CN106940175A - 用于内孔参数测量装置测头长度校准的球面环规及测头长度校准方法 - Google Patents

用于内孔参数测量装置测头长度校准的球面环规及测头长度校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于内孔参数测量装置测头长度校准的球面环规及测头长度校准方法。所述内孔多参数测量装置基于坐标测量原理，可用于测量内孔横截面直径、圆度以及内孔的直线度。由于采用基于比较测量法则的接触式位移测头，在测量之前，需要通过球面环规先校准测头的基准长度，即准确获取测头零位到测头回转中心的距离α。球面环规用于测头校准的内表面为一段高精度光滑球形曲面，该球形曲面环规在测量装置的姿态相对于环规有偏心、倾斜的情况下，依然能够对测头长度进行高精度校准。同时，本发明公开了一种利用所述的球面环规对测头长度进行校准的方法。

Description

用于内孔参数测量装置测头长度校准的球面环规及测头长度 校准方法
技术领域
本发明涉及一种用于内孔参数测量装置测头长度校准的球面环规及测头长度校准方法。
背景技术
一种测头回转式内孔多参数测量装置及测量原理如图1所示，该装置基于坐标测量原理，测量装置对被测内孔横截面进行采样，获取各被采样点的坐标值，进而得到内孔横截面直径、圆度以及内孔的直线度。由于采用基于比较测量法则的接触式位移测头，在测量之前，需要先校准测头的基准长度，即准确获取测头读数零位到测头回转中心的距离a。
目前常见的测头长度校准方法多采用标准环规或千分尺对测头基准长度进行校准。采用标准环规对测头进行校准时，需保证测头回转轴线与标准环规轴线高度重合(如图4a所示)，在测头相对标准环规偏心(如图4b所示)或倾斜(如图4c所示)的情况下将导致校准误差。而使用千分尺对测头进行校准时，常需要配合专用夹具及量块进行操作，校准程序较为繁杂，同时，依靠人工调整及读数，校准效率较低且容易引入误差。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于内孔参数测量装置测头长度校准的球面环规及测头长度校准方法，以克服现有工具及方法的局限。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
用于内孔参数测量装置测头长度校准的球面环规，其特征在于：其用于测头长度校准的内表面为一段光滑球形曲面。
所述的内孔参数测量装置基于坐标测量原理，测量装置对被测内孔横截面进行采样，获取各被采样点的坐标值，进而得到内孔横截面直径、圆度以及内孔的直线度。测量装置主要包括回转轴、沿回转轴径向安装在回转轴一端的接触式位移测头。所述球面环规通过其球形内表面对内孔参数测量装置测头长度进行校准，在内孔参数测量装置的姿态相对于球面环规有偏心、倾斜的情况下，球面环规依然能够对测头长度进行高精度校准。
一种使用所述的球面环规对内孔参数测量装置测头进行长度校准的方法，其特征在于：使用未经校准的内孔参数测量装置在球面环规的球形内表面上采样不在同一平面上的4个点，以采样第一点时测头端点到测头回转中心的距离为测头的基准长度a，并在此处将测头读数置零，则在对后续点进行采样时，可得到测头读数相对于采样第一点时的变化量Δn，由于各采样点都在校准球曲面上，利用各采样点到球形曲面球心的距离都等于球形曲面的半径可得到一方程组，求解该方程组即可得到测头置零时的基准长度a。
与现有工具及方法相比，本发明优点在于：在测量装置的姿态相对于球面环规有偏心、倾斜的情况下，依然能够对测头长度进行高精度校准，校准效率较高，且易于实现自动化校准。
附图说明
图1为测头回转式内孔多参数测量装置及测量原理示意图，其中：
图1a为主视图，图1b为俯视图，图1c为坐标测量示意图。
图2为测头基准长度校准示意图。
图3为本发明球面环规示意图，其中：
图3a为立体图，图3b为主视图，图3c为剖视图。
图4为使用标准环规校准时，测头位姿导致误差示意图，其中：
图4a为理想校准模型图，图4b为偏心导致误差示意图，图4c为倾斜导致误差示意图。
图5为使用本发明球面环规对各种位姿测头进行校准的示意图，其中：
图5a为球面环规对与其偏心的测量装置进行测头长度校准示意图，
图5b为球面环规对与其倾斜的测量装置进行测头长度校准示意图。
图6为使用本发明球面环规及测头长度校准方法对测头进行校准的立体模型图。
图7为使用本发明球面环规及测头长度校准方法对测头进行校准的平面模型图。
具体实施方式
如图1a所示，内孔参数测量装置1包括回转轴3、沿回转轴3径向安装在回转轴3一端的接触式位移测头2，测量装置对被测件4的内孔横截面进行测量。
所述的内孔参数测量装置测量原理：如图1b、1c所示，采用坐标测量原理。首先，以测头回转中心O'为极点，以测头位于回转零位时从极点出发且通过测头端点的射线为极轴建立极坐标系。设经过校准，测头位于零位时，测头端点到回转中心O'的距离为a(如图2所示)，则第n个采样点在上述极坐标系中的极坐标为(a+Δn,θn)；再转换为直角坐标为((a+Δn)cosθn,(a+Δn)sinθn)。
在获取n个采样点的直角坐标后，对这些坐标进行圆拟合，即可得到被测横截面的内径，并对其圆度进行评定。
根据上述测量原理可知，在使用所述的内孔多参数测量装置对被测件进行测量之前，需要对测头的基准长度a进行校准。
如图3a所示，用于内孔参数测量装置1测头长度校准的球面环规5，其用于测头长度校准的内表面为一段具有极高尺寸及形状精度的光滑球形曲面6。
为便于加工及方便校准测头时的计算，所述的校准球面位于同一半球(如图3c所示)，但实际应用中不限于此形式。
由数学原理可知：三维空间中，不在同一平面上的四点可确定一个球。而一个球可由其球心坐标O(X0,Y0,Z0)和半径R0决定，通过测量一个球面上的4点，利用这4点到球心的距离都等于球的半径，可得到一个由4个方程组成的方程组，而方程组有4个未知数为X0,Y0,Z0,R0，恰好能够求得精确解。
在使用球面环规5进行测头长度校准时，球面环规5的半径R0为已知量，而其球心相对于测量系统的坐标O(X0,Y0,Z0)为以及测头的基准长度a为未知量。校准时，使用未经校准的测量装置在球面环规的校准球面上采样不在同一平面上的4个点。以采样第一点时测头端点到测头回转中心的距离为测头的基准长度a，并在此处将测头读数置零，则在对后续点进行采样时，可得到测头读数相对于采样第一点时的变化量Δn，由于4个采样点都在校准球面上，利用各采样点到球心的距离都等于校准球面的半径可得到可得到一个由4个方程组成的方程组，由于R0和Δn均已知，则求解该方程组可得到测头置零时的基准长度a以及校准球面的球心在测量系统中的坐标O(X0,Y0,Z0)。
以下结合图6和图7对本发明所述的使用球面环规对测头长度进行校准的方法进行详细介绍，图6为图7的平面化展示，在图6和图7中，测头用箭头简化表示。
如图6所示，进行长度校准时，测头在校准球面上采样的4个点为A,B,C,D。其中,A,B,C在同一平面上(即同在球的一个截面上)，而D在A,B,C所在平面外，由图可知，D所在平面与A,B,C所在平面平行，且距离为|zD|。因为A,B,C,D不在同一平面上，而又已知它们都在校准球面上，所以由这4个点确定的球面即为校准球面。需要指出的是，实际使用中，只需保证采样的4点不在同一平面上即可，上述A,B,C三点在同一平面上，仅为便于说明。
如图6和图7所示，采样点A,B,C所在平面为平面I，采样点D所在平面为平面II。测头先在平面I中进行采样，A点为第一个采样点，令测头采样A点时，测头端点到测头回转中心O'的距离为测头的基准长度a并在此时将测头读数置零。如图7所示在平面I中，以测头回转中心O'为极点，以射线OA为极轴建立极坐标系，则平面I中各采样点的极坐标为(a+Δn,θn)。如图6所示，完成对平面I中A,B,C三点的采样后，测头保持采样C点时的方向，在测杆的带动下，沿测杆轴线方向下移到达平面II上D点处，并完成对D点的采样，则测头采样C,D两点时，相对射线OA转过的角度相等。
根据以上描述可知，A,B,C三点，以及D点在平面I上的投影D'点在上述极坐标系中的坐标为：A(a+Δ0,θ0)，B(a+Δ1,θ1)，C(a+Δ2,θ2)，D(a+Δ3,θ3)，其中Δ0＝0，θ0＝0，θ2＝θ3。
如图6所示，以O'A为x轴，x轴以O'为旋转中心沿逆时针方向旋转90°所得坐标轴为y轴，并指向如图方向，以测杆轴线为z轴，建立如图所示的三维笛卡尔坐标系O'-xyz。则将上述A,B,C,D四点转换到三维坐标系O'-xyz中，得坐标值为：
其中
由于采样点A,B,C,D都在校准球面上，由几何关系可知A,B,C,D到校准球面的球心O(X0,Y0,Z0)的距离都为球面半径R0，可列方程组：
将坐标值(1)代入方程组(2)可得：
方程组(3)具有4个方程、4个未知数a、X0、Y0、Z0，求解方程组(3)即可得到测头置零时的基准长度a以及校准球面的球心在测量系统中的坐标O(X0,Y0,Z0)。

Claims (3)

1.用于内孔参数测量装置测头长度校准的球面环规，其特征在于：其用于测头长度校准的内表面为一段光滑球形曲面。
2.根据权利要求1所述的用于内孔参数测量装置测头长度校准的球面环规，其特征在于：基于坐标测量原理的测头回转式内孔参数测量装置包括回转轴、沿回转轴径向安装在回转轴一端的接触式位移测头，所述球面环规通过其球形内表面对内孔参数测量装置测头长度进行校准，在内孔参数测量装置的姿态相对于球面环规有偏心、倾斜的情况下，球面环规依然能够对测头长度进行高精度校准。
3.一种使用如权利要求1所述的球面环规对内孔参数测量装置测头进行长度校准的方法，其特征在于：使用未经校准的内孔参数测量装置在球面环规的球形曲面上采样不在同一平面上的4个点，以采样第一点时测头端点到测头回转中心的距离为测头的基准长度a，并在此处将测头读数置零，则在对后续点进行采样时，可得到测头读数相对于采样第一点时的变化量Δn，由于各采样点都在球面环规的球形曲面上，利用各采样点到球形曲面球心的距离都等于球形曲面的半径可得到一方程组，求解该方程组即可得到测头置零时的基准长度a。
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