申请/专利权人：烟台大学

申请日：2019-10-17

公开（公告）日：2021-01-19

公开（公告）号：CN110672052B

主分类号：G01B21/08(20060101)

分类号：G01B21/08(20060101);G01B7/16(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.01.19#授权;2020.02.11#实质审查的生效;2020.01.10#公开

摘要：本发明公开了一种测量厚度的柔性方法及装置。该装置包括测量主机、标准器、被测试件、试件定位支座、驱动器和数控器七部分。测量主机由机架、编码丝杆和双动悬臂梁传感器组成。编码丝杆由测微丝杆和三态编码器组成。三态编码器由齿盘和四副悬臂梁传感器组成。双动悬臂梁传感器由左、右两个带有夹持顶针的可移动悬臂梁传感器组成。数控器内置系统测量软件。测量时，数控器控制驱动器，带动测微丝杆和齿盘转动，双动悬臂梁传感器与编码丝杆配合，夹持被测试件，双动悬臂梁传感器和编码丝杆分别向数据处理器传输测量信号，后者给出被测试件的厚度值。

主权项：1.测量厚度的装置，其特征是，该装置由测量主机ZJ、标准器0、定位块DK、被测试件SJ、标准器支座BZ、试件支座SZ、驱动器19和数控器组成测量系统；测量主机ZJ由机架1、编码丝杆和双动悬臂梁传感器组成；机架1的结构包括底板B、固定在底板B上部的左轴承支板B1和右轴承支板B2，底板B上部加工有支座定位槽22；左轴承支板B1和右轴承支板B2相互平行，分立在支座定位槽22的两侧，并且与支座定位槽22平行；左轴承支板B1和右轴承支板B2上各有一个圆形通孔，两圆形通孔内分别嵌装有左轴承2和右轴承14，左轴承2和右轴承14处于同轴位置；编码丝杆由测微丝杆3和三态编码器SB组成；测微丝杆3为一螺纹台阶轴，其结构从左到右分为I-II、II-III、III-IV、IV-V、V-VI五段，I-II段和V-VI段为光轴，II-III段是左旋螺纹轴，IV-V段是右旋螺纹轴，III-IV段为圆轴，III-IV段圆轴的直径大于两螺纹轴的外径，两螺纹轴的外径大于两光轴的直径，I-II段光轴与左轴承2配合，V-VI段光轴与右轴承14配合；三态编码器SB由齿盘18、传感器支架15、左上悬臂梁传感器24、右上悬臂梁传感器16、左下悬臂梁传感器20、右下悬臂梁传感器21组成；齿盘18周向均布有若干圆弧齿17，共轴固定在测微丝杆3的V-VI段光轴上，位于右轴承14的右侧；传感器支架15为一固定在机架1上的矩形框架，其四条边顺次在靠近一侧边角的位置加工有一个轴线平行于框架平面且垂直于所在边的矩形通孔29和一个与矩形通孔29垂直联通的螺纹孔30；传感器支架15将齿盘18围在中间；左上悬臂梁传感器24、右上悬臂梁传感器16、左下悬臂梁传感器20、右下悬臂梁传感器21采用等截面弹性梁或变截面弹性梁，四个弹性梁的根部分别与传感器支架15上的四个矩形通孔-29配合，并利用紧定螺钉31的压紧力，固定于传感器支架15的上侧内壁、右侧内壁、左侧内壁和下侧内壁；四个弹性梁在靠近根部处分别沿梁轴线方向贴有单轴电阻应变计[R5,R6]、[R7,R8]、[R9,R10]和[R11,R12]；四个弹性梁在靠近自由端处朝向齿盘18一侧分别加工有左三角形突棱25、上三角形突棱26、右三角形突棱27、下三角形突棱28；四个弹性梁均有一定量的预变形，预变形产生的弹性压力使左三角形突棱25、上三角形突棱26、右三角形突棱27、下三角形突棱28的棱顶分别与齿盘18周边的圆弧齿17保持接触，接触点的具体位置按以下条件确定：a.设齿盘18的纵向对称线刚好通过正上方圆弧齿和正下方圆弧齿的中心，同时齿盘18的水平对称线刚好通过最左端圆弧齿和最右端圆弧齿的中心；b.此时，左三角形突棱25位于齿盘18的水平对称线上，刚好与最左端圆弧齿的顶点接触；右三角形突棱27位于齿盘18水平对称线和最右端圆弧齿的上侧，并且刚好对准相邻两圆弧齿17之间的谷底；上三角形突棱26和下三角形突棱28均位于齿盘18纵向对称线的右侧，分别与正上方圆弧齿的右侧和正下方圆弧齿的右侧接触；左三角形突棱25到齿盘18纵向对称线的距离用hmax表示，右三角形突棱27到齿盘18纵向对称线的距离用hmin表示，上三角形突棱26与正上方圆弧齿接触点到齿盘18水平对称线的距离、及下三角形突棱28与正下方圆弧齿接触点到齿盘18水平对称线的距离均用hmid表示；hmid与hmin和hmax之间存在式1表示的关系： hmin、hmid和hmax称为特征高度，其中hmin是最小特征高度，hmid是平均特征高度，hmax是最大特征高度；双动悬臂梁传感器由左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器13组成，二者的结构和尺寸相同，且对称布置；左悬臂梁传感器10的结构包括变截面弹性梁、固定在弹性梁自由端右侧的左夹持顶针11、粘贴在悬臂梁根部附近左右两侧的单轴电阻应变计[R1,R2]、嵌装在悬臂梁根部的左传动螺母6和固定在悬臂梁底部的左限位销5，左悬臂梁传感器10通过左传动螺母6与测微丝杆3上II-III段左旋螺纹轴的配合和左限位销5与U形导向限位槽4的配合安装在机架1上；右悬臂梁传感器13的结构包括变截面弹性梁、固定在弹性梁自由端左侧的右夹持顶针12、粘贴在悬臂梁根部附近左右两侧的单轴电阻应变计[R3,R4]、嵌装在悬臂梁根部的右传动螺母8和固定在悬臂梁底部的右限位销7，右悬臂梁传感器13通过右传动螺母8与测微丝杆3上IV-V段右旋螺纹轴的配合和右限位销7与U形导向限位槽4的配合安装在机架1上；左限位销5与U形导向限位槽4的配合和右限位销7与U形导向限位槽4的配合使左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器13不能转动，只能横向移动，测微丝杆3转动时，带动左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器13沿测微丝杆3的轴线相向移动或反向移动；左传动螺母6与测微丝杆3的配合副和右传动螺母8与测微丝杆3的配合副均采取消间隙措施，测微丝杆3改变旋转方向时，能够带动左传动螺母6和右传动螺母8无滞后地改变移动方向；左悬臂梁传感器10的变截面弹性梁和右悬臂梁传感器13的变截面弹性梁形状、尺寸及材料均相同，梁的横截面为矩形，从自由端a到根部e分为刚性段ac和柔性段ce两段，刚性段ac与柔性段ce段的宽度相等，刚性段ac的高度H大于柔性段ce段的高度h；左悬臂梁传感器10与右悬臂梁传感器13处于对称位置，二者的自由端竖直向上；左夹持顶针11和右夹持顶针12处于共轴位置，二者的顶点间距用s表示；电阻应变计R1、R2、R3、R4组成全桥测量电路，该电路产生的应变信号用εr表示；标准器0由若干标准块规组成，标准块规的下部带有标准器定位键32；各标准块规的厚度值依次用δ1，δ2，...，δn表示，δ1，δ2，...，δn也用于表示厚度不同的各个标准块规；标准块规的厚度值按δ1＜δ2,...,＜δn的顺序排列，n≥2，表示标准块规的数量；各标准块规的标准器定位键32厚度相等，用t表示；在标准块规中任选一个，将其定义为基准规，基准规的厚度值定义为基准厚度，用δ0表示；δ1、δ2…，δn的算术平均值用表示；定位块DK为下部加工有一个插槽34的块体，插槽34的宽度与测微丝杆3上III-IV段圆轴的长度具有相同的公称尺寸；利用插槽34与III-IV段圆轴的左、右两端面配合，将定位块DK插放到III-IV段圆轴的顶部，并且使左悬臂梁传感器10根部的右侧面和右悬臂梁传感器13根部的左侧面分别抵靠定位块DK长度方向的左、右两个端面，则左夹持顶针11与右夹持顶针12的间距s0小于标准器的最小厚度值δ1，即s0＜δ1；s0定义为双动悬臂梁传感器基准距，简称基准距；被测试件SJ为材料力学性能试验用的板试样、弧形截面试样或其它需要测量厚度的刚性机械零件；标准器支座BZ由前、后两根形状和尺寸相同的立柱构成，立柱顶部加工有标准器定位槽9，立柱底部加工有标准器支座定位键23；标准器定位槽9的公称宽度与标准块规上标准器定位键32的公称厚度t相等；标准器支座定位键23与支座定位槽22具有相同的公称宽度；标准器支座定位键23插入支座定位槽22时，标准器定位槽9的纵向对称面与左夹持顶针11和右夹持顶针12的纵向对称面重合；试件支座SZ为“П”形结构，其上部为平台或是根据被测试件SJ的几何参数加工成的其它形状的台面，其下方带有前、后两根形状和尺寸相同的立柱，立柱底部加工有试件支座定位键33；驱动器19为用于驱动测微丝杆3正、反向旋转的驱动机构；数控器为包括应变信号采集-调理电路、驱动器控制电路和测量软件的微计算机系统；所述的测量软件按照下述的测量方法和思路设计实现；编码丝杆与双动悬臂梁组合机构按以下方式工作：1三态编码器测量电路连接：将电阻应变计[R5,R6]、[R7,R8]、[R9,R10]、[R11,R12]分别以半桥方式接入数控器，用分别表示数控器测得的这四个半桥测量电路的应变读数；2三态编码器测量电路零位调整：用数控器控制驱动器19运转，带动齿盘18转动，数控器测得的应变读数随之发生连续周期性变化，变化周期用T表示；齿盘18每转过一个齿，即一个周期T，应变读数分别完成一次循环；跟踪观察的变化，当达到最小值εrmin时，停止齿盘18的转动，用数控器19调节电阻应变计[R5,R6]所在电桥的平衡电路，使重复前述动作，依次在取得最小值εrmin时，调节电阻应变计[R7,R8]、[R9,R10]和[R11,R12]所在电桥的平衡电路，使完成四个半桥测量电路零位调整后，再转动齿盘18，则应变读数均在最小值0和一个最大值εrmax之间循环变化，最小值0对应于左三角形突棱25或上三角形突棱26或右三角形突棱27或下三角形突棱28处在正对相邻两圆弧齿17之间的谷底位置，即对应最于小特征高度hmin，最大值εrmax对应于左三角形突棱25或上三角形突棱26或右三角形突棱27或下三角形突棱28处在与圆弧齿17顶点接触的位置，即对应于最大特征高度hmax；以上调整三态编码器SB测量电路零位的方法，称为零位四步调整法；3确定应变读数与齿盘旋转状态的关系：完成三态编码器SB测量电路零位调整后，规定用数字1、0和12分别表示应变读数的最大值εrmax、最小值0和平均值0.5εrmax；数字1与最大特征高度hmax对应，定义为满值；数字0与最小特征高度hmin对应，定义为零值；数字12与平均特征高度hmid对应，定义为中值；满值、零值和中值共同定义为应变读数的三态编码值，简称三态值；齿盘18旋转时，三态值0、12、1按周期T循环变化；三态值的循环变化，用于确定齿盘18的旋转状态，即旋转方向和旋转角度；4确定左悬臂梁传感器10与右悬臂梁传感器13的相对位移量：控制驱动器19运转，使左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器13相向移动，直至二者分别抵靠测微丝杆3上III-IV段圆轴的左、右两个端面；以左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器13的当前位置分别作为二者的位移原点，并将齿盘18的当前位置记作齿盘零位；或者将左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器13调整到移动范围内的某一指定位置或任意位置，以左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器13的当前位置作为二者的位移原点，同时将齿盘18的当前位置记作齿盘零位；从齿盘零位开始，驱动齿盘18转动，使左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器13从位移原点起作相向移动或反向移动；用S表示左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器13的相对位移量，用公式2计算S： 式2中，t表示测微丝杆3的导程，Nc表示齿盘18的齿数，nz,s表示齿盘18自齿盘零位起顺时针累计转过的齿数，nz,n表示齿盘18自齿盘零位起逆时针累计转过的齿数，nz,s和nz,n恒取正值，nz表示nz,s与nz,n之差，定义为有效转动齿数；nz,s、nz,n和nz也称为齿盘转动参数；nz和S是代数量，齿盘18顺时针转动时，左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器13反向移动，nz和S的符号均为“+”；齿盘18逆时针转动时，左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器13相向移动，nz和S的符号均为“-”；用测量主机1测量厚度的方法及操作步骤是：1三态编码器零位调整：将电阻应变计[R5,R6]、[R7,R8]、[R9,R10]、[R11,R12]组成的四个半桥测量电路分别接入数控器，按前述零位四步调整法对三态编码器SB测量电路进行零位调整；2设定基准距、位移原点、齿盘零位：将定位块DK插放在测微丝杆3上III-IV段圆轴的正上方；用数控器控制齿盘18转动，调整左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器13的位置，当二者同时抵靠定位块DK时，停止齿盘18的转动，取下定位块DK；此时左夹持顶针11与右夹持顶针12的间距为基准距s0；设定好基准距s0的双动悬臂梁传感器状态，定义为基准态；在基准态下，将齿盘18的当前位置记作齿盘零位，将左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器13的当前位置分别记作各自的位移原点；3测量系统标定：将电阻应变计R1、R2、R3、R4组成的全桥测量电路接入数控器；利用标准器支座定位键23将标准器支座BZ的两根立柱分别插入底板B前、后两侧的支座定位槽22；利用标准器定位键32将标准器0的标准块规δ1，δ2，...，δn依次插入标准器支座BZ顶部的标准器定位槽9，由数控器记下相应的应变读数εr1，εr2，…，εrn；以εr1，εr2，…，εrn为标定数，按厚度值δ与数控器应变读数εr的函数关系，即式3计算厚度： 式3中，A和B是常数，分别用公式4和5计算： 式4和式5中，n表示标准块规的个数，δi表示不同厚度标准块规的厚度值，εri表示与δi对应的应变读数，即标定数εr1，εr2，…，εrn；与基准厚度δ0对应的标定数定义为基准应变示数，用符号εr0表示；4测量：从测量主机ZJ上取下定位块DK，利用试件支座定位键33将试件支座SZ的两根立柱分别插入底板B前、后两侧的支座定位槽22；用数控器控制齿盘18转动，调整左夹持顶针11和右夹持顶针12的顶点间距s，使之大于被测试件SJ的厚度，将被测试件SJ放在试件支座SZ上，并使被测试件SJ的两被测表面与左夹持顶针11和右夹持顶针12的轴线垂直；再次调整s，使左夹持顶针11和右夹持顶针12夹持被测试件SJ，当应变读数εr＝εr0或εr≈εr0时，停止齿盘18的转动；用当前的应变读数εr和齿盘参数nz、nz,s、nz,n，按以下方法计算被测试件SJ的厚度δ：a将εr代入式3，用δ*表示计算结果，即 b将nz、nz,s、nz,n代入式2，得到左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器13的相对位移量S；c将δ*和S代入式7，得到被测试件SJ的厚度δ：δ＝δ*+S7。

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