基于球坐标测量原理的高精度球度仪，属于球度精密测量技术领域。它提供一种检测精度高，检测全面的基于球坐标测量原理的高精度球度仪；该高精度球度仪，包括高精度卧式主轴、非接触式位移传感器及高精度气体静压转台；所述非接触式位移传感器通过夹具一安装在高精度卧式主轴上，所述被测工件通过夹具二安装在高精度气体静压转台上，所述高精度卧式主轴的回转轴和高精度气体静压转台的回转轴相互垂直设置，通过控制着两个相互垂直回转轴的旋转运动可以模拟出球面的成型轨迹，用于完成球面的完整测量。本发明具有更好的精度，无需担心测量角
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 CN 114034247 A (43)申请公布日 2022.02.11 (21)申请号 0.7 (22)申请日 2021.11.18 (71)申请人 哈尔滨工业大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西 大直街92号 (72)发明人 胡雨杭赵学森于兰香胡振江 张强孙涛 (74)专利代理机构 哈尔滨龙科专利代理有限公 司 23206 代理人 郭莹莹 (51)Int.Cl. G01B 11/00 (2006.01) 权利要求书2页 说明书4页 附图9页 (54)发明名称 基于球坐标测量原理的高精度球度仪 (57)摘要 基于球坐标测量原理的高精度球度仪，属于 球度精密测量技术领域。它提供一种检测精度 高，检测全面的基于球坐标测量原理的高精度球 度仪；该高精度球度仪，包括高精度卧式主轴、非 接触式位移传感器及高精度气体静压转台；所述 非接触式位移传感器通过夹具一安装在高精度 卧式主轴上，所述被测工件通过夹具二安装在高 精度气体静压转台上，所述高精度卧式主轴的回 转轴和高精度气体静压转台的回转轴相互垂直 设置，通过控制着两个相互垂直回转轴的旋转运 动可以模拟出球面的成型轨迹，用于完成球面的 完整测量。本发明具有更好的精度，无需担心测 A 量角度的问题，能适应全球面检测，可以兼顾直 7 径大小不同的工件。 4 2 4 3 0 4 1 1 N C CN 114034247 A 权利要求书 1/2页 1.一种基于球坐标测量原理的高精度球度仪，其特征在于：包括高精度卧式主轴(2)、 非接触式位移传感器(5)及高精度气体静压转台(10)；所述非接触式位移传感器(5)通过夹 具一安装在高精度卧式主轴(2)上，所述被测工件(6)通过夹具二安装在高精度气体静压转 台(10)上，所述高精度卧式主轴(2)的回转轴和高精度气体静压转台(10)的回转轴相互垂 直设置，通过控制着两个相互垂直回转轴的旋转运动可以模拟出球面的成型轨迹，用于完 成球面的完整测量。 2.根据权利要求1所述的基于球坐标测量原理的高精度球度仪，其特征在于：所述非接 触式位移传感器(5)的回转轴向、高精度气体静压转台(10)的回转轴线、非接触式位移传感 器(5)的测量轴向均交于被测工件(6)的球心位置，实现四心合一。 3.根据权利要求2所述的基于球坐标测量原理的高精度球度仪，其特征在于：所述非接 触式位移传感器(5)和被测工件(6)通过工件轴系实现六个自由度调节，该六个自由度分部 为，被测工件(6)球心与高精度气体静压转台(10)轴线在XZ方向的两个自由度、高精度气体 静压转台(10)回转轴与高精度卧式主轴(2)在X方向的一个自由度，以及非接触式位移传感 器(5)与高精度卧式主轴(2)在XYZ方向的三个自由度，其中，XZ为水平方向，Y为高度方向。 4.根据权利要求3所述的基于球坐标测量原理的高精度球度仪，其特征在于：所述测量 轴系包括第一位移工作台(1)、第二位移工作台(4)、第三位移工作台(7)、第四位移工作台 (8)、第五位移工作台(9)、第六位移工作台(11)及大行程位移台(3)；在所述高精度气体静 压转台(10)与被测工件(6)之间从下到上依次设置第五位移工作台(9)、第四位移工作台 (8)和第三位移工作台(7)，分别调整被测工件(6)在XZY三个方向的自由度，用于被测工件 (6)在XZ方向上与高精度气体静压转台(10)回转轴线的对心，在Y方向上与高精度卧式主轴 (2)回转轴线对心，所述第一位移工作台(1)上安装有高精度卧式主轴(2)，用于调节高精度 卧式主轴(2)在X方向上的移动，使高精度卧式主轴(2)回转轴线与高精度气体静压转台 (10)回转轴线垂直相交，所述第六位移工作台(11)上安装有高精度气体静压转台(10)，用 于调节高精度气体静压转台(10)在Z方向上的移动，使高精度气体静压转台(10)回转轴线 与非接触式位移传感器(5)测量轴线在Z方向上共面， 所述第二位移工作台(4)上安装有非接触式位移传感器(5)，且第二位移工作台(4)通 过大行程位移台(3)安装在高精度卧式主轴(2)上，第二位移工作台(4)用于调节非接触式 位移传感器(5)在X方向上的移动，使非接触式位移传感器(5)测量轴线)回转轴线垂直相交，与高精度气体静压转台(10)轴线)用于调节 非接触式位移传感器(5)在Y方向上的移动。 5.根据权利要求4所述的基于球坐标测量原理的高精度球度仪，其特征在于：所述夹具 一包括U型架板(12)及3R快换夹具(13)，所述U型架板(12)一端夹持非接触式位移传感器 (5)，另一端通过3R快换夹具(13)安装在第二位移工作台(4)上。 6.根据权利要求1所述的基于球坐标测量原理的高精度球度仪，其特征在于：所述高精 度卧式主轴(2)和高精度气体静压转台(10)均采用高精度气浮轴作为回转轴。 7.根据权利要求1所述的基于球坐标测量原理的高精度球度仪，其特征在于：所述非接 触式位移传感器(5)采用共聚焦传感器。 8.根据权利要求4所述的基于球坐标测量原理的高精度球度仪，其特征在于：所述基于 球坐标测量原理的高精度球度仪还包括工作台板，所述第一位移工作台(1)和第六位移工 2 2 CN 114034247 A 权利要求书 2/2页 作台(11)均放置在工作台板上。 3 3 CN 114034247 A 说明书 1/4页 基于球坐标测量原理的高精度球度仪 技术领域 [0001] 本发明属于球度精密测量技术领域，具体涉及一种基于球坐标测量原理 的高精 度球度仪。 背景技术 [0002] 球度的精密测量是精密球面加工过程中的重要组成部分，精密加工的精 度需要 通过测量来验证的，并获得补偿与修正数据。球面加工技术的不断发 展，要求测量精度的 等级不断提高，所以精密测量技术和设备的研究以及应 用是非常重要的。本专利即围绕球 面测量装置的机械结构设计展开的。 [0003] 上世纪七十年代来，诸多学者相继提出各种精密测量球度的原理和方法， 并研制 出相应设备，取得了一定的研究成果。根据以往的研究，目前的测量 方法主要有三坐标测 量法、圆度仪法等；三坐标测量机测量法是目前测量和 获得尺寸数据最有效的方法之一， 即通过夹具将被测球安装在三坐标测量机 上，通过三坐标测量机三个轴运动，使测头与工 件表面接触，在接触力的作 用下，得到坐标值。对于一般的三坐标测量机，通常为接触式测 量，测量精 度受限于导轨精度，为几个微米，采样点稀疏，测量效率低，且受测头影响， 仅 能测量上半球面。圆度仪法的主要部件为转台与垂直于转台的直线轴，被 测球放置在转台 上，测头被安装在直线轴上。通过转台转位与直线轴调整测 头高度即可测得多个截面圆数 据，利用这些数据便可拟合出球面轮廓。该方 法目前能获得很高且可靠的测量精度，在球 面测量中应用广泛，但该方法一 般多用于测量靶丸、轴承钢球等小尺寸球体的外球面，且 测量范围小，在不 改变结构形式的情况下难以兼顾大小直径不同的球型工件。 [0004] 测量方式根据测头的不同可划分为接触式与非接触式，接触式测量精度 高但效 率低、有测量力的存在，非接触式测量精度稍差但效率高。在非接触 测量领域，光谱共焦位 移传感器应用广泛，该传感器具有技术成熟、精度高、 测量频率高等优点，但需要考虑测量 的角度，当传感器光轴与被测件表面法 线夹角过大时，该传感器测量结果将不具有可靠 性。 发明内容 [0005] 本发明为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种检测精度高， 检测全面 的基于球坐标测量原理的高精度球度仪； [0006] 本发明所采取的技术方案是：基于球坐标测量原理的高精度球度仪，包 括高精度 卧式主轴、非接触式位移传感器及高精度气体静压转台；所述非接 触式位移传感器通过夹 具一安装在高精度卧式主轴上，所述被测工件通过夹 具二安装在高精度气体静压转台上， 所述高精度卧式主轴的回转轴和高精度 气体静压转台的回转轴相互垂直设置，通过控制 着两个相互垂直回转轴的旋 转运动可以模拟出球面的成型轨迹，用于完成球面的完整测 量。 [0007] 本发明与现有技术相比具有以下有益效果： 4 4 CN 114034247 A 说明书 2/4页 [0008] 1.本发明采用的球坐标测量原理，采用高精度卧式主轴和高精度气体静压 转台 的双主轴模式，通过这两个垂直设置的高精度气浮回转轴实现坐标系的 建立。同时这两个 回转轴采用气浮轴承，具有极小的回转误差(0.1微米以内 的端面跳动与圆跳动)，因此从 理论上具有更好的精度。 [0009] 2.本发明通过球坐标的应用使非接触式位移传感器测量轴线时刻垂直于 被测球 表面，无需担心测量角度的问题，能适应全球面检测。 [0010] 3.本发明选用大行程平移台，在不改变装置结构形式的情况下，可以兼顾 直径大 小不同的工件。 附图说明 [0011] 图1是球坐标测量原理； [0012] 图2是本发明轴测图； [0013] 图3是本发明第五位移工作台、第四位移工作台和第三位移工作台调心 示意图； [0014] 图4是本发明第一位移工作台调心示意图； [0015] 图5是本发明第六位移工作台调心示意图； [0016] 图6是本发明大行程位移台调心示意图； [0017] 图7是小工件测量示意图； [0018] 图8是大工件测量示意图； [0019] 图9是被测带轨迹示意图一； [0020] 图10是被测带轨迹示意图二； [0021] 图11是被测带轨迹示意图三； [0022] 图12是被测带轨迹示意图四； [0023] 其中：1、第一位移工作台；2、高精度卧式主轴；3、第二位移工作台； 4、大行程位移 台；5、非接触式位移传感器；6、被测工件；7、第三位移工 作台；8、第四位移工作台；9、第五 位移工作台；10、高精度气体静压转台； 11、第六位移工作台；12、U型架板；13、3R快换夹具。 具体实施方式 [0024] 本高精度球度仪采用球坐标的测量方式。球坐标的测量原理如图1所示， 需要注 意的是图1坐标系按机床坐标系建立。 [0025] 具体实施方式一：参照图1、图2说明本实施方式，本实施方式提供了 基于球坐标 测量原理的高精度球度仪，包括高精度卧式主轴2、非接触式位 移传感器5及高精度气体静 压转台10；所述非接触式位移传感器5通过夹具 一安装在高精度卧式主轴2上，所述被测工 件6通过夹具二安装在高精度气 体静压转台10上，所述高精度卧式主轴2的回转轴和高精 度气体静压转台 10的回转轴相互垂直设置，通过控制着两个相互垂直回转轴的旋转运动 可以 模拟出球面的成型轨迹，用于完成球面的完整测量。 [0026] 具体实施方式二：参照图1、图2说明本实施方式，本实施方式是对具 体实施方式 一作进一步限定，本实施方式中，球坐标测量的基本原理是“四 心合一”，即非接触式位移 传感器5的回转轴向、高精度气体静压转台10的 回转轴线的测量轴 向均交于被测工件6的球心位置。 其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。 5 5 CN 114034247 A 说明书 3/4页 [0027] 具体实施方式三：参照图1、图2说明本实施方式，本实施方式是对具 体实施方式 二作进一步限定，本实施方式中，为保证“四心合一”，共需要有 6个自由度需要调节，该六 个自由度分部为，被测工件6球心与高精度气体 静压转台10轴线在XZ方向的两个自由度、 高精度气体静压转台10回转轴 与高精度卧式主轴2在X方向的一个自由度，以及非接触式 位移传感器5与 高精度卧式主轴2在XYZ方向的三个自由度，其中，XZ为水平方向，Y为 高度 方向，此外还需要考虑装置能适应被测工件6的直径变换。其它组成及 连接方式与具体实 施方式二相同。 [0028] 具体实施方式四，参照图2至图6说明本实施方式，本实施方式是对具 体实施方式 三作进一步限定，本实施方式中，共采用6个平移台用于调心以 保证“四心合一”。 [0029] 所述测量轴系包括第一位移工作台1、第二位移工作台4、第三位移工作 台7、第四 位移工作台8、第五位移工作台9、第六位移工作台11及大行程 位移台3； [0030] 如图3所示，在所述气体静压转台10与被测工件6之间从下到上依次设 置第五位 移工作台9、第四位移工作台8和第三位移工作台7，分别调整被测 工件6在XZY三个方向的 自由度，用于被测工件6在XZ方向上与高精度气 体静压转台10回转轴线的对心，在Y方向上 与高精度卧式主轴2回转轴线所示，所述第一位移工作台1上安装有高精度卧式主轴2，用于 调节高精度 卧式主轴2在X方向上的移动，使高精度卧式主轴2回转轴线与 高精度气体静压转台10回转 轴线所示，所述第六位移工作台11上安装有高精度气体静压转台10， 用于调节 高精度气体静压转台10在Z方向上的移动，使高精度气体静压转 台10回转轴线与非接触式 位移传感器5测量轴线所示，所述第二位移工作台4上安装有非接触式位移传感器5， 且第二位移 工作台4通过大行程位移台3安装在高精度卧式主轴2上，第二 位移工作台4用于调节非接 触式位移传感器5在X方向上的移动，使非接触 式位移传感器5测量轴线回转轴线垂直相交，与高精度 气体静压转台10轴线用于调节非接触 式位移传感器5 在Y方向上的移动，用于控制非接触式位移传感器5接近或远离被测工件6， 选用大行程平移台3，可以兼顾大小不同的被测工件6。 [0034] 本实施方式中，第一位移工作台1、大行程位移台3为手动位移台。第 二位移工作 台4、第三位移工作台7、第四位移工作台8、第五位移工作台9 及第六位移工作台11均为电 动位移台。 [0035] 具体实施方式五：参照图6说明本实施方式，本实施方式是对具体实施 方式四作 进一步限定，本实施方式中，所述夹具一包括U型架板12及3R快 换夹具13，所述U型架板12 一端夹持非接触式位移传感器5，另一端通过 3R快换夹具13安装在第二位移工作台4上。其 它组成及连接方式与具体实 施方式四相同。 [0036] 具体实施方式六：参照图2至图8说明本实施方式，本实施方式是对具 体实施方式 一作进一步限定，本实施方式中，高精度卧式主轴2和高精度气 体静压转台10均采用高精 度气浮轴作为回转轴，由于采用气浮轴承，因此其 具有极小的回转误差(0.1微米以内的端 面跳动与圆跳动)，这是保证测量精 度的关键。其它组成及连接方式与具体实施方式一相 同。 6 6 CN 114034247 A 说明书 4/4页 [0037] 具体实施方式七：参照图2至图8说明本实施方式，本实施方式是对具 体实施方式 一作进一步限定，本实施方式中，非接触式位移传感器5采用共 聚焦传感器。属于非接触式 测量，无测量力干扰，适用于软质工件。同时球 坐标原理能保证传感器在每一位置其轴线 能垂直于工件表面，无需考虑测量 角度问题。其它组成及连接方式与具体实施方式一相 同。 [0038] 具体实施方式八：参照图1至图8说明本实施方式，本实施方式是对具 体实施方式 四作进一步限定，本实施方式中，第一位移工作台1和第六位移 工作台11均放置在工作台 板上。其它组成及连接方式与具体实施方式四相 同。 [0039] 球体测量路径采用经圆法、纬线提供主要旋转运动，高精度气体静 压转台10提 供辅助旋转运动，每测量完一条经线 旋转一个预设的小角度以测 量下一条经线，依次往复可以测量经线方向的球 面几何轮廓； [0041] 纬线)以高精度气体静压转台10提供主要旋转运动，与球面 一起做圆周 运动，高精度卧式主轴2起辅助旋转作用，每测量一条纬线带动非接触 式位移传感器5旋转一个预设的小角度以测量下 一条纬线，依次往复可以测量纬线方向的 球面几何轮廓； [0042] 覆盖法：是在经圆法的基础上进行纬线法，形成的网状测量轨迹。 [0043] 如图11所示，轨迹是在经线法的基础上做调整得到的，移动第六工作台 11使非接 触式位移传感器5在Z方向上偏离球心，以高精度卧式主轴2提供 主要旋转运动测量此位置 的球截面，高精度气体静压转台10旋转一个预设的 小角度以测量下一个截面圆，依次往复 可以得到图11测量轨迹； [0044] 如图12所示，轨迹是在三正交测量法的基础上做改进得到的，第一步 采用纬线法 测得三条纬线；第二步，利用经线法测得一条经线，在Z方向上 前后移动第六工作台11得到 经线前后两个截面圆的轨迹；第三步，高精度气 体静压转台10带动被测球旋转90°，重复第 二步，得到另三条经线方向的 轨迹，该轨迹与第二步得到的轨迹正交。 [0045] 然后将非接触式位移传感器5数据代入圆度误差评定方法中即可得到圆 度数据。 [0046] 可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉 的，在不 脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行 各种改变或等效替换。 另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例 进行修改以适应具体的情况及材料而 不会脱离本发明的精神和范围。因此， 本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有 落入本申请的权利要求范 围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。 7 7 CN 114034247 A 说明书附图 1/9页 图1 图2 8 8 CN 114034247 A 说明书附图 2/9页 图3 9 9 CN 114034247 A 说明书附图 3/9页 图4 10 10 CN 114034247 A 说明书附图 4/9页 图5 11 11 CN 114034247 A 说明书附图 5/9页 图6 12 12 CN 114034247 A 说明书附图 6/9页 图7 13 13 CN 114034247 A 说明书附图 7/9页 图8 图9 14 14 CN 114034247 A 说明书附图 8/9页 图10 图11 15 15 CN 114034247 A 说明书附图 9/9页 图12 16 16
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