专利名称：高精度大圆弧半径测量仪及其测量方法
技术领域：
本发明涉及一种大圆弧半径测量仪，尤其是一种大尺寸内外圆弧 半径测量仪的改进，同时设计使用该测量仪进行测量的方法，属于检 测工具纟支术领域。
背景技术：
为了在生产现场测量大尺寸内外圓弧半径，需要采用圓弧半径测 量仪、多功能游标卡尺等专用工具。实践证明，现有此类测量工具都
存在准确度不高的问题。通常，对于10米半径的大圆弧，测量误差
至少有几个毫米。
发明人在进行了大量检索后发现，申请号为92205678.1的中国 专利公开了一种大尺寸多功能检测仪，它是由指示表、导管、弓形架、 活动测头和两个固定测头组成。该专利所揭示的大尺寸多功能检测仪 采用"弦高法"原理测量大圆弧半径。即通过测量一段圓弧的弦长和 弦高，计算得到大圓弧的半径。设被测圓弧直径为D,球形固定测量 头直径为d,两球形固定测头中心点间的距离为L，由指示表测得的 被测圓弧段中心点至两测量头中心连线的距离即弦高为h ,则被测量 内、外圓弧直径的计算公式如下
<formula>formula see original document page 4</formula> (式一)
<formula>formula see original document page 4</formula>落 (式二)
由计算公式可知，上述检测仪测量大圓弧半径在进行现场测量 时，参量结果的不确定度主要来源于四个方面 一是弦长L不准；二 是弦高h不准；三是球形测头直径d不准；四是由于各种随机因素影响使读数不重复。
因此，上述检测仪的结构和测量原理存在以下主要缺陷 1 、两球形测量头中心距离即弦长L不易测准； 2、指示器应在两弦的中垂线上测量弦高，但固定式结构使得其 定位准确度不高；
3 、球形测头直径d不易测准；
4 、测量者把持测量仪不稳造成高精度指示器示值频繁跳动； 5、固定式结构不利于精密调整和周期校准。
此外，其球形测头制造中要达到高精度比较困难，制造成本也相 对较高；使用中的固定式球形测头存在无法克服自身磨损(特别是非 均匀性磨损)的弊端，此外弓形架变形也会对测量结构产生不利影响。
发明内容
本发明的目的在于针对以上现有技术存在的缺点，提出一种可 以提高测量准确度的高精度大圓弧半径测量仪，同时给出其测量使用 方法。
为了达到以上目的，本发明的高精度大圆弧半径测量仪包括拱形 架、垂直安插在拱形架长度方向中央的指示表、安置在拱形架中部附 近的水平泡，所述拱形架的两端分别装有测量头，所述测量头的下端 成与拱形架长度方向垂直的水平刀刃形，所述拱形架的端面与测量头 之间垫有可上下移位调节的楔形微调块。
使用时，按以下步骤进行测量
1) 、调节拱形架两端微调块的上下位置，使指示表下端的测量点恰好 位于两测量头下端刃口水平连线的中央；
2) 、测量两测量头刃口之间的水平距离(即弦长L);
3) 、通过观察拱形架上的水平泡，将测量仪以指示表下端垂直向下的方式，并依靠两端测量头下端的刀刃自立支撑在待测大圓弧上；
4) 、用指示表测量待测大圓弧的弦高h;
5) 、根据测得的弦长L和弦高h,按下式计算待测大圓弧的半径R:
8h 2 (式三) 在测量(10000 ± 4)mm大圓弧半径，弦长L-lm时，理i仑上
形等因素的影响，圓柱形测量头的弦长测量误差不可能控制在±
0. 005mm以内，至少为± 0. 05mm;弦长的变化使得指示器不能在半径 方向上测量，造成的弦高误差至少为士ljam(与指示器误差合并为±
1. 2 m m );手持抖动等使得测量重复性误差也不可能控制在± 0. 0005 mm以内，才艮据经一验至少为± 0. 02mm，测量不确定度计算如下
uc =V(20x28.9)' +(799.5x0.69)' +(799.5x11.5)」=9229, 取k4.96,贝'J Uc =kuc = 1.96x9229 18089戶^ 18mm
由于实际测量的不确定度只能达到18mm左右，显然不能满足测 量(10000 ±4) mm大圓弧半径的要求。
本发明测量仪的测量不确定度，实际使用时弦长测量误差完全可 以控制在± 0. 01mm以内，测量重复性也可以控制在± 0. 001mm以内， 选用准确度优于土ljum的指示器，此时
uc = V(20 x 5.8)2 + (799.5 x 0.58)2 + (799.5 x 0.58)2 = 666.0戶 耳又k-1.96，贝'J Uc =kuc =1.96x666.0 1305.4//m 1.3mm
显然，能很好地满足测量(10000 ± 4 ) mm的大圓弧半径的要求。 总之，采用本发明后，由于与式一、式二相比，式三中没有d项， 所以首先从原理上消除了现有技术中球形测头半径d误差对测量结 果的影响；其次，借助微调块可以方便、精确地调节测量头刀刃相对指示表的对称度及间距，得到计算圓弧半径所需的弦长L的精确值，
且测量弦高h时的定位更加精准，因而最终求得的R值更加准确。另 外，测量头的刀刃结构还使测量仪可以自立安置在被测物上，不需手 扶，没有抖动，从而进一步使得测量结果的可重复性大大提高。结果， 使得本发明测量仪的测量精度明显提高。而本发明测量仪的刀刃形测 量头显然便于制造、修磨和调整，因此使得本发明具有生产成本低， 使用寿命长等优点。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明一个实施例的结构示意图。 图2为图1实施例测量头部分的放大结构示意图。 图3A和图3B分别为图1实施例测量刀刃主视和侧视结构示意图。
图4A和图4B分别为图1实施例微调块主视和侧视结构示意图。
图5为图1实施例拱形架结构示意图。
图6为图1实施例铜套结构示意图。
图7为图1实施例用于外圆弧半径测量示意图。
图8为图1实施例用于内圓弧半径测量示意图。
具体实施方式
实施例一
本实施例的高精度大圓弧半径测量仪如图1所示，拱形架1长度 方向正中的垂直孔中镶有沿其母线开槽的铜套3 (参见图6)，其中安 插指示表4 (选用最大允许误差士O. 2jum的位移传感器)的测量杆， 开槽的铜套3的上下两端分别制有间隔距离等于拱形架1中部厚度的 翻边，因此可以4艮方便地收缩直径后装入拱形架1正中的垂直孔中， 再回弹定位。该铜套也可以只在上端制有翻边，直接插入垂直孔中就位。螺钉2用于将其紧定。拱形架1正中附近安置水平泡5。拱形架 1的两端面分别装有硬质合金钢磨制的测量头6,如图3A和图3B所 示，其整体由垂直段和水平段构成，呈倒T形，垂直段开有腰形槽， 可以调节高低，下部的水平段下端成刀刃形。拱形架l的端面与测量 头6之间垫有两片可分別上下移位的楔形微调块7,其宽度与测量头 6垂直段宽度相等，中部也开有用于调节高低的腰形槽(参见图4A 和图4B)，两微调块的楔角1° ，方向相反，这样可以保持测量头始 终垂直，有利于保证测量精度(微调块的楔角方向也可相同，此时两 测量头的安装面不平行，调节幅度比楔角方向相反时更大些)。拱形 架1两端开有与测量头6和微调块7宽度相配的垂向槽，正好将测量 头6和微调块7嵌入其中。紧固螺钉8穿过测量头6和两微调块7的 腰形槽，将其固定在拱形架l端头(参见图2)。
测量时，将测量仪立于平板(尺)之上，调节测量头的上下位置， 以及拱形架两端微调块的上下位置，使弓形架上的水平泡恰好位于其 中心，同时指示表下端的测量点恰好位于两测量头下端刃口水平连线 的中央，且在垂直于该连线的方向上进行测量。具体可以参照以下步 骤进行
1) 、调好拱形架两端微调块的上下位置，并精密调整指示表测量点到 两测量头刀刃间的距离，使指示表测量点恰好位于两测量刀刃连线的 中央，且左、右侧刀刃均应垂直于该连线；
2) 、精确测量两测量头刃口之间的水平距离(即弦长L);
3) 、通过观察拱形架上的水平泡，将测量仪以指示表下端垂直向下的 方式，并依靠两端测量头下端的刀刃自立支撑在待测大圓弧上；
4) 、用平尺或平板，必要时配合使用量块校对指示表零位后，用指示 表测量待测大圓弧的弦高h;5)、根据测得的弦长L和弦高h,按下式计算待测大圆弧的半径R: 8h 2
实测一种连铸机对弧样板R外=(10500 ± 4 ) mm, R内=(10285 ±4) mm。由于一般要求测量系统的误差是被测对象最大允许误差的 1/3 ~ 1/10,所以要求测量仪的最大允许误差为1.3mm。现有测量仪 均不能满足如此高的测量要求。为了达到现场大圆弧工件或样件圓弧 半径较为精确测量的目的，采用本发明测量仪进行测量。外圓弧9半 径测量如图7所示，内圓弧10半径测量如图8所示。
取弦长L-lm (计算R时使用其实测值)，指示器4选用准确度士 0. 2 nm的位移传感器，弦长测量误差控制在0. 005mm以内，测量重 复性控制在0. 0005 mm以内，均设为均匀分布。测量结果分别为R 外=10504. 597mm和R内=10282. 645 mm。
以R40m,近似计算其测量结果的不确定度
数学模型:
灵敏度系数:
R丄2 8h 2
C(h),1 L'
2 8h'
C(L) = H 4h
弦长I^lm时，弦高11=12. 5mm, C(h)=799.5, C(L)=20。 uc = V(20x 2.9)2 +(799,5x0.12)2 + (799.5 x 0.29)2 258〃m
耳又k4.96,则Uc =kuc =1.96x258 500戶=0.5mm
可见，本实施例中，大圓弧半径的测量不确定度能够达到0. 5mm，
完全满足半径10m左右，最大允许误差± 4隱的大圓弧半径的现场精
密测量要求。
实践证明，采用本实施例的测量仪测量大圓弧半径，由于其刀刃形可调节测量头结构及其使用方法与上述现有检测工具完全不同，因 此在弦长和弦高的测量准确度，以及测量重复性方面均有明显改善， 可以很容易地将大圆弧半径的现场测量准确度提高近一个数量级。如
半径10米左右的大圓弧，其测量不确定度可减小到0. 5毫米。因此， 本测量仪非常适合于现场校准半径1 ~ 30米或以上，测量准确度要求 高的内、外圓弧半径。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替 换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
权利要求
1、一种高精度大圆弧半径测量仪，包括拱形架、垂直安插在拱形架长度方向中央的指示表、安置在拱形架中部附近的水平泡，所述拱形架的两端分别装有测量头，其特征在于所述测量头的下端成与拱形架长度方向垂直的水平刀刃形，所述拱形架的端面与测量头之间垫有可上下移位调节的楔形微调块。
2、 根据权利要求1所述的高精度大圓弧半径测量仪，其特征在 于所述拱形架的端面与测量头之间垫有两片可分别上下移位调节的 楔形微调块，所述两微调块的楔角度数相等、方向相反。
3、 根据权利要求1或2所述的高精度大圓弧半径测量仪，其特 征在于所述测量头整体由垂直段和水平段构成，呈倒T形，所述垂 直段开有腰形槽，下部的水平段下端成刀刃形。
4、 根据权利要求3所述的高精度大圓弧半径测量仪，其特征在 于所述微调块宽度与测量头垂直段宽度相等，中部开有腰形槽。
5、 根据权利要求4所述的高精度大圓弧半径测量仪，其特征在 于所述拱形架两端面开有与测量头和微调块宽度相配的垂向槽，所 述测量头和微调块嵌入其中固定。
6、 根据权利要求5所述的高精度大圓弧半径测量仪，其特征在 于所述拱形架长度方向正中的垂直孔中镶有铜套，其中安插指示表， 所述铜套沿其母线开槽，至少上端制有翻边。
7、 根据权利要求6所述的高精度大圓弧半径测量仪，其特征在 于所述铜套上下两端分别制有间隔距离等于拱形架中部厚度的翻 边。
8、 根据权利要求1所述高精度大圆弧半径测量仪的测量方法，其特征在于包括以下步骤[1)、调节拱形架两端微调块的上下位置，使指示表下端的测量点恰好位于两测量头下端刃口水平连线的中央；[2 )、测量两测量头刃口之间的水平距离即弦长L;[3) 、通过观察拱形架上的水平泡，将测量仪以指示表下端垂直向下的 方式，并依靠两端测量头下端的刀刃自立支撑在待测大圓弧上；[4) 、用指示表测量待测大圓弧的弦高h;[5 )、根据测得的弦长L和弦高h,按下式计算待测大圓弧的半径R:<formula>formula see original document page 0</formula>
9、根据权利要求8所述的高精度大圆弧半径测量仪的测量方法， 其特征在于所述步骤4)之前，先用平尺或平板，配合使用量块校 对指示表零位。
全文摘要
本发明涉及一种高精度大圆弧半径测量仪，同时还涉及其测量使用方法，属于检测工具技术领域。该测量仪包括拱形架、垂直安插在拱形架长度方向中央的指示表、安置在拱形架中部附近的水平泡，拱形架的两端分别通过紧固件装有测量头，测量头的下端成与拱形架长度方向垂直的水平刀刃形，拱形架的端面与测量头之间垫有两片可分别上下移位的楔形微调块，两微调块的楔角方向相同或相反。采用本发明后，测量精度明显提高。且本发明测量仪的刀刃形测量头显然便于制造、修磨和调整，因此使得本发明具有生产成本低，使用寿命长等优点。
文档编号G01B5/08GK101451805SQ20071019066
公开日2009年6月10日 申请日期2007年11月28日 优先权日2007年11月28日
发明者燕 陈, 燕 黄 申请人:上海梅山钢铁股份有限公司