CN103831669A

CN103831669A - 圆度误差在线测量系统及测量方法

Info

Publication number: CN103831669A
Application number: CN201410105902.1A
Authority: CN
Inventors: 蒋峰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-03-20
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2014-06-04

Abstract

本发明公开了圆度误差在线测量系统，包括机床本体、数控系统、伺服系统和寻边器，机床本体上设置有工作台和可移动的主轴，主轴设置在工作台上方，工作台上固定有被测工件，工作台上设有坐标系统，寻边器固定在主轴上用以测量被测工件边缘的采样点坐标，伺服系统与工作台和主轴连接，伺服系统用以控制主轴移动使寻边器触碰被测工件的边缘，数控系统与伺服系统连接用以接收伺服系统传送的采样点坐标数据并处理该数据得到被测工件的圆度误差。本发明的圆度误差在线测量系统不需要采用专用检测设备和测量软件，无须取下被测工件，直接在加工过程对被测工件的圆度误差进行测量，操作方便简单。提高了加工过程的生产效率，同时系统结构简单、成本低。

Description

圆度误差在线测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及圆度测量领域，特别涉及一种圆度误差在线测量系统及测量方法。

背景技术

圆度误差是指回转体的同一正截面上实际轮廓相对于理想圆的变动量。机械零件回转表面轮廓的圆度误差对机器和仪器的功能有直接的影响。它是高精度回转体零件的一项重要精度指标，也是检验回转体类零件加工质量的重要指标之一。圆度误差是机械零部件的一项重要参数，对其测量是一个复杂、重要的工作。目前对其测量是应用圆度仪和三坐标测量仪。在进行圆度测量时需要将被测工件从加工台上取下，再夹装到测量仪上进行测量。反复的夹装不但会引起重复定位误差，而且使得生产效率低，无法满足现代化高速生产的要求。

现有技术中的在线测量系统通常包括数控系统、伺服系统、机床本体、计算机、测头系统、系统接口和被测工件。其工作原理是:首先在计算机上生成自动测量宏程序，并将测量宏程序由通讯接口传输给数控机床，从而使机床伺服系统驱动工作部件，带动测头对被测件按测量宏程序要求产生测量动作；然后测头对被测工件进行测量时发出触发信号，通过测头与数控系统的专用接口转变为数控系统可识别的信号，并由数控系统即时记录测点的坐标，同时按宏程序执行下一步动作；最后在计算机软件控制下，对测量结果进行计算、补偿、数据库链接及可视化等各项数据处理工作，直至完成全部测量工作。其系统结构复杂、成本高，软件开发难度高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生产效率高、系统结构简单、成本低，开发难度低的圆度误差在线测量系统及测量方法。

根据本发明的一个方面，提供了圆度误差在线测量系统，包括工作台，能够固定被测工件，

可移动的主轴，其上安装有寻边器，用以测量被测工件边缘的采样点坐标，

伺服系统，与工作台和主轴连接，用以控制主轴移动使寻边器触碰被测工件的边缘，和

数控系统，记录被测工件边缘的采样点坐标数据，处理该数据得到被测工件的圆度误差。

本发明的圆度误差在线测量系统省去了系统接口、计算机，简化了测量装置，将由计算机完成的测量程序生成、测量数据处理、结果显示等任务完全由数控系统来完成。同时该系统不需要采用专用检测设备和测量软件，无须取下被测工件，直接在加工完成后对被测工件的圆度误差进行测量。操作方便、简单，提高了加工效率，系统结构简单、成本低。

在一些实施方式中，寻边器采用光电式寻边器。光电式寻边器成本低、定位准确使用方便。

根据本发明的另一个方面，提供了圆度误差在线测量方法，该方法用于上述圆度误差在线测量系统，包括如下步骤：

1）测量准备：将寻边器固定在主轴上；

2）寻边采样：伺服系统控制主轴带动寻边器移动接触被测工件的边缘，寻边器与被测工件的接触点即为采样点，数控系统自动记录第一采样点的坐标值，移动寻边器在被测工件的边缘测量出多个采样点坐标值；

3）圆度误差计算：数控系统自动记录并根据测量出的多个点的坐标值计算出被测工件的圆度误差。

该圆度误差在线测量方法通过寻边器定位并采样被测工件边缘的多点坐标到数控系统，再由数控系统计算得到被测工件的圆度误差，极大的发挥数控系统的运算功能。编制测量宏程序和数据处理程序，不必要通过开发专业的测量数据处理软件，得以使方法简单适用，提高了加工工件的生产效率。

在一些实施方式中，步骤3）包括如下步骤：

a、记录采样点坐标：数控系统自动记录测量出的多个点的坐标值；

b、计算最小二乘圆的圆心坐标：根据各点坐标值计算出被测工件的最小二乘圆的圆心坐标；

c、计算ε_i值：计算各测量点到最小二乘圆圆心的径向距离ε_i；

d、找出ε_imax和ε_imin：找出ε_i中的最大值ε_imax和最小值ε_imin；

e、得出圆度误差值：最大值ε_imax和最小值ε_imin之差即为被测工件的圆度误差。

数控系统通过上述函数运算得到被测工件的几何元素，处理过程简单，工作效率高。

在一些实施方式中，步骤2）中寻边器与被测工件的接触为极限接触。极限接触即进一步即指示灯被点亮，退一步则指示灯熄灭。有利于更精准地测量工件边缘的坐标。

在一些实施方式中，步骤2）中的多个采样点均匀分布。采样点均匀分布有利于对被测工件整体的圆度进行测量。采样点均匀分布的也是由本圆度误差计算方法决定的，可使计算结果更精确。

在一些实施方式中，步骤2）中的第一采样点位于工作台上的坐标系统的第一象限，逆时针进行采样。从第一象限开始逆时针方向采样，有利于数控系统进行计算。

在一些实施方式中，步骤a～e中采样点坐标值、中间结果以及最终得到的圆度误差值均通过数控系统进行存储与显示。有利于操作人员直观了解加工的误差分布情况，便于后续进行补偿，完善工件加工的质量。

在一些实施方式中，圆度误差在线测量方法还包括：存储并显示结果：将计算得到的圆度误差值通过数控系统进行存储、显示。便于操作人员查看。

附图说明

图1为本发明一实施方式的圆度误差在线测量系统的结构示意图；

图2为本发明一实施方式的圆度误差在线测量方法的流程框图；

图3为本发明圆度计算方法的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明作进一步详细的说明。

图1示意性地显示了根据本发明的一种实施方式的圆度误差在线测量系统。

如图1所示，圆度误差在线测量系统，圆度误差在线测量系统，其特征在于包括：

工作台11，能够固定被测工件5，并设有坐标系统，

可移动的主轴12，其上安装有寻边器4，用以测量被测工件边缘的采样点坐标，

伺服系统3，与工作台11和主轴12连接，用以控制主轴12移动使寻边器4触碰被测工件5的边缘，和

数控系统2，记录被测工件5边缘的采样点坐标数据，处理该数据得到被测工件5的圆度误差。

工作台11和主轴12均安装在机床本体1上。主轴12设置在工作台11上方。

机床本体1可采用南通科技集团的VMC600加工中心，数控系统可采用FANUC公司的FANUC0i-MC数控系统，寻边器可采用HARDY生产的LR-20A光电式寻边器。在数控系统2中编制测量宏程序和数据处理程序，运行测量宏程序可对被测工件5进行自动测量。在测量过程中可暂停并进行手动操作采集数据。

图2为本发明一实施方式的圆度误差在线测量方法的流程框图。

如图2所示，适用于上述圆度误差在线测量系统的圆度误差在线测量方法，该方法包括如下步骤：

1）测量准备S110：将寻边器4固定在主轴12上，同时启动测量程序；

2）寻边采样S120：伺服系统3控制主轴12带动寻边器4移动接触被测工件5的边缘，使主轴12、寻边器4、被测工件5、工作台11和机床本体1形成电回路，寻边器4上的指示灯被点亮。该电回路可形成电信号反馈给伺服系统3以便伺服系统3对寻边器4的运动进行控制。寻边器4与被测工件5的接触点即为采样点。数控系统2自动记录第一采样点的坐标值，移动寻边器4在被测工件5的边缘得到多个采样点坐标值。寻边器4包括柄部、触头和指示灯，其柄部装夹在主轴12上，柄部和触头之间有一个固定的电位差。进行采样时，寻边器4的触头与被测工件5的的边缘接触时，通过机床本体1形成回路电流，则寻边器4上的指示灯被点亮。通过逐步降低主轴12移动的步进增量，使寻边器4与被测工件5处于极限接触状态，即进一步即指示灯被点亮，退一步则指示灯熄灭。各采样点均匀分布，并且采样顺序从第一象限开始逆时针进行，第一采样点位于工作台11上的坐标系统的第一象限。

3）圆度误差计算S130：数控系统2自动记录并根据测量出的多个点的坐标值计算出被测工件5的圆度误差。

上述步骤3）包括如下步骤：

a、记录采样点坐标S131：数控系统2记录测量出的多个采样点的坐标值；

b、计算最小二乘圆的圆心坐标S132：根据各点坐标值计算出被测工件的最小二乘圆的圆心坐标（a，b）；

如图3所示。O′点为工件坐标原点。该坐标原点是以加工时定义的工件坐标系的原点为原点。p_i为第i个采样点，坐标为(x_i，y_i)。r_i为点p_i到O′点的距离。O为最小二乘圆圆心，坐标为(a，b)。R为最小二乘圆半径。θ_i为p_i点到O′点的连线与X轴的夹角，ε_i为p_i点至最小二乘圆圆心的径向距离。

计算公式为：

\{\begin{matrix} R = (1 / n) Σ r_{i} \\ a = (2 / n) Σ r_{i} \cos θ_{i} \\ b = (2 / n) Σ r_{i} \sin θ_{i} \end{matrix}

c、计算ε_i值S133：计算各测量点到最小二乘圆圆心的径向距离ε_i；计算公式如下：

ϵ_{i} = \sqrt{{(x_{i} - a)}^{2} + {(y_{i} - b)}^{2}}

d、找出ε_imax和ε_imin S134：用排序法找出ε_i中的最大值ε_imax和最小值ε_imin；

e、得出圆度误差值S135：最大值ε_imax和最小值ε_imin之差即为被测工件5的圆度误差。

4）存储并显示结果S140：将计算得到的圆度误差值通过数控系统进行存储、显示。

上述步骤a～e中采样点坐标值、中间结果以及最终得到的圆度误差值均通过数控系统进行存储与显示。

本圆度误差在线测量方法可采用最小二乘圆法，该方法是以被测实际轮廓的最小二乘圆作为理想圆，其最小二乘圆圆心至轮廓的最大距离与最小距离之差即为该截面的圆度误差。当然也可以采用其它的计算方法，例如最小外接圆法和最大内接圆法等。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.圆度误差在线测量系统，其特征在于包括：

工作台（11），能够固定被测工件（5），并设有坐标系统，

可移动的主轴（12），其上安装有寻边器（4），用以测量被测工件边缘的采样点坐标，

伺服系统（3），与工作台（11）和主轴（12）连接，用以控制主轴（12）移动使寻边器（4）触碰被测工件（5）的边缘，和

数控系统（2），记录被测工件（5）边缘的采样点坐标数据，处理该数据得到被测工件（5）的圆度误差。

2.根据权利要求1所述的圆度误差在线检测系统，其特征在于：所述寻边器（4）采用光电式寻边器。

3.圆度误差在线测量方法，用于权利要求1或2所述的圆度误差在线测量系统，其特征在于，包括如下步骤：

1）测量准备（S110）：将寻边器（4）固定在主轴（12）上；

2）寻边采样（S120）：伺服系统（3）控制主轴（12）带动寻边器（4）移动接触被测工件（5）的边缘，寻边器（4）与被测工件（5）的接触点即为采样点，数控系统（2）记录第一采样点的坐标值，移动寻边器（4）在被测工件（5）的边缘得到多个采样点坐标值；

3）圆度误差计算（S130）：数控系统（2）记录并根据测量出的多个点的坐标值计算出被测工件（5）的圆度误差。

4.根据权利要求3所述的圆度误差在线测量方法，其特征在于：所述步骤3）包括如下步骤：

a、记录采样点坐标（S131）：记录测量出的多个点的坐标值；

b、计算最小二乘圆的圆心坐标（S132）：根据各点坐标值计算出被测工件的最小二乘圆的圆心坐标；

c、计算ε_i值（S133）：计算各测量点到最小二乘圆圆心的径向距离ε_i；

d、找出ε_imax和ε_imin（S134）：找出ε_i中的最大值ε_imax和最小值ε_imin；

e、得出圆度误差值（S135）：最大值ε_imax和最小值ε_imin之差即为被测工件（5）的圆度误差。

5.根据权利要求3所述的圆度误差在线测量方法，其特征在于：所述步骤2）中寻边器（4）与被测工件（5）的接触为极限接触。

6.根据权利要求3所述的圆度误差在线测量方法，其特征在于：所述步骤2）中的多个采样点均匀分布。

7.根据权利要求3所述的圆度误差在线测量方法，其特征在于：所述步骤2）中的第一采样点位于工作台（11）上的坐标系统的第一象限并逆时针方向进行采样。

8.根据权利要求4所述的圆度误差在线测量方法，其特征在于：所述步骤a～e中采样点坐标值、中间结果以及最终得到的圆度误差值均通过数控系统进行存储与显示。

9.根据权利要求3～7任一项所述的圆度误差在线测量方法，其特征在于还包括：将计算得到的圆度误差值通过数控系统进行存储、显示。