CN103009194A - 一种用于大型工件的非接触式内平行平面间距测量法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大型工件的非接触式内平行平面间距测量法，让测头绕主轴回转轴线旋转，第一激光位移传感器和第二激光位移传感器分别扫描被测工件的两相对平面，获取测量轴线与两相对平面交点之间的距离，并定义为测量线段；实时计算所有的测量线段，并获取测量线段的第一最小值，测头在获得第一最小值的位置停止绕主轴回转轴线转动；旋转测头使得测量轴线绕转轴旋转，第一激光位移传感器和第二激光位移传感器分别扫描被测工件的两相对平面，获取测量线段的第二最小值，第二最小值即为两内平行平面之间的距离。本方法实现了对大型工件内部尺寸的测量，提高了测量精度，降低了测量成本以及缩短了测量工时。

Description

一种用于大型工件的非接触式内平行平面间距测量法

技术领域

本发明涉及内平行平面间距测量，尤其涉及一种用于大型工件的非接触式内平行平面间距测量法。

背景技术

随着我国先进制造能力的提升，超大型装备在国民经济的发展中扮演越来越重要的角色，航空、航天、造船、涡轮机和发电机等领域需要大量大型几何量测量技术作为支撑。目前，针对大型工件的测量，除采用传统的千分尺、皮尺、线尺和弦高法等测量技术外，现代化的测量方法也较多，主要有经纬仪测量、全站仪测量，跟踪仪测量、双频激光干涉仪测量、关节式坐标机和室内GPS等等。但是，这些先进测量技术主要用于测量外部表面尺寸，例如：经纬仪测量、双频激光干涉仪测量和跟踪仪测量等，对于大型工件的内尺寸很难完成测量。

内平行平面间距是指工件内部，朝向相对的两平行平面之间的距离，属于一种内尺寸。内平行平面在一些大型箱体类零件存在的数量较多，并且这些结构要素时常会同其它零件进行配合，因而必须满足较高的几何精度要求。上述现代化的测量手段中，关节式坐标机和图像拼接等测量方法，虽可对内平行平面距离进行测量，但是，针对大尺寸测量，尚不能达到保证机械配合所要求的精度。

在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：大型工件上内平行平面的测量技术是目前大型装备制造业领域的一大难题，主要受以下几个方面影响：

1、测量精度问题。随着科技的发展，对大型装备的性能和安全性要求越来越高，对大型工件的加工精度要求也越来越高，进而对测量设备的精度和稳定性要求也越来越高。

2、测量仪器的操作问题。内部尺寸的测量难以像外尺寸那样，测量仪器只需在外部简单安装即可进行测量，内尺寸测量仪器的操作空间受限，加之工件体积大，高度高，测量仪器的使用不方便，以船用发动机的箱体加工为例，一台大型发动机箱体吊装于机床工作台后，为了便于人工使用测量设备，需要搭建脚手架。这种脚手架的拆装耗时要付出与切削工时同等费用，极大的影响了加工效率和成本。

3、大型工件的搬运问题。若大型工件能像小零件那样方便搬运，将其搬往三坐标机进行测量，精度可以很好的保证，同时，效率受影响也较小。但是由于大型工件体积大，质量重，工件通常采用天车进行搬运，搬运的过程复杂，占用较多工时。搬运带来的问题不只是增加了一道操作工序，同时，若工件检测完毕后，不合格需要回原机床返修，此时工件的定位基准和先前的定位基准必然存在误差，还需重新定位、找正，这样，整个过程的工时量极大。

发明内容

本发明提供了一种用于大型工件的非接触式内平行平面间距测量法，本方法实现了对大型工件内部尺寸的测量，提高了测量精度，降低了测量成本以及缩短了测量工时，详见下文描述：

一种用于大型工件的非接触式内平行平面间距测量法，所述方法包括以下步骤：

（1）被测工件立于机床工作台上，测头安装在机床主轴上，并且所述测头随主轴旋转；以主轴回转轴线为Z轴，以垂直Z轴建立X轴和Y轴，建立坐标系XYZ；

（2）让所述测头绕所述主轴回转轴线旋转，第一激光位移传感器和第二激光位移传感器分别扫描所述被测工件的两相对平面，获取测量轴线与两相对平面交点之间的距离，并定义为测量线段；

（3）实时计算所有的测量线段，并获取测量线段的第一最小值，所述测头在获得第一最小值的位置停止绕主轴回转轴线转动；

（4）旋转所述测头使得测量轴线绕转轴旋转，所述第一激光位移传感器和所述第二激光位移传感器分别扫描所述被测工件的两相对平面，获取测量线段的第二最小值，所述第二最小值即为两内平行平面之间的距离。

所述测量线段的第一最小值等于l₁的最小值和l₂的最小值之和；

$l_1=\frac{-d\sin \mathrm{\α}*\sin \mathrm{\β}+\cos \mathrm{\α}*\sqrt{{\cos }^2\mathrm{\β}*d^2+x^2*\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\β})}}{\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})*\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\β})};$

$l_2=\frac{-d^{\′}\sin \mathrm{\α}*\sin \mathrm{\β}+\cos \mathrm{\α}*\sqrt{{\cos }^2\mathrm{\β}*d^{\′2}+x^2*\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\β})}}{\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})*\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\β})};$

其中，d为顶点O至左平面的距离；α为线段AB同y轴的夹角；β为锥面和坐标平面的夹角；d'为顶点O至右平面的距离；AB表示过顶点O的平面法线。

所述测量线段的第二最小值具体为：

旋转所述测头使得所述测量轴线绕所述转轴旋转，同时采集测量线段的数值，获取数值变化的拐点，所述拐点即为测量轴线和平面法线重合位置，此时所得的测量线段的值记为所述测量线段的第二最小值。

所述测量轴线具体为：所述第一激光位移传感器和所述第二激光位移传感器发出的激光光轴重合，将重合的直线定义为所述测量轴线。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1）安全性好：接触测量一般要求操作人员要位于测量要素附近操作、读数或引导，这就限制了自动测量的可能性。本方法采用的是非接触定值比较测量，非接触测头远离被测表面，因此具有足够安全性。

2）检测精度高：当测头采用高精度激光位移传感器时，能够快速精确的测量出被测点到传感器的距离；采用定值比较测量法，可以实现大尺寸的高精度测量；无测量力、回转时的径向跳动对测量结果无影响等特点，使得测量误差源减少，有益于测量精度提升。

3）动态自动测量和手动测量共存：该测量方法采用具有数字传输功能的非接触式传感器，不仅可以手动测量；当测头上设置有无线收发模块和数据显示模块时，可以直接得出测量结果，并将测量数据传输到机床数控系统，数控系统根据测量结果控制执行机构的运动，完成自动测量。

4）操作简单：大型工件上内平行平面间距测量最大的难题是效率，本方法测量内平行平面距离，理论上只需两步操作，并且测量数据数字显示，节省了操作时间。

5）可实现在机测量：可以将非接触测头安装在机床上，利用机床自身的运动执行机构使测头旋转或平移，可使机床的运动空间变成测头的测量空间。

附图说明

图1为内平行平面间的距离测量基本结构图；

图2为回转轴线、内平面法线、激光光轴三线共面调节模型的示意图；

图3为激光光轴和内平面法线重合调节模型的示意图；

图4为一种用于大型工件的非接触式内平行平面间距测量法的流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：被测工件；            2：测头；

3：转轴；                4：第一激光位移传感器；

5：第二激光位移传感器；  6：螺钉组。

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，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了实现对大型工件内部尺寸的测量，提高测量精度，降低测量成本以及缩短测量工时，本发明实施例提供了一种用于大型工件的非接触式内平行平面间距测量法，参见图1、图2、图3和图4，详见下文描述：

参见图1，测头2上设置有第一激光位移传感器4和第二激光位移传感器5，测头2在使用之前，第一激光位移传感器4和第二激光位移传感器5发出的激光光轴重合，将重合的直线定义为测量轴线；测头2与机床主轴等旋转机构相连，将测头2绕着旋转机构旋转的中心轴定义为回转轴线；当测头2位于被测工件1的两相对平面之间（分别为左平面和右平面），进入测量状态后，有这样一个问题：在初始测量位置时，难以确保测量轴线同被测平行平面的法线方向一致，因而所得的测量数值较实际的平面距离值偏大。为获得内平行平面间真实的距离，设计了以下模型：

这个模型预先需考虑回转轴线、测量轴线以及平面法线三者的相互位姿关系。平面法线是一组直线簇，本专利的调节目标是使测量轴线和任意一条平面法线重合，因而，本专利所述的一条平面法线可指代任意一条平面法线。

在上述三条直线中，只有测量轴线的位姿为可调节的，其它两条直线均不可调。此时，第一步的目标是把这三条直线调节成共面。由于回转轴线和平面法线两条直线即已经确定了一个平面，因此，第一个目标可以理解为将测量轴线调节至由回转轴线和平面法线确定的平面内。

回转轴线与测量轴线不垂直(或垂直)，则测量轴线扫描时所形成的轮廓为沙漏型(或平面，而平面可作为一个特殊的沙漏型锥体)，如图2所示。一般情况下，考虑回转轴线和平面法线不垂直的状态。该状况下，被测点为图上沙漏型锥体与平行平面相交的位置。由圆锥曲线知识可知，被测点在两个内平行平面间所形成曲线为双曲线。这里，为便于之后叙述，还将同一时刻测量轴线与两相对平面交点之间的距离定义成测量线段。

如图2所示，O是沙漏型锥体的顶点；O₁O₂表示回转轴，即沙漏性锥体的轴线；线段AB表示过O点的平面法线，线段AB和O₁O₂所构成的唯一平面定义为面3。以圆锥顶点O为坐标原点，以回转轴线O₁O₂为Z轴，在面3内将垂直回转轴线O₁O₂的直线定为Y轴，以右手法则确定X轴，可建立坐标系O-XYZ。设顶点O至左平面的距离为d；顶点O至右平面的距离为d'；AB同y轴的夹角为α；锥面和坐标平面的夹角为β；可知α、d和β在测量轴线扫描被测平面的过程中是恒定不变的。

在坐标系O-XYZ中，沙漏型锥面的方程为：

$\sqrt{x^2+y^2+z^2}\×\sin \mathrm{\β}-z=0---\left(1\right)$

左平面的方程为：

-y×cosα+z×sinα=d               (2)

左平面上被测点到顶点O的距离：

$l_1=\sqrt{x^2+y^2+z^2}---\left(3\right)$

将(1)、(2)中的y，z用x、α、β、d表示，并代入(3)式中，得：

$l_1=\frac{-d\sin \mathrm{\α}*\sin \mathrm{\β}+\cos \mathrm{\α}*\sqrt{{\cos }^2\mathrm{\β}*d^2+x^2*\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\β})}}{\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})*\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\β})}---\left(4\right)$

由于α、β和d在测量轴线扫描被测平面的过程中是恒定不变的，且为锐角，只要在测量时，使α和β之和小于九十度，由式(4)可知，当被测点在面x=0，即面3中时，l₁的值最小。

同理可知，右平面内的被测点与顶点O的距离l₂最小时，该被测点位于面3内。

$l_2=\frac{-d^{\′}\sin \mathrm{\α}*\sin \mathrm{\β}+\cos \mathrm{\α}*\sqrt{{\cos }^2\mathrm{\β}*d^{\′2}+x^2*\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\β})}}{\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})*\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\β})}$

在面3内，测量线段的长度等于l₁的最小值和l₂的最小值之和，因此，此段测量线段的长度是所有测量线段中的最小值，记为测量线段的第一最小值；反过来亦然，即测量线段最短时，被测点位于面3内，至此，完成了一个目标的理论分析。

当实现主轴的回转轴线、测量轴线以及平面法线三线共面后，固定主轴，使测头2不绕主轴旋转。接下来，使用俯仰调节，使测量轴线和平面法线重合。

经过第一步所提及的操作，测量轴线已处于图3所示的AOO₁平面内，旋转测头2使得测量轴线绕转轴3旋转。同时，始终采集测量线段的数值，这些数值会随着旋转角度的变化而变化，即数值从大变小，再从小变大，拐点即为测量轴线和平面法线重合位置，此时所得的测量线段的值记为测量线段的第二最小值，即两内平行平面间距。

101：被测工件1立于机床工作台上，测头2安装在机床主轴上，测头2上设置有第一激光位移传感器4和第二激光位移传感器5，并且测头2随主轴旋转；以主轴回转轴线为Z轴，以垂直Z轴建立X轴和Y轴，建立坐标系XYZ；

102：让测头2绕主轴回转轴线旋转，第一激光位移传感器4和第二激光位移传感器5分别扫描被测工件1的两相对平面，获取测量轴线与两相对平面交点之间的距离，并定义为测量线段；

其中，测量线段的长度为测头2的初始标定值和两个激光位移传感器的测量值之和，将初始标定值作为非接触测量的定值。

103：实时计算所有的测量线段，并获取测量线段的第一最小值，测头2在获得第一最小值的位置停止绕主轴回转轴线转动；

即第一最小值等于l₁的最小值和l₂的最小值之和。

104：旋转测头2使得测量轴线绕转轴3旋转，第一激光位移传感器4和第二激光位移传感器5分别扫描被测工件1的两相对平面，获取测量线段的第二最小值，第二最小值即为两内平行平面之间的距离。

其中，旋转测头2使得测量轴线绕转轴3旋转的具体实现方式，根据实际应用中的需要确定，例如：当测头2为图1中的结构时，通过调节螺钉组6来实现转轴3旋转。具体实现时，这个旋转功能，除了调节螺钉，还能利用例如：电机转动等其他旋转装置实现，本专利强调的是旋转功能，虽然装置上采用的是手动螺旋调节装置，但采用任何其它装置来实现这个功能，均在本专利的保护范围之内。

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 (4)

1.一种用于大型工件的非接触式内平行平面间距测量法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）被测工件立于机床工作台上，测头安装在机床主轴上，并且所述测头随主轴旋转；以主轴回转轴线为Z轴，以垂直Z轴建立X轴和Y轴，建立坐标系XYZ；

（2）让所述测头绕所述主轴回转轴线旋转，第一激光位移传感器和第二激光位移传感器分别扫描所述被测工件的两相对平面，获取测量轴线与两相对平面交点之间的距离，并定义为测量线段；

（3）实时计算所有的测量线段，并获取测量线段的第一最小值，所述测头在获得第一最小值的位置停止绕主轴回转轴线转动；

（4）旋转所述测头使得测量轴线绕转轴旋转，所述第一激光位移传感器和所述第二激光位移传感器分别扫描所述被测工件的两相对平面，获取测量线段的第二最小值，所述第二最小值即为两内平行平面之间的距离。

2.根据权利要求1所述的一种用于大型工件的非接触式内平行平面间距测量法，其特征在于，所述测量线段的第一最小值等于l₁的最小值和l₂的最小值之和；

$l_1=\frac{-d\sin \mathrm{\α}*\sin \mathrm{\β}+\cos \mathrm{\α}*\sqrt{{\cos }^2\mathrm{\β}*d^2+x^2*\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\β})}}{\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})*\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\β})};$

$l_2=\frac{-d^{\′}\sin \mathrm{\α}*\sin \mathrm{\β}+\cos \mathrm{\α}*\sqrt{{\cos }^2\mathrm{\β}*d^{\′2}+x^2*\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\β})}}{\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})*\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\β})};$

其中，d为顶点O至左平面的距离；α为线段AB同y轴的夹角；β为锥面和坐标平面的夹角；d'为顶点O至右平面的距离；AB表示过顶点O的平面法线。

3.根据权利要求1所述的一种用于大型工件的非接触式内平行平面间距测量法，其特征在于，所述测量线段的第二最小值具体为：

旋转所述测头使得所述测量轴线绕所述转轴旋转，同时采集测量线段的数值，获取数值变化的拐点，所述拐点即为测量轴线和平面法线重合位置，此时所得的测量线段的值记为所述测量线段的第二最小值。

4.根据权利要求1或3所述的一种用于大型工件的非接触式内平行平面间距测量法，其特征在于，所述测量轴线具体为：

所述第一激光位移传感器和所述第二激光位移传感器发出的激光光轴重合，将重合的直线定义为所述测量轴线。

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