專利名稱：高精度大圓弧半徑測(cè)量?jī)x及其測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大圓弧半徑測(cè)量?jī)x，尤其是一種大尺寸內(nèi)外圓弧 半徑測(cè)量?jī)x的改進(jìn)，同時(shí)設(shè)計(jì)使用該測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量的方法，屬于檢 測(cè)工具纟支術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
為了在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量大尺寸內(nèi)外圓弧半徑，需要采用圓弧半徑測(cè) 量?jī)x、多功能游標(biāo)卡尺等專用工具。實(shí)踐證明，現(xiàn)有此類測(cè)量工具都
存在準(zhǔn)確度不高的問(wèn)題。通常，對(duì)于10米半徑的大圓弧，測(cè)量誤差
至少有幾個(gè)毫米。
發(fā)明人在進(jìn)行了大量檢索后發(fā)現(xiàn)，申請(qǐng)?zhí)枮?2205678.1的中國(guó) 專利公開(kāi)了一種大尺寸多功能檢測(cè)儀，它是由指示表、導(dǎo)管、弓形架、 活動(dòng)測(cè)頭和兩個(gè)固定測(cè)頭組成。該專利所揭示的大尺寸多功能檢測(cè)儀 采用"弦高法"原理測(cè)量大圓弧半徑。即通過(guò)測(cè)量一段圓弧的弦長(zhǎng)和 弦高，計(jì)算得到大圓弧的半徑。設(shè)被測(cè)圓弧直徑為D,球形固定測(cè)量 頭直徑為d,兩球形固定測(cè)頭中心點(diǎn)間的距離為L(zhǎng)，由指示表測(cè)得的 被測(cè)圓弧段中心點(diǎn)至兩測(cè)量頭中心連線的距離即弦高為h ,則被測(cè)量 內(nèi)、外圓弧直徑的計(jì)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)
由計(jì)算公式可知，上述檢測(cè)儀測(cè)量大圓弧半徑在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量 時(shí)，參量結(jié)果的不確定度主要來(lái)源于四個(gè)方面 一是弦長(zhǎng)L不準(zhǔn)；二 是弦高h(yuǎn)不準(zhǔn)；三是球形測(cè)頭直徑d不準(zhǔn)；四是由于各種隨機(jī)因素影響使讀數(shù)不重復(fù)。
因此，上述檢測(cè)儀的結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理存在以下主要缺陷 1 、兩球形測(cè)量頭中心距離即弦長(zhǎng)L不易測(cè)準(zhǔn)； 2、指示器應(yīng)在兩弦的中垂線上測(cè)量弦高，但固定式結(jié)構(gòu)使得其 定位準(zhǔn)確度不高；
3 、球形測(cè)頭直徑d不易測(cè)準(zhǔn)；
4 、測(cè)量者把持測(cè)量?jī)x不穩(wěn)造成高精度指示器示值頻繁跳動(dòng)； 5、固定式結(jié)構(gòu)不利于精密調(diào)整和周期校準(zhǔn)。
此外，其球形測(cè)頭制造中要達(dá)到高精度比較困難，制造成本也相 對(duì)較高；使用中的固定式球形測(cè)頭存在無(wú)法克服自身磨損(特別是非 均勻性磨損)的弊端，此外弓形架變形也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，提出一種可 以提高測(cè)量準(zhǔn)確度的高精度大圓弧半徑測(cè)量?jī)x，同時(shí)給出其測(cè)量使用 方法。
為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明的高精度大圓弧半徑測(cè)量?jī)x包括拱形 架、垂直安插在拱形架長(zhǎng)度方向中央的指示表、安置在拱形架中部附 近的水平泡，所述拱形架的兩端分別裝有測(cè)量頭，所述測(cè)量頭的下端 成與拱形架長(zhǎng)度方向垂直的水平刀刃形，所述拱形架的端面與測(cè)量頭 之間墊有可上下移位調(diào)節(jié)的楔形微調(diào)塊。
使用時(shí)，按以下步驟進(jìn)行測(cè)量
1) 、調(diào)節(jié)拱形架兩端微調(diào)塊的上下位置，使指示表下端的測(cè)量點(diǎn)恰好 位于兩測(cè)量頭下端刃口水平連線的中央；
2) 、測(cè)量?jī)蓽y(cè)量頭刃口之間的水平距離(即弦長(zhǎng)L);
3) 、通過(guò)觀察拱形架上的水平泡，將測(cè)量?jī)x以指示表下端垂直向下的方式，并依靠?jī)啥藴y(cè)量頭下端的刀刃自立支撐在待測(cè)大圓弧上；
4) 、用指示表測(cè)量待測(cè)大圓弧的弦高h(yuǎn);
5) 、根據(jù)測(cè)得的弦長(zhǎng)L和弦高h(yuǎn),按下式計(jì)算待測(cè)大圓弧的半徑R:
8h 2 (式三) 在測(cè)量(10000 ± 4)mm大圓弧半徑，弦長(zhǎng)L-lm時(shí)，理i侖上
形等因素的影響，圓柱形測(cè)量頭的弦長(zhǎng)測(cè)量誤差不可能控制在±
0. 005mm以內(nèi)，至少為± 0. 05mm;弦長(zhǎng)的變化使得指示器不能在半徑 方向上測(cè)量，造成的弦高誤差至少為士ljam(與指示器誤差合并為±
1. 2 m m );手持抖動(dòng)等使得測(cè)量重復(fù)性誤差也不可能控制在± 0. 0005 mm以內(nèi)，才艮據(jù)經(jīng)一驗(yàn)至少為± 0. 02mm，測(cè)量不確定度計(jì)算如下
uc =V(20x28.9)' +(799.5x0.69)' +(799.5x11.5)」=9229, 取k4.96,貝'J Uc =kuc = 1.96x9229 18089戶^ 18mm
由于實(shí)際測(cè)量的不確定度只能達(dá)到18mm左右，顯然不能滿足測(cè) 量(10000 ±4) mm大圓弧半徑的要求。
本發(fā)明測(cè)量?jī)x的測(cè)量不確定度，實(shí)際使用時(shí)弦長(zhǎng)測(cè)量誤差完全可 以控制在± 0. 01mm以內(nèi)，測(cè)量重復(fù)性也可以控制在± 0. 001mm以內(nèi)， 選用準(zhǔn)確度優(yōu)于土ljum的指示器，此時(shí)
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，貝'J Uc =kuc =1.96x666.0 1305.4//m 1.3mm
顯然，能很好地滿足測(cè)量(10000 ± 4 ) mm的大圓弧半徑的要求。 總之，采用本發(fā)明后，由于與式一、式二相比，式三中沒(méi)有d項(xiàng)， 所以首先從原理上消除了現(xiàn)有技術(shù)中球形測(cè)頭半徑d誤差對(duì)測(cè)量結(jié) 果的影響；其次，借助微調(diào)塊可以方便、精確地調(diào)節(jié)測(cè)量頭刀刃相對(duì)指示表的對(duì)稱度及間距，得到計(jì)算圓弧半徑所需的弦長(zhǎng)L的精確值，
且測(cè)量弦高h(yuǎn)時(shí)的定位更加精準(zhǔn)，因而最終求得的R值更加準(zhǔn)確。另 外，測(cè)量頭的刀刃結(jié)構(gòu)還使測(cè)量?jī)x可以自立安置在被測(cè)物上，不需手 扶，沒(méi)有抖動(dòng)，從而進(jìn)一步使得測(cè)量結(jié)果的可重復(fù)性大大提高。結(jié)果， 使得本發(fā)明測(cè)量?jī)x的測(cè)量精度明顯提高。而本發(fā)明測(cè)量?jī)x的刀刃形測(cè) 量頭顯然便于制造、修磨和調(diào)整，因此使得本發(fā)明具有生產(chǎn)成本低， 使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為圖1實(shí)施例測(cè)量頭部分的放大結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3A和圖3B分別為圖1實(shí)施例測(cè)量刀刃主視和側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4A和圖4B分別為圖1實(shí)施例微調(diào)塊主視和側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為圖1實(shí)施例拱形架結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為圖1實(shí)施例銅套結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7為圖1實(shí)施例用于外圓弧半徑測(cè)量示意圖。
圖8為圖1實(shí)施例用于內(nèi)圓弧半徑測(cè)量示意圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例一
本實(shí)施例的高精度大圓弧半徑測(cè)量?jī)x如圖1所示，拱形架1長(zhǎng)度 方向正中的垂直孔中鑲有沿其母線開(kāi)槽的銅套3 (參見(jiàn)圖6)，其中安 插指示表4 (選用最大允許誤差士O. 2jum的位移傳感器)的測(cè)量桿， 開(kāi)槽的銅套3的上下兩端分別制有間隔距離等于拱形架1中部厚度的 翻邊，因此可以4艮方便地收縮直徑后裝入拱形架1正中的垂直孔中， 再回彈定位。該銅套也可以只在上端制有翻邊，直接插入垂直孔中就位。螺釘2用于將其緊定。拱形架1正中附近安置水平泡5。拱形架 1的兩端面分別裝有硬質(zhì)合金鋼磨制的測(cè)量頭6,如圖3A和圖3B所 示，其整體由垂直段和水平段構(gòu)成，呈倒T形，垂直段開(kāi)有腰形槽， 可以調(diào)節(jié)高低，下部的水平段下端成刀刃形。拱形架l的端面與測(cè)量 頭6之間墊有兩片可分別上下移位的楔形微調(diào)塊7,其寬度與測(cè)量頭 6垂直段寬度相等，中部也開(kāi)有用于調(diào)節(jié)高低的腰形槽(參見(jiàn)圖4A 和圖4B)，兩微調(diào)塊的楔角1° ，方向相反，這樣可以保持測(cè)量頭始 終垂直，有利于保證測(cè)量精度(微調(diào)塊的楔角方向也可相同，此時(shí)兩 測(cè)量頭的安裝面不平行，調(diào)節(jié)幅度比楔角方向相反時(shí)更大些)。拱形 架1兩端開(kāi)有與測(cè)量頭6和微調(diào)塊7寬度相配的垂向槽，正好將測(cè)量 頭6和微調(diào)塊7嵌入其中。緊固螺釘8穿過(guò)測(cè)量頭6和兩微調(diào)塊7的 腰形槽，將其固定在拱形架l端頭(參見(jiàn)圖2)。
測(cè)量時(shí)，將測(cè)量?jī)x立于平板(尺)之上，調(diào)節(jié)測(cè)量頭的上下位置， 以及拱形架兩端微調(diào)塊的上下位置，使弓形架上的水平泡恰好位于其 中心，同時(shí)指示表下端的測(cè)量點(diǎn)恰好位于兩測(cè)量頭下端刃口水平連線 的中央，且在垂直于該連線的方向上進(jìn)行測(cè)量。具體可以參照以下步 驟進(jìn)行
1) 、調(diào)好拱形架兩端微調(diào)塊的上下位置，并精密調(diào)整指示表測(cè)量點(diǎn)到 兩測(cè)量頭刀刃間的距離，使指示表測(cè)量點(diǎn)恰好位于兩測(cè)量刀刃連線的 中央，且左、右側(cè)刀刃均應(yīng)垂直于該連線；
2) 、精確測(cè)量?jī)蓽y(cè)量頭刃口之間的水平距離(即弦長(zhǎng)L);
3) 、通過(guò)觀察拱形架上的水平泡，將測(cè)量?jī)x以指示表下端垂直向下的 方式，并依靠?jī)啥藴y(cè)量頭下端的刀刃自立支撐在待測(cè)大圓弧上；
4) 、用平尺或平板，必要時(shí)配合使用量塊校對(duì)指示表零位后，用指示 表測(cè)量待測(cè)大圓弧的弦高h(yuǎn);5)、根據(jù)測(cè)得的弦長(zhǎng)L和弦高h(yuǎn),按下式計(jì)算待測(cè)大圓弧的半徑R: 8h 2
實(shí)測(cè)一種連鑄機(jī)對(duì)弧樣板R外=(10500 ± 4 ) mm, R內(nèi)=(10285 ±4) mm。由于一般要求測(cè)量系統(tǒng)的誤差是被測(cè)對(duì)象最大允許誤差的 1/3 ~ 1/10,所以要求測(cè)量?jī)x的最大允許誤差為1.3mm?，F(xiàn)有測(cè)量?jī)x 均不能滿足如此高的測(cè)量要求。為了達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)大圓弧工件或樣件圓弧 半徑較為精確測(cè)量的目的，采用本發(fā)明測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量。外圓弧9半 徑測(cè)量如圖7所示，內(nèi)圓弧10半徑測(cè)量如圖8所示。
取弦長(zhǎng)L-lm (計(jì)算R時(shí)使用其實(shí)測(cè)值)，指示器4選用準(zhǔn)確度士 0. 2 nm的位移傳感器，弦長(zhǎng)測(cè)量誤差控制在0. 005mm以內(nèi)，測(cè)量重 復(fù)性控制在0. 0005 mm以內(nèi)，均設(shè)為均勻分布。測(cè)量結(jié)果分別為R 外=10504. 597mm和R內(nèi)=10282. 645 mm。
以R40m,近似計(jì)算其測(cè)量結(jié)果的不確定度
數(shù)學(xué)模型:
靈敏度系數(shù):
R丄2 8h 2
C(h),1 L'
2 8h'
C(L) = H 4h
弦長(zhǎng)I^lm時(shí)，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,則Uc =kuc =1.96x258 500戶=0.5mm
可見(jiàn)，本實(shí)施例中，大圓弧半徑的測(cè)量不確定度能夠達(dá)到0. 5mm，
完全滿足半徑10m左右，最大允許誤差± 4隱的大圓弧半徑的現(xiàn)場(chǎng)精
密測(cè)量要求。
實(shí)踐證明，采用本實(shí)施例的測(cè)量?jī)x測(cè)量大圓弧半徑，由于其刀刃形可調(diào)節(jié)測(cè)量頭結(jié)構(gòu)及其使用方法與上述現(xiàn)有檢測(cè)工具完全不同，因 此在弦長(zhǎng)和弦高的測(cè)量準(zhǔn)確度，以及測(cè)量重復(fù)性方面均有明顯改善， 可以很容易地將大圓弧半徑的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量準(zhǔn)確度提高近一個(gè)數(shù)量級(jí)。如
半徑10米左右的大圓弧，其測(cè)量不確定度可減小到0. 5毫米。因此， 本測(cè)量?jī)x非常適合于現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)半徑1 ~ 30米或以上，測(cè)量準(zhǔn)確度要求 高的內(nèi)、外圓弧半徑。
除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還可以有其他實(shí)施方式。凡采用等同替 換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種高精度大圓弧半徑測(cè)量?jī)x，包括拱形架、垂直安插在拱形架長(zhǎng)度方向中央的指示表、安置在拱形架中部附近的水平泡，所述拱形架的兩端分別裝有測(cè)量頭，其特征在于所述測(cè)量頭的下端成與拱形架長(zhǎng)度方向垂直的水平刀刃形，所述拱形架的端面與測(cè)量頭之間墊有可上下移位調(diào)節(jié)的楔形微調(diào)塊。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度大圓弧半徑測(cè)量?jī)x，其特征在 于所述拱形架的端面與測(cè)量頭之間墊有兩片可分別上下移位調(diào)節(jié)的 楔形微調(diào)塊，所述兩微調(diào)塊的楔角度數(shù)相等、方向相反。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高精度大圓弧半徑測(cè)量?jī)x，其特 征在于所述測(cè)量頭整體由垂直段和水平段構(gòu)成，呈倒T形，所述垂 直段開(kāi)有腰形槽，下部的水平段下端成刀刃形。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高精度大圓弧半徑測(cè)量?jī)x，其特征在 于所述微調(diào)塊寬度與測(cè)量頭垂直段寬度相等，中部開(kāi)有腰形槽。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的高精度大圓弧半徑測(cè)量?jī)x，其特征在 于所述拱形架兩端面開(kāi)有與測(cè)量頭和微調(diào)塊寬度相配的垂向槽，所 述測(cè)量頭和微調(diào)塊嵌入其中固定。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的高精度大圓弧半徑測(cè)量?jī)x，其特征在 于所述拱形架長(zhǎng)度方向正中的垂直孔中鑲有銅套，其中安插指示表， 所述銅套沿其母線開(kāi)槽，至少上端制有翻邊。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的高精度大圓弧半徑測(cè)量?jī)x，其特征在 于所述銅套上下兩端分別制有間隔距離等于拱形架中部厚度的翻 邊。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述高精度大圓弧半徑測(cè)量?jī)x的測(cè)量方法，其特征在于包括以下步驟[1)、調(diào)節(jié)拱形架兩端微調(diào)塊的上下位置，使指示表下端的測(cè)量點(diǎn)恰好位于兩測(cè)量頭下端刃口水平連線的中央；[2 )、測(cè)量?jī)蓽y(cè)量頭刃口之間的水平距離即弦長(zhǎng)L;[3) 、通過(guò)觀察拱形架上的水平泡，將測(cè)量?jī)x以指示表下端垂直向下的 方式，并依靠?jī)啥藴y(cè)量頭下端的刀刃自立支撐在待測(cè)大圓弧上；[4) 、用指示表測(cè)量待測(cè)大圓弧的弦高h(yuǎn);[5 )、根據(jù)測(cè)得的弦長(zhǎng)L和弦高h(yuǎn),按下式計(jì)算待測(cè)大圓弧的半徑R:<formula>formula see original document page 0</formula>
9、根據(jù)權(quán)利要求8所述的高精度大圓弧半徑測(cè)量?jī)x的測(cè)量方法， 其特征在于所述步驟4)之前，先用平尺或平板，配合使用量塊校 對(duì)指示表零位。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高精度大圓弧半徑測(cè)量?jī)x，同時(shí)還涉及其測(cè)量使用方法，屬于檢測(cè)工具技術(shù)領(lǐng)域。該測(cè)量?jī)x包括拱形架、垂直安插在拱形架長(zhǎng)度方向中央的指示表、安置在拱形架中部附近的水平泡，拱形架的兩端分別通過(guò)緊固件裝有測(cè)量頭，測(cè)量頭的下端成與拱形架長(zhǎng)度方向垂直的水平刀刃形，拱形架的端面與測(cè)量頭之間墊有兩片可分別上下移位的楔形微調(diào)塊，兩微調(diào)塊的楔角方向相同或相反。采用本發(fā)明后，測(cè)量精度明顯提高。且本發(fā)明測(cè)量?jī)x的刀刃形測(cè)量頭顯然便于制造、修磨和調(diào)整，因此使得本發(fā)明具有生產(chǎn)成本低，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B5/08GK101451805SQ20071019066
公開(kāi)日2009年6月10日 申請(qǐng)日期2007年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月28日
發(fā)明者燕 陳, 燕 黃 申請(qǐng)人:上海梅山鋼鐵股份有限公司