CN102581702B - 一种孔心定位法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种孔心定位法，激光位移传感器沿圆周扫描并沿竖直方向运动，获取孔内表面和激光出射点之间的距离e，每一周内纪录一次在竖直方向上e的幅值，该幅值不断变化，以幅值最小时对应的位置为转折点；从转折点开始沿圆周扫描并沿水平移动，到达e在水平方向有最小幅值的位置，此时传感器的回转轴线和孔心重合，获取数控机床或其它数显运动台显示的位置坐标，即为孔心坐标；无线发射模块同激光位移传感器直接相连，实时发送传感器测量的e的所有值；数据接收端实时接收e的所有值，对其进行去噪处理，并将处理后每周内的e的幅值进行显示。本方法通过较少次数的水平方向逼近和竖直方向逼近，实现了孔心的精确定位，减少了操作的复杂度。

Description

一种孔心定位法

技术领域

本发明涉及机械加工定位领域，特别涉及一种孔心定位法。

背景技术

在机械设备中，圆孔往往作为一种常见的结构要素和轴、轴承等进行配合，有着广泛的应用。机械配合级的特殊要求，使得针对任意大小的孔，加工要求都较高。在航海、航空和核电工业等一些涉及到国计民生的大型装备上，有很高的精度等级要求，而精确定位孔心是精加工孔时的第一步，直接影响产品质量。例如，孔心同基准的实际距离同图纸上标称距离的偏差形成了孔的位置度；单孔内，各圆截面的实际连心线同理想孔轴线的偏差范围构成了孔的同轴度；另外，孔心的实际连线与工件某一基准还常有垂直度或平行度的要求，这些参数都是孔的精度设计的组成部分，因而，能否快速、精确定位孔心，意义重大。

目前，在机加工行业中，比较通用的孔心定位方法是百分表极值找正法。这种找正方法虽然可在机床坐标系下进行，但只可确定被测孔与作为基准的另一结构要素之间的相对坐标值。简述原理如下：假定基准与被测孔平行，同样为孔，面向基准孔的截面，将机床坐标系的三个方向分别定为为左右、前后和上下。为了确定孔心同基准在左右方向的相对坐标：首先，将百分表以适当角度固定在主轴附件上，主轴上下移动，测量基准孔内壁左侧或右侧，记录百分表示数的最小值和此时的机床坐标；其次，保持百分表状态不变，以同样的方式测量被测孔，找出百分表示数最小位置后，左右移动主轴，并使百分表示数和上次记录的最小值数据相等，此时，再次记录机床坐标。两次机床左右坐标值之差即为该方向上孔心和基准的相对坐标。同理，测出上下方向上的孔心相对坐标。由此可见，百分表极值找正法的操作比较复杂，对于一个经验欠缺的操作者而言，有相当的难度；同时，整个过程所占工时较多，对大型设备加工而言，往往需要数个小时，严重影响工厂加工效率。另外，还有其他许多优秀的孔心定位方法，比如百分表三点找心法和标记法等。

发明人在实现本发明的过程中发现现有技术中至少存在以下的缺点和不足：

现有技术中由于通过接触进行孔的定位，会出现外力的干扰，影响定位的精度；通过人工读数，会存在一定的误差，以及测量大型工件的过程复杂度较高。

发明内容

本发明提供了一种孔心定位法，本方法实现了无接触式定位，通过数字显示避免了人工读数，并以机床主轴为测量回转轴，实现工件坐标系与机床坐标系的直接关联，降低了测量大型工件的复杂度，详见下文描述：

一种孔心定位法，所述方法包括以下步骤：

(1)将激光位移传感器固定在数控机床的主轴上随所述主轴旋转；

(2)所述激光位移传感器沿圆周扫描并沿竖直方向运动，通过所述激光位移传感器获取孔内表面和激光出射点之间的距离e，每一周内纪录一次e的幅值，获取e在竖直方向最小幅值，所述竖直方向最小幅值对应的点为转折点，在所述转折点回转轴线同孔心距离a最小；

(3)所述激光位移传感器从所述转折点开始沿圆周扫描并沿水平移动，每一周内纪录一次e水平方向的幅值，获取e在水平方向最小幅值，所述水平方向最小幅值对应的回转轴线和孔心重合，此时，机床的数显坐标值即为孔心坐标；

(4)在所述主轴端，无线发射模块同所述激光位移传感器直接相连，实时发送所述激光位移传感器采集的e的所有值；

(5)数据接收端实时接收所述e的所有值，对所述e的所有值进行去噪处理，并将处理后的所述e在每周内的幅值进行显示。

所述获取孔内表面和激光出射点之间的距离e具体为：

$e=\sqrt{R^2+a^2\×\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)+2\×a\×\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\×\sqrt{R^2-a^2{\sin }^2\left(\mathrm{\θ}\right)}-b^2}-\sqrt{r^2-b^2}$

其中，O是被测圆孔的轴心，O₁为激光位移传感器的旋转轴轴心，SP为激光位移传感器的入射光轴，T为O₁至光轴的垂足，e为孔内表面和激光出射点之间的距离，θ为激光位移传感器的转动角度，令O₁O、O₁T、O₁Q、O₁P和OP为a，b，r、L和R。

当主轴旋转，θ不断变化时，一周内e的幅值为：

$e_{\max }=\sqrt{R^2+a^2+2\×a\×R-b^2}-\sqrt{r^2-b^2}$

式中R、b、r恒定不变，e的幅值取最小，对应的偏心距a为0。

一种孔心定位法，所述方法包括以下步骤：

(1)将激光位移传感器固定在数控机床的主轴上随所述主轴旋转；

(2)所述激光位移传感器沿圆周扫描并沿水平方向运动，通过所述激光位移传感器获取孔内表面和激光出射点之间的距离e，每一周内纪录一次e的水平方向幅值，获取e在水平方向最小幅值，所述水平方向最小幅值对应的点为转折点，在所述转折点回转轴线同孔心距离a最小；

(3)所述激光位移传感器从所述转折点开始沿圆周扫描并沿竖直移动，每一周内纪录一次e竖直方向的幅值，获取e在竖直方向最小幅值，所述竖直方向最小幅值对应的回转轴线和孔心重合，此时，机床的数显坐标值即为孔心坐标；

(4)在所述主轴端，无线发射模块同所述激光位移传感器直接相连，实时发送记录到的e的所有值；

(5)数据接收端实时接收所述e的所有值，对所述e的所有值进行去噪处理，并将处理后的e在每周内的幅值进行显示。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

本发明提供了一种孔心定位法，本发明以非接触式定位替代现有的接触式定位方法，排除受力干扰；测量结果数字化，从而为自动和半自动定位奠定基础，避免了人工读数造成的误差；该方法与现有“百分表极值找正法”相比具有调整少、读数快优点，能显著减少圆心定位的时间；若以机床主轴为测量回转轴，将实现工件坐标系与机床坐标系的直接关联，这将为工件调整、及后续加工带来很大便利性，降低了测量大型工件的复杂度，并且通过较少次数的水平方向逼近和竖直方向逼近，就可以实现孔心的精确定位，减少了操作的复杂度，满足了实际应用中的需要。

附图说明

图1为本发明提供的光轴、旋转轴和内孔轴线三者位置的示意图；

图2为本发明提供的激光位移传感器竖直方向移动完毕状态的示意图；

图3为本发明提供的三维数控镗床上的圆孔定心的示意图；

图4为本发明提供的测头装置模型示意图；

图5为本发明提供的一种孔心定位法的流程图；

图6为本发明提供的一种孔心定位法的另一流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

为了实现无接触式定位，通过数字显示避免了人工读数，并以机床主轴为测量回转轴，实现工件坐标系与机床坐标系的直接关联，降低了测量大型工件的复杂度，参见图1、图2和图5，本发明实施例提供了一种孔心定位法，详见下文描述：

101：将激光位移传感器固定在数控机床的主轴上随主轴旋转；

其中，激光位移传感器是一种基于激光三角测量法的位移传感器，体积小，对较大尺寸的孔测量而言，不受空间约束的影响；同时，它具有一定的工作距离，是一种能进行非接触测量的位移传感器；激光位移传感器的相对测量精度很高，可优于万分之八，选择适当的量程，其绝对测量精度可达微米级甚至亚微米级。

102：激光位移传感器沿圆周扫描并沿竖直方向运动，通过激光位移传感器获取孔内表面和激光出射点之间的距离e，每一周内纪录一次e的幅值，获取e在竖直方向最小幅值，竖直方向最小幅值对应的点为转折点，在转折点，回转轴线同孔心距离a(偏心距)最小；

其中，当孔内表面各点处在激光位移传感器的工作范围内时，可测出孔内表面与激光出射点之间的距离。

其中，获取竖直方向最小幅值具体为：当记录的e的幅值从大变小，再从小变到大后，即存在转折点，表明在竖直方向上，该处有最小偏心距a。

其中，激光位移传感器沿圆周扫描并沿竖直方向运动时，可以沿竖直方向向上运动，或沿竖直方向向下运动，参见图2，本发明实施例是以竖直方向向下运动为例进行说明，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

当被测圆孔轴线和激光位移传感器的回转中心平行时，模型如图1所示。O是被测圆孔的轴心，O₁为激光位移传感器的旋转轴轴心，SP为激光位移传感器的入射光轴，T为O₁至光轴的垂足，e为孔内表面和激光出射点之间的距离，θ为激光位移传感器的转动角坐标，并且，激光位移传感器可沿水平和垂直方向移动。分别令O₁O、O₁T、O₁Q、O₁P和OP为a，b，r、L和R，在三角形O₁TP中，有

$L=\sqrt{{(\sqrt{r^2-b^2}+e)}^2+b^2}=\sqrt{r^2+e^2+2\×e\×\sqrt{r^2-b^2}}---\left(1\right)$

由上式可知，如果已知r和b，那么当e在整个圆周上取不同值时，L必然有最大值和最小值，理论上，最大值和最小值之差的一半即为偏心距a。此时，若能建立一个关于θ的绝对式角位移系统，就可以立即确定孔心位置：

O_x＝O_1x-a×cos(θ)；O_y＝O_1y-a×sin(θ)。

其中O_x、O_y为所求孔心的X、Y轴坐标，O_1x、O_1y为主轴轴线的X、Y轴坐标(机床在X和Y轴的数值显示值)。但建立绝对式角位移系统的不但成本高，而且自身就是新的误差源。此外，这种方法还需精确标定r和b，增加了定心的难度。

由公式(1)还可看出，即使不知道r和b，只要它们在激光位移传感器回转过程中，保持恒定，那么当e取最大值时，L同样取最大值。在三角形OO₁P₂中，由余弦定理可知：

$e=\sqrt{R^2+a^2\×\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)+2\×a\×\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\×\sqrt{R^2-a^2{\sin }^2\left(\mathrm{\θ}\right)}-b^2}-\sqrt{r^2-b^2}---\left(2\right)$

从上式可知，当主轴旋转，θ不断变化时，一周内e的幅值为：

$e_{\max }=\sqrt{R^2+a^2+2\×a\×R-b^2}-\sqrt{r^2-b^2}---\left(3\right)$

由式(2)还可知，激光位移传感器始终保持旋转状态，当角速度恒定时，e是一条关于时间的“类正弦”的曲线。如图2所示，激光位移传感器沿圆周扫描，并沿竖直方向向下运动时，每一周内纪录一次e的幅值e_max，e_max经历了从大变小，再从小变大的过程。竖直移动激光位移传感器至e_max最小的位置，又因R、r、b始终不变，由式(3)可知，该处有最小偏心距a，到达如图2所示位置。

103：激光位移传感器从转折点开始沿圆周扫描并沿水平移动，每一周内纪录一次e水平方向的幅值，获取e在水平方向最小幅值，水平方向最小幅值对应的回转轴线和孔心重合，此时，机床的数显坐标值即为孔心坐标；

其中，获取水平方向最小幅值具体为：当记录的e的水平方向幅值比其它任何周期内的水平幅值都小时，获取e在水平方向最小幅值，说明此时回转中心到达孔心位置。

其中，激光位移传感器沿圆周扫描并沿水平方向运动时，可以沿水平方向向右运动，或沿水平方向向左运动，参见图2，本发明实施例是以水平方向向右运动为例进行说明，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

104：在主轴端，无线发射模块同激光位移传感器直接相连，实时发送激光位移传感器采集的e的所有值；

105：数据接收端实时接收e的所有值，对e的所有值进行去噪处理，并将处理后e在每周内的幅值进行显示。

其中，具体实现时，可以在操作员操作方便的位置，安放数据接收端，并进行去噪、求e的幅值、曲线和结果显示等数据处理。通过上述方法解决了电源线、信号线因传感器旋转而绕线的问题，并且由于采用数字显示减少了人工读数误差。

实际应用中，此方法同移动方向(水平或竖直)的先后顺序无关，参见实施例2，同时，若能将所测数据显示成关于时间的图形，为此还将看到“类正弦”曲线被拉直。

实施例2

为了实现无接触式定位，通过数字显示避免了人工读数，并以机床主轴为测量回转轴，实现工件坐标系与机床坐标系的直接关联，降低了测量大型工件的复杂度，参见图1、图2和图6，本发明实施例提供了一种孔心定位法，详见下文描述：

201：将激光位移传感器固定在数控机床的主轴上随主轴旋转；

其中，激光位移传感器是一种基于激光三角测量法的位移传感器，体积小，对较大尺寸的孔测量而言，不受空间约束的影响；同时，它具有一定的工作距离，是一种能进行非接触测量的位移传感器；激光位移传感器的相对测量精度很高，可优于万分之八，选择适当的量程，其绝对测量精度可达微米级甚至亚微米级。

202：激光位移传感器沿圆周扫描并沿水平方向运动，通过激光位移传感器获取孔内表面和激光出射点之间的距离e，每一周内纪录一次e的水平方向幅值，获取e在水平方向最小幅值，水平方向最小幅值对应的点为转折点，在转折点回转轴线同孔心距离a(偏心距)最小；

其中，当孔内表面各点处在激光位移传感器的工作范围内时，可测出孔内表面与激光出射点之间的距离。

其中，激光位移传感器沿圆周扫描并沿水平方向运动时，可以沿水平方向向右运动，或沿水平方向向左运动，参见图2，本发明实施例是以水平方向向右运动为例进行说明，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

203：激光位移传感器从转折点开始沿圆周扫描并沿竖直移动，每一周内纪录一次e竖直方向的幅值，获取e在竖直方向最小幅值，竖直方向最小幅值对应的回转轴线和孔心重合，此时，机床的数显坐标值即为孔心坐标；

其中，步骤202和步骤203的执行过程参见实施例1，在此不再赘述。

其中，激光位移传感器沿圆周扫描并沿竖直方向运动时，可以沿竖直方向向上运动，或沿竖直方向向下运动，参见图2，本发明实施例是以竖直方向向下运动为例进行说明，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

204：在主轴端，无线发射模块同激光位移传感器直接相连，实时发送记录到的e的所有值；

205：数据接收端实时接收e的所有值，对e的所有值进行去噪处理，并将处理后e在每周内的幅值进行显示。

其中，步骤204和步骤205的执行过程参见实施例1，在此不再赘述。

下面以一个具体的试验来验证本发明实施例提供的一种孔心定位方法的可行性，详见下文描述：

试验条件为：200坐标镗床、船用发动机缸体、Zigbee无线发送模块和接受模块、德国米铱ILD 1700-10LL激光位移传感器；测量环境：内孔表面粗糙度为6级，温度为25摄氏度。

参见图3和图4，以船用发动机缸体的凸轮孔在镗床上定位为例，单一激光位移传感器及Zigbee无线发送模块构成孔心定位专用测头。以适当方式与镗削头主轴固定，可随主轴回转。将激光位移传感器沿径向调整到进入工作范围。当主轴旋转时，以激光位移传感器连续获取的数据集合为纵轴，时间为横轴，若构成“类正弦”曲线，表明主轴回转中心与孔心轴线不重和。利用数控机床的手摇脉冲发生器，驱动机床沿某一坐标轴移动。随着主轴的移动，正弦曲线幅值将增大或减小。“减小”表明调整方向正确，否则需反向移动机床。当移动至曲线幅值达到最小时，表明坐标轴方向上镗头主轴已经与孔心线重合。同样方法调整与之正交的另一轴。最终，正弦曲线蜕化为直线，表明镗头主轴已经与孔心线完全重合。通过本发明实施例提供的定位方法，激光位移传感器先竖直方向向下移动，再水平方向向右移动为例进行说明，执行一次竖直方向逼近和一次水平方向逼近就能精确定位孔心，操作简单方便；而回转轴线和孔心轴线的平行度有偏差较小时，该方法依然适用。经理论计算，在定位直径为75的圆心，两轴线夹角为5′时，最多只需进行四次水平方向逼近和四次竖直方向逼近就能实现精确定位，定位误差不超过2微米。并且定位后，孔心轴线和机床主轴重合，如果机床主轴具有坐标信息(数控机床)，还能直接建立起工件坐标和机床坐标的联系。值得说明的是，本方法的定心精度与激光位移传感器的测量精度、数据处理的精度和机床主轴的回转精度有关。

综上所述，本发明实施例提供了一种孔心定位法，本发明实施例以非接触式定位替代现有的接触式定位方法，排除受力干扰；测量结果数字化，从而为自动和半自动定位奠定基础，避免了人工读数造成的误差；该方法与现有“百分表极值找正法”相比具有调整少、读数快优点，能显著减少圆心定位的时间；若以机床主轴为测量回转轴，将实现工件坐标系与机床坐标系的直接关联，这将为工件调整、及后续加工带来很大便利性，降低了测量大型工件的复杂度，并且通过较少次数的水平方向逼近和竖直方向逼近，就可以实现孔心的精确定位，减少了计算得复杂度，满足了实际应用中的需要。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种孔心定位法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）将激光位移传感器固定在数控机床的主轴上随所述主轴旋转；

（2）所述激光位移传感器沿圆周扫描并沿竖直方向运动，通过所述激光位移传感器获取孔内表面和激光出射点之间的距离e，每一周内纪录一次e的幅值，获取e在竖直方向最小幅值，所述竖直方向最小幅值对应的点为转折点，在所述转折点，回转轴线同孔心距离a最小；

（3）所述激光位移传感器从所述转折点开始沿圆周扫描并沿水平移动，每一周内纪录一次e水平方向的幅值，获取e在水平方向最小幅值，所述水平方向最小幅值对应的回转轴线和孔心重合，此时，机床的数显坐标值即为孔心坐标；

（4）在所述主轴端，无线发射模块同所述激光位移传感器直接相连，实时发送所述激光位移传感器采集的e的所有值；

（5）数据接收端实时接收所述e的所有值，对所述e的所有值进行去噪处理，并将处理后的所述e在每周内的幅值进行显示；

其中，所述获取孔内表面和激光出射点之间的距离e具体为：

$e=\sqrt{R^2+a^2\×\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)+2\×a\×\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\×\sqrt{R^2-a^2{\sin }^2\left(\mathrm{\θ}\right)}-b^2}-\sqrt{r^2-b^2}$

其中，O是被测圆孔的轴心，O₁为激光位移传感器的旋转轴轴心，SP为激光位移传感器的入射光轴，T为O₁至光轴的垂足，e为孔内表面和激光出射点之间的距离，θ为激光位移传感器的转动角度，令O_lO、O₁T、O₁Q、O₁P和OP为a，b，r、L和R，Q为激光位移传感器旋转圆周上的一点；

当主轴旋转，θ不断变化时，一周内e的幅值为：

$e_{\max }=\sqrt{R^2+a^2+2\×a\×R-b^2}-\sqrt{r^2-b^2}$

式中R、b、r恒定不变，e的幅值取最小，对应的偏心距a为0。

2.一种孔心定位法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）将激光位移传感器固定在数控机床的主轴上随所述主轴旋转；

（2）所述激光位移传感器沿圆周扫描并沿水平方向运动，通过所述激光位移传感器获取孔内表面和激光出射点之间的距离e，每一周内纪录一次e的水平方向幅值，获取e在水平方向最小幅值，所述水平方向最小幅值对应的点为转折点，在所述转折点回转轴线同孔心距离a最小；

（3）所述激光位移传感器从所述转折点开始沿圆周扫描并沿竖直移动，每一周内纪录一次e竖直方向的幅值，获取e在竖直方向最小幅值，所述竖直方向最小幅值对应的回转轴线和孔心重合，此时，机床的数显坐标值即为孔心坐标；

（4）在所述主轴端，无线发射模块同所述激光位移传感器直接相连，实时发送记录到的e的所有值；

（5）数据接收端实时接收所述e的所有值，对所述e的所有值进行去噪处理，并将处理后的e在每周内的幅值进行显示；

其中，所述获取孔内表面和激光出射点之间的距离e具体为：

$e=\sqrt{R^2+a^2\×\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)+2\×a\×\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\×\sqrt{R^2-a^2{\sin }^2\left(\mathrm{\θ}\right)}-b^2}-\sqrt{r^2-b^2}$

其中，O是被测圆孔的轴心，O1为激光位移传感器的旋转轴轴心，SP为激光位移传感器的入射光轴，T为O₁至光轴的垂足，e为孔内表面和激光出射点之间的距离，θ为激光位移传感器的转动角度，令O_lO、O₁T、O₁Q、O₁P和OP为a，b，r、L和R，Q为激光位移传感器旋转圆周上的一点；

当主轴旋转，θ不断变化时，一周内e的幅值为：

$e_{\max }=\sqrt{R^2+a^2+2\×a\×R-b^2}-\sqrt{r^2-b^2}$

式中R、b、r恒定不变，e的幅值取最小，对应的偏心距a为0。

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