球棒球心距检测装置及其检测方法

摘要

本发明提供了一种球棒球心距检测装置及其检测方法，包括：基体，包含：导轨以及分别固定在导轨两端的两个支架；固定支撑部，固定在导轨上用于支撑球体；两个移动支撑部，分别设在固定支撑部两侧，每个移动支撑部包含：可移动式安装在导轨上用于支撑球体的球体侧支撑单元、以及可移动式安装在导轨上设在固定支撑部和球体侧支撑单元之间用于支撑球杆的球棒侧支撑单元；两个测量部，分别与两个球体侧支撑单元一一对应且安装在两个支架上，基于预定测量规则分别测量出其中一个球体侧支撑单元移动的第一距离和另一个球体侧支撑单元移动的第二距离；以及计算部，根据第一距离和第二距离计算出球心距。

说明书

技术领域

本发明涉及了一种能够对球棒的球心距进行精确检测的球棒球心距检测装置及其检测方法。

背景技术

三坐标测量仪被应用于测量领域，能够对产品的轮廓和表面的尺寸、角度及空间位置进行测量，能够对带有曲面的产品进行有效测量，三坐标测量仪在测量领域具有不可替代的作用。

三坐标测量仪的测量精度往往采用球棒进行校验。球棒包含设在两端的球体以及连接两球体的球杆组成。首先通过测量球面上的多个点拟合得到球心，再测量两个球体之间的距离，最后得到球棒的球心距，根据测得的球心距与球棒的已知球心距进行比较，就可以对三坐标测量仪的精度进行可靠校验。因此，球棒的已知球心距对三坐标测量仪的精度起着至关重要的作用。

关于上述球棒的已知球心距的值可以采用激光干涉仪直接校准法进行检测。在激光干涉仪直接校准法中，采用三个支撑座对球棒的球体进行支撑，中间的支撑座是固定的而另外两个是可移动的。通过依次移动可移动的支撑做从而将球棒的两个球体放置在三个支撑座中任意两个支撑座上，然后通过测量移动的支撑座的两个移动距离，从而得到该球棒的球心距。

但是，在上述测量过程中，当球棒的两个球体被放置在任意两个支撑座上时，由于球杆自身重力的作用，导致球杆发生变形，这样就会严重影响球心距的测量精度，从而影响三坐标测量仪的校验结果。

发明内容

本发明是为了解决上述课题而进行的，目的在于提供一种精确检测球棒的球心距并且成本低、结构简单的球棒球心距检测装置及其检测方法。

本发明提供了一种球棒球心距检测装置，用于对球棒的球心距进行检测，球棒包含两个球体和连接两个球体的球杆，其特征在于，包括：基体，包含：导轨以及分别固定在导轨两端的两个支架；固定支撑部，固定在导轨上用于支撑球体；两个移动支撑部，分别设在固定支撑部两侧，每个移动支撑部包含：可移动式安装在导轨上用于支撑球体的球体侧支撑单元、以及可移动式安装在导轨上设在固定支撑部和球体侧支撑单元之间用于支撑球杆的球棒侧支撑单元；两个测量部，分别与两个球体侧支撑单元一一对应且安装在两个支架上，基于预定测量规则分别测量出其中一个球体侧支撑单元移动的第一距离和另一个球体侧支撑单元移动的第二距离；以及计算部，根据第一距离和第二距离计算出球心距。

在本发明提供的球棒球心距检测装置中，还可以具有这样的特征：其中，预定测量规则为：通过依次移动两个移动支撑部将两个球体放置在两个球体侧支撑单元和固定支撑部中任意两个上，测量出其中一个球体侧支撑单元移动的距离作为第一距离，另一个球体侧支撑单元移动的距离作为第二距离。

在本发明提供的球棒球心距检测装置中，还可以具有这样的特征：其中，球棒侧支撑单元包含至少一个球棒侧支撑组件，球棒侧支撑组件包含：用于支撑球杆的V型架、用于调节V型架的位置的调节构件以及用于柔性连接V型架和调节构件的柔性件。

在本发明提供的球棒球心距检测装置中，也具有这样的特征，还包括：校正部，包含：设在一个球体上的第一电感测微仪以及设在与球棒侧支撑组件相对应的球杆上的至少一个第二电感测微仪，其中，调节构件根据第一电感测微仪和第二电感测微仪的示值调节V型架的位置，使V型架与球杆相接触时并且固定支撑部或球体侧支撑单元与球体相接触。

在本发明提供的球棒球心距检测装置中，还可以具有这样的特征：其中，球棒侧支撑组件的数量为两个。第二电感测微仪的数量为两个，并且与球棒侧支撑组件一一对应。

在本发明提供的球棒球心距检测装置中，还可以具有这样的特征：其中，调节构件包含：与导轨相平行设置的第一滑轨、卡合在第一滑轨上的第一滑块、设在第一滑块的上且与滑轨相垂直的第二滑轨、卡合在第二滑轨上的第二滑块、设在第二滑块上且与第一滑轨和第二滑轨所在的平面相垂直的第三滑轨、卡合在第三滑轨上用于安装柔性件的第三滑块。

在本发明提供的球棒球心距检测装置中，还可以具有这样的特征，还包括：其中，测量部包含：用于发出光束的发射单元、安装在与球体的球心相对应的球体侧支撑单元上用于反射光束的反射镜、以及根据被反射的光束得到发射单元与反射镜之间的间距的处理单元。

另外，本发明还提供的一种使用上述球棒球心距检测装置的球棒球心距检测方法，可以具有这样的特征，包括以下步骤：步骤一，将球棒的其中一个球体放置在其中一个球体侧支撑单元上，另一个球体放置在固定支撑部上，并且，球棒侧支撑单元支撑球杆；步骤二，将其中一个球体侧支撑单元进行移动使另一个球体放置在另外一个球体侧支撑单元上，球棒侧支撑单元支撑球杆，测量部测得其中一个球体侧支撑单元移动的距离作为第一距离；步骤三，将另一个球体侧支撑单元进行移动使另一个球体放置到固定支撑部上，球棒侧支撑单元支撑球杆，然后，测量部测得另一个球体侧支撑单元移动的距离作为第二距离；步骤四，计算部根据第一距离和第二距离计算出球心距。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的球棒球心距检测装置及其检测方法，因为固定支撑部固定在导轨上支撑球体，球体侧支撑单元能够在导轨上移动并用于支撑球体，球棒侧支撑单元也能够在导轨上移动并且支撑球杆从而实现对球棒的辅助支撑，测量部安装在支架上，基于预定测量规则测量出两个球体侧支撑单元分别移动的第一距离和第二距离，计算部根据第一距离和第二距离计算出球棒的球心距，因此，本发明的球棒球心距检测装置及其检测方法能够实现测量球棒的球心距，解决了测量长球棒时，因为球棒自身重力作用而产生的变形从而影响测量精度的问题，使得测量更精确并且成本低结构简单。

附图说明

图1是本发明的实施例中球棒球心距检测装置的结构示意图；

图2是本发明的实施例中校正部的结构示意图；

图3是本发明的实施例中球棒球心距检测装置的过程示意图；以及

图4是本发明的实施例中球棒球心距检测装置的检测方法的工作流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的球棒球心距检测装置及其检测方法作具体阐述。

图1是本发明的实施例中球棒球心距检测装置的结构示意图。

如图1所示，在本实施例中，球棒球心距检测装置100对作为标准器的球棒200的球心距进行非接触测量，在本实施例中能够对长度范围在300mm至1000mm内的球棒进行检测。球棒200包含：两个球体201和球杆202，球杆202连接两个球体201。在本实施例中，球棒采用从德国购买的300mm的球棒，德国DAkks校准证书给出的值分别为300.5063mm，给出的不确定度为U＝1.1μm，k＝2。

球棒球心距检测装置100包含：基体10、固定支撑部20、两个移动支撑部30、两个测量部40、计算部(图中未显示)和校正部(图中未显示)。

基体10包含：导轨11和两个支架12。

导轨11的基座采用稳定性良好的花岗石制成。导轨11外侧安装有护板，护板内部放置拖链、气管、电线等配件，并还设有用于安放直线电机和光栅尺的腔体，这样后续能够改进成自动测量系统。导轨11设计尺寸为：长X宽X高2800mmX170mmX400mm，导轨11的全程直线度优于2μm。在本实施例中，导轨11采用气浮平面导轨结构，由于气体轴承的精度高、摩擦低、可以在极限工作环境下工作,因此在精密运动平台的设计中采用气浮工作台方案成为一种较理想的选择。导轨11采用空气静压进行设计。空气静压导轨是将具有一定压力的空气经过节流器送入导轨间隙，借助其静压使导轨悬浮起来，使导轨面之间形成一层极薄的气膜，且气膜厚度基本保持恒定不变的一种纯空气摩擦的滑动导轨。

两个支架12分别固定安装在导轨11的两端部，用于支撑测量部40，在本实施例中，支架12采用花岗石制成。

固定支撑部20固定在导轨11的中部位置，用于支撑球棒200。固定支撑部20包含：固定连接块21、固定侧球座22和气吸附固定工作台23。固定连接块21固定在气吸附固定工作台23上，固定侧球座22设在固定连接块21上用于支撑球棒200的一个球体201。

气吸附固定工作台23通过气吸附的形式与导轨11相连接，气管向导轨11间隙通入气体时，气吸附固定工作台23可以在导轨11上滑动，从而带动固定连接块21移动；停止供气时，气吸附固定工作台23就固定在导轨11上。

两个移动支撑部30分别设在固定支撑部20的两侧，移动支撑部30包含：球体侧支撑单元31和球棒侧支撑单元32。

两个球体侧支撑单元31用于支撑球体201，分别表示为第一球体侧支撑单元31a和第二球体侧支撑单元31b。第一球体侧支撑单元31a设在固定支撑部20的一侧，第二球体侧支撑单元31b设在固定支撑部20的另一侧，从图1所示的方向来看，第一球体侧支撑单元31a位于固定支撑部20的左侧，第二球体侧支撑单元31b位于固定支撑部20右侧。

下面以第一球体侧支撑单元31a为例对球体侧支撑单元进行说明。

第一球体侧支撑单元31a能够在导轨11上移动。第一球体侧支撑单元31a都包含：气浮滑动工作台311、移动连接块312、移动侧球座313。气浮滑动工作台311可移动式安装在导轨11上，移动连接块312固定安装在气浮滑动工作台311上，移动侧球座313设在移动连接块312上与球体201的球心位置相对应的位置处用于支撑球体201。在本实施例中，气浮滑动工作台311设有微调机构，使第一球体侧支撑单元31a根据球棒200的球心距的理论值到达特定位置后，再通过微调机构进行微调，使得球棒200的两个球体201与移动侧球座311完全接触。在本实施例中，为了提高球体与球座相互接触的重复性精度，在球座中固定了磁铁片，给钢制的球体一个固定的吸附力，有利于提高球棒放置的重复性精度。在实验的过程当中，发现当磁铁片吸附力过大时，在测量过程中容易造成钢球与球座之间的碰撞，会出现几个微米的测量偏差。因此，使用加热的方法，将球座中磁铁的磁性减弱到合适的程度，从而保证测量精度。

球棒侧支撑单元32可移动式安装在导轨11上并且设在固定支撑部20和球体侧支撑单元31之间，用于支撑球杆202，从而对球棒200进行辅助支撑。两个球棒侧支撑单元32中一个位于第一球体侧支撑单元31a和固定支撑部20之间，另一个位于第二球体侧支撑单元31b和固定支撑部20之间。

球棒侧支撑单元32包含两个球棒侧支撑组件321。球棒侧支撑组件321包含：V型架321a、柔性件(图中未显示)和调节构件321b。V型架321a用于支撑球杆202，支撑位置选择在贝塞尔点位置处，即球棒侧支撑单元32的两个V型架321a放置在距离球棒200两端0.2203L的位置处(L为球棒的长度)。柔性件的一端连接V型架321a，另一端安装在调节构件321b上，在本实施例中，柔性件采用弹簧，使得V型架在对球杆支撑时不影响球体侧支撑单元对球体的支撑。

调节构件321b与导轨11相连接用于调节V型架321a的位置。调节构件321b包含：第一滑轨X、第一滑块(图中未显示)、第二滑轨Y、第二滑块(图中未显示)、第三滑轨Z和第三滑块(图中未显示)。

第一滑轨X设在导轨11的侧壁上且与导轨11的轨道相平行，用于在X轴方向上调节V型架321a的位置。第一滑块卡合在第一滑轨X上，能够沿第一滑轨X滑动。

第二滑轨Y与第一滑块相连接并且与第一滑轨X相垂直，使第二滑轨Y能够沿第一滑轨X方向移动。第二滑块卡合在第二滑轨Y上，能够在第二滑轨Y上且朝垂直与第一滑轨X的Y轴方向上移动，即从图1中所示的方向来看，Y轴方向为与导轨11所在的平面相平行的方向。在本实施例中，第二滑轨Y与第二滑块采用Y向调节台实现上述功能。

第三滑轨Z与第二滑块相连接，并且垂直于第一滑轨X和第二滑轨Y，第三滑块卡合在第三滑轨Z，用于与柔性件相连接，使得V型架321a能沿第三滑轨Z朝向垂直于X轴和Y轴的Z轴方向(竖直方向)上移动。在本实施例中，第三滑轨Z和第三滑块采用Z向精密调整台实现上述功能。V型架321能够通过第三滑轨Z在Z轴方向移动，通过第二调整台Y在Y轴方向移动，以及通过第一滑轨X在X轴方向移动。

两个测量部40分别安装在两个支架12上，两个测量部40分别为与第一球体侧支撑单元31a对应的第一测量部40a以及与第二球体侧支撑单元31b对应的第二测量部40b。

第一测量部40a包含：发射单元41、反射镜42、接收单元(图中未显示)和处理单元(图中未显示)。发射单元41用于朝向第一球体侧支撑单元31a发出光束。反射镜42固定在移动第二滑块312上并且与移动侧球座313上球体201的球心相对应的位置，反射镜42对光束进行反射，接收单元接收反射回的光束，处理单元根据被反射的光束得到发射单元41与反射镜42之间的间距。第二测量部40b与第一测量部40a相似，在此不作重复说明。在本实施例中，两个发射单元41的光源采用一台激光干涉仪进行分光得到，从而实现两路干涉测量，因为仅有一个光源引入的不确定度分量，会在一定程度上提高检测装置的测量精度。接收单元采用光纤接收器实现。

计算部，根据处理单元得到的距离计算出球棒200的球心距。

图2是本发明的实施例中校正部的结构示意图。

如图2所示，在本实施例中，校正部60用于对球棒侧支撑单元32的位置进行校正，使V型架321a起到支撑作用，同时球体201没有脱离球座(球座为两个移动侧球座313和固定侧球座22)。

校正部60包含：第一电感测微仪61和两个第二电感测微仪62。

第一电感测微仪61设在球体201上，并且球体201已经放置好在球座上，在本实施例中，球棒200放置在固定支撑部20和第二球体侧支撑单元31b上，第一电感测微仪61放置在第一球体侧支撑单元31a上方，并且测头与球体201的顶部接触。

两个第二电感测微仪62与两个球棒侧支撑组件321一一对应，第二电感测微仪62放置在V型架321a的上方，测头与球杆202相接触。

校正部60校正V型架321a的校正方法如下：

步骤1，将两个球体201分别放置在固定支撑部20和第二球体侧支撑单元31b上。

步骤2，将固定支撑部20和第二球体侧支撑单元31b之间的球棒侧支撑单元32的两个滑块分别滑动到球棒200的贝塞尔点的位置。

步骤3，分别调节第二滑块，使得V型架321a的轴线方向与球棒200的轴线平行，即球杆202刚好完全落入v型槽内。

步骤4，将三个电感测微仪固定，将第一电感测微仪61的测头与球顶接触，示值置为零。另外两个第二电感测微仪62分别放置在V型架321a上方，测头与球杆202接触。

步骤5，沿z向向上方向分别调节第三滑块，带动V型架在竖直方向移动，寻找到第二电感测微仪62示值发生变化的临界点，此时代表v型架321a与球杆202完全接触。

步骤6，待寻找到临界点后，将这两个第二电感测微仪62示值均置零。

步骤7，再继续向上微调2个第三滑块，随时保持两个第二电感测微仪62的示值一致，直至第一电感测微仪61的示值发生突变，代表着球体201已与球座脱离。

步骤8，微调两个第三滑块，寻找第一电感测微仪61示值将发生突变却未发生的临界点，记录两个电感测微仪62示值a。

步骤9，向下调节两个第三滑块，直至示值为a/2，此时，即代表两个V型架的辅助支撑效果已经达到。实现了球棒200测量时，对重力引起变形的补偿。

图3是本发明的实施例中球棒球心距检测装置的过程示意图。

如图3所示，在计量领域，干涉测长的应用一般是一个维度上仅有一路干涉测距。而由于球棒结构的特殊性，需要在一个维度上有两路干涉测量信号，并使两光路的光轴重合。测量过程为：

1.把球棒200两个球体201分别放在第一球体移动单元31a的移动侧球座313上和固定支撑部20的固定侧球座22上，初始化第一测量部40a的干涉测量信号为零。

2.移动第一球体移动单元31a使球棒200的最右端的球体201到第二球体移动单元31b的移动侧球座上,记录第一测量部40a测得的位移为a，同时初始化第二测量部40b的干涉仪为零。

3.移动第二球体移动单元31b使球棒的左端球体201移动到固定侧球座22上，记录第二测量部40b测得的位移为b。

4.则球棒的球心距为L＝a+b。

基于该测量规则，在检测装置的设计和装校上就需符合阿贝原则，保证干涉测量轴线与球棒的轴线和滑动工作台运动的轴线重合,从而最大限度地减小余弦误差。因一次测量只需在导轨上几个特定的位置点完成，避免了工作台在导轨上长行程的滑动，可最大程度上减小导轨直线度误差的影响。这在一定程度上降低了对导轨直线度的要求。因此在满足球棒轴线与测量轴重合的前提下，导轨直线度满足2μm/m,由导轨直线度误差引入的余弦误差在不确定度评定的过程中可忽略不计。

图4是本发明的实施例中球棒球心距检测装置的检测方法的工作流程图。

如图4所示，使用球棒球心距检测装置100的球棒球心距检测方法的具体步骤如下：

步骤S1,将气吸附固定工作台23的气浮开关关闭，使其固定在导轨11的中间位置，然后进入步骤S2。

步骤S2，调节测量部40，使发射单元41发出的光束均照射在反射镜42上；然后进入步骤S3。

步骤S3，打开第一球体侧支撑单元31a的气浮滑动工作台311的两个气浮开关，滑动第一球体侧支撑单元31a，将球棒200其中一个球体(图1中的左侧球体)放在第一球体侧支撑单元31a的移动侧球座313上，关闭气浮旋钮，调节微调螺杆使移动侧球座313与球体201完全接触，另外一个球体201(图1中的右侧球体)放在固定支撑部20的固定侧球座22上，然后，初始化第一测量部40a的测量值均为零，然后进入步骤S4。

步骤S4，打开第一球体侧支撑单元31a的气浮滑动工作台311的两个气浮开关，滑动第一球体侧支撑单元31a，并保持球棒200的左侧球体201依然在第一球体侧支撑单元31a的移动侧球座313上，同时，打开第二球体侧支撑单元31b的气浮滑动工作台311的两个气浮开关，滑动第二球体侧支撑单元31b到合适位置，使球棒200的右侧球体201放在移动侧球座313上，然后，记录第一测量部40a测得第一球体侧支撑单元31a移动的位移a，并且，初始化第二测量部40b的测量值均为零，然后进入步骤S5。

步骤S5，保持第二球体侧支撑单元31b的移动侧球座313上的球体仍然在该球座上，将球棒200的左侧球体201拿起，打开第二球体侧支撑单元31b的气浮滑动工作台311的两个气浮开关，滑动第二球体侧支撑单元31b到合适位置，使球棒200的左侧球体201放在固定支撑部20的固定侧球座22上，第二测量部40b测得第二球体侧支撑单元31b移动的位移为b，然后进入步骤S6。

步骤S6，根据公司L＝a+b计算出球棒的球心距L，然后进入结束状态。

重复上述步骤十次，得到测量结果如下表所示：

表：300mm球棒(标准器)测量结果

从上表可知，根据本装置测得的球心距的结果以及德国DAkks校准证书给出的值，通过计算En值的方式对球棒球心距检测装置的技术指标进行考核，En的计算式为：

$E_n=\frac{A_2-A_1}{\sqrt{{U_2}^2+{U_1}^2}}$

式中：A₂-A₁：两个比对方法实测结果的差；

U₁²+U₂²：两个比对方法的测量不确定度的均方和。

本实施例中，En＝0.41，En＜1，因为|E_n|＜1，即证明两个方法对球棒球心距测量结果的不确定度均在各自评定的测量不确定度范围内。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的球棒球心距检测装置及其检测方法，因为固定支撑部固定在导轨上支撑球体，球体侧支撑单元能够在导轨上移动并用于支撑球体，球棒侧支撑单元也能够在导轨上移动并且支撑球杆从而实现对球棒的辅助支撑，测量部安装在支架上，基于预定测量规则测量出两个球体侧支撑单元分别移动的第一距离和第二距离，计算部根据第一距离和第二距离计算出球棒的球心距，因此，本实施例的球棒球心距检测装置及其检测方法能够实现测量球棒的球心距，解决了测量长球棒时，因为球棒自身重力作用而产生的变形从而影响测量精度的问题，使得测量更精确并且成本低结构简单。

在本实施例中，由于校正部对球棒侧支撑单元进行校正，因此，本实施例实现对球棒的有效辅助支撑，从而确保检测结果准确。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

本实施例中的球棒球心距检测装置用于检测300m至1000mm的球棒，本发明还能用于检测其它长度的球棒，尤其是对于长球棒的检测具有更加突出的优势。