专利名称：曲面测量仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及现代加工中的一种精密测量仪器，特别是涉及一种精确测量任意凸凹曲面曲率半径或曲率的测量仪器。
背景技术：
20世纪50年代出现的三坐标测量仪，经过半个世纪的发展，基本上能满足测量复杂曲面几何形状的要求，但是现行的三坐标曲面测量仪体积大、造价高、固定安装，而且对环境有一定要求，因此，设计一种造价低、既可固定安装测量大型曲面，也可携带至现场测量中小型曲面的仪器势在必行，本发明人的发明专利(ZL01117999.6和ZL02109514.0)，在针状原理和结构上还存在一些缺点，其原理，如图8所示，理论公式的导出如下ρ2＝R2+(ρ-H)2(1)则有ρ=R2+H22H---(2)]]>且r2=lo2-h2---(3)]]>由图1可知R＝r0+r (4)h＝l0-Δh (5)r=l02-h2---(6)]]>把(5)式代入(6)式，然后把结果代入(4)式，得R=r0+2l0Δh-Δh2---(7)]]>把(7)式代入(2)式得ρ=&EEgr;2+ρ02-Δη2+2λ0Δη+2ρ02λ0Δη-Δη22&EEgr;---(8)]]>可见，r0和l0为已知，Δh可在测量时确定，因此只要求得H，曲率半径ρ或曲率 即可求得，但是测脚为针状，一则在测量曲率半径很小的曲面时，不是测脚的针头与曲面接触，而是两测脚的内侧面与曲面接触，这就在理论上必然产生误差；再则，测脚针头也会划伤被测件的表面。此外，ZL02109514.0专利的机械结构限制了两测脚张合的范围，调节部分存在难以克服的加工误差，其测量精度低，结构也不紧凑。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述原理和结构存在的问题，提供一种既能测量任意大小凸凹曲面的曲率半径，结构合理紧凑，且不划伤被测件表面的新型曲率测量仪。
本发明的上述目的是这样实现的，结合
如下。
首先在原理上做了如下的改进，现结合图1(a)提出球形测头测量凸形曲面曲率半径的测量公式b＝b′-AB(9)h＝h′-GE(10)根据ΔABC、ΔAEF相似有如下公式BCAB=EFAE---(11)]]>在三角形O1MC中有r2＝AB2+(r-BC)2(12)由(11)(12)式得BCAB=EFCE---(13)]]>r2＝AB2+(r-BC)2(14)r2=(r-BC)2+b′2h′2×BC2---(15)]]>BC=2rh′2b′2+h′2---(16)]]>GB=BC=2rh′2b′2+h′2---(17)]]>AB=2rh′b′b′2+h′2---(18)]]>现在只需求出b′b′＝d+y (19)y=l02-(l0-Δh)2---(20)]]>将各个求得的数代入(2)式得出
ρ=[d+l02-(l0-Δh)2]2+h′(h′-2r)2h′---(21)]]>同理，结合图1(b)可求得凹形曲面的测量公式ρ=[d+l02-(l0-Δh)2]2+h′(h′+2r)2h′---(22)]]>由上可见，只要测得Δh和h′便可求得凸面或凹面的曲率半径。
根据上述原理，本发明提供的曲面测量仪是由机械部件、测量系统和显示器组成，机械构件中的测脚2、15、14分别装在测杆4、12、13上，左、右测杆4、13分别紧固在两端装有齿轮的左、右齿轮轴的中间，左、右齿轮轴上的对应齿轮相互啮合，中测杆12旋紧在上固定板11中，齿轮轴装在固定压板上的轴套内，固定压板与上固定板11固定，测量系统中的位移测量采用光栅位移传感器8，它装在中测杆12中，其位移信号经电子细分电路细分、放大送入微处理器进行程序运算，计算结果通过显示器10显示并存储在存储器中，测量完毕，测量数据通过USB接口传输到计算机中进一步处理。
所说的测脚2、15、14的测头为球形。
所说的程序包括固件主体循环程序、时间中断服务程序和USB接口中断服务程序，主程序主要负责曲面测量仪的初始化及按键轮询响应，时间中断服务程序负责数据计算、液晶显示，USB接口中断服务程序负责USB控制芯片的通信。
本发明的机械结构由左、中、右测杆、左、中、右球形测头、前后固定压板、上固定板、左、右齿轮轴、左、右两对齿轮和下封盖组成。
左右两侧的结构是对称的，球形测头1是压合在测脚2的凹坑中，彼此过应配合，左测脚2是插在左测杆4中，并用锁紧螺钉3固紧，在左齿轮轴17的两端装有左齿轮19，左测杆4的上端是插在左齿轮轴17中，并用测杆固紧螺钉21固紧，左齿轮轴的两端装在前固定压板6和后固定压板16之间，并扣合在上固定板11上，并用螺钉7压紧，中测杆12是通过左右两对齿轮的中间旋紧在上固定板11中，下封盖是穿过左中右测杆并胶合在上固定压板11上，光栅位移传感器可由上固定板的上方旋入并与中测杆12接触。
位移测量系统采用千分表、电阻位移传感器、电感位移传感器、容栅位移传感器等都可以测量曲面测量仪中测脚的位移，但是都存在一些缺点，因此本发明采用光栅位移传感器，由于电子细分电路的性能和光栅信号质量相结合可得到所需位移的最小读数，即使采用光栅的合理刻线密度与中等细分相结合的方法，也比前述的几种位移传感器的测量精度高得多，本发明是融入光栅技术的新型曲面测量仪，其整体电路原理见图3，它是由光栅传感器、电子细分电路、微处理器、液晶显示器、存储器USB接口、PC机及辅助电路(直流稳压器、键盘等)组成，光栅传感器的位移信号进行电子细分、放大、送入微处理器，并对得出的位移数值通过运算程序计算出曲率半径值，之后通过液晶屏显示出来，同时存储到存储器中，以便传输到计算机中进行进一步处理，下面介绍电路的各个部分
液晶显示器液晶显示器(LCD)是单片机系统常用的输出设备，与LED相比功耗低，且可显示丰富的字符、汉字、图形，LCD分为字符LCD和点阵绘图LCD两种类型，本系统采用点阵绘图型液晶显示器，其内部分为行驱动器和列驱动器，其内部结构如图4所示。
USB接口USB的出现不仅解决了I/O插口不够的问题，而且建立了一条连接和访问外设更有效的方法，这些方法可以有效地减少总体成本，增加可连接的外设数目，简化设备的连接和配置。
USB总线属于一种新型高速的通用串行总线，主机控制端口初始化所有的数据传输，按照传输前制定好的原则，在每次传送开始时，主机控制器发送一个用于描述传输的种类和方向，USB设备地址和终端的USB数据包，USB设备从解码后的数据包的适当位置取出属于自己的数据，在传输开始时，由标志包来标志数据的传输方向，然后发送端开始发送包含信息的数据包或表明没有数据传送；接收端也相应地发送一个握手的数据包，表明是否传送成功；发送端和接收端之间的USB数据传输，存在流和消息两种类型的通道，流的数据不像消息的数据，它没有USB所定义的结构，而且通道与数据带宽、传送服务类型、端口特性(如方向和缓冲区大小)有关，多数通道在USB设备设置完成后即存在。
辅助电路辅助电路主要是电源稳压器电路和键盘电路。
程序设计固件设计固件就是整个单片机程序，它主要完成外围电路的初始化、光栅传感器的数据采集、液晶显示器的数据显示、数据的存储及USB协议标准请求处理等，在程序设计中为保证曲面测量仪的测量计算精度，在曲率计算公式中采用浮点数据类型，计算量非常大，而且要求处理速度特别快，本发明专利的固件设计流程如图5所示，其中图5(a)是固件主体循环流程图，图5(b)是时间中断服务流程图，图5(c)是USB接口中断服务流程图，主要结构是前台的主循环和后台的中断服务程序，为固件定义了两个重要的数据结构事件标志和数据缓冲区，它们是主循环和中断服务流程之间的桥梁，两者之间的数据交换通过它们来实现，其任务分配为ISR负责数据计算、液晶显示和USB控制器的操作，人机接口采用菜单式的按键操作，虽然只有4个按键，却能实现很多功能，四个按键分别定义为菜单上翻键、菜单下翻键、功能键1和功能键2，能实现位移的测量、曲率的测量、存储和曲面测量仪设置等功能。
USB控制器固件设计USB控制器固件主要是实现设备枚举和数据传输两个功能。
本发明的有益效果是1).仪器结构简单，易于批量加工制造，造价低，周转快和市场用量大。
2).既可测量凸面和凹面的曲率，也可测量孔的深度和凸起的高度；既可携带至待测厂所，对中小型零件进行测量，也可安装在固定厂所，对大型零件进行测量。
3).测量精度高，操作简便，对操作人员无很高的技术要求，而且无公害和环境污染。
图1(a)凸型曲面球状测头测量几何原理图、1(b)凹型曲面球状测头测量几何原理图。
图2(a)曲面测量仪主视图；图2(b)为图2(a)的A-A剖视图；图2(c)为图2(b)的B-B剖视图；图2(d)为图2(a)的C-C剖视图；图2(e)为图2(a)的D-D剖视图。
图3曲面测量仪电路结构总图。
图4 LCD内部结构图。
图5(a)固件主循环流程图；图5(b)时间中断服务流程图；图5(c)USB接口中断服务流程图。
图6单片机及辅助电路图。
图7USB控制器PDIUSBD12电路图。
图8(a)凹型曲面针状测头测量几何原理图；图8(b)凸型曲面针状测头测量几何原理图；图8(c)两侧张角与中间高度差定位图。
其中1.钢球 2.左测脚 3.锁紧螺钉 4.左测杆 5.左齿轮轴套 6.前固定压板7.前固紧螺钉 8.光栅传感器 9.导线 10.显示器 11.上固定板 12.中测杆 13.右测杆 14.右测脚 15.中测脚 16.后固定压板 17.左齿轮轴 18.下封盖 19.左齿轮20.后固紧螺钉 21.测杆固紧螺钉 22.橡胶垫片
具体实施例方式下面结合附图所示实施例进一步说明本发明的具体内容及其使用方法。
测量仪的机械结构测量仪的机械结构如图2(a)～2(e)所示，可根据被测对象的大小，按系列设计制造。
光栅传感器本发明采用成都远恒精密测控公司的TG110光栅测微传感器，也可以根据需要选择德国海登哈思公司所制造的密封式透射光栅测量系列的传感器。
单片机单片机选用C8051F020如图6所示，C8051F020单片机内部集成程序和数据存储器，功能齐全，性能优异，是真正的混合信号片上系统，它已位于基于标准的8051器件的单片机系统更新换代的前沿，将在仪器仪表、工业控制、嵌入式Internet等领域获得广泛的应用，它的整体性能超过了很多16位单片机和一些低速的16位DSP器件。
液晶显示屏本发明专利的液晶显示屏选用深圳瑞特电子有限公司的RT12864I，具体包括指令寄存器(IR)、数据寄存器(DR)、忙标志(BF)、显示控制触发器(DFF)、XY地址计数器、显示数据RAM(DDRAM)和Z地址计数器。
由于液晶屏的驱动电压为5V，当液晶显示屏和C8051F020连接时，就存在电压不匹配，虽然C8051F020单片机的数字输入是5V兼容的，但输出的最大电压值为VDD 2.7V到3.6V，如果5V器件需要一个高于该VDD的输入电压才能工作，则需要进行额外的配置，为了提供一个比VDD高的输入电压值，我们将端口引脚的输出方式设置为漏极开路，并将输出端通过一个上拉电阻接到5V电源，这样一来C8051F020的逻辑1输出将被提升到5V，而逻辑0为地电平，C8051F020复位后端口引脚的缺省设置为漏极开路。
IR是用来寄存指令码，与数据寄存器寄存数据相对应，当D/I＝1时，在E信号下降沿的作用下，指令码写入IR；DR是用来寄存数据的，与指令寄存器寄存指令相对应，当D/I＝1时，在E信号的下降沿作用下，图形显示数据写入DR，或在E信号高电平作用下由DR读到DB7~DB0数据总线，DR和DDRAM之间的数据传输是模块内部自动执行的；BF标志提供内部工作情况。BF＝1表示模块在进行内部操作，此时模块不接受外部指令和数据；BF＝0时，模块为准备状态，随时可接受外部指令和数据。利用STATUS READ指令，可以将BF读到DB7总线，从而检验模块之工作状态；DDF是用于模块屏幕显示开和关的控制，DFF＝1为开，显示(DISPLAY ON)，DDRAM的内容就显示在屏幕上，DDF＝0为关，显示(DISPLAY OFF)；DDF的状态是指令DISPLAY ON/OFF和RST信号控制的；XY地址计数器是一个9位计数器，高三位是X地址计数器，低6位为Y地址计数器，XY地址计数器实际上是作为DDRAM的地址指针，X地址计数器为DDRAM的页指针，Y地址计数器为DDRAM的Y地址指针，X地址计数器是没有记数功能的，只能用指令设置。Y地址计数器具有循环记数功能，各显示数据写入后，Y地址自动加1，Y地址指针从0到63；DDRAM是存贮图形显示数据的，数据为1表示显示选择，数据为0表示显示非选择，DDRAM与地址和显示位置的关系见DDRAM地址表；Z地址计数器是一个6位计数器，此计数器具备循环记数功能，它是用于显示行扫描同步。当一行扫描完成，此地址计数器自动加1，指向下一行扫描数据，RST复位后Z地址计数器为0。
USB接口控制器新型曲面测量仪USB接口控制芯片选用PHILIPS公司的PDIUSBD12器件(如图7所示)，PDIUSBD12完全符合USB1.1规范也能适应大多数设备类规范的设计，如成像类、大容量存储类、通信类、打印类和人工输入设备等。因此PDIUSBD12非常适合做很多外围设备如打印机、扫描仪、外部大容量存储器Zip驱动器和数码相机等。现在用SCSI实现的很多设备如果用USB来实现，可以直接降低成本。PDIUSBD12挂起时的低功耗以及LazyClock输出符合ACPI OnNOW和USB电源管理设备的要求，低功耗工作允许实现总线对外围设备供电；PDIUSBD12还集成了像SoftConnect、GoodLink、可编程时钟输出、低频晶振和终端电阻等特性。所有这些特性都能在系统实现时节省成本，同时在外围设备上很容易实现更高级的USB功能。
PDIUSBD12PDIUSBD12内部结构由模拟收发器、电压调整器、PLL、位时钟恢复电路、PHILIPS串行接口引擎、SoftConnect、GoodLink、存储器管理单元(MMU)和集成RAM、并行和DMA接口和DMA传输组成。
端点描述PDIUSBD12的端点适用于不同类型的设备，例如图像打印机海量存储器和通信设备端点可通过Set Mode命令配置为4种不同的模式模式0(Non-ISO) 模式非同步传输模式1(ISO-OUT) 模式同步输出传输模式2(ISO-IN) 模式同步输入传输模式3(ISO-IO) 模式同步输入输出传输辅助电路1)电源稳压电路，新型曲面测量仪采用电池或220V市电变压后来供电，体积小且重量轻，工作电压为7V~16V。在这个电路中，C8051F020单片机和USB控制器PDIUSBD12使用的3.3V低电压，液晶屏使用的是5V电压，在电路中我们采用AMS1117和LM7805两种型号的稳压器件，保证了电路的运行稳定、可靠。
2)键盘，键盘是系统中的一个重要的外部设备，它向单片机系统发布命令，传输数据。在本系统中，我们采用独立连接式非编码键盘，每个按键接一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态，按键时，程序采用轮询方式，在去抖问题上采用时间延时，这样就避免了USB接口在批量传输数据的时候的中断影响。单片机根据键码查表，转到对应的处理程序入口，执行相应的操作。
本发明的测量方法是工件凸起高度和孔深的测量由图1(a)或图1(b)可知，当凸起外缘的半径或凹孔的半径小于d时，先将测量仪调零，然后将两测脚支在凸起的外缘或凹孔的外围，测得+Δh或-Δh，在显示器显示的值便为凸起高度或孔深的数值；当凸起外缘或孔的外缘半径大于d时，先将左右测脚适当张开，并置于平板玻璃上调零，同理可测得凸起高度或孔深。
曲率和曲率半径的测量由图1(a)或图1(b)可知，由于r、d和l0均为已定，并固设在测量程序中，在测量前先将左右测脚张开到适当位置，在平板玻璃上调零，便可测得△h，然后再将其置于被测的曲面，即可测得h′，如果被测的是凸型曲面，根据(21)式，经本发明的测量系统和程序运算便可在显示器上显示出曲率或曲率半径的数值；同理根据(22)式，在显示器上便显示出凹型曲面的曲率和曲率半径的数值；本发明的新型曲面测量仪具有数据储存、运算和处理能力，在被测件的任意方向可截出一条曲线，该曲线可以通过上述的方法连续多点测量便能求得各点曲率的数值，若将其输入计算机，该曲线的几何形状便显示出来。
权利要求
1.曲面测量仪是由机械部件、测量系统和显示器组成，其特征在于机械部件中的测脚(2、15、14)分别装在测杆(4、12、13)上，左、右测杆(4、13)分别紧固在两端装有齿轮的左、右齿轮轴的中间，左、右齿轮轴上的对应齿轮相互啮合，中测杆(12)旋紧在上固定板(11)中，齿轮轴装在固定压板上的轴套内，固定压板与上固定板(11)固定，测量系统中的位移测量采用光栅位移传感器(8)，它装在中测杆(12)中，其位移信号经电子细分电路细分、放大送入微处理器进行程序运算，计算结果通过显示器(10)显示并存储在存储器中，测量完毕，测量数据通过USB接口传输到计算机中进一步处理。
2.根据权利要求1所述的曲面测量仪，其特征在于所说的测脚(2、15、14)的测头为球形。
3.根据权利要求1所述的曲面测量仪，其特征在于所说的程序包括负责曲面测量仪的初始化及按键轮询响应得固件主体循环程序、负责数据计算、液晶显示的时间中断服务程序和负责USB控制芯片的通信的USB接口中断服务程序。
全文摘要
本发明特别是涉及一种精确测量任意凸凹曲面曲率半径或曲率的测量仪器。它由机械部件、测量系统和显示器组成，机械部件中的测脚分别装在测杆上，左、右测杆分别紧固在两端装有齿轮的左、右齿轮轴的中间，左、右齿轮轴上的对应齿轮相互啮合，中测杆旋紧在上固定板中，齿轮轴装在固定压板上的轴套内，固定压板与上固定板固定，测量系统中的位移测量采用光栅位移传感器，它装在中测杆中，其位移信号经电子细分电路细分、放大送入微处理器进行程序运算，计算结果通过显示器显示并存储在存储器中，测量完毕，测量数据通过USB接口传输到计算机中进一步处理。测脚采用球形测头。本发明与已有测量仪相比具有结构简单、测量精度高、便于批量生产等特点。
文档编号G01B11/255GK1699919SQ20051001686
公开日2005年11月23日 申请日期2005年6月13日 优先权日2005年6月13日
发明者宋玉泉, 李达, 杨申申, 俞卿云, 管志平 申请人:吉林大学