CN106595532A - 深孔直线度检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于深孔轴线直线度检测技术领域，具体涉及一种深孔直线度检测方法，所采用的检测装置由检测部分、进给部分、坐标定位部分以及数据处理部分构成，主要步骤为：首先将深孔工件沿母线方向划分为n等分，得到n+1个深孔截面；其次，在检测部分建立相对坐标系，依据光电检测结果求深孔截面上多个点在相对坐标系下的坐标；再次，利用阻尼牛顿法求出各深孔截面在相对坐标系下的圆心；最后，将各圆心转换到大地坐标下计算深孔轴线直线度。本发明可全程动态检测各深孔截面上多个点的坐标，测算各深孔截面圆心的误差小，检测精度高。
Description
技术领域
本发明属于深孔轴线直线度检测技术领域，具体涉及一种深孔直线度检测方法。
技术背景
深孔直线度目前的检测基本过程是：第一、将深孔零件等分成n分，得到n+1个深孔截面，测出深孔截面上各点的坐标；第二、运用三点定圆原理找出深孔截面的圆心；第三、运用两端点连线法、最小区域法、最小二乘法找出理想的直线度误差评定基线，算出深孔直线度。目前，实际应用的深孔直线度检测方法主要有量规检验法、自准直仪法、校正望远镜测量法、感应式应变片测量法、超声波测量法、激光测量法，这些方法有的只是定性的检测；有的在确定深孔截面的圆心过程中存在原理误差以及采样的偶然误差。
深孔直线度检测的难点：第一、由于深孔轴线在检测前未知，故不易保证所测深孔截面垂直于深孔轴线；第二、不易准确测量出深孔截面上各点的坐标；第三、由于实际加工出来的深孔存在圆度误差以及表面质量误差，即深孔截面不是一个标准的圆，因此，不易确定深孔截面的圆心坐标；第四、在获得各深孔截面圆心坐标后，进行直线度误差评定时不易找到理想的评定基线，现有的评定方法如两端点连线法、最小区域法、最小二乘法都存在一定的原理误差与计算误差。因此，目前还没有一种能够有效避免原理误差、偶然误差、计算舍入误差且能够精确检测出深孔直线度的方法与装置。
发明内容
本发明的目的：为准确检测深孔直线度提供一种原理误差小、采样偶然误差小、舍入误差小的检测方法。
本发明采用如下的技术方案实现：
深孔直线度检测方法，包括深孔直线度检测装置，该装置有检测部分、进给部分、坐标定位部分以及数据处理部分，检测部分位于被测工件1的深孔内，所述的检测部分包括左端盖2、内六角沉头螺钉3、左弹簧4、滑套5、滚轮6、杆系机构7、左固定轴8、左PSD9、分光镜10、光学玻璃11、入射光线12、固联座13、选光板14、成像锥镜15、左凸透镜16、分划板17、右凸透镜18、光源19、移动电源20、右端盖22、右弹簧29、右固定轴30、检测框31、过光板32、步进电机34、步进电机固定座33、玻璃板35和右PSD36；所述的进给部分包括吊环21、定滑轮23、细绳24、卷筒25、机架26、联轴器27和主步进电机28；所述的坐标定位部分包括定位PSI)38、激光43、激光准直系统44、激光源45；所述的数据处理部分包括信号输出线40、信号输入线42、线卡37、信号处理器41、笔记本电脑39；
所述的左端盖2与右端盖22均为圆形板，分别通过内六角沉头螺钉3安装到左固定轴8与右固定轴30上，且左端盖2的直径大于左固定轴8的直径；右端盖22的直径大于右固定轴30的直径；所述的右端端盖22，其一面的中心设有安装移动电源20与光源19的凹槽；另一面的中心设有吊环21；所述的左固定轴8和右固定轴30均在中心处开有通孔；所述的右固定轴30孔内安装右凸透镜18、分划板17和左凸透镜16；所述的右凸透镜18安装在距离光源19一倍焦距处；所述的左固定轴8外表面设置有三套沿圆周方向等间距的杆系机构7；左固定轴8外表面套有滑套5；所述的杆系机构7由平面四杆机构与一根短杆组合而成；杆系机构7上设有两个滚轮6；杆系机构7通过铰链连接在左固定轴8及滑套5上；所述的左弹簧4为螺旋弹簧，安装在左端盖2与滑套5之间；装配时使弹簧保持压力以使杆系机构7上的滚轮6能够一直压在被测深孔的内壁上；所述的检测框31为圆柱形，检测框31上安装有可供光线透过的光学玻璃11；检测框31的左端面与左固定轴8固连；检测框31的右端面与右固定轴30固连；所述的检测框31右端面为圆形玻璃；
所述的左PSD9安装在检测框31左端面的内侧；所述的分光镜10安装在检测框31内；所述的玻璃板35安装在检测框31内；所述的右PSD36安装在玻璃板35靠近分光镜10的一侧；位置关系应满足左PSD9与分光镜10之间的距离小于分光镜10与右PSD36之间的距离；左PSD9与右PSD36上的信号输入线42穿出检测框31，并经线卡37的排列走线，最后连接到信号处理器41上；经信号处理器41处理过的信息通过信号输出线40输出到笔记本电脑39；所述的成像锥镜15安装在检测框31右端面的中心；同时满足成像锥镜15与左凸透镜16之间的距离为左凸透镜16的一倍焦距；
所述的步进电机34通过步进电机固定座33安装到过光板32的中心；步进电机34的输出轴上装配选光板14；所述的过光板32在沿圆周方向开有12个等间距的小孔；过光板32中心处开孔与步进电机34的输出轴相配；通过固联座13将过光板32固定在检测框内31；选光板14安装在步进电机34的输出轴上；选光板14上开有一个供光线通过的小孔；经过成像锥镜15反射后的光束能够通过选光板14与过光板32上的小孔照射到深孔内壁上；且入射光线12经深孔内壁反射后能够照射到分光镜10上；分光镜10将光线分为两部分，一部分透过分光镜10照射到左PSD9上；另一部经分光镜10反射到右PSD36上；
所述的激光源45发出的激光43照射在定位PSD38上。
所述的右固定轴30外表面设置有与左固定轴外表面相同的机构。
所述的过光板32为直径小于检测框31内径的圆形薄板。
所述的选光板14为圆形薄板，其直径小于检测框31的内径。
本方法包括以下步骤：
第一，将所测深孔零件沿深孔母线方向划分为n等份，在深孔的内表面得到n+1个深孔截面；
第二，调试检测装置，保证被成像锥镜15反射的光线能经过选光板14与过光板32上的小孔后能够穿过检测框31上的光学玻璃11照射到工件1的内壁上。选光板14上的小孔中心与过光板32上的小孔中心连线与左、右PSD中心的连线夹角为α，记录α值；调试还要保证光线经过深孔内壁反射后能够在分光镜10的作用下照射到左PSD 9和右PSD 36上。调试好检测系统后，测量并记录左PSD 9、分光镜10、右PSD 36和过光板32之间的距离：如图4所示，左PSD 9与分光镜10之间的距离为a，分光镜10到右PSD36的距离为b(b＞a)，左PSD9到过光板32之间的距离为S，过光板32上沿周向间隔30°均布的小孔与过光板32中心之间的距离均为R；
第三步，以左PSD9的中心为原点建立相对坐标系；
第四，通过步进电机带动选光板旋转，使得经过成像锥镜15反射后的光束能够通过选光板14与过光板32上的小孔照射到深孔内壁上；且入射光线12经深孔内壁反射后能够照射到分光镜10上；分光镜10将光线分为两部分，一部分透过分光镜10照射到左PSD9上；另一部经分光镜10反射到右PSD36上；分别记录左、右PSD上的光斑位置坐标；
第五，根据左、右PSD上光斑位置坐标、a、b、R和α求出深孔截面上多个点在相对坐标系下的横坐标和纵坐标；
第六，将深孔截面上多个点的坐标拟合出一个理想的圆，满足每个测点到该圆上的偏移量的平方和最小，拟合方法为利用阻尼牛顿法，所拟合圆的圆心为该深孔截面处深孔轴线上的点；
第七，以激光源45，激光准直系统44，激光43及定位PSD38组成定位系统，以激光源45为原点建立大地坐标系，将相对坐标系与大地坐标系联系起来；将检测系统中相对坐标系下测得的圆心坐标变换到大地坐标系下；
第八，将拟合所得的圆心依次连接起来，该连线即为深孔轴线；
第九，根据大地坐标系下的深孔截面圆心来计算深孔直线度。
本发明的有益效果：第一、利用激光与PSD检测深孔截面上各点的坐标，检测精度高。第二、利用平面杆系机构在弹簧压力的作用下实现自定心有助于减小检测过程中的操作误差。第三、同一个深孔截面上测算了多个点的坐标，并用阻尼牛顿法寻优求解深孔截面的圆心，有效地减小了偶然误差。第四、利用步进电机来驱动选光板选择可通过过光板的光束，有助于提高检测效率。
附图说明
图1为检测系统的示意图，
图2为过光板示意图，
图3为选光板示意图，
图4为坐标示意图，
图5为过光板上过光孔的示意图，
图6为由点拟合圆示意图，
图中：1-工件，2-左端盖，3-内六角沉头螺钉，4-左弹簧，5-滑套，6-滚轮，7-杆系机构，8-左固定轴，9-左PSD，10-分光镜，11-光学玻璃，12-入射光线，13-固联座，14-选光板，15-成像锥镜，16-左凸透镜，17-分划板，18-右凸透镜，19-光源，20-移动电源，21-吊环，22-右端盖，23-定滑轮，24-细绳，25-卷筒，26-机架，27-联轴器，28-主步进电机，29-右弹簧，30-右固定轴，31-检测框，32-过光板，33-步进电机固定座，34-步进电机，35-玻璃板，36-右PSD，37-线卡，38-定位PSD，39-笔记本电脑，40-信号输出线，41-信号处理器，42-信号输入线，43-激光，44-激光准直系统，45-激光源。
具体实施方式
以下为本发明的一些具体实施方式，这些具体实施方式是用来说明本发明的，不对本发明做任何限制。
按照深孔直线度的测量原理设计的检测系统，如图1所示。主步进电机28通过驱动卷筒25旋转，进而拉动细绳24。细绳24绕过定滑轮23系在检测装置右端的吊环21上。当主步进电机28旋转时，细绳24拖着吊环21从工件1的左端向右端移动，逐点测量工件1深孔内表上的一系列点的坐标。检测装置左端有左端盖2，右端有右端盖22。左、右端盖分别通过内六角沉头螺钉3装配到左固定轴8和右固定轴30上。左、右固定轴上都有滑套和杆系机构。滑套5一端固连在左弹簧4上，另一端固连在杆系机构7上。左弹簧4置于左端盖2与滑套5之间，并保持一定的压力推动杆系机构7上的滚轮6压在深孔内壁上。右弹簧29置于右端盖22与滑套5之间，并保持一定的压力推动右端杆系机构上的滚轮压在深孔内壁上。右端盖22的中心位置设置移动电源20及光源19。光源19位于右凸透镜18的焦点处，发出的光经过右凸透镜18分散后射向分划板17，形成若干平行光束。平行光束经过左凸透镜16聚焦后射向位于左凸透镜16左边一倍焦距处的成像锥镜15。光束经过成像锥镜15反射后射向选光板14与过光板32；当选光板14上的小孔与过光板32上的小孔沿光束方向对齐时，光束穿过检测框31上的光学玻璃11照射到工件1内壁上。
选光板14通过键装配在步进电机34的输出轴上，步进电机34旋转时，选光板14同步旋转；步进电机34固定于步进电机固定座33，步进电机固定座33固连在过光板32上。固联座13将过光板32固定在检测框31上。
选光板14只开有一个小孔，如图2所示；过光板32上沿周向间隔30°开有小孔，共有12个小孔，如图3所示。当选光板14上的小孔与过光板32上的小孔沿光线射入方向对齐时，被成像锥镜15反射的光线才能经过选光板14与过光板32。选出的光线透过光学玻璃11射向深孔内壁，经过深孔内壁的反射后，穿过光学玻璃11射到分光镜10上。在分光镜10的作用下，一部分光透过分光镜10照射到左PSD9上；一部分光经分光镜10反射后照射到右PSD36上。安装PSD时要保证左、右PSD中心的连线与左、右固定轴的轴线共线。PSD上的信号输入线42从检测框31上的线孔穿出后，经过线卡37的排线布置，进入左固定轴8中，然后按照图1中的走线方式，进入到左端盖2的线孔中，然后连接到信号处理器41上。信号处理器41将左、右PSD上光斑信号处理后经信号输出线40输入到笔记本电脑39中进行运算处理。
以左PSD9的中心为原点建立的相对坐标系；通过选光板14与过光板32配合的筛选作用，可测算出同一深孔截面边界上多个点在相对坐标系下的坐标，将这些点的坐标经过计算处理，可得到所测深孔截面的实际圆心。激光源45，激光准直系统44，激光43及定位PSD38组成的定位系统，可以将检测系统中检测机构所建立的相对坐标系与大地坐标系联系起来；将检测系统中相对坐标系下测得的圆心坐标变换到大地坐标系下；然后根据大地坐标系下的深孔截面圆心来计算深孔直线度。
Claims (3)
1.深孔直线度检测方法，包括深孔直线度检测装置，其特征在于：所述的检测装置包括检测部分、进给部分、坐标定位部分以及数据处理部分，检测部分位于被测工件(1)的深孔内，所述的检测部分包括左端盖(2)、左弹簧(4)、滑套(5)、滚轮(6)、杆系机构(7)、左固定轴(8)、左PSD(9)、分光镜(10)、光学玻璃(11)、入射光线(12)、固联座(13)、选光板(14)、成像锥镜(15)、左凸透镜(16)、分划板(17)、右凸透镜(18)、光源(19)、移动电源(20)、右端盖(22)、右弹簧(29)、右固定轴(30)、检测框(31)、过光板(32)、步进电机(34)、步进电机固定座(33)、玻璃板(35)和右PSD(36)；所述的进给部分包括吊环(21)、定滑轮(23)、细绳(24)、卷筒(25)、机架(26)、联轴器(27)和主步进电机(28)；所述的坐标定位部分包括定位PSD(38)、激光(43)、激光准直系统(44)、激光源(45)；所述的数据处理部分包括信号输出线(40)、信号输入线(42)、线卡(37)、信号处理器(41)、笔记本电脑(39)；
所述的左端盖(2)与右端盖(22)均为圆形板，分别安装到左固定轴(8)与右固定轴(30)上，且左端盖(2)的直径大于左固定轴(8)的直径；右端盖(22)的直径大于右固定轴(30)的直径；所述的右端端盖(22)，其一面的中心设有安装移动电源(20)与光源(19)的凹槽；另一面的中心设有吊环(21)；所述的左固定轴(8)和右固定轴(30)均在中心处开有通孔；所述的右固定轴(30)孔内安装右凸透镜(18)、分划板(17)和左凸透镜(16)；所述的右凸透镜(18)安装在距离光源(19)一倍焦距处；所述的左固定轴(8)外表面设置有三套沿圆周方向等间距的杆系机构(7)；左固定轴(8)外表面套有滑套(5)；所述的杆系机构(7)由平面四杆机构与一根短杆组合而成；杆系机构(7)上设有两个滚轮(6)；杆系机构(7)通过铰链连接在左固定轴(8)及滑套(5)上；所述的左弹簧(4)为螺旋弹簧，安装在左端盖(2)与滑套(5)之间；装配时使弹簧保持压力以使杆系机构(7)上的滚轮(6)能够一直压在被测深孔的内壁上；所述的检测框(31)为圆柱形，检测框(31)上安装有可供光线透过的光学玻璃(11)；检测框(31)的左端面与左固定轴(8)固连；检测框(31)的右端面与右固定轴(30)固连；所述的检测框(31)右端面为圆形玻璃；
所述的左PSD(9)安装在检测框(31)左端面的内侧；所述的分光镜(10)安装在检测框(31)内；所述的玻璃板(35)安装在检测框(31)内；所述的右PSD(36)安装在玻璃板(35)靠近分光镜(10)的一侧；位置关系应满足左PSD(9)与分光镜(10)之间的距离小于分光镜(10)与右PSD(36)之间的距离；左PSD(9)与右PSD(36)上的信号输入线(42)穿出检测框(31)，并经线卡(37)的排列走线，最后连接到信号处理器(41)上；经信号处理器(41)处理过的信息通过信号输出线(40)输出到笔记本电脑(39)；所述的成像锥镜(15)安装在检测框(31)右端面的中心；同时满足成像锥镜(15)与左凸透镜(16)之间的距离为左凸透镜(16)的一倍焦距；
所述的步进电机(34)通过步进电机固定座(33)安装到过光板(32)的中心；步进电机(34)的输出轴上装配选光板(14)；所述的过光板(32)在沿圆周方向开有12个等间距的小孔；过光板(32)中心处开孔与步进电机(34)的输出轴相配；通过固联座(13)将过光板(32)固定在检测框内(31)；选光板(14)安装在步进电机(34)的输出轴上；选光板(14)上开有一个供光线通过的小孔；经过成像锥镜(15)反射后的光束能够通过选光板(14)与过光板(32)上的小孔照射到深孔内壁上；且入射光线(12)经深孔内壁反射后能够照射到分光镜(10)上；分光镜(10)将光线分为两部分，一部分透过分光镜(10)照射到左PSD(9)上；另一部经分光镜(10)反射到右PSD(36)上；
所述的激光源(45)发出的激光(43)照射在定位PSD(38)上；
其检测方法的步骤如下：
第一，将所测深孔零件沿深孔母线方向划分为n等份，在深孔的内表面得到n+1个深孔截面；
第二，调试检测装置，保证被成像锥镜15反射的光线能经过选光板14与过光板32上的小孔后能够穿过检测框31上的光学玻璃11照射到工件1的内壁上；选光板14上的小孔中心与过光板32上的小孔中心连线与左、右PSD中心的连线夹角为α，记录α值；调试还要保证光线经过深孔内壁反射后能够在分光镜10的作用下照射到左PSD 9和右PSD 36上；调试好检测系统后，测量并记录左PSD 9、分光镜10、右PSD 36和过光板32之间的距离：如图4所示，左PSD 9与分光镜10之间的距离为a，分光镜10到右PSD36的距离为b(b＞a)，左PSD9到过光板32之间的距离为S，过光板32上沿周向间隔30°均布的小孔与过光板32中心之间的距离均为R；
第三步，以左PSD9的中心为原点建立相对坐标系；
第四，通过步进电机带动选光板旋转，使得经过成像锥镜(15)反射后的光束能够通过选光板(14)与过光板(32)上的小孔照射到深孔内壁上；且入射光线(12)经深孔内壁反射后能够照射到分光镜(10)上；分光镜(10)将光线分为两部分，一部分透过分光镜(10)照射到左PSD(9)上；另一部经分光镜(10)反射到右PSD(36)上；分别记录左、右PSD上的光斑位置坐标；
第五，根据左、右PSD上光斑位置坐标、a、b、R和α求出深孔截面上多个点在相对坐标系下的横坐标和纵坐标；
第六，将深孔截面上多个点的坐标拟合出一个理想的圆，满足每个测点到该圆上的偏移量的平方和最小，拟合方法为利用阻尼牛顿法，所拟合圆的圆心为该深孔截面处深孔轴线上的点；
第七，以激光源45，激光准直系统44，激光43及定位PSD38组成定位系统，以激光源45为原点建立大地坐标系，将相对坐标系与大地坐标系联系起来；将检测系统中相对坐标系下测得的圆心坐标变换到大地坐标系下；
第八，将拟合所得的圆心依次连接起来，该连线即为深孔轴线；
第九，根据大地坐标系下的深孔截面圆心来计算深孔直线度。
2.根据权利要求1所述的深孔直线度检测方法，其特征在于过光板(32)为直径小于检测框(31)内径的圆形薄板。
3.根据权利要求1所述的深孔直线度检测方法，其特征在于选光板(14)为圆形薄板，其直径小于检测框(31)的内径。
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