CN105423946B - 基于激光位移传感器的轴颈轴心测量装置及测量标定方法 - Google Patents

Abstract

一种基于激光位移传感器的轴颈轴心测量装置及测量标定方法，装置是由测量架及两个激光位移传感器组成，两个激光位移传感器分别安装在测量架的两个交叉平面上。将测量架放置在轴类零件轴颈附近，使两条激光射线相交形成的平面与轴颈的轴向中心线垂直。本发明采用上述结构，两个激光位移传感器的激光射线相对于测量架的角度固定，利用激光位移传感器测量值，获得激光射线在轴颈表面上两个光斑点相对于测量架的坐标，在轴颈直径已知且圆度误差忽略不计的前提下，由两个光斑点坐标计算出轴颈轴心相对于测量架的位置信息，并利用针规对坐标系进行标定。解决了目前影像、接触式测头、气动测量等方法存在的问题，方便工业在线测量使用。

Description

基于激光位移传感器的轴颈轴心测量装置及测量标定方法

技术领域

本发明涉及一种轴类零件轴颈的轴心测量装置。特别是涉及一种基于激光位移传感器的轴颈轴心测量装置及测量标定方法。

背景技术

轴类零件是机械行业的典型零件，它主要用来支撑传动零部件，传递扭矩和承受载荷。轴类零件的各部分轴颈的相互位置精度和几何形状误差都将直接决定传动零部件的配合、旋转精度，导致摩擦、振动和噪声等现象，影响轴类零件的寿命及系统能耗。

在轴类零件的轴颈以及几何形状误差测量上，可以通过游标卡尺、通止规、气动量仪等仪器设备进行快速检测，技术成熟可靠。在轴颈彼此间的相互位置精度测量上，轴颈的轴心位置测量是其中的关键步骤。相对于轴颈直径、圆度等几何量，轴心位置近乎是一种虚拟存在，无法直接测量，通常依靠测量轴颈外圆表面来间接获得圆心的相对位置。

外圆表面测量有影像、接触式测头、气动测量等手段。影像测量受制于光学景深，测量精度较差；接触式测头的测量力易造成被测轴类零件的轴颈表面划伤，且不便于在生产线中的在机测量；气动量测量方式的测量精度高但量程范围小，且对测量环境要求高。

目前获得轴类零件外部直径的测量方法很多，就轴类零件的相对位置度精度要求而言，轴类零件的圆度误差可以忽略不计。在工业生产线的实际测量中，把轴颈外表圆面视作理想圆，其所求解的轴心位置度在误差范围内是可以接受的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种在已知被测轴类零件轴颈直径，且圆度误差忽略不计前提下，能够实现一种测量范围大、通用性强、测量精度高的基于激光位移传感器的轴颈轴心测量装置及测量标定方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于激光位移传感器的轴颈轴心测量装置，包括有用于设置在已固定好的轴类零件的轴颈侧边用于对轴类零件的轴颈进行测量的测量架，所述的测量架是由具有水平平面的横向支架和具有非水平平面的竖向支架一体连接构成，所述横向支架的水平平面与所述竖向支架的非水平平面形成有大于0度小于180度的夹角，所述横向支架的水平平面上设置有第一激光位移传感器，所述竖向支架的非水平平面上设置有第二激光位移传感器。

所述第一激光位移传感器的激光射线和第二激光位移传感器的激光射线相交于一点。

所述第一激光位移传感器的激光射线和第二激光位移传感器的激光射线相交形成的平面与轴类零件的轴颈的轴向中心线相垂直。

所述第一激光位移传感器的激光射线和第二激光位移传感器的激光射线的相交点距被测轴类零件的轴颈的轴心0－1mm处。

一种基于激光位移传感器的轴颈轴心测量装置的测量方法，是在已知被测轴类零件轴颈的直径d，且轴颈圆度误差忽略不计的前提下，包括如下步骤：

1)根据被测轴类零件的尺寸调整测量装置，使测量装置上的两个激光位移传感器的出射激光线临近被测轴类零件轴心的设定位置；

2)将测量装置中测量架的水平面和非水平面的交点作为坐标系原点O，测量架的水平面作为坐标系X轴，设经过坐标系原点O并与X轴垂直的直线为坐标系Y轴；

3)分别读取两个激光位移传感器的测量值；

4)通过步骤3)的测量值，得到被测轴类零件的轴颈外圆表面的两个坐标；

5)设被测轴类零件的轴颈轴心点为K，轴心点K在测量架坐标系内的坐标为(x_k,y_k)；

6)位于被测轴类零件轴颈外圆表面的光斑点A、B两点与所述轴颈的轴心点K满足以下计算关系：

上式中，L_x、L_y、θ₁、θ₂是经标定得到的常数，d是已知的被测轴类零件轴颈直径，L₁、L₂是激光位移传感器的测量值，在安装好的测量装置中被测轴类零件轴颈轴心的初步位置已知，并作为轴心点K在测量架坐标系内的坐标(x_k,y_k)的预值及取值范围，求解出被测轴类零件轴心点K在测量架坐标系内的坐标(x_k,y_k)，即以测量架为基准的被测轴类零件轴颈的相对圆心位置；L_x是测量架水平面上激光位移传感器的激光射线与X轴的交点到坐标系原点O的距离；Θ₁是其激光射线在顺时针方向上与X轴夹角；L_y是测量架非水平面上激光位移传感器的激光射线与Y轴的交点到坐标系原点O的距离。

步骤1)所述的设定位置是距被测轴类零件轴心的0－1mm处。

7.根据权利要求5所述的基于激光位移传感器的轴颈轴心测量装置的测量方法，其特征在于，步骤4)所述的被测轴类零件的轴颈外圆表面的两个坐标的获得是：

(1)设测量架水平面上的激光位移传感器和非水平面上的激光位移传感器的两条激光射线在被测轴类零件的轴颈外圆表面打出的光斑点分别对应为A和B；

(2)设测量架水平面上的激光位移传感器的激光射线与X轴的交点为A'，交点A'距坐标系原点O的距离为L_x，激光射线在顺时针方向上与X轴夹角为θ₁，该激光位移传感器测得光斑点A与交点A'间距离为L₁，得光斑点A点坐标(L_x+L₁cosθ₁,L₁sinθ₁)；设测量架非水平面上的激光位移传感器的激光射线与Y轴的交点B'，交点B'距坐标系原点O的距离为L_y，激光射线在顺时针方向上与Y轴夹角为θ₂，该激光位移传感器测得光斑点B与交点B'间距离为L₂，得光斑点B点坐标(L₂sinθ₂,L_y-L₂cosθ₂)。

一种基于激光位移传感器的轴颈轴心测量装置的标定方法，是在测量装置中测量架的水平面和非水平面相垂直的前提下，包括如下步骤：

1)将测量装置中测量架的水平面和垂直面的交点作为坐标系原点O，测量架的水平面作为坐标系X轴，测量架的垂直面作为坐标系Y轴；

2)选择一个与待测轴类零件轴颈直径相同，数值已知的针规固定在测量位置处；

3)用其他测量位置的仪器测出针规圆心在测量架坐标系中的坐标值K(x_k，y_k)；

4)调整水平面上的激光位移传感器，使所述激光位移传感器出射激光线与测量架的水平面相垂直；

5)水平移动步骤4)中所述的激光位移传感器，当所述的激光位移传感器测量值最小时，即竖直激光射线正好过针规的轴心，固定激光位移传感器，此时测量激光射线出射点与坐标系原点O的距离L_x即是预标定值，并获得测量值L₁，即针规外表面与坐标系X轴的距离；

6)调整垂直面上的激光位移传感器，使所述激光位移传感器出射激光线与测量架的垂直面相垂直；

7)水平移动步骤6)中所述的激光位移传感器，当所述的激光位移传感器测量值最小时，即水平激光射线正好过针规的轴心，固定激光位移传感器，此时测量激光射线出射点与坐标系原点O的距离L_y即是预标定值，并获得测量值L₂，即针规外表面与坐标系Y轴的距离；

8)将测量值L₁和L₂代入下式，即解出L_x、L_y，

至此测量架全部参数已知，完成标定。

本发明的基于激光位移传感器的轴颈轴心测量装置及测量标定方法，测量范围大、通用性强、测量精度高。能够克服影像、接触式测头、气动测量等方法存在的问题，方便工业在线、在机测量使用。本发明有益效果如下：

1、测量的通用性：通过修改测量架高度及传感器位置，该测量装置可以适应不同尺寸和形状的轴颈，测量范围大通用性强。

2、测量的安全性：本方案采用的是非接触式测量，通过激光位移传感器的测量射线提取被测轴颈的表面坐标信息。相对于接触式测量检测，不存在划伤工件的缺陷，也不会因不同测量人员的测量力不同而产生额外的随机误差。

3、测量的精确性：采用高精度激光位移传感器作为测量射线，能够快速、精确地测出被测轴到传感器的距离，以获取轴颈表面光斑相对于测量架的精确坐标。

4、操作的便捷性：被测轴颈在测量过程中无需移动或旋转，即可一次性完成轴心位置的测量过程，操作便捷。

附图说明

图1是本发明基于激光位移传感器的轴颈轴心测量装置第一实施例的结构示意图；

图2是本发明基于激光位移传感器的轴颈轴心测量装置的测量原理示意图；

图3是本发明基于激光位移传感器的轴颈轴心测量装置第二实施例的结构示意图。

图中

1：测量架 11：横向支架

12：竖向支架 2：第一激光位移传感器

3：第二激光位移传感器 4：轴颈

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的基于激光位移传感器的轴颈轴心测量装置及测量标定方法做出详细说明。

如图1、图2所示，本发明的基于激光位移传感器的轴颈轴心测量装置，包括有用于设置在已固定好的轴类零件的轴颈4侧边用于对轴类零件的轴颈4进行测量的测量架1，所述的测量架1是由具有水平平面的横向支架11和具有非水平平面的竖向支架12一体连接构成，所述横向支架11的水平平面与所述竖向支架12的非水平平面形成有大于0度小于180度的夹角，如图1所示的是所述横向支架11的水平平面与所述竖向支架12的非水平平面形成的夹角为90度时的结构示意图，而图3所示的是所述横向支架11的水平平面与所述竖向支架12的非水平平面形成的夹角为大于90度小于180度时的结构示意图。

所述横向支架11的水平平面上设置有第一激光位移传感器2，所述竖向支架12的非水平平面上设置有第二激光位移传感器3。激光位移传感器的工作原理是激光三角法测量，可在量程内对物体的位移、厚度、距离、直径等几何量实现um级的测量精度。

所述第一激光位移传感器2的激光射线和第二激光位移传感器3的激光射线相交于一点。并且，所述第一激光位移传感器2的激光射线和第二激光位移传感器3的激光射线的相交点距被测轴类零件的轴颈4的轴心0－1mm处，所述第一激光位移传感器2的激光射线和第二激光位移传感器3的激光射线相交形成的平面与轴类零件的轴颈4的轴向中心线相垂直。

如图2测量原理所示，本发明的基于激光位移传感器的轴颈轴心测量装置的测量方法，是在已知被测轴类零件轴颈的直径d，且轴颈圆度误差忽略不计的前提下，在测量架1的横截面上建立虚拟坐标系，包括如下步骤：

1)根据被测轴类零件的尺寸调整测量装置，调整两个激光位移传感器的垂直面位置，使两个激光位移传感器的两条出射激光线共面，即使测量装置上的两个激光位移传感器的出射激光线临近被测轴类零件轴心的设定位置，以保证测量原理的实现。所述的设定位置是距被测轴类零件轴心的0－1mm处；

激光位移传感器的测量范围有限，为适应不同轴颈直径的轴类零件的轴心位置测量，第一激光位移传感器在测量架上的水平位置可以调整，第二激光位移传感器在测量架上的高度位置可以调整。

通过调节测量架1的位置，将本发明的基于激光位移传感器的轴颈轴心测量装置放在被测轴类零件的合适位置处，使第一激光位移传感器和第二激光位移传感器的出射激光线都大致经过轴类零件的轴颈4的轴心线，以减小因为激光射线与被测面不垂直而带来的测量误差。

2)将测量装置中测量架的水平面和非水平面(包括垂直面)的交点作为坐标系原点O，测量架的水平面作为坐标系X轴，设经过坐标系原点O并与X轴垂直的直线为坐标系Y轴；

3)分别读取两个激光位移传感器的测量值；

4)通过步骤3)的测量值，得到被测轴类零件的轴颈外圆表面的两个坐标；

所述的被测轴类零件的轴颈外圆表面的两个坐标的获得是：

(1)设测量架水平面上的激光位移传感器和非水平面上的激光位移传感器的两条激光射线在被测轴类零件的轴颈外圆表面打出的光斑点分别对应为A和B；

(2)设测量架水平面上的激光位移传感器的激光射线与X轴的交点为A'，交点A'距坐标系原点O的距离为L_x，激光射线在顺时针方向上与X轴夹角为θ₁，该激光位移传感器测得光斑点A与交点A'间距离为L₁，得光斑点A点坐标(L_x+L₁cosθ₁,L₁sinθ₁)；设测量架非水平面上的激光位移传感器的激光射线与Y轴的交点B'，交点B'距坐标系原点O的距离为L_y，激光射线在顺时针方向上与Y轴夹角为θ₂，该激光位移传感器测得光斑点B与交点B'间距离为L₂，得光斑点B点坐标(L₂sinθ₂,L_y-L₂cosθ₂)。

5)设被测轴类零件的轴颈轴心点为K，轴心点K在测量架坐标系内的坐标为(x_k,y_k)；

6)位于被测轴类零件轴颈外圆表面的光斑点A、B两点与所述轴颈的轴心点K满足以下计算关系：

上式中，L_x、L_y、θ₁、θ₂是经标定得到的常数，d是已知的被测轴类零件轴颈直径，L₁、L₂是激光位移传感器的测量值，在安装好的测量装置中被测轴类零件轴颈轴心的初步位置已知，并作为轴心点K在测量架坐标系内的坐标(x_k,y_k)的预值及取值范围，便于对上述二元二次方程组进行计算。求解出被测轴类零件轴心点K在测量架坐标系内的坐标(x_k,y_k)，即以测量架为基准的被测轴类零件轴颈的相对圆心位置。

在实际测量中，当θ₁、θ₂为任意角时，为了标定出L_x、L_y的长度，需要测得激光位移传感器激光出射点位置，在激光位移传感器中出射点是虚拟存在的，精确标定难度较大。当θ₁、θ₂设置为90°，测量出测量架1的两个平面与对应平行激光射线之间的距离差即是L_x、L_y，则上述方程组可以化简为以下形式：

两个激光位移传感器的出射线彼此保持垂直，可有效减小计算及标定难度，提高了测量装置的实用性。

针对异形轴类零件的轴颈相位差导致的轴颈高度差，可以利用图3所示的测量装置中的V形测量架完成光斑点的坐标值，以针对不同相位的轴颈的轴心位置测量。

本发明的基于激光位移传感器的轴颈轴心测量装置的标定方法，是在测量装置中测量架的水平面和非水平面相垂直的前提下，即图2中θ₁＝θ₂＝90°，包括如下步骤：

1)将测量装置中测量架的水平面和垂直面的交点作为坐标系原点O，测量架的水平面作为坐标系X轴，测量架的垂直面作为坐标系Y轴；

2)选择一个与待测轴类零件轴颈直径相同，数值已知的针规固定在测量位置处，即固定于适合本发明的基于激光位移传感器的轴颈轴心测量装置可以实施测量的位置处。同时，本发明的基于激光位移传感器的轴颈轴心测量装置也要固定好，即本发明的测量装置与针规相对位置保持不变；

3)用其他测量位置的仪器测出针规圆心在图2所示的测量架坐标系中的坐标值K(x_k，y_k)；

4)调整水平面上的第一激光位移传感器，使所述第一激光位移传感器出射激光线与测量架的水平面相垂直；

5)水平移动步骤4)中所述的第一激光位移传感器，当所述的第一激光位移传感器测量值最小时，即竖直激光射线正好过针规的轴心，固定第一激光位移传感器，此时测量激光射线出射点与坐标系原点O的距离L_x即是预标定值(具体数值未知)，并获得测量值L₁，即针规外表面与坐标系X轴的距离；

6)调整垂直面上的第二激光位移传感器，使所述第二激光位移传感器出射激光线与测量架的垂直面相垂直，即，调整θ₁为90°满足假设条件；

7)水平移动步骤6)中所述的第二激光位移传感器，当所述的第二激光位移传感器测量值最小时，即水平激光射线正好过针规的轴心，固定激光位移传感器，此时测量激光射线出射点与坐标系原点O的距离L_y即是预标定值(具体数值未知)，并获得测量值L₂，即针规外表面与坐标系Y轴的距离；

8)将测量值L₁和L₂代入下式，即解出L_x、L_y，

至此测量架全部参数已知，完成标定。

可进一步通过如下方式对该标定结果进行验证：将一个其它直径(折算成半径的变化量应小于传感器测量范围)的高精度圆柱体放置在标定过程中选择的圆心位置处，测取L₁、L₂，与标定过程中测得的L₁、L₂对应相减，两组差值在测量精度范围内应该相同，且等于两个圆柱体的半径差。至此验证了测量方法的有效性与正确性。

本发明的基于激光位移传感器的轴颈轴心测量装置及测量标定方法的测量过程中，将已知直径d的轴类零件轴颈4悬空安装在测量架1上方。开始测量后，测量架1上的两个激光位移传感器发射出的激光线在轴类零件的轴颈4上打出两个光斑点，本发明的测量装置读取出位移传感器的长度示值L₁、L₂，结合之前标定出的虚拟坐标系中的参数L_x、L_y，代入公式(2)计算出轴颈相对于测量架1的圆心坐标值K(x_k，y_k)，该圆心坐标值即轴颈的轴心位置。

Claims (8)

1.一种基于激光位移传感器的轴颈轴心测量装置，包括有用于设置在已固定好的轴类零件的轴颈(4)侧边用于对轴类零件的轴颈(4)进行测量的测量架(1)，其特征在于，所述的测量架(1)是由具有水平平面的横向支架(11)和具有非水平平面的竖向支架(12)一体连接构成，所述横向支架(11)的水平平面与所述竖向支架(12)的非水平平面形成有大于0度小于180度的夹角，所述横向支架(11)的水平平面上设置有第一激光位移传感器(2)，所述竖向支架(12)的非水平平面上设置有第二激光位移传感器(3)。

2.根据权利要求1所述的基于激光位移传感器的轴颈轴心测量装置，其特征在于，所述第一激光位移传感器(2)的激光射线和第二激光位移传感器(3)的激光射线相交于一点。

3.根据权利要求1或2所述的基于激光位移传感器的轴颈轴心测量装置，其特征在于，所述第一激光位移传感器(2)的激光射线和第二激光位移传感器(3)的激光射线相交形成的平面与轴类零件的轴颈(4)的轴向中心线相垂直。

4.根据权利要求1所述的基于激光位移传感器的轴颈轴心测量装置，其特征在于，所述第一激光位移传感器(2)的激光射线和第二激光位移传感器(3)的激光射线的相交点距被测轴类零件的轴颈(4)的轴心0－1mm处。

5.一种权利要求1所述的基于激光位移传感器的轴颈轴心测量装置的测量方法，其特征在于，是在已知被测轴类零件轴颈的直径d，且轴颈圆度误差忽略不计的前提下，包括如下步骤：

1)根据被测轴类零件的尺寸调整测量装置，使测量装置上的两个激光位移传感器的出射激光线临近被测轴类零件轴心的设定位置；

2)将测量装置中测量架的水平面和非水平面的交点作为坐标系原点O，测量架的水平面作为坐标系X轴，设经过坐标系原点O并与X轴垂直的直线为坐标系Y轴；

3)分别读取两个激光位移传感器的测量值；

4)通过步骤3)的测量值，得到被测轴类零件的轴颈外圆表面的两个坐标；

5)设被测轴类零件的轴颈轴心点为K，轴心点K在测量架坐标系内的坐标为(x_k,y_k)；

6)位于被测轴类零件轴颈外圆表面的光斑点A、B两点与所述轴颈的轴心点K满足以下计算关系：

上式中，L_x、L_y、θ₁、θ₂是经标定得到的常数，d是已知的被测轴类零件轴颈直径，L₁、L₂是激光位移传感器的测量值，在安装好的测量装置中被测轴类零件轴颈轴心的初步位置已知，并作为轴心点K在测量架坐标系内的坐标(x_k,y_k)的预值及取值范围，求解出被测轴类零件轴心点K在测量架坐标系内的坐标(x_k,y_k)，即以测量架为基准的被测轴类零件轴颈的相对圆心位置；L_x是测量架水平面上激光位移传感器的激光射线与X轴的交点到坐标系原点O的距离；θ₁是激光射线在顺时针方向上与X轴夹角，θ₂是激光射线在顺时针方向上与Y轴夹角；L_y是测量架非水平面上激光位移传感器的激光射线与Y轴的交点到坐标系原点O的距离。

6.根据权利要求5所述的基于激光位移传感器的轴颈轴心测量装置的测量方法，其特征在于，步骤1)所述的设定位置是距被测轴类零件轴心的0－1mm处。

7.根据权利要求5所述的基于激光位移传感器的轴颈轴心测量装置的测量方法，其特征在于，步骤4)所述的被测轴类零件的轴颈外圆表面的两个坐标的获得是：

(1)设测量架水平面上的激光位移传感器和非水平面上的激光位移传感器的两条激光射线在被测轴类零件的轴颈外圆表面打出的光斑点分别对应为A和B；

(2)设测量架水平面上的激光位移传感器的激光射线与X轴的交点为A'，交点A'距坐标系原点O的距离为L_x，激光射线在顺时针方向上与X轴夹角为θ₁，该激光位移传感器测得光斑点A与交点A'间距离为L₁，得光斑点A点坐标(L_x+L₁cosθ₁,L₁sinθ₁)；设测量架非水平面上的激光位移传感器的激光射线与Y轴的交点B'，交点B'距坐标系原点O的距离为L_y，激光射线在顺时针方向上与Y轴夹角为θ₂，该激光位移传感器测得光斑点B与交点B'间距离为L₂，得光斑点B点坐标(L₂sinθ₂,L_y-L₂cosθ₂)。

8.一种权利要求1或5所述的基于激光位移传感器的轴颈轴心测量装置的标定方法，其特征在于，是在测量装置中测量架的水平面和非水平面相垂直的前提下，包括如下步骤：

1)将测量装置中测量架的水平面和垂直面的交点作为坐标系原点O，测量架的水平面作为坐标系X轴，测量架的垂直面作为坐标系Y轴；

2)选择一个与待测轴类零件轴颈直径相同，数值已知的针规固定在测量位置处；

3)用其他测量位置的仪器测出针规圆心在测量架坐标系中的坐标值K(x_k，y_k)；

4)调整水平面上的激光位移传感器，使所述激光位移传感器出射激光线与测量架的水平面相垂直；

5)水平移动步骤4)中所述的激光位移传感器，当所述的激光位移传感器测量值最小时，即竖直激光射线正好过针规的轴心，固定激光位移传感器，此时测量激光射线出射点与坐标系原点O的距离L_x即是预标定值，并获得测量值L₁，即针规外表面与坐标系X轴的距离；

6)调整垂直面上的激光位移传感器，使所述激光位移传感器出射激光线与测量架的垂直面相垂直；

7)水平移动步骤6)中所述的激光位移传感器，当所述的激光位移传感器测量值最小时，即水平激光射线正好过针规的轴心，固定激光位移传感器，此时测量激光射线出射点与坐标系原点O的距离L_y即是预标定值，并获得测量值L₂，即针规外表面与坐标系Y轴的距离；

8)将测量值L₁和L₂代入下式，即解出L_x、L_y，

至此测量架全部参数已知，完成标定。