CN109238210B - 一种圆形低刚度工件的平行度及平面度测量装置及方法 - Google Patents

一种圆形低刚度工件的平行度及平面度测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种圆形低刚度工件的平行度及平面度测量装置及方法，所述的装置包括隔振平台、气体静压轴承单元、摆臂单元、气体通道座单元和数据处理单元，所述气体静压轴承单元和气体通道座单元并列固定在隔振平台上，所述摆臂单元通过定位孔与气体静压轴承单元连接。本发明采用多通道通气使工件在测量时处于悬浮状态，避免使用专用或通用夹具对工件进行夹持，采用距离传感器进行非接触式测量，减轻低刚度工件由于变形给测量结果造成的影响。使用气体静压主轴带动摆臂进行测量的运动方式，运动过程平稳，重复旋转定位精度可达0.1度内。由于本发明使用气体悬浮方式进行定位，所以可对圆形低刚度非导磁材料工件进行平面度及平行度进行测量。

Description

一种圆形低刚度工件的平行度及平面度测量装置及方法
技术领域
本发明涉及测量技术领域，特别是一种圆形低刚度工件的平行度及平面度测量装置及方法，其适用于对圆形低刚度平板工件的上下表面进行平面度及平行度测量。
背景技术
工件的平面度是指工件表面具有的宏观凹凸高度相对于理想平面的偏差，工件的平行度是指工件两平面平行的程度，指一平面相对于另一平面平行的误差最大允许值，二者是评价工件表面形貌的重要指标之一。目前用于测量工件平面度及平行度的设备主要是三维坐标测量机，将工件使用专用或通用夹具夹持后用探针接触工件表面进行测量。
圆形低刚度工件广泛应用于仪器仪表工业及航空制导工业，但此类工件上下平面为圆形平面、侧面为圆柱面、不方便夹持，不利于工件的稳定，工件刚度差，使用接触式探针易使工件表面发生形变，影响测量效果，所以在三维坐标测量机上将工件使用专用或通用夹具夹持后用探针接触工件表面进行测量的方式不利于圆形低刚度工件的平面度及平行度测量。
中国专利CN 107588744 A公开了一种圆形铁板的平面度检测系统，使用电磁铁将待测铁板吸住，解决了使用专用或通用夹具夹持时带来的工件变形问题，使用摄像元件作为采集装置，将参考图样和测试图样进行比对得出误差，但电磁吸附夹紧的方式不利于铜等非导磁材质圆形工件的夹持，进行图像比对时占用计算机资源较多。
中国专利CN 106352842 A公开了一种用于圆盘类零件平面度和平行度计量的装置，可对圆盘类零件的平面度和平行度进行现场测量，适用于复杂工业环境，但此专利采用气体静压转台带动工件进行旋转并使用接触式测量的方式，不利于控制低刚度工件的变形，可能对低刚度工件的测量结果产生较大影响。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种可对圆形低刚度非导磁材料工件进行平面度及平行度进行测量、工件夹持方便、可减少测量过程中由于工件变形产生的测量误差的圆形低刚度工件的平行度及平面度测量装置及方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种圆形低刚度工件的平行度及平面度测量装置，包括隔振平台、气体静压轴承单元、摆臂单元、气体通道座单元和数据处理单元，所述气体静压轴承单元和气体通道座单元并列固定在隔振平台上，所述摆臂单元通过定位孔与气体静压轴承单元连接；所述的气体静压轴承单元包括气体静压轴承座、气体静压轴承和气体静压主轴。所述的气体静压轴承固定在气体静压轴承座上，所述的气体静压主轴为阶梯轴，两端定位部分轴径较大，中间定位部分轴径较小，上端定位部分的下表面与气体静压轴承上表面接触，下端定位部分的上表面与气体静压轴承下表面接触，中间定位部分的圆柱状侧面与气体静压轴承内孔接触并配合；所述的气体静压轴承设有六个气体通道，六个气体通道在水平方向上以气体静压轴承内孔为中心沿周向均匀分布；每个气体通道均为十字形通道，十字形通道的径向通道与气体静压轴承的内外表面连通，十字形通道的轴向通道与气体静压轴承的上下表面连通；所述的气体静压轴承单元工作时，六个气体通道同时供气，保证气体静压主轴的平稳旋转；所述的主轴角度传感器为圆环状结构，底面固定在气体静压轴承的上表面，内侧面与气体静压主轴的上端定位部分的外圆表面间隙配合，通过气体静压轴承和气体静压主轴的相对角度变化测量气体静压主轴的旋转角度；
所述摆臂单元包括摆臂、下距离传感器和上距离传感器；所述摆臂通过定位孔与气体静压主轴连接；所述上距离传感器和下距离传感器分别安装在摆臂左端的上定位孔和下定位孔上，所述摆臂绕气体静压主轴的中心作60度以内的旋转运动，上距离传感器和下距离传感器随着摆臂运动；
所述气体通道座单元包括微孔陶瓷吸盘、位置标定块、工件角度传感器和气体通道座；所述气体通道座为圆形盆状结构，下表面由两个圆柱形立柱支撑，圆弧内表面偏左部分设有一突出部，突出部上设有圆形定位孔A，气体通道座底部留有圆弧形中空部分，圆弧形中空部分的末端设有另一突出部，此突出部上设有圆形定位孔B，气体通道座底部设有工件悬浮喷气通道、工件稳定喷气通道和工件旋转喷气通道；所述工件悬浮喷气通道位于气体通道座的两侧，通过喷气使工件在微孔陶瓷吸盘上处于悬浮状态；所述工件稳定喷气通道有三条，在平面上沿圆周均匀分布，通过喷气使工件在微孔陶瓷吸盘上处于稳定状态；所述工件旋转喷气通道有三条且与气体通道座内圆部分相切，在平面上沿圆周均匀分布，通过喷气使工件在微孔陶瓷吸盘上处于旋转状态；所述工件悬浮喷气通道、工件稳定喷气通道和工件旋转喷气通道相互独立、互不连通；
所述工件角度传感器通过气体通道座的突出部的定位孔A与气体通道座连接，所述位置标定块通过气体通道座的另一突出部的定位孔B与气体通道座连接，所述微孔陶瓷吸盘设有圆弧形中空部分，安装在气体通道座的内侧平台上。
所述数据处理单元包括数据采集卡和工控机；所述数据采集卡采集主轴角度传感器、上距离传感器、下距离传感器和工件角度传感器测得的数据并传送至工控机中，所述工控机处理数据采集卡传回的数据并进行数据处理，最终计算出工件的平行度及平面度。
一种圆形低刚度工件的平面度及平行度检测方法，包括以下步骤：
A、气体静压主轴旋转带动摆臂运动，上距离传感器和下距离传感器测量位置标定块的位置数据，以位置标定块上表面作为测量基准进行测量标定；
B、将工件放置在微孔陶瓷吸盘上，工件悬浮喷气通道和工件稳定喷气通道喷气使工件处于悬浮状态，工件旋转喷气通道喷气使工件连续稳定旋转，工件角度传感器连续测量工件表面和工件角度传感器之间的距离数据并比对分析，多次测量后计算出工件旋转一圈时各点形貌数据及其变化趋势，以某点为参照点，将某一时刻工件角度传感器测量到的工件表面形貌数据和工件旋转一圈时各点形貌数据及其变化趋势相对比，确定此时工件的旋转角度θ；
C、气体静压主轴旋转带动摆臂作定轴旋转运动，摆动角度α记录在主轴角度传感器中，工件旋转喷气通道喷气使工件旋转一定角度θ；
D、多次重复步骤C直至达到预定测量次数；
E、使用最小二乘法求出待测工件上下表面的平面度及平行度。
进一步地，所述上距离传感器和下距离传感器的标定方法为：以位置标定块的上表面作为测量基准进行标定，在多次测量位置标定块的高度数据后，将上距离传感器的测量值a清零，将下距离传感器的测量值c加位置标定块的长度b后清零。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明采用多通道通气使工件在测量时处于悬浮状态，避免使用专用或通用夹具对工件进行夹持，采用距离传感器进行非接触式测量，减轻低刚度工件由于变形给测量结果造成的影响。使用气体静压主轴带动摆臂进行测量的运动方式，运动过程平稳，重复旋转定位精度可达0.1度内。
2、由于本发明使用气体悬浮方式进行定位，所以可对圆形低刚度非导磁材料工件进行平面度及平行度进行测量，增大了本发明涉及的测量装置的通用性。
附图说明
图1为本发明的装置轴测图；
图2为图1的俯视图；
图3为图2的主视图；
图4为本发明的上下距离传感器位置标定示意图；
图5为本发明的工件角度传感器测量示意图；
图6为本发明的方法步骤示意图；
图7为本发明涉及的测量原理图。
图8为本发明的气体通道座示意图。
图9是图8的A-A剖视图。
图10图9是图8的B-B剖视图。
图中：1-隔振平台，2-气体静压轴承座，3-气体静压轴承，4-主轴角度传感器，5-气体静压主轴，6-摆臂，7-上距离传感器，8-微孔陶瓷吸盘，9-工件角度传感器，10-气体通道座，11-位置标定块，12-工件，13-下距离传感器，14、工件悬浮喷气通道，15、工件稳定喷气通道，16、工件旋转喷气通道。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式，但本发明的具体实施方式仅是示意性而不是限制性的，凡利用本发明说明书及附图相关内容所作的等效结构或控制流程及思想，或直接或间接地运用在其他相关领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
本发明的左右方向仅为描述方便，不构成对本发明的限制。
如图1-10所示，一种圆形低刚度工件的平行度及平面度测量装置，包括隔振平台1、气体静压轴承单元、摆臂单元、气体通道座单元和数据处理单元，所述气体静压轴承单元和气体通道座单元并列固定在隔振平台1上，所述摆臂单元通过定位孔与气体静压轴承单元连接；所述的气体静压轴承单元包括气体静压轴承座2、气体静压轴承3和气体静压主轴5。所述的气体静压轴承3固定在气体静压轴承座2上，所述的气体静压主轴5为阶梯轴，两端定位部分轴径较大，中间定位部分轴径较小，上端定位部分的下表面与气体静压轴承3上表面接触，下端定位部分的上表面与气体静压轴承3下表面接触，中间定位部分的圆柱状侧面与气体静压轴承3内孔接触并配合；所述的气体静压轴承3设有六个气体通道，六个气体通道在水平方向上以气体静压轴承3内孔为中心沿周向均匀分布；每个气体通道均为十字形通道，十字形通道的径向通道与气体静压轴承3的内外表面连通，十字形通道的轴向通道与气体静压轴承3的上下表面连通；所述的气体静压轴承单元工作时，六个气体通道同时供气，保证气体静压主轴5的平稳旋转；所述的主轴角度传感器4为圆环状结构，底面固定在气体静压轴承3的上表面，内侧面与气体静压主轴5的上端定位部分的外圆表面间隙配合，通过气体静压轴承3和气体静压主轴5的相对角度变化测量气体静压主轴5的旋转角度；
所述摆臂单元包括摆臂6、下距离传感器13和上距离传感器7；所述摆臂6通过定位孔与气体静压主轴5连接；所述上距离传感器7和下距离传感器13分别安装在摆臂6左端的上定位孔和下定位孔上，所述摆臂6绕气体静压主轴5的中心作60度以内的旋转运动，上距离传感器7和下距离传感器13随着摆臂6运动；
所述气体通道座单元包括微孔陶瓷吸盘8、位置标定块11、工件角度传感器9和气体通道座10；所述气体通道座10为圆形盆状结构，下表面由两个圆柱形立柱支撑，圆弧内表面偏左部分设有一突出部，突出部上设有圆形定位孔A，气体通道座10底部留有圆弧形中空部分，圆弧形中空部分的末端设有另一突出部，此突出部上设有圆形定位孔B，气体通道座10底部设有工件悬浮喷气通道14、工件稳定喷气通道15和工件旋转喷气通道16；所述工件悬浮喷气通道14位于气体通道座10的两侧，通过喷气使工件12在微孔陶瓷吸盘8上处于悬浮状态；所述工件稳定喷气通道15有三条，在平面上沿圆周均匀分布，通过喷气使工件12在微孔陶瓷吸盘8上处于稳定状态；所述工件旋转喷气通道16有三条且与气体通道座10内圆部分相切，在平面上沿圆周均匀分布，通过喷气使工件12在微孔陶瓷吸盘8上处于旋转状态；所述工件悬浮喷气通道14、工件稳定喷气通道15和工件旋转喷气通道16相互独立、互不连通；
所述工件角度传感器9通过气体通道座10的突出部的定位孔A与气体通道座10连接，所述位置标定块11通过气体通道座10的另一突出部的定位孔B与气体通道座10连接，所述微孔陶瓷吸盘8设有圆弧形中空部分，安装在气体通道座10的内侧平台上；
所述数据处理单元包括数据采集卡和工控机；所述数据采集卡采集主轴角度传感器4、上距离传感器7、下距离传感器13和工件角度传感器9测得的数据并传送至工控机中，所述工控机处理数据采集卡传回的数据并进行数据处理，最终计算出工件12的平行度及平面度。
一种圆形低刚度工件的平面度及平行度检测方法，包括以下步骤：
A、气体静压主轴5旋转带动摆臂6运动，上距离传感器7和下距离传感器13测量位置标定块11的位置数据，以位置标定块11上表面作为测量基准进行测量标定；
B、将工件12放置在微孔陶瓷吸盘8上，工件悬浮喷气通道14和工件稳定喷气通道15喷气使工件12处于悬浮状态，工件旋转喷气通道16喷气使工件12连续稳定旋转，工件角度传感器9连续测量工件12表面和工件角度传感器9之间的距离数据并比对分析，多次测量后计算出工件12旋转一圈时各点形貌数据及其变化趋势，以某点为参照点，将某一时刻工件角度传感器9测量到的工件12表面形貌数据和工件12旋转一圈时各点形貌数据及其变化趋势相对比，确定此时工件12的旋转角度θ；
C、气体静压主轴5旋转带动摆臂6作定轴旋转运动，摆动角度α记录在主轴角度传感器4中，工件旋转喷气通道16喷气使工件12旋转一定角度θ；
D、多次重复步骤C直至达到预定测量次数；
E、使用最小二乘法求出待测工件12上下表面的平面度及平行度。
进一步地，所述上距离传感器7和下距离传感器13的标定方法为：以位置标定块11的上表面作为测量基准进行标定，在多次测量位置标定块11的高度数据后，将上距离传感器7的测量值a清零，将下距离传感器13的测量值c加位置标定块11的长度b后清零。
如图4-7所示，本发明的实施例如下：
上距离传感器7和下距离传感器13进行位置标定后，测得A点上表面形貌数据为z1，下表面形貌数据为z2；
在△AO1O2中，AO2＝O1O2为上距离传感器7和下距离传感器13分别到气体静压主轴中心的长度，α为摆臂6旋转的角度，由正弦定理
c2＝a2+b2-2abcosα
得c＝O1A和β；
由极坐标系和直角坐标系的转换关系
得A点的上下表面空间直角坐标分别为(x，y，z1)和(x，y，z2)；
当工件12旋转一定角度后，A点运动至A`点，在△O1A`A中，O1A`＝O1A，由极坐标系和直角坐标系的转换关系
得A`点的上下表面空间直角坐标系分别为(x`，y`，z1)和(x`，y`，z2)；
设理想平面的方程为：
z＝Dx+Ey+F
由最小二乘法，得出方程组：
式中，N为测量点的数目；
求解得D、E、F的值，即确定理想平面的位置，将各点的空间直角坐标x`、y`、z1和x`、y`、z2分别代入，即求出工件12上表面和下表面的平面度误差f1和f2：
f1＝max(z`1-z1)-min(z`1-z1)
f2＝max(z`2-z2)-min(z`2-z2)
进一步，可求出工件12的平行度误差f3，
f3＝max(z`1-z1)+max(z`2-z2)-(min(z`1-z1)+min(z`2-z2))。

Claims (3)

1.一种圆形低刚度工件的平行度及平面度测量装置，其特征在于：包括隔振平台(1)、气体静压轴承单元、摆臂单元、气体通道座单元和数据处理单元，所述气体静压轴承单元和气体通道座单元并列固定在隔振平台(1)上，所述摆臂单元通过定位孔与气体静压轴承单元连接；
所述的气体静压轴承单元包括气体静压轴承座(2)、气体静压轴承(3)和气体静压主轴(5)；所述的气体静压轴承(3)固定在气体静压轴承座(2)上，所述的气体静压主轴(5)为阶梯轴，两端定位部分轴径较大，中间定位部分轴径较小，上端定位部分的下表面与气体静压轴承(3)上表面接触，下端定位部分的上表面与气体静压轴承(3)下表面接触，中间定位部分的圆柱状侧面与气体静压轴承(3)内孔接触并配合；所述的气体静压轴承(3)设有六个气体通道，六个气体通道在水平方向上以气体静压轴承(3)内孔为中心沿周向均匀分布；每个气体通道均为十字形通道，十字形通道的径向通道与气体静压轴承(3)的内外表面连通，十字形通道的轴向通道与气体静压轴承(3)的上下表面连通；所述的气体静压轴承单元工作时，六个气体通道同时供气，保证气体静压主轴(5)的平稳旋转；所述的主轴角度传感器(4)为圆环状结构，底面固定在气体静压轴承(3)的上表面，内侧面与气体静压主轴(5)的上端定位部分的外圆表面间隙配合，通过气体静压轴承(3)和气体静压主轴(5)的相对角度变化测量气体静压主轴(5)的旋转角度；
所述摆臂单元包括摆臂(6)、下距离传感器(13)和上距离传感器(7)；所述摆臂(6)通过定位孔与气体静压主轴(5)连接；所述上距离传感器(7)和下距离传感器(13)分别安装在摆臂(6)左端的上定位孔和下定位孔上，所述摆臂(6)绕气体静压主轴(5)的中心作60度以内的旋转运动，上距离传感器(7)和下距离传感器(13)随着摆臂(6)运动；
所述气体通道座单元包括微孔陶瓷吸盘(8)、位置标定块(11)、工件角度传感器(9)和气体通道座(10)；所述气体通道座(10)为圆形盆状结构，下表面由两个圆柱形立柱支撑，圆弧内表面偏左部分设有一突出部，突出部上设有圆形定位孔A，气体通道座(10)底部留有圆弧形中空部分，圆弧形中空部分的末端设有另一突出部，此突出部上设有圆形定位孔B，气体通道座(10)底部设有工件悬浮喷气通道(14)、工件稳定喷气通道(15)和工件旋转喷气通道(16)；所述工件悬浮喷气通道(14)位于气体通道座(10)的两侧，通过喷气使工件(12)在微孔陶瓷吸盘(8)上处于悬浮状态；所述工件稳定喷气通道(15)有三条，在平面上沿圆周均匀分布，通过喷气使工件(12)在微孔陶瓷吸盘(8)上处于稳定状态；所述工件旋转喷气通道(16)有三条且与气体通道座(10)内圆部分相切，在平面上沿圆周均匀分布，通过喷气使工件(12)在微孔陶瓷吸盘(8)上处于旋转状态；所述工件悬浮喷气通道(14)、工件稳定喷气通道(15)和工件旋转喷气通道(16)相互独立、互不连通；
所述工件角度传感器(9)通过气体通道座(10)的突出部的定位孔A与气体通道座(10)连接，所述位置标定块(11)通过气体通道座(10)的另一突出部的定位孔B与气体通道座(10)连接，所述微孔陶瓷吸盘(8)设有圆弧形中空部分，安装在气体通道座(10)的内侧平台上；
所述数据处理单元包括数据采集卡和工控机；所述数据采集卡采集主轴角度传感器(4)、上距离传感器(7)、下距离传感器(13)和工件角度传感器(9)测得的数据并传送至工控机中，所述工控机处理数据采集卡传回的数据并进行数据处理，最终计算出工件(12)的平行度及平面度。
2.一种圆形低刚度工件的平面度及平行度检测方法，利用如权利要求1所述的圆形低刚度工件的平行度及平面度测量装置进行检测，其特征在于：所述的检测方法包括以下步骤：
A、气体静压主轴(5)旋转带动摆臂(6)运动，上距离传感器(7)和下距离传感器(13)测量位置标定块(11)的位置数据，以位置标定块(11)上表面作为测量基准进行测量标定；
B、将工件(12)放置在微孔陶瓷吸盘(8)上，工件悬浮喷气通道(14)和工件稳定喷气通道(15)喷气使工件(12)处于悬浮状态，工件旋转喷气通道(16)喷气使工件(12)连续稳定旋转，工件角度传感器(9)连续测量工件(12)表面和工件角度传感器(9)之间的距离数据并比对分析，多次测量后计算出工件(12)旋转一圈时各点形貌数据及其变化趋势，以某点为参照点，将某一时刻工件角度传感器(9)测量到的工件(12)表面形貌数据和工件(12)旋转一圈时各点形貌数据及其变化趋势相对比，确定此时工件(12)的旋转角度θ；
C、气体静压主轴(5)旋转带动摆臂(6)作定轴旋转运动，摆动角度α记录在主轴角度传感器(4)中，工件旋转喷气通道(16)喷气使工件(12)旋转一定角度θ；
D、多次重复步骤C直至达到预定测量次数；
E、使用最小二乘法求出待测工件(12)上下表面的平面度及平行度。
3.根据权利要求2所述的一种圆形低刚度工件的平面度及平行度检测方法，其特征在于：所述上距离传感器(7)和下距离传感器(13)的标定方法为：以位置标定块(11)的上表面作为测量基准进行标定，在多次测量位置标定块(11)的高度数据后，将上距离传感器(7)的测量值a清零，将下距离传感器(13)的测量值c加位置标定块(11)的长度b后清零。
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