用方法。

背景技术

直线度是常见的一种形位公差，常用的测量直线度误差的方法有刀口尺法、重力法、光学准直法、激光准直法、直线度测量仪多种方法。

常用刀口尺以光隙法和指示表法等进行测量，该测量方法无需测量指示仪表或专用传感器，仅根据透光后光的颜色变化，用人眼判断刀口尺与被测工件之间间隙的大小。刀口尺是一类测量面呈刃口状的直尺，用于测量工件平面形状误差的测量。常采用光隙法测量直线度误差。具有测量效率高、测量结果直观等优点。但刀口尺在使用时需手扶，存在偏摆误差；在实际测量时，光源一般为白光，不同波长的光在通过光隙时颜色区别不明显且易混合，识别度不高；商品0级75mm～500mm刀口尺的直线度误差为0.5μm～2μm，无法满足1μm以下直线度误差的测量要求。一种平面度检测装置(ZL201721826061.9)公开了一种光隙法和刀口尺测量中大平面的平面度误差检测装置，但该装置的刀口尺远端存在偏摆、只能测量水平面、刀口尺旋转过程中可能造成刀口尺的磨损降低刀口尺精度致使该装置的测量精度不高。一种长度检测装置(ZL201220569724.4)公开了一种检测光隙生成装置和标准光隙生成装置，但该装置的体积较大，且无法进行在线检测。受限于刀口尺自身的精度，该测量方法的直线度误差的测量精度仍有较大的提升空间。

重力法测量直线度是利用液体自动保持水平或重物自动保持铅直的重力现象测量直线度误差的方法。常用的量仪是水平仪。也有利用液体的水平面作为测量面与被测面比较来测量直线度误差的。由于液体的不稳定性，该方法的测量直线度误差的精度不高。

利用光学准直系统测量直线度误差。准直望远系统由准直光管和望远镜组成。由光源发出的光经十字分划板和物镜后、以平行光射出、再经望远镜中的物镜、后会聚在位于其焦平面上的十字分划板上，通过目镜读数。光学自准直法用自准直仪测量，将被测全长分成若干段，测出各段的倾斜角，通过作图或计算求出直线度误差。激光准直法。利用激光束测量直线度误差时，利用四象限光电传感器和指示表进行测量。沿被测导轨移动滑块，若四象限光电传感器中的4个光电池所接收的光强信号相等，表示导轨直线度好；否则表示存在误差。误差大小可以直接从指示表中读出。光学准直和激光准直测量直线度误差的精度较高，但测试系统复杂，对测试环境的要求较高，因此测量成本较高。

商品的直线度测量仪，例如三坐标测量仪，通过将被测物体置于三坐标测量空间，可获得被测物体上各测点的坐标，根据测点的空间坐标值，经计算求出被测物体的几何尺寸、形位误差，可实现对工件的几何尺寸、形位误差的精密检测。但三坐标测量仪体积较大不便携、价格昂贵，无法进行在线测量。

发明内容

为提升直线度误差测量的经济性和使用便携性，本发明提供了一种基于光隙法的直线度误差测量装置及其使用方法，包括：刀口尺夹持装置、精化刀口尺、变波长LED灯带、亚克力薄板、LED灯带控制装置、电源；其中刀口尺夹持装置包括：开槽端盖、端盖、前板、后板、观察孔；前板和后板相对设置，前板和后板两端分别布置起连接作用的螺纹孔与开槽端盖和端盖上分别布置起连接作用的沉头孔相对应，并通过螺钉连接，开槽端盖由底面向上所开槽孔对应于后板设置变波长LED灯带位置；装配后，前板底面与刀口尺夹持装置的底面间缝隙形成观察孔；开槽端盖所开槽放置变波长LED灯带的电源线和控制线；后板上贴有提供单一波长光源的变波长LED灯带和均匀光照的亚克力薄板；变波长LED灯带通过电源线与电源相连，通过控制线与LED灯带控制装置相连；变波长LED灯带可发射单一波长的光。

刀口尺夹持装置的前板夹持面、后板夹持面平面度误差不大于3μm；开槽端盖、端盖的底面平面度误差不大于1μm；后板的底面平面度误差不大于3μm。

进一步地，所述的刀口尺夹持装置为轴承钢GCr15材料，经淬火深冷处理，硬度不低于HRC58。

进一步地，所述的精化刀口尺由商品0级刀口尺精化后获取，精化后刀口尺精度可提高一倍以上；所述的精化刀口尺和刀口尺夹持装置的精度由高精度研磨平板保证。

进一步地，装配时，在高精度平台上进行装配，刀口尺夹持装置装配时螺钉的预紧力应一致，刀口尺夹持装置的前板夹持面、后板夹持面与精化刀口尺之间留0.01mm～0.1mm的间隙。

上述的直线度误差的测量装置的使用方法，包括如下步骤：

1)在装配前采用经过对研的高精度研磨平板对刀口尺进行精化，可将刀口尺的精度提高一倍以上；利用上述高精度研磨平板对刀口尺夹持装置的开槽端盖的底面、端盖的底面、前板夹持面、后板的底面和后板夹持面进行精化。

2)装配时，以高精度平台为基准进行装配，保证开槽端盖、端盖、后板的底面共面；在竖直方向上压紧开槽端盖、端盖和后板，后板通过内六角圆柱头螺钉与开槽端盖、端盖连接，开槽端盖所开槽与后板对齐；装配时将精化刀口尺和前板一同装配；为避免翘曲，安装时螺钉的预紧力一致；装配后，前板与刀口尺夹持装置的底面形成观察孔。

3)刀口尺夹持装置装配完成后，将变波长LED灯带通过控制线与LED控制装置相连，通过电源线与电源相连；用胶将变波长LED灯带固定在LED灯带安装面上，变波长LED灯带的边缘平行于LED灯带安装面的边缘。

4)将亚克力薄板用胶固定在LED灯带安装面和亚克力薄板安装面上。

5)将电源线和控制线通过开槽端盖所开槽，并用胶将其固定；将LED灯带控制装置和电源用胶固定在刀口尺夹持装置上。

6)使用前先将刀口尺夹持装置放置在待测平面上，在弱光的环境下经行测量；使用时，通过LED灯带控制装置打开变波长LED灯带；将精化刀口尺放置在刀口尺夹持装置中，精化刀口尺在自身重力作用下与待测平面接触；可用肉眼或光传感器通过观察孔观察光的可见性，通过LED灯带控制装置按照低波长光到高波长光的顺序依次调节变波长LED灯带发射光的波长，依据不同波长光的可见性来判断刀口尺和被测平面之间的间隙大小，进而判断待测平面的直线度误差。

7)测量竖直或倾斜平面时，先将刀口尺夹持装置放置在待测位置，再放置精化刀口尺，用手轻扶精化刀口尺使精化刀口尺与待测平面轻轻接触，其余步骤与实施方法6)中相同。

8)需换位置测量时，先将精化刀口尺取下，再取下刀口尺夹持装置，将刀口尺夹持装置放置在待测位置后再放置精化刀口尺，避免刀口尺夹持装置、精化刀口尺与待测平面摩擦。

9)测量在环境温度为20±2℃的恒温室中进行，变波长LED灯带与待测平面的距离较近，使用时散发的热量易传递到待测平面，影响测量精度，故使用该装置测量直线度时测量时间不超过5分钟。

一种直线度误差的测量装置，根据不同波长光的可见性来判断刀口尺和被测平面之间的间隙大小，进而判断待测平面的直线度误差。

无可见光，待测平面(7)与精化刀口尺(2)的间隙大小低于0.4μm；光隙只能透过紫色光，蓝色、绿色、黄色、红色光不可见，待测平面(7)与精化刀口尺(2)的间隙大小约为0.4～0.5μm；光隙能透过蓝色光和紫色光，绿色、黄色、红色光不可见，待测平面(7)与精化刀口尺(2)的间隙大小约为0.5～0.55μm；光隙能透过绿色、蓝色、紫色光，黄色、红色光不可见，待测平面(7)与精化刀口尺(2)的间隙大小约为0.55～0.6μm；光隙能透过黄色、绿色、蓝色、紫色光，红色光不可见，待测平面(7)与精化刀口尺(2)的间隙大小约为0.6～0.8μm；光隙能透过红色、黄色、绿色、蓝色、紫色光，待测平面7与精化刀口尺2的间隙大小大于0.8μm。

本发明的有益效果在于，本发明提供了一种基于光隙法的直线度误差测量装置及其使用方法，用于直线度误差测量。通过精化刀口尺的直线度误差，提高了刀口尺光隙法测量直线度误差的精度；通过将变波长LED灯带和观测孔集成在夹持装置上，测量更简便；根据不同波长光的可见性来判断刀口尺和被测平面之间的间隙大小，进而判断待测平面的直线度误差。该装置的测量精度相较于传统的刀口尺光隙法测量直线度误差提高了一倍以上，具有测量效率高、使用方便、成本低的优点，具有广阔的市场应用前景。

附图说明

图1测量示意图。

图2测量装置。

图3刀口尺夹持装置。

图4前板。

图5后板。

图中：1刀口尺夹持装置；1-1开槽端盖；1-2端盖；1-3前板；1-3-1前板夹持面；1-4后板；1-4-1后板底面；1-4-2后板夹持面；1-4-3LED灯带安装面；1-4-4亚克力薄板安装面；1-5观测孔；2精化刀口尺；3变波长LED灯带；4亚克力薄板；5LED灯带控制装置；6电源；7待测平面。

具体实施方式

以使用400mm精化刀口尺测量300mm×300mm高精度平板的直线度误差为例，阐述本发明的具体实施方法。

1)在装配前首先对零件进行精化。为提高400mm商品0级刀口尺精度，采用经过对研的平面度误差低于0.5μm的300mm×300mm高精度研磨平板对刀口尺进行精化，可将刀口尺的精度提高一倍以上，精化后的400mm 0级刀口尺的直线度误差不大于0.5μm；利用上述高精度研磨平板对刀口尺夹持装置1的开槽端盖1-1、端盖1-2、后板1-4的底面和夹持面1-6进行精化，精化后，开槽端盖1-1、端盖1-2的底面平面度误差不大于1μm；前板1-3的前板夹持面1-3-1的平面度误差不大于3μm；后板1-4的底面平面度误差不大于3μm，后板夹持面1-4-2的平面度误差低于3μm。

2)装配时，保证开槽端盖1-1、端盖1-2、后板1-4的底面共面，以高精度平台为基准进行装配。在竖直方向上压紧开槽端盖1-1、端盖1-2和后板1-4，后板1-4通过内六角圆柱头螺钉与开槽端盖1-1、端盖1-2连接，开槽端盖1-1所开槽与后板1-4对齐；为保证前板夹持面1-3-1、后板夹持面1-4-2与精化刀口尺2之间留有0.01mm～0.1mm缝隙以方便精化刀口尺2的装取，装配时将精化刀口尺2和前板1-3一同装配，在精化刀口尺2与后板夹持面1-4-2之间加装0.01～0.1mm的垫片，确保前板1-3和后板1-4在水平方向上夹紧精化刀口尺2和垫片；为避免翘曲，安装时螺钉的预紧力一致；装配完成后取下精化刀口尺2和垫片。装配后，前板底面与刀口尺夹持装置的底面形成一长400mm高2mm的观察孔1-5。

3)刀口尺夹持装置1装配完成后，将变波长LED灯带3通过控制线与LED控制装置5相连，通过电源线与电源6相连；用胶将变波长LED灯带3固定在LED灯带安装面1-4-3上，变波长LED灯带3的边缘平行于LED灯带安装面1-4-3的边缘。

4)将亚克力薄板6用胶固定在LED灯带安装面1-4-3和亚克力薄板安装面1-4-4上。

5)将电源线和控制线通过开槽端盖1-1所开槽，并用胶将其固定；将LED灯带控制装置5和电源6用胶固定在刀口尺夹持装置1上。

6)使用前先将刀口尺夹持装置1放置在待测平面7上，关掉测量环境中其他的光源，确保测量环境无光；使用时，通过LED灯带控制装置5打开变波长LED灯带；将精化刀口尺2放置在刀口尺夹持装置1中，精化刀口尺2在自身重力作用下与待测平面7接触；可用肉眼或光传感器通过观测孔1-5观察光的可见性；通过LED灯带控制装置5按照低波长光到高波长光的顺序依次调节变波长LED灯带3发射光的波长，常采用紫、蓝、绿、黄、红色光，紫色光波长约为380～440nm，蓝色光波长约为440～485nm，绿色光波长约为500～565nm，黄色光波长约为565～570nm，红色光波长约为625～780nm；依据不同颜色光的波长可直接判断待测平面7的直线度误差；无可见光，待测平面7与精化刀口尺2的间隙大小低于0.4μm；光隙只能透过紫色光，蓝色、绿色、黄色、红色光不可见，待测平面7与精化刀口尺2的间隙大小约为0.4～0.5μm；光隙能透过蓝色光和紫色光，绿色、黄色、红色光不可见，待测平面7与精化刀口尺2的间隙大小约为0.5～0.55μm；光隙能透过绿色、蓝色、紫色光，黄色、红色光不可见，待测平面7与精化刀口尺2的间隙大小约为0.55～0.6μm；光隙能透过黄色、绿色、蓝色、紫色光，红色光不可见，待测平面7与精化刀口尺2的间隙大小约为0.6～0.8μm；光隙能透过红色、黄色、绿色、蓝色、紫色光，待测平面7与精化刀口尺2的间隙大小大于0.8μm。

7)测量竖直或倾斜平面时，先将刀口尺夹持装置1放置在待测位置，再放置精化刀口尺2，用手轻扶精化刀口尺2使精化刀口尺2与待测平面轻轻接触，其余步骤与实施方法6)中相同。

8)需换位置测量时，先将精化刀口尺2取下，再取下刀口尺夹持装置1，将刀口尺夹持装置1放置在待测位置后再放置精化刀口尺2，避免刀口尺夹持装置1、精化刀口尺2与待测平面7摩擦。

9)测量在环境温度为20℃的恒温室中进行，变波长LED灯带3与待测平面7的距离较近，使用时散发的热量易传递到待测平面，影响测量精度，故使用该装置测量直线度时测量时间不超过5分钟。