CN106403848A - 单点激光旋转扫描的深孔直线度检测装置和检测方法 - Google Patents

Abstract

单点激光旋转扫描的深孔直线度检测装置和检测方法，包括激光位移传感器测头、旋转体、轴向调节机构以及一台计算机；激光位移传感器测头和轴向调节机构的内圆柱导轨固定连接并锁定；旋转体提供基准所用的回转轴线；轴向调节机构的圆形套筒和圆柱导轨配合组成移动副，调节螺钉将两者锁定。其检测方法是以旋转体提供的回转轴线为基准，利用激光位移传感器的测头进行一维旋转扫描，输出所扫描的截面中心相对回转轴线的位置坐标。操作上包括首测量截面的逼近式定心，其他截面中心相对回转轴线的位置测量，圆心极坐标图像的绘制和转换，计算所有圆心坐标的最小包容圆，其直径即为所求直线度。本发明大大减少检测的误差源，提高测量效率，结构相对简单，动态测量优势明显。

Description

单点激光旋转扫描的深孔直线度检测装置和检测方法

技术领域

本发明涉及深孔类零件的测量方法，尤其是单点激光旋转扫描的深孔直线度检测方法。

背景技术

深孔类零件在航天、航海、电力等大型装备领域应用越来越广。作为一种机械配合型几何要素，当深孔加工完成之后，一般需要对其直线度进行检测，即检测实际孔心线与理想孔心线之间的空间变动量，如果深孔直线度超出了规定的公差带，会增加零件的装配难度，并严重影响整个设备的运动精度和寿命。与其他几何量相比，深孔直线度的检测难度大，水平低，究其原因主要包括：一是受内部空间限制，探测设备的可达性差；二是深孔中心线是一条虚轴，无法进行直接测量。

传统测量方法有以下几种：1、卡尺测壁厚判断法。在深孔外部加工两个相互垂直的基准面，利用卡尺测量深孔轴向两端至基准面的厚度，间接测量计算出深孔两端中心位置的偏差。此方法的优点是操作简单，缺点是只能测量深孔两端，不能真实反映整条孔心线，误差大，不适合对精度要求较高的场合。2、量规判别法。利用若干个的综合塞规，由塞规通过与否分段判断孔轴线直线度合格与否。其特点是:效率高,只能判断合格与否，缺点是不能得出数据大小，所需塞规数量多，适用于小孔测量。3、臂杆法。将臂杆支撑在孔内，在杆长方向分段布置两个激光方向垂直的位移传感器。测量时，以传感器间距为移动量，综合前后两次测量数据拟合出圆心坐标。该方法的优点是成本低，能定量给出深孔直线度误差，缺点是误差源较多，精度低。4、坐标机测量法。通过三坐标测量机对深孔内臂各点测量，拟合实际孔心线。优点是精度高，测量速度快，缺点时设备贵，具有接触式测量的诸多缺陷，要求对工件进行搬移，若被测工件太大，将无法测量。5、激光准直法。以激光准直法为基础，激光经过准直后射向可以在深孔中移动的光电测量元件，测量元件感知深孔被测截面实际中心位置的变化，实时得到相应的图像，图像经处理后，可获得各被测截面实际的圆心位置。优点是测量精度较高，容易实现自动化，然而此方法要求深孔两个端面无干扰物体，且须安装众多辅助设备，耗时多，成本高。

查阅中国专利文献，CN201510741425.2公开一种圆周定位激光深孔直线度检测装置，将测头部分置于被测工件深孔内，激光器发出的激光照射在测头上的PSD传感器上形成一个光斑，利用滑轮绕紧牵引线牵引测头在深孔内从靠近激光器的一端向另一端移动，并计算光斑中心位置变化信息，进而确定各圆截面从而得出直线度误差。该发明深孔直线度检测装置与被测工件相互接触并移动，本质上是一种接触式测量。CN201310106703.8公开一种非接触内孔直线度测量装置和方法，利用了气浮平台在孔内移动，并将光电传感器安装在所述气浮运动平台的中心，将准直激光照射在光电传感器的光敏面上，利用光斑中心位置变化深孔直线度，该方法的最大特点是实现了直线度的非接触测量。在所有查询的相关发明专利和文献中，多数以准直激光作为测量基准，尚未发现任何以回转轴线为基准的深孔直线度测量技术。

发明内容

本发明目的是为克服上述技术的不足，提出一种基于单点激光旋转扫描的深孔直线度检测方法，减少检测误差源，提高测量效率，结构相对简单，动态测量优势明显，同时，如若在机床上实施，旋转体可由机床主轴直接代替，辅之以无线通讯技术、自动控制技术，可使深孔在加工现场进行测量变得更加简单。

本发明的技术方案是：单点激光旋转扫描的深孔直线度检测装置，包括一个激光位移传感器测头、一个旋转体、一个轴向调节机构，以及一台计算机；激光位移传感器测头和轴向调节机构的内圆柱导轨固定连接并锁定；轴向调节机构的圆柱套筒夹持到机床主轴或自研主轴上并锁定；启动激光位移传感器测头中的蓝牙数据发送模块，建立测头和计算机的通信连接，传送数据至计算机作数据处理和结果显示；旋转体提供基准所用的回转轴线，并为旋转扫描提供运动源；轴向调节机构包含圆形套筒、内圆柱导轨和调节紧定螺钉，圆形套筒和圆柱导轨配合组成移动副，调节紧定螺钉可将两者锁定。

单点激光旋转扫描的深孔直线度检测方法，该方法以旋转体提供的回转轴线为基准，利用激光位移传感器的测头进行一维旋转扫描，输出所扫描的截面中心相对回转轴线的位置坐标；其操作步骤包括，首测量截面的逼近式定心操作，测量其他截面的圆心相对回转轴线的位置变化，圆心极坐标图像的绘制和转换，最小包容区域法计算所有圆心坐标的最小包容圆，其直径即为所求直线度。

单点激光旋转扫描的深孔直线度检测方法，其操作步骤是，

第一步， 启动激光位移传感器，使激光打在被测深孔内壁上；启动机床主轴旋转，使得激光扫描圆孔内截面；

第二步，设定起始扫描方向，利用逼近式孔心定位方法，观测计算机上测量数据的峰值变化：即在机床X方向与Y方向依次移动测头，找出测量数据峰谷值最小所对应的位置；多次重复，直到测量数据的峰谷值不能再小，可知回转中心和被测圆中心重合；

第三步，调节轴向调节机构使测头下移2~3mm，从起始扫描方向开始保持共同旋转，保证回转轴线的唯一性，满足深度方向测头移动的要求；

第四步，记录计算机上测量数据的峰谷值，该值的二分之一表示该截面中心距离回转轴线的距离，记录计算机上测量数据中出现峰值的点位数和周期总点位数，两者之商乘以2π即为该扫描截面中心同回转轴线的相对角度；

第五步，继续下移轴向调节机构，按照第三、四步的方法找出所有被测截面中心同主轴轴线的距离以及相对角度，所获数据可以构成极坐标内的数据点；

第六步，将上一步中极坐标内所有数据点转换成直角坐标，并利用最小包容区域法，计算最小包容圆，其直径即为圆孔直线度值。

本发明与现有技术相比较，具有以下优点：

1、本方法可利用加工所用的回转轴线为基准，一方面，无需使用实物基准，减小了实物基准形位误差和安装误差的影响，另一方面，可以使得加工区域和测量区域保持一致；

2、以旋转体+测头+轴向调节机构的组合方式，结构相对简单，在保证轴向移动测头的同时，可以保持回转轴线空间位置的唯一性；

3、首测量截面实现了定心，保证了测量距离的一致性，降低了传感器误差受测距变化的影响；

4、本方法的孔内移动机构采用轴向调节结构带动测头移动，无需接触，同时，激光位移传感器属于非接触测量，因而，本方法属于一种完全非接触的测量方式；

5、由于每个截面的扫描圈数少，使得测量效率较高；

6、具有数字化测量的特点，辅之以无线通讯技术、自动控制技术，还可使自动测量变得简单；

7、无需安装附件，无需另外加工基准，使得深孔直线度在机测量变得更加简单。

附图说明

图1是基于激光旋转扫描的深孔直线度测量系统结构示意图；

图2是本发明核心部件放大图；

图3是基于单激光束回转扫描的空间极限点搜索模型图；

图4是被测孔圆心与回转轴线的位姿计算模型图；

图5是首测截面定心模型图；

图6基于旋转扫描的深孔直线度检测模型图。

图中：1.数控铣床，2工作台，3.被测孔类工件，4.主轴，5.轴向调节机构，6.测头，7.激光位移传感器，8.激光光轴，9.被测曲面，10.轨迹2，11.公垂线，12.轨迹1，13.回转主线，14.首测圆截面，13.回转轴线，15.圆孔实际中心线，16.第n个扫描截面，17.投影极坐标。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。为保证本方法的顺利实施，必须有一个激光位移传感器测头6、一个旋转体、一个轴向调节机构5，如图1所示。如在机床上，首先，将激光位移传感器测头6和轴向调节机构5固定连接，并夹持到机床主轴4上，然后将被测孔类工件3夹持在工作台2上，并利用数控铣床1的进给系统将测头6移动至孔内。启动激光位移传感器7，使得激光打在深孔内壁上；启动机床主轴4旋转，使得激光扫描圆孔内截面，再利用逼近式孔心定位方法（如图4所示）找到首测量截面14圆心同主轴轴线重合的位置，即使O和O₁重合。接下来，利用轴向调节机构5下移测头一段距离，如2mm，并从起始扫描方向开始继续回转扫描，如图3所示，记录测头数据的输出曲线，利用公式(5)计算此截面的圆心与回转轴线之间的距离，利用公式(6)计算截面2波峰测量点的相对角度。同理，继续下移轴向调节机构5，找出所有被测截面9中心同主轴轴线的距离以及相对角度，所获数据可以构成极坐标内的数据点17。然后，将极坐标内的点17转换成直角坐标，并利用最小包容区域法，计算最小包容圆，其直径即为圆孔直线度值。

现以在数控铣床1上测量深孔直线度为例说明本方法，如图1所示。除机床1外，该方法用到一个以激光位移传感器7为核心的测头6，一个轴向调节机构5。

首先，介绍极限点搜索模型，以确定圆心和回转轴线的相对位置利用激光位移传感器7回转扫描圆孔内表面9，其空间模型可简化为如图2所示。考虑到激光位移传感器7的安装偏差，激光出射线AB8同回转轴线13既不垂直也不相交，即两者成异面关系，存在公垂线OC 11，其中，点C绕回转轴旋转可形成圆形轨迹——轨迹1（10）。设B点是激光位移传感器的零位点，零位点的回转轨迹为——轨迹2（12）。以O为原点，回转轴线为Z轴，可建立直线建立坐标系O-XYZ。图3中，AB表示激光位移传感器的输出值，OA为被测点至原点的距离。由于激光束AC在回转扫描的过程中，△OBC的形状不会改变，而由于△OAC中A点会变化， OA、AC的长度均会发生改变。

在△OBC中：

在△OAC中：

因而，有：

(1)

由于△OBC的形状不会改变，则OB、OC恒定不变，对式(1)对变量AB求导:

(2)

由于长度值AB恒为正，使得导函数亦为正，即与AB具有相同的单调性。因而，当测量值AB出现极限值时，被测点至回转轴线（13）的公垂点的间距OA也将出现极限值。即：

(3)

(4)

在深孔加工现场，原则上回转轴线13与被加工曲面9平行，当激光位移传感器7相对于机床主轴4垂直安装时，空间模型图3可转变成平面模型，如图4所示。

当扫描点为Amax和Amin时，由式（3）和式（4）可知，传感器输出值AB亦将出现对应极值。

若在设计测头时，作如下限制：回转轴线13至零位测量点的距离不低于为70mm，安装偏心OC小于0.1mm，测量范围为0~10mm，则在△OAC中，可以计算AB和AD的最大偏差不超过0. 05微米，可忽略不计。

因而有：

(5)

s表示传感器单周期内的峰谷值，由式(5)可以计算回转轴线至被测孔圆心的距离。然而，求解圆心相对回转轴线的相对位置还需确定两者的方位。为了完成这个目的，本文对各个截面进行扫描时，固定一个起始方向，如图4所示，由于传感器采样时间短且保持恒定，可以计算波峰相对起始方向的角度。而由于波峰出现时，被测点、圆心、回转轴线投影点三者共线，因而，即可表示圆心的方位，有：

(6)

式中，表示自起始方向至波峰出现时的扫描点数，表示单周期内扫描的总点数。

其次，介绍逼近式孔心定位法，使得首测截面中心和主轴轴线重合。

深孔直线度是一项形位误差，量值小，而激光位移传感器的测量范围相对较大，且其误差受测距变化影响，因而在进行直线度测量时，测距不应变化过大。为此，在进行首圆截面测量时，使回转轴线和圆心重合，可消除安装偏心对传感器测量范围的影响。

如附图4所示，基本原理为：测头在孔内扫描，测量值e周期变化，若在机床X方向移动测头，由于 OO₁是一个由大变小再变大的过程，测量值e的峰谷值具有由大变小在变大的规律，根据公式（3）和公式（4）可知，相应极小值必然对应图中P点；然后沿Y方向移动测头，观测s的变化，当回转轴线同孔心重合时，s最小，理论上可以一次定心。考虑到实际操作存在在不考虑机床平移侧向误差和主轴回转径向误差时等多种误差因素影响，有时需多次在X、Y轴方向上交替移动，直至s最小，使得O和O₁重合。

最后，介绍圆孔直线度测量方法

根据极限点搜索法，并计算出圆心相对回转轴线的极距和方位时，可绘制极坐标图，将其转化为直角坐标图，根据最小包容圆拟合算法，并计算直径最小包容圆，其直径即为圆孔直线度值。

圆孔直线度的测量原理如图5所示，设扫描截面从上至下为首截面14、截面N 16(N=2、3..….n)，起始测量方向为俯视图六点钟方向。

执行步骤如下：

1.利用回转定心法使得回转轴线13和首截面14的中心重合。

2. 轴向调节装置执行下移测头至截面2，并对截面2进行回转扫描，记录测头数据的输出曲线，利用公式(5)计算截面2的圆心与回转轴线13之间的距离，利用公式(6)计算截面2波峰测量点的相对角度。

3.以起始测量角度为极坐标原点，以波峰测量点的相对角度为极角，以所测圆心与回转轴线之间的距离为极距，绘制极坐标17。

4.以起始扫描角度出发，下移测头至其他被测截面，重复步骤2，3直至绘制出所有截面圆心的极坐标17。

5.将极坐标17转换成直角坐标，利用最小区域拟合算法计算直径最小包容圆，其直径即为圆孔直线度。

本方法的测量基准是旋转体的回转轴线，本发明采用轴向调节机构和测头固定，并同时绕回转轴线旋转，保证了测量基准的空间唯一性。若如采用机床自带进给机构移动主轴，则其回转轴线的空间位置将会发生变化，无法满足作为基准的条件。

本方法采用逼近式定心法使得激光位移传感器测量数据保持在较小范围，解决了传感器误差受测距变化的影响。在极限点搜索法的基础上，利用激光位移传感器的旋转扫描数据直接计算回转中心至被测孔圆心的距离；设定起始扫描方向，利用测量数据峰值出现的点位和周期总点数，计算回转中心和圆孔中心的相对角度变化，从而确定孔心相对回转轴线的位置坐标，因而，无需采用面阵型光电器件以孔心的二维坐标。

本方法的激光位移传感器属于一种完全非接触的测量方式，即孔内移动机构采用轴向调节结构带动测头移动，无需接触；激光位移传感器对孔壁进行测量，为非接触。

本发明的上述实施例只是用于说明本发明的技术方案，并不限定本发明的保护范围，凡是采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均被本发明申请的范围所涵盖。

Claims (3)

1.单点激光旋转扫描的深孔直线度检测装置，包括一个激光位移传感器测头、一个旋转体、一个轴向调节机构，以及一台计算机；其特征在于：激光位移传感器测头和轴向调节机构的内圆柱导轨固定连接并锁定；轴向调节机构的圆柱套筒夹持到机床主轴或自研主轴上并锁定；启动激光位移传感器测头中的蓝牙数据发送模块，建立测头和计算机的通信连接，传送数据至计算机；旋转体提供基准所用的回转轴线，并为旋转扫描提供运动源；轴向调节机构包含圆形套筒、内圆柱导轨和调节紧定螺钉，圆形套筒和圆柱导轨配合组成移动副，螺钉将两者锁定。

2.单点激光旋转扫描的深孔直线度检测方法，其特征是，该方法以旋转体提供的回转轴线为基准，利用激光位移传感器的测头进行一维旋转扫描，输出所扫描的截面中心相对回转轴线的位置坐标；其操作步骤包括：首测量截面的逼近式定心操作，测量其他截面的圆心相对回转轴线的位置变化，圆心极坐标图像的绘制和转换，最小包容区域法计算所有圆心坐标的最小包容圆，其直径即为所求直线度。

3.如权利要求2所述的单点激光旋转扫描的深孔直线度检测方法，其特征是，该方法操作步骤是：

第一步，启动激光位移传感器，使激光打在被测深孔内壁上；启动机床主轴旋转，使得激光扫描圆孔内截面；

第二步，设定起始扫描方向，利用逼近式孔心定位方法，观测计算机上测量数据的峰值变化：即在机床X方向与Y方向依次移动测头，找出测量数据峰谷值最小所对应的位置；多次重复，直到测量数据的峰谷值不能再小，可知回转中心和被测圆中心重合；

第三步，调节轴向调节机构使测头下移1~2mm，从起始扫描方向开始保持共同旋转，保证回转轴线的唯一性，满足深度方向测头移动的要求；

第四步，记录计算机上测量数据的峰谷值，该值的二分之一表示该截面中心距离回转轴线的距离，记录计算机上测量数据中出现峰值的点位数和周期总点位数，两者之商乘以2π即为该扫描截面中心同回转轴线的相对角度；

第五步，继续下移轴向调节机构，按照第三、四步的方法找出所有被测截面中心同主轴轴线的距离以及相对角度，所获数据可以构成极坐标内的数据点；

第六步，将上一步中极坐标内所有数据点转换成直角坐标，并利用最小包容区域法，计算最小包容圆，其直径即为圆孔直线度值。