CN103424071A - 基于激光三角法的内孔测头固有几何参数标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光三角法的内孔测头固有几何参数标定方法，以实现对内孔截面参数的精密测量。标定时需要一个由单回转自由度，两个移动自由度构成的运动平台和一个标定工件，标定前先调整标定件两被测面与工作台平面垂直，调整测头轴线与标定件轴线平行，然后调整激光三角位移传感器的转动，使激光束分别垂直于标定件内侧面A和B，利用传感器两次读数和标定件两被测面距离d，标定出测头回转轴线到传感器测量基准面的偏移距离b＝(d-l₁-l₂)/2；调整传感器旋转，找出传感器与标定件两被测面的最小距离，并利用已标定的b，利用关系

标定出测头回转轴线与传感器发射激光束之间偏心值a。

Description

基于激光三角法的内孔测头固有几何参数标定方法

一、技术领域

本发明涉及一种基于激光三角法的内孔测头固有几何参数标定方法，用以实现对内孔截面参数的精密测量。

二、背景技术

孔类零件是工业生产领域最常用的零件，如汽车发动机、石油钻杆，精密轴承、火炮身管等，孔类零件内部几何参数是否合格对其工作性能有极大影响，必须对其准确测量。现有的测量方法主要有接触式测量和非接触式测量两类，接触式测量因为传感器本身需要与被测表面接触(如塞规或三坐标测量机)，测量效率低，容易划伤被测表面和磨损传感器。非接触式测量方法可以实现对内孔的快速测量，其中激光三角位移传感器因为具有较高的测量精度和较小的体积，被广泛应用于内孔几何参数测量中。激光三角位移传感器属于单点式测量，为了获得内孔截面的完整数据，必须控制传感器在被测孔内回转，因此，基于激光三角法的内孔测头除了包括激光三角位移传感器外，还应包括传感器回转机构和支撑壳体。受被测孔自身尺寸和传感器测量范围的限制，传感器回转轴线与传感器发射激光束很难保证共面，会存在偏心值a；此外，传感器输出的测量值是参照传感器内某一平面，而传感器回转轴线一般不过该平面，会存在偏移距离b。a和b是此类内孔测头的固有参数，在整个测量过程中是不变的。在内孔实际测量过程中，往往是利用各个被测点到测头回转中心的距离R_i来计算内孔截面参数，但R_i不等同于传感器输出量l_i，二者之间存在如下关系：

R_i ²＝a²+(b+l_i)²

可见，a和b值直接影响测量结果，在内孔测头正式测量之前，必须对其进行标定。

三、发明内容：

本发明的目的是提供一种对基于激光三角法的内孔测头固有几何参数的标定方法，实现由激光三角位移传感器读数获取被测点到测头回转中心距离，进一步经过数据处理，求得被测内孔截面几何参数。基于激光三角法的内孔测量原理如图1。

本发明所采取的技术方案是：首先要设计一个标定件，标定件一端是短圆柱，用于装卡标定件，另一端开口，开口端两个内侧面A和B是用于标定的平面，A、B面应具有较高的平面度和平行度，并都平行于短圆柱的轴线，两平面间距离d要事先确定；然后要选择具有一个回转轴和两个移动轴的工作台，工作台的两个移动轴互相垂直，回转轴轴线与一个移动轴平行(卧式)或与两个移动轴都垂直(立式)。将标定件装卡在回转轴的三爪卡盘上，由回转电机带动其旋转，将测头壳体通过V型块置于工作台平面上方，标定装置如图2所示。

标定前先调整标定件的旋转角度，使其两被测面垂直于工作台面，然后调整测头使其回转轴线与标定件的回转轴线平行，固定测头壳体。标定时先调整激光三角位移传感器的旋转角度，使之发射的激光束垂直于标定件的一个被测面，记录传感器读数l₁，再使传感器绕测头轴线旋转180°，记录传感器读数l₂，由图3可以得出下面的关系式：

2b+l₁+l₂＝d

于是，测头转轴到激光三角位移传感器测量基准面的偏移距离b为：

b＝(d-l₁-l₂)/2

调整传感器的转动，使之发出的激光束在与标定件被测面夹角约±30°范围内摆动，找出最小读数值l_1min，则测头回转轴线到该被测面间距离为：

$R_{1\min }=\sqrt{a^2+{(b+l_{1\min })}^2}$

使传感器绕测头轴线旋转180°后，再次使之在与另一被测面夹角约±30°范围内摆动，找出最小读数值l_2min，则测头回转轴线到该被测面间距离为：

$R_{2\min }=\sqrt{a^2+{(b+l_{2\min })}^2}$

由图4，可以看出

R_1min+R_2min＝d

而b的值已经在第一步标定中得到了，于是，可以直接标定出偏心值a。

本发明所需要的标定件形状简单，容易加工；所需要的标定工作台只需要有2个移动轴和1个回转轴，回转轴可以水平布置，也可以垂直布置，结构灵活。标定过程调整简单，容易掌握，利用一个标定件和一个标定工作台可以实现对测头偏心值a和偏移距离b两个参数的标定，且a、b的标定值都可通过解析方程求解获得，计算简单，通过多次标定实验可以获得较高的精度，从而提高对内孔截面的测量精度。

四、附图说明：

图1基于激光三角法的内孔测量原理

图2基于激光三角法的内孔测头固有几何参数标定用装置

图3测头转轴与传感器测量基准面的偏移距离b的标定原理图

图4测头转轴与传感器发射激光束的偏心值a的标定原理图

图中，l1，l2为激光三角位移传感器的读数值，R为被测点到测头回转中心的距离。

五、具体实施方式：

下面结合附图2～4对本发明的具体实施方式进行详细说明：

(1)将标定件装卡在回转机构的三爪卡盘上，由回转机构带动标定件旋转，使标定件内侧两被测面垂直于工作台面；

(2)将测头支撑壳体通过V型块置于工作台平面上方，测头要位于标定件两个被测面内，控制工作台沿图2的Z轴移动，在测头跟随其沿Z方向移动过程中，观察激光三角位移传感器的读数，如果有较大变化，在工作台面上调整测头，直至沿Z轴运动时激光三角位移传感器的读数变化很小(如在5um范围内)，表示测头回转轴线与标定件回转轴线平行，固定测头壳体；

(3)旋转激光三角位移传感器到某个角度，控制工作台沿图2的X轴移动，在测头跟随其沿X方向移动过程中，观察激光三角位移传感器读数变化和X轴光栅尺读数变化，直至二者之差很小(如在5um范围内)，表示激光三角位移传感器发射的激光光束与标定件被测面垂直，记录激光三角位移传感器的读数l₁；

(4)使激光三角位移传感器绕测头轴线旋转180°，记录激光三角位移传感器的读数l₂，则测头转轴到激光三角位移传感器测量基准面的偏移距离b＝(d-l₁-l₂)/2；

(5)调整激光三角位移传感器的转动，使之发出的激光束在与被测面夹角约±30°范围内摆动，找出最小测量值l_1min，得到

(6)将激光三角位移传感器绕测头轴线旋转180°；

(7)调整激光三角位移传感器的转动，使之发出的激光束在与另一被测面夹角约±30°范围内摆动，找出最小测量值l_2min，得到

(8)利用R_1min+R_2min＝d的关系和步骤(4)计算出的b值得，标定出偏心值a。

Claims (7)

1.一种基于激光三角法的内孔测头固有几何参数标定方法，其特征在于：将测头和标定工件置于工作台上，调整激光三角位移传感器，使激光束分别与标定工件内侧两被测面垂直，标定出测头回转轴线与传感器测量基准面间的偏移距离b；调整激光三角位移传感器分别与标定工件两被测面距离最小，标定出测头转轴与激光束间的偏心距离a。

2.根据权利要求1说述的标定方法，，其特征在于：标定过程需要一个标定件，标定件一端是短圆柱，用于装卡定位，另一端开口，开口端两个内侧面A和B是用于标定的被测面，A、B面应具有较高的平面度和平行度，并都平行于短圆柱的轴线，两平面间距离d要事先确定。

3.根据权利要求1说述的标定方法，其特征在于：标定过程需要一个工作台，工作台具有一个回转轴和两个移动轴X、Z，其中X、Z轴互相垂直，回转轴轴线与X或Z轴平行(卧式)或与X、Z轴都垂直(立式)。

4.根据权利要求1说述的标定方法，其特征在于：测头位于标定件两被测面之间。

5.根据权利要求1说述的标定方法，其特征在于：标定前调整标定件两个被测面垂直于工作台水平面后固定不动，调整测头轴线与标定件的回转轴线平行后固定测头支撑壳体。

6.根据权利要求1说述的标定方法，其特征在于：标定b时，先调整激光三角传感器的旋转角度，使之发射的激光束垂直于标定件的一个被测面，记录传感器读数l₁，使传感器绕测头轴线旋转180°，记录传感器读数l₂，则测头回转轴线到激光三角传感器测量基准面的偏移距离b＝(d-l₁-l₂)/2。

7.根据权利要求1说述的标定方法，其特征在于：标定a时，先调整激光三角传感器的旋转角度，使之发射的激光束在与测量面A夹角约±30°范围内摆动，找出最小读数l_1min，得到 

再使激光三角传感器绕测头轴线旋转180°到测量面B，使之发射的激光束在与测量面B夹角约±30°范围内摆动，找出最小测量l_2min，得到 

利用R_1min+R_2min＝d的关系和前面计算出的b值得，标定出偏心值a。 

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