CN104316001B - 一种无基准孔系同轴度误差测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无基准孔系同轴度误差测量系统及其测量方法，该测量系统包括自定心三爪测头、PSD传感器、双轴倾角传感器、激光器、四维工作台、信号采集模块、工作台控制模块和中央控制模块。测量时，首先用激光束穿过被测孔系零件首尾孔的中心位置，以确定绝对坐标系；接着对测量孔进行测量，将自定心三爪测头与水平面之间的俯仰角度、滚动角度，以及激光束在PSD传感器上的光斑中心位置传递给中央控制模块，计算出测量孔中心在绝对坐标系下的坐标；最后，根据所有测量孔中心坐标，采用最小区域法评定出无基准孔系的同轴度误差。本发明提高了无基准孔系同轴度误差测量系统的测量精度，简化了测量系统结构，降低了测量操作难度。

Description

一种无基准孔系同轴度误差测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及几何量测量技术领域，尤其涉及一种无基准孔系同轴度误差测量系统及其测量方法。

背景技术

同轴长跨度分布孔系在机械传动中应用极为广泛，如飞机襟缝翼连接件、主轴箱体以及大尺寸支承等均属于此类零件，孔系同轴度是影响孔系零件装配和运动精度的主要参数之一。由于零件跨度长、孔数多、孔直径及孔间隔都很小，三坐标测量机、圆柱度仪等通用设备无法进行孔系同轴度误差的测量，国内外目前也没有现成的专用高精度测量系统可以适用。并且，无基准孔系同轴度误差的评定过程是以各孔提取导出要素最小包容区域的轴线作为基准的，它实际上可归结为对各孔截面中心所形成的空间直线的直线度误差进行测量与评定。无基准孔系同轴度误差测量过程中的坐标系需由测量人员自行定义。

为此，专利号为CN102322825A、发明名称为超长孔系零件同轴度光学测量系统及方法的专利中公开了一种孔系零件同轴度测量系统及其测量方法，能够将各测量孔中心坐标统一在同一个绝对坐标系下，并进而评定孔系的同轴度误差。

在该专利中，激光器发出的激光通过由一个反射镜和一个分光镜组成的光学镜组后，产生两束相互平行的激光束，分别定义为基准激光线和定向激光线。其中，基准激光线建立绝对坐标系的一个坐标轴，基准激光线和定向激光线一起形成绝对坐标系的一个坐标平面，最后根据右手定则确定完整的绝对坐标系。

在上述测量方法中，基准激光线与定向激光线之间的平行度误差直接影响绝对坐标系的建立精度，并进而影响测量孔中心坐标的测量精度。虽然可以通过调节反射镜和分光镜之间的位置关系来减小该平行度误差，但实现起来难度很大。其次，该方法需要在自定心三爪测头的壳体上开定向槽，测量时将定向杆插入定向槽内并通过定向杆上的光电元件感知定向激光线，结构复杂，操作困难，而且受到操作人员、零件机械加工、装配和测量环境等诸多因素的影响，定向精度难以保证。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中基于基准激光线和定向激光线建立孔系测量绝对坐标系这一方法上的不足，提出一种基于激光准直光束和双轴倾角传感器的无基准孔系同轴度误差测量系统及其测量方法，有利于提高坐标系建立的精度和效率，简化测量系统结构、降低测量操作难度。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种无基准孔系同轴度误差测量系统，包括自定心三爪测头、PSD传感器、双轴倾角传感器、激光器、四维工作台、信号采集模块、工作台控制模块和中央控制模块；

所述激光器安装在所述四维工作台上，用于发出准直激光束；

所述工作台控制模块用于控制四维工作台上的激光器平移和旋转，进而调整准直激光束的位置和方向；

所述PSD传感器设置在所述自定心三爪测头前端，其中心在所述自定心三爪测头的轴线上，且光敏面与所述自定心三爪测头的轴线垂直，用于检测投射在其上的准直激光束的光斑中心位置；

所述双轴倾角传感器设置在所述自定心三爪测头内，且对称地处于所述自定心三爪测头的轴线上，用于测量自定心三爪测头与水平面之间的俯仰角度和滚动角度；

所述信号采集模块用于采集PSD传感器和双轴倾角传感器的信号，并传递给中央控制模块；

所述中央控制模块用于发送指令给工作台控制模块，同时根据PSD传感器和双轴倾角传感器的信号计算无基准孔系同轴度误差。

作为本发明一种无基准孔系同轴度误差测量系统进一步的优化方案，所述PSD传感器为二维PSD。

本发明还公开了一种基于所述无基准孔系同轴度误差测量系统的测量方法，包含以下步骤：

步骤1)，采用激光器发出准直激光束穿过被测孔系零件首尾孔的中心位置，以激光器的出射点作为绝对坐标系的原点O、准直激光束为绝对坐标系的Z轴，在过原点O的水平面内作OZ的垂直线OX为绝对坐标系的X轴，同时，根据右手定则确定绝对坐标系的Y轴，建立绝对坐标系；

步骤2)，自定心三爪测头伸入被测孔系零件需要进行误差测量的测量孔中进行定位；

步骤3)，采用PSD传感器将投射在其上的准直激光束的光斑中心位置传递给中央控制模块；

步骤4)，采用双轴倾角传感器将自定心三爪测头与水平面之间的俯仰角度和滚动角度传递给中央控制模块；

步骤5)，中央控制模块根据自定心三爪测头与水平面之间的俯仰角度和滚动角度，以及准直激光束投射在PSD传感器上的光斑中心位置计算出所述测量孔中心在绝对坐标系中的坐标；

步骤6)，重复步骤2)至步骤5)，直至所述被测孔系零件的所有需要被测量的孔中心均被计算出在绝对坐标系中的坐标；

步骤7)，根据所述被测孔系零件的所有测量孔中心坐标，采用最小区域法评定出孔系零件的同轴度误差。

作为基于所述无基准孔系同轴度误差测量系统的测量方法进一步的优化方案，所述步骤1)的详细步骤如下：

步骤1.1)，被测孔系零件固定后，将自定心三爪测头伸入孔系零件的首孔进行定位；

步骤1.2)，采用激光器发出准直激光束照射在自定心三爪测头上的PSD传感器上，PSD传感器将投射在其上的准直激光束的光斑中心位置传递给中央控制模块；

步骤1.3)，中央控制模块通过工作台控制模块调整激光器，使得准直激光束投射在PSD传感器的中心位置，即使得准直激光束投射在首孔的中心位置；

步骤1.4)，自定心三爪测头伸入被测孔系零件的尾孔进行定位；

步骤1.5)，中央控制模块通过工作台控制模块调整激光器，使得准直激光束穿过首孔中心位置的同时，投射在PSD传感器的中心位置；

步骤1.6)，以激光器的出射点作为绝对坐标系的原点O、准直激光束为绝对坐标系的Z轴，在过原点O的水平面内作OZ的垂直线OX为绝对坐标系的X轴，同时，根据右手定则确定绝对坐标系的Y轴，建立绝对坐标系OXYZ。

作为基于所述无基准孔系同轴度误差测量系统的测量方法进一步的优化方案，所述步骤5)的详细步骤如下：

步骤5.1)，以PSD传感器的中心为测量坐标系的原点O′、PSD传感器的横轴为测量坐标系的X′轴、PSD传感器的纵轴为测量坐标系的Y′轴，再根据右手定则确定测量坐标系的Z′轴，建立测量坐标系O′X′Y′Z′；

步骤5.2)，根据双轴倾角传感器测得的自定心三爪测头与水平面之间的俯仰角度和滚动角度，分别确定测量坐标系绕绝对坐标系的X轴、Y轴和Z轴旋转的三个欧拉角θ和ψ；

步骤5.3)，根据准直激光束投射在PSD传感器上的光斑中心位置在测量坐标系下的坐标(X′,Y′,Z′)及其在绝对坐标系下的坐标(X,Y,Z)，计算出测量坐标系原点O′在绝对坐标系下的坐标(t_x,t_y,t_z)，计算关系如下：

其中，(X′,Y′)为PSD传感器测得的光斑中心坐标，Z′＝0；

X＝Y＝0；

Z由一般的通用仪器测出。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.建立基于准直激光束和双轴倾角传感器的系统坐标系，并构建无基准孔系同轴度误差测量系统，省去了背景技术中的光学镜组、定向杆、光电检测装置等器件，大大简化了测量系统结构，节约了制造成本；

2.采用单束激光束代替背景技术中通过两束平行激光束形成坐标平面的方式来建立绝对坐标系，降低了实现难度，提高了绝对坐标系的建立精度；

3.通过高精度双轴倾角传感器实时测量测头相对于水平面的俯仰角和滚动角，得到测量坐标系与绝对坐标系之间的准确转换关系，代替背景技术中通过人工调整定向杆仅控制测头滚动角的方式来控制两种坐标系间的对应关系，降低了测量操作难度，提高了坐标系转换精度；

4.相比于背景技术中由于受测头的定向槽数量限制，对同一孔截面只能在特定的有限个位置上进行测量，本发明采用的技术可实现测头各个滚动角度上的连续测量，增加了单一截面测量数据量，有效减小了随机误差的影响。

附图说明

图1是本发明的无基准孔系同轴度误差测量系统组成结构图；

图2是PSD传感器和双轴倾角传感器在自定心三爪测头上的安装示意图。

图中，101-自定心三爪测头，102-孔系零件，103-激光器，104-四维工作台，105-工作台控制模块，106-中央控制模块，107-信号采集模块，201-PSD传感器，202-双轴倾角传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明公开了一种无基准孔系同轴度误差测量系统，包括自定心三爪测头101、PSD传感器201、双轴倾角传感器202、激光器103、四维工作台104、信号采集模块107、工作台控制模块105和中央控制模块106；

所述激光器103安装在所述四维工作台104上，用于发出准直激光束；

所述工作台控制模块105用于控制四维工作台104上的激光器103平移和旋转，进而调整准直激光束的位置和方向；

所述PSD传感器201设置在所述自定心三爪测头101前端，其中心在所述自定心三爪测头101的轴线上，且光敏面与所述自定心三爪测头101的轴线垂直，用于检测投射在其上的准直激光束的光斑中心位置；

所述双轴倾角传感器202设置在所述自定心三爪测头101内，且对称地处于所述自定心三爪测头101的轴线上，用于测量自定心三爪测头101与水平面之间的俯仰角度和滚动角度；

所述信号采集模块107用于采集PSD传感器201和双轴倾角传感器202的信号，并传递给中央控制模块；

所述中央控制模块106用于发送指令给工作台控制模块105，同时根据PSD传感器201和双轴倾角传感器202的信号计算无基准孔系同轴度误差。

所述PSD传感器201为二维PSD，能够测量激光光斑中心在PSD平面内的二维坐标。

所述双轴倾角传感器202以过渡配合形式安装到自定心三爪测头内部的安装槽中，并保证安装槽关于测头中心轴线的对称度。

图1中的各个部件介绍如下：

自定心三爪测头101：带有三个测爪，由直流伺服电机驱动。测量时电机旋转带动三个测爪同时伸出，在孔系内实现自定心，测量完毕后三爪缩回测头内。测头前端装有PSD传感器，用于检测激光束投射的光斑中心位置。测头内还装有双轴倾角传感器，用于检测测头相对于水平面在两个方向上的夹角；

孔系零件102：被测量的无基准孔系零件，一般长度在2m以上，单孔直径Φ20mm左右，孔数大于20；

激光器103：安装在四维工作台上，发出准直激光束并投射到PSD传感器的光敏面上形成光斑；

四维工作台104：能实现两个方向平移和两个方向旋转的运动，用于调整激光束的位置和方向。调节时接收工作台控制模块信号，驱动各轴电机的运动；

工作台控制模块105：接收中央控制模块的位置驱动信息，发送给四维工作台，实现工作台的正确运动；

中央控制模块106：接收信号采集模块传递来的PSD传感器和双轴倾角传感器信号，通过软件处理进行坐标系转换计算和同轴度误差评定。此外，发送位置信息给工作台控制模块，控制四维工作台运动以调整激光准直光束；

信号采集模块107：采集PSD传感器和双轴倾角传感器信号，发送给中央控制模块。

图2所示为PSD传感器和双轴倾角传感器在自定心三爪测头上的安装示意图。PSD传感器201通过端面定位的安装方式焊接到专用PCB电路板上，再安装到测头前端的安装座上。安装过程中采用专用夹具保证PSD与测头中心的同心度。双轴倾角传感器202则以过渡配合形式安装到自定心三爪测头内部的安装槽中，并保证安装槽关于测头中心轴线的对称度。

测量前，中央控制模块106按照激光自准直模型计算出位置信息并发送给工作台控制模块105，控制四维工作台104运动以调整激光器103发出的激光准直光束，保证在孔系同轴度误差测量过程中，准直光束能够无遮挡地穿过整个孔系。测量时，自定心三爪测头101伸入被测孔系零件102内，测头三爪伸出，实现在孔系内的自定心。测头前端的PSD传感器接收激光器103发出的准直光束并输出电信号，经信号采集模块107传递给中央控制模块。中央控制模块106计算出测量孔中心坐标后，通过坐标转换统一到系统的绝对坐标系下。完成孔系零件所有孔截面测量后，中央控制模块106根据各测量孔中心的测量数据评定出孔系的同轴度误差。

本发明还公开了一种基于所述无基准孔系同轴度误差测量系统的测量方法，包含以下步骤：

步骤1)，采用激光器103发出准直激光束穿过被测孔系零件首尾孔的中心位置，以激光器103的出射点作为绝对坐标系的原点O、准直激光束为绝对坐标系的Z轴，在过原点O的水平面内作OZ的垂直线OX为绝对坐标系的X轴，同时，根据右手定则确定绝对坐标系的Y轴，建立绝对坐标系；

步骤2)，自定心三爪测头101伸入被测孔系零件需要进行误差测量的测量孔中进行定位；

步骤3)，采用PSD传感器201将投射在其上的准直激光束的光斑中心位置传递给中央控制模块106；

步骤4)，采用双轴倾角传感器202将自定心三爪测头101与水平面之间的俯仰角度和滚动角度传递给中央控制模块106；

步骤5)，中央控制模块106根据自定心三爪测头101与水平面之间的俯仰角度和滚动角度，以及准直激光束投射在PSD传感器201上的光斑中心位置计算出所述测量孔中心在绝对坐标系中的坐标；

步骤6)，重复步骤2)至步骤5)，直至所述被测孔系零件的所有需要被测量的孔中心均被计算出在绝对坐标系中的坐标；

步骤7)，根据所述被测孔系零件的所有测量孔中心坐标，采用最小区域法评定出孔系零件的同轴度误差。

所述步骤1)的详细步骤如下：

步骤1.1)，被测孔系零件固定后，将自定心三爪测头101伸入孔系零件的首孔进行定位；

步骤1.2)，采用激光器103发出准直激光束照射在自定心三爪测头上的PSD传感器201上，PSD传感器201将投射在其上的准直激光束的光斑中心位置传递给中央控制模块106；

步骤1.3)，中央控制模块106通过工作台控制模块105调整激光器103，使得准直激光束投射在PSD传感器201的中心位置，即使得准直激光束投射在首孔的中心位置；

步骤1.4)，自定心三爪测头101伸入被测孔系零件的尾孔进行定位；

步骤1.5)，中央控制模块106通过工作台控制模块105调整激光器103，使得准直激光束穿过首孔中心位置的同时，投射在PSD传感器201的中心位置；

步骤1.6)，以激光器103的出射点作为绝对坐标系的原点O、准直激光束为绝对坐标系的Z轴，在过原点O的水平面内作OZ的垂直线OX为绝对坐标系的X轴，同时，根据右手定则确定绝对坐标系的Y轴，建立绝对坐标系OXYZ。

所述步骤5)的详细步骤如下：

步骤5.1)，以PSD传感器201的中心为测量坐标系的原点O′、PSD传感器201的横轴为测量坐标系的X′轴、PSD传感器201的纵轴为测量坐标系的Y′轴，再根据右手定则确定测量坐标系的Z′轴，建立测量坐标系O′X′Y′Z′；

步骤5.2)，根据双轴倾角传感器202测得的自定心三爪测头101与水平面之间的俯仰角度和滚动角度，分别确定测量坐标系绕绝对坐标系的X轴、Y轴和Z轴旋转的三个欧拉角θ和ψ；

步骤5.3)，根据准直激光束投射在PSD传感器上的光斑中心位置在测量坐标系下的坐标(X′,Y′,Z′)及其在绝对坐标系下的坐标(X,Y,Z)，计算出测量坐标系原点O′(即所述测量孔中心)在绝对坐标系下的坐标(t_x,t_y,t_z)，计算关系如下：

其中，(X′,Y′)为PSD传感器测得的光斑中心坐标，Z′＝0；

X＝Y＝0；

Z由一般的通用仪器测出。

最终测出来的Z的值与求出来的t_z的值很近似。

以上只是对本发明的优选实施方式进行了描述。对该技术领域的普通技术人员来说，根据以上实施方式可以很容易地联想到其它的优点和变形。因此，本发明并不局限于上述实施方式，其仅仅作为例子对本发明的一种形态进行详细、示范性的说明。在不背离本发明宗旨的范围内，本领域普通技术人员在本发明技术的方案范围内进行的通常变化和替换，都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种无基准孔系同轴度误差测量系统的测量方法，所述无基准孔系同轴度误差测量系统包括自定心三爪测头、PSD传感器、双轴倾角传感器、激光器、四维工作台、信号采集模块、工作台控制模块和中央控制模块；

所述激光器安装在所述四维工作台上，用于发出准直激光束；

所述工作台控制模块用于控制四维工作台上的激光器平移和旋转，进而调整准直激光束的位置和方向；

所述PSD传感器为二维PSD，设置在所述自定心三爪测头前端，其中心在所述自定心三爪测头的轴线上，且光敏面与所述自定心三爪测头的轴线垂直，用于检测投射在其上的准直激光束的光斑中心位置；

所述双轴倾角传感器设置在所述自定心三爪测头内，且对称地处于所述自定心三爪测头的轴线上，用于测量自定心三爪测头与水平面之间的俯仰角度和滚动角度；

所述信号采集模块用于采集PSD传感器和双轴倾角传感器的信号，并传递给中央控制模块；

所述中央控制模块用于发送指令给工作台控制模块，同时根据PSD传感器和双轴倾角传感器的信号计算无基准孔系同轴度误差；

其特征在于，所述测量方法包含以下步骤：

步骤1)，采用激光器发出准直激光束穿过被测孔系零件首尾孔的中心位置，以激光器的出射点作为绝对坐标系的原点O、准直激光束为绝对坐标系的Z轴，在过原点O的水平面内作OZ的垂直线OX为绝对坐标系的X轴，同时，根据右手定则确定绝对坐标系的Y轴，建立绝对坐标系；

步骤2)，自定心三爪测头伸入被测孔系零件需要进行误差测量的测量孔中进行定位；

步骤3)，采用PSD传感器将投射在其上的准直激光束的光斑中心位置传递给中央控制模块；

步骤4)，采用双轴倾角传感器将自定心三爪测头与水平面之间的俯仰角度和滚动角度传递给中央控制模块；

步骤5)，中央控制模块根据自定心三爪测头与水平面之间的俯仰角度和滚动角度，以及准直激光束投射在PSD传感器上的光斑中心位置计算出所述测量孔中心在绝对坐标系中的坐标；

步骤6)，重复步骤2)至步骤5)，直至所述被测孔系零件的所有需要被测量的孔中心均被计算出在绝对坐标系中的坐标；

步骤7)，根据所述被测孔系零件的所有测量孔中心坐标，采用最小区域法评定出孔系零件的同轴度误差。

2.基于权利要求1所述的无基准孔系同轴度误差测量系统的测量方法，其特征在于，所述步骤1)的详细步骤如下：

步骤1.1)，被测孔系零件固定后，将自定心三爪测头伸入孔系零件的首孔进行定位；

步骤1.2)，采用激光器发出准直激光束照射在自定心三爪测头上的PSD传感器上，PSD传感器将投射在其上的准直激光束的光斑中心位置传递给中央控制模块；

步骤1.3)，中央控制模块通过工作台控制模块调整激光器，使得准直激光束投射在PSD传感器的中心位置，即使得准直激光束投射在首孔的中心位置；

步骤1.4)，自定心三爪测头伸入被测孔系零件的尾孔进行定位；

步骤1.5)，中央控制模块通过工作台控制模块调整激光器，使得准直激光束穿过首孔中心位置的同时，投射在PSD传感器的中心位置；

步骤1.6)，以激光器的出射点作为绝对坐标系的原点O、准直激光束为绝对坐标系的Z轴，在过原点O的水平面内作OZ的垂直线OX为绝对坐标系的X轴，同时，根据右手定则确定绝对坐标系的Y轴，建立绝对坐标系OXYZ。

3.基于权利要求1所述的无基准孔系同轴度误差测量系统的测量方法，其特征在于，所述步骤5)的详细步骤如下：

步骤5.1)，以PSD传感器的中心为测量坐标系的原点O′、PSD传感器的横轴为测量坐标系的X′轴、PSD传感器的纵轴为测量坐标系的Y′轴，再根据右手定则确定测量坐标系的Z′轴，建立测量坐标系O′X′Y′Z′；

步骤5.2)，根据双轴倾角传感器测得的自定心三爪测头与水平面之间的俯仰角度和滚动角度，分别确定测量坐标系绕绝对坐标系的X轴、Y轴和Z轴旋转的三个欧拉角θ和ψ；

步骤5.3)，根据准直激光束投射在PSD传感器上的光斑中心位置在测量坐标系下的坐标(X′,Y′,Z′)及其在绝对坐标系下的坐标(X,Y,Z)，计算出测量坐标系原点O′在绝对坐标系下的坐标(t_x,t_y,t_z)，计算关系如下：

其中，(X′,Y′)为PSD传感器测得的光斑中心坐标，Z′＝0；

X＝Y＝0；

Z由一般的通用仪器测出。