CN103615976A - 一种大直径气缸套形位误差在线测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大直径气缸套形位误差在线测量方法与装置，所述方法：在计算机软件中输入测量参数并生成数控测量指令并发送至数控立车；数控立车根据数控测量指令控制缸套及安装于主轴上的激光位移传感器运动并进行采样,通过通讯接口将采样的测量数据发送至计算机；计算机根据测量参数及数控测量指令对收到的测量数据进行预处理得到坐标值；当测量完成后，根据建立的数学模型对所有的坐标值进行优化计算，从而得出所需的形位误差值。所述装置由激光位移传感器、传感器控制器、底座、计算机组成。本发明直接在数控立车上完成气缸套形位误差的测量与计算，不仅检测成本低，而且测量效率高、测量误差小。

Description

一种大直径气缸套形位误差在线测量方法与装置

技术领域

本发明属于测量、测试领域涉及气缸套形位误差测量，具体涉及一种大直径气缸套形位误差在线测量方法与装置。

背景技术

大直径气缸套是船用柴油机的重要部件，随着船舶工业的高速发展，气缸套的需求量越来越大，气缸套的检测直接影响气缸套的产量和质量的提高，我国气缸套生产发展非常迅速，传统的检测方法，以接触式百分表、千分表和测量规为主，这种方法重复性差，人为干扰因素多，极大的影响生产效率。中国专利申请号为201020619481.1的专利公开了“气缸套内孔直线度检具”和中国专利申请号为201220225178.2的专利公开了“铸入式气缸套外圆位置度测量专用检具”，这两种检具都采用接触式测量，精度不高并且不能对缸套实现在线检测，只能测量单一形位误差项目；中国专利申请号为200810152439.0的专利公开了“气缸套智能检测装置”，该装置成本较高，无法实现大直径缸套的在线测量。

发明内容

鉴于上述现有技术存在的不足，本发明的目的就是要提供一种大直径气缸套形位误差在线测量方法与装置，解决目前存在的大直径气缸套检测效率低、检测精度差及检测成本高等问题。

本发明的目的通过以下方法实现的：

一种大直径气缸套形位误差在线测量方法，包括以下步骤：

(1)在计算机中输入测量参数并生成数控测量指令，计算机通过通讯接口将数控测量指令发送至数控立车；

(2)数控立车根据数控测量指令控制气缸套及安装于主轴上的激光位移传感器运动；当激光位移传感器运动到每一预定的测量点时，传感器控制器会收到触发信号控制激光位移传感器进行一次测量，获得激光位移传感器到气缸套内壁的垂直距离，并将所述垂直距离的测量数据发送至计算机；

(3)采用计算机根据测量参数及数控测量指令对步骤（2）所述的测量数据进行预处理，得到每个测量点的空间坐标值；

(4)当测量完成后，根据步骤（3）所述的空间坐标值通过建立的数学模型计算出所需的形位误差值。

在计算机中输入的测量参数包括形位误差项目、气缸套几何参数、传感器初始位置、传感器位置补偿参数、数控立车工件坐标系原点坐标、每一测量点的定位坐标及停顿时间。

传感器控制器收到的触发信号来自数控立车的宏指令，所述数控立车的宏指令包括在数控测量指令中控制传感器运动至各测量点的G指令和网络输出宏指令。

在数控立车不支持宏指令的情况下，传感器控制器收到的触发信号来自数控立车的内部PLC。

所述数学模型包括即气缸套直线度计算非线性优化数学模型、气缸套圆度计算非线性优化数学模型和气缸套圆柱度计算非线性优化数学模型；

其中建立所述气缸套直线度计算非线性优化数学模型的方法如下：

minf_l＝b-c，

$s.t.\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{ax}}_i+b\≥y_i\\ {\mathrm{ax}}_i+c\≤y_i\end{array}\right.,$

其中，minf_l为气缸套直线度，x_i、y_i为各测量点的空间坐标值，a为两平行直线的斜率，b、c分别为两平行直线在Y轴上的截距。

建立所述气缸套圆度计算非线性优化数学模型的方法如下：

minf_cr＝R-r，

$s.t.\left\{\begin{array}{c}{(x_i-x_0)}^2+{(y_i-y_0)}^2-r\≥0\\ {(x_i-x_0)}^2+{(y_i-y_0)}^2-R\≤0\end{array}\right.,$

其中，minf_cr为气缸套圆度，x_i、y_i为各测量点的空间坐标值，R、r分别为两同心圆的外圆半径和内圆半径，x₀为两同心圆的圆心X坐标，y₀为两同心圆的圆心Y坐标。

建立所述气缸套圆柱度计算非线性优化数学模型的方法如下：

minf_cy＝D-d，

$s.t.\left\{\begin{array}{c}{h}_i\≥d\\ h_i\≤D\end{array}\right.,$

其中，minf_cy为气缸套圆柱度，D、d分别为两同轴圆柱的外圆柱半径和内圆柱半径，h_i为各测量点到两同轴圆柱轴线的距离。

一种大直径气缸套形位误差在线测量方法的装置，包括激光位移传感器、传感器控制器、底座、计算机，所述激光位移传感器安装在底座上；所述底座固定在数控立车的刀架上，并使激光位移传感器发出的激光垂直于缸套内壁；所述传感器控制器和激光传感器相连，并通过通讯接口连接计算机，所述传感器控制器的触发端子与数控立车的内部PLC的某一输出继电器触点相连；所述的计算机与数控立车通过网络进行通讯。

本发明与现有技术相比，具有如下有优点：

1）采用高精度激光位移传感器进行非接触式测量，测量结果精度高。

2）在气缸套加工完成后，可在数控立车上直接将刀具换成传感器进行测量，不仅可以提高工作效率，也省去了购置大型专用测量台的费用，还避免了将气缸套移至专用测量台上进行测量时所带来的二次装夹定位的误差。

3）可以测量多种形位误差项目，通过设置计算机中软件的参数便可根据待测形位误差的特点自动规划所需测量点，并进行自动测量。

4）采用非线性数学优化方法针对不同的形位误差项目建立的数学模型，和目前常用的形位误差分析方法相比，不仅更加适合用计算机实现，而且计算精度高、计算速度快。

附图说明

图1为支持宏指令的信号流程图；

图2为不支持宏指令的信号流程图；

图3工作流程图；

图4直线度测量方案示意图。

具体实施方式

下面结合气缸套直线度误差值求解过程作进一步说明。

如图1、图2和图3所示，一种大直径气缸套形位误差在线测量方法，包括以下步骤：

(1)在计算机软件中输入测量参数并生成数控测量指令，通过通讯接口将测量程序发送至数控立车；

(2)数控立车根据数控测量指令控制缸套及安装于主轴上的激光位移传感器运动，当激光位移传感器运动到每一预定的测量点时，传感器控制器会收到触发信号，控制传感器进行一次测量，获得传感器到气缸套内壁的垂直距离，并将该测量数据发送至计算机；

(3)计算机软件根据测量参数及数控测量指令对测量数据进行预处理，根据测得的传感器到气缸套内壁的垂直距离及测量参数计算出每个测量点的空间坐标值；

(4)当测量完成后，根据建立的数学模型计算出所需的形位误差值。

前述在计算机软件中输入的测量的参数包括形位误差项目、气缸套几何参数、传感器初始位置、传感器位置补偿参数、数控立车工件坐标系原点坐标、每一测量点的定位坐标及停顿时间。

前述传感器控制器收到的触发信号来自数控立车的宏指令，在数控测量指令中控制传感器运动至各测量点的G指令后加入网络输出宏指令，当计算机通过网络收到该信号时，即通过传感器控制器控制传感器进行一次采样。

前述在数控立车不支持宏指令的情况下，传感器控制器收到的触发信号还可以来自数控立车的内部PLC；在数控立车的内部PLC中定义一个特殊的M指令，当该M指令执行时，即控制PLC的某一输出继电器触点闭合；在数控测量指令中控制传感器运动至各测量点的G指令后加入该M指令，当该M指令执行时，数控系统即通过内部的PLC对应的输出继电器触点向传感器控制器发出触发信号，控制传感器进行一次采样。

前述的气缸套直线度计算非线性优化数学模型如下：

minf_i＝b-c                            (I)

$s.t.\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{ax}}_i+b\≥y_i\\ {\mathrm{ax}}_i+c\≤y_i\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，minf_l为气缸套直线度，x_i、y_i为各测量点的空间坐标值，a为两平行直线的斜率，b、c分别为两平行直线在Y轴上的截距。上述（1）式为优化目标，表示气缸套直线度为两平行线截距差的最小值，（2）式为约束函数，表示所有测量点均在两平行线之间，即在上直线y＝ax+b下方和下直线y＝ax+c上方。

前述的气缸套圆度计算非线性优化数学模型如下：

minf_cr＝R-r                        (3)

$s.t.\left\{\begin{array}{c}{(x_i-x_0)}^2+{(y_i-y_0)}^2-r\≥0\\ {(x_i-x_0)}^2+{(y_i-y_0)}^2-R\≤0\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，minf_cr为气缸套圆度，x_i、y_i为各测量点的空间坐标值，R、r分别为两同心圆的外圆半径和内圆半径，x₀为两同心圆的圆心X坐标，y₀为两同心圆的圆心Y坐标。上述（3）式为优化目标，表示气缸套圆度为两同心圆外圆和内圆半径差的最小值，（4）式为约束函数，表示所有测量点均在两同心圆之间，即外圆(x-x₀)²+(y-y₀)²＝R和内圆(x-x₀)²+(y-y₀)²＝r之间。

前述的气缸套圆柱度计算非线性优化数学模型如下：

minf_cy＝D-d                              (5)

$s.t.\left\{\begin{array}{c}{h}_i\≥d\\ h_i\≤D\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中，minf_cy为气缸套圆柱度，x_i、y_i、z_i为各测量点的空间坐标值,D、d分别为两同轴圆柱的外圆柱半径和内圆柱半径，h_i为各测量点到两同轴圆柱轴线的距离。上述（5）式为优化目标，表示气缸套圆柱度为两同轴圆柱外圆柱和内圆柱半径差的最小值，（4）式为约束函数，表示所有测量点均在两同心圆柱之间。其中h_i可按照下述方法进行计算：

$\left\{\begin{array}{c}s1=\sqrt{{(x_a-x_b)}^2+{(y_a-y_b)}^2+{(z_a-z_b)}^2}\\ s2=\sqrt{{(x_a-x_1)}^2+{(y_a-y_1)}^2+{(z_a-z_1)}^2}\\ s3=\sqrt{{(x_1-x_b)}^2+{(y_1-y_b)}^2+{(z_1-z_b)}^2}\end{array}\right.$

p＝(s1+s2+s3)/2

其中A（x_a，y_a）、B（x_b，y_b）为理想同轴圆柱轴线上的两点，s1、s2、s3为点A、B和任一测点L_i组成的三条边的边长，根据海伦公式计算该空间三点组成三角形的面积为：

$S=\sqrt{p\×(p-s1)\×(p-s2)\×(p-s3)}$

根据面积公式S＝2×h_i×s₁可得出：

h_i＝2×s/s1

一种大直径气缸套形位误差在线测量方法的装置，包括激光位移传感器、传感器控制器、底座、计算机，所述的激光位移传感器为高精度激光位移传感器，安装在底座上，所述底座固定在数控立车的刀架上，并可使激光位移传感器发出的激光垂直于缸套内壁；所述的光传感器控制器和激光位移传感器相连，并通过通讯接口连接计算机，所述的激光传感器控制器的触发端子还可以与数控立车的内部PLC的某一输出继电器触点相连；所述的计算机与数控立车通过网络进行通讯。

实施例

本实施例采用的数控立车为西门子802d数控立车，该数控立车不支持宏指令，故在数控系统内部定义一个特殊的M指令M56，当M56执行时控制数控立车内部PLC的某一指定的继电器触点闭合，该继电器触点与激光传感器控制器的触发端相连。首先将激光传感器安装在底座上，底座固定在数控立车的刀架上，并可使激光传感器发出的激光垂直于缸套内壁，在计算机软件中输入形位误差项目为直线度误差，接着输入气缸套几何参数（内径1000mm、高度2000mm），数控立车工件坐标系原点（0,2000），传感器的初始位置（0，100），传感器位置补偿参数（X方向60mm、Z方向10mm），数控立车控制传感器运动的步长50mm，传感器在每一测量点的停顿时间2s，由此生成数控测量指令，通过通讯接口将测量程序发送至数控立车。生成的数控测量指令示例如下：

......

N20 G00 X0 Z100         ;将传感器移到初始位置

N30 X440 Z0    ;移动传感器移到缸套内壁

N40 G04 U2.0   ;在测量第一点暂停2s

N50 M56 ;执行特殊的M指令

N60 Z-50   ;移动到下一点

N70 G04 U2.0  ;测量点暂停2s

N80 M56 ;执行特殊的M指令

N90 Z-100  ;移动到下一点

N100 G04 U2.0 ;测量点暂停2s

......

N400 Z-2000

N410 G04 U2.0 ;测量点暂停2s

N420 G00 X0 Z100 ;返回初始位置

数控立车根据数控测量指令控制缸套及安装于主轴上的激光位移传感器沿缸套母线运动并在测量点L₁、L₂、……、L_n各停顿2s。当激光位移传感器运动到测量点L_i时，如程序运行到N50段时，特殊M指令M56执行，数控立车内部PLC的输出继电器触点闭合，向传感器控制器发出触发信号，控制传感器进行一次采样，得到距离值S_i并发送到计算机。

通过程序提取传感器传来的数据即每一测量点得到的距离值S_i，并根据缸套的直径，程序运行时传感器在每一测量点的坐标，以及传感器位置参数补偿值，从而得出每个测量点的坐标值(x_i,z_i)。坐标值计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=440+60+S_i\\ z_i=50\×i+10\end{array}\right.,$

由于数控立车的坐标系是不同于常规坐标系，故需要进行坐标转换，即设z_i=y_i。在所有点测量完成后，将各测量点的坐标(x_i,z_i)转换为(x_i,y_i)带入式（1）、（2）所示的气缸套的直线度计算的数学模型，通过非线性优化后，即可计算出所需的直线度,如图4所示。

Claims (6)

1.一种大直径气缸套形位误差在线测量方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)在计算机中输入测量参数并生成数控测量指令，计算机通过通讯接口将数控测量指令发送至数控立车；

(2)数控立车根据数控测量指令控制气缸套及安装于主轴上的激光位移传感器运动；当激光位移传感器运动到每一预定的测量点时，传感器控制器会收到触发信号控制激光位移传感器进行一次测量，获得激光位移传感器到气缸套内壁的垂直距离，并将所述垂直距离的测量数据发送至计算机；

(3)采用计算机根据测量参数及数控测量指令对步骤（2）所述的测量数据进行预处理，得到每个测量点的空间坐标值；

(4)当测量完成后，根据步骤（3）所述的空间坐标值通过建立的数学模型计算出所需的形位误差值。

2.根据权利要求1所述的一种大直径气缸套形位误差在线测量方法，其特征在于，在计算机中输入的测量参数包括形位误差项目、气缸套几何参数、传感器初始位置、传感器位置补偿参数、数控立车工件坐标系原点坐标、每一测量点的定位坐标及停顿时间。

3.根据权利要求1所述的一种大直径气缸套形位误差在线测量方法，其特征在于，传感器控制器收到的触发信号来自数控立车的宏指令，所述数控立车的宏指令包括在数控测量指令中控制传感器运动至各测量点的G指令和网络输出宏指令。

4.根据权利要求3所述的一种大直径气缸套形位误差在线测量方法，其特征在于，在数控立车不支持宏指令的情况下，传感器控制器收到的触发信号来自数控立车的内部PLC。

5.根据权利要求1所述的一种大直径气缸套形位误差在线测量方法，其特征在于，所述数学模型包括即气缸套直线度计算非线性优化数学模型、气缸套圆度计算非线性优化数学模型和气缸套圆柱度计算非线性优化数学模型；

其中建立所述气缸套直线度计算非线性优化数学模型的方法如下：

minf_l＝b-c，

$s.t.\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{ax}}_i+b\≥y_i\\ {\mathrm{ax}}_i+c\≤y_i\end{array}\right.,$

其中，minf_l为气缸套直线度，x_i、y_i为各测量点的空间坐标值，a为两平行直线的斜率，b、c分别为两平行直线在Y轴上的截距。

建立所述气缸套圆度计算非线性优化数学模型的方法如下：

minf_cr＝R-r，

$s.t.\left\{\begin{array}{c}{(x_i-x_0)}^2+{(y_i-y_0)}^2-r\≥0\\ {(x_i-x_0)}^2+{(y_i-y_0)}^2-R\≤0\end{array}\right.,$

其中，minf_cr为气缸套圆度，x_i、y_i为各测量点的空间坐标值，R、r分别为两同心圆的外圆半径和内圆半径，x₀为两同心圆的圆心X坐标，y₀为两同心圆的圆心Y坐标。

建立所述气缸套圆柱度计算非线性优化数学模型的方法如下：

minf_cy＝D-d，

$s.t.\left\{\begin{array}{c}{h}_i\≥d\\ h_i\≤D\end{array}\right.,$

其中,minf_cy为气缸套圆柱度，D、d分别为两同轴圆柱的外圆柱半径和内圆柱半径，hi为各测量点到两同轴圆柱轴线的距离。

6.一种如权利要求1所述的一种大直径气缸套形位误差在线测量方法的装置，其特征在于包括激光位移传感器、传感器控制器、底座、计算机，所述激光位移传感器安装在底座上；所述底座固定在数控立车的刀架上，并使激光位移传感器发出的激光垂直于缸套内壁；所述传感器控制器和激光传感器相连，并通过通讯接口连接计算机，所述传感器控制器的触发端子与数控立车的内部PLC的某一输出继电器触点相连；所述的计算机与数控立车通过网络进行通讯。

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