CN110160462B - 一种大型深孔零件镗削过程圆度与直线度的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型深孔零件镗削过程圆度与直线度的检测方法，先构建大型深孔零件圆度、直线度检测系统，激光位移传感器发射的激光经过反射棱镜，被分为两束光，一束光沿原光路返回至激光位移传感器，另一束光透过分光镜照射在位置敏感探测器上，激光位移传感器、位置敏感探测器将采集到的信息实时传输至数据采集卡，再通过数据储存模块、预处理模块的处理，最终在误差评定模块中对测得的圆度、直线度误差进行评定。本发明中的检测方法可以根据检测到的误差信号，对加工参数进行调整，对镗削加工进行反馈闭环控制，进而改善加工质量，提升加工效率。

Description

一种大型深孔零件镗削过程圆度与直线度的检测方法

技术领域

本发明涉及大型深孔零件圆度、直线度检测技术领域，更具体的说是涉及一种大型深孔零件镗削过程圆度与直线度的检测方法。

背景技术

一般长径比大于10的孔称之为深孔，深孔加工在孔加工领域占据40％以上的比例，如枪管、火炮身管、大型船舶曲轴、飞机起落架、石油钻油缸、核电泵等都属于深孔加工的范畴。由于，大型深孔零件直径大，长径比长，内部空间相对狭小，给加工和测量过程带来较大困难。

目前，大型深孔零件的圆度、直线度检测没有专有的高精度检测仪器。对于圆度的测量，大多数工厂都是在零件加工完成后，使用测厚仪对给定截面的壁厚进行测量，再结合外圆直径得到内孔截面参数，实现圆度误差评定；对于直线度的测量，将塞规塞入深孔零件中，若塞规能顺利通过，则深孔零件直线度合格，若不能顺利通过，则零件直线度不合格。但是，这种测量方法误差较大，不能满足现有加工精度的需要。

西安光学精密机械研究所曾提出使用激光与CCD传感器实现对大型筒状零件的圆度检测，然而该方法效率较低，且须人工操作，难以自动化。

因此，研究出一种操作简单、效率高，可以对加工过程中的圆度、直线度进行测量的方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种可以对加工过程中的多个工序进行实时测量，自动化程度、精度以及加工效率高的大型深孔零件镗削过程圆度与直线度的检测方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种大型深孔零件镗削过程圆度与直线度的检测方法，检测方法的步骤如下：

步骤(1)，构建大型深孔零件圆度、直线度检测系统：其包括：浮动镗刀、刀杆、反射棱镜、分光镜、激光位移传感器、位置敏感探测器、数据采集卡、数据储存模块、预处理模块、误差评定模块；

所述浮动镗刀安装在刀杆的一端，所述刀杆带动所述浮动镗刀在所述大型深孔零件的内孔中移动，对所述内孔进行加工；

所述激光位移传感器、位置敏感探测器、数据采集卡、数据储存模块、预处理模块、误差评定模块置于所述大型深孔零件的外侧；所述激光位移传感器、位置敏感探测器均与所述数据采集卡信号连接；所述数据采集卡、数据储存模块、预处理模块、误差评定模块顺次连接；

所述反射棱镜、分光镜固定于所述刀杆的一侧壁上；所述分光镜置于所述反射棱镜与位置敏感探测器之间；

步骤(2)所述激光位移传感器发射的激光被所述反射棱镜反射，反射光在经过所述分光镜后被分为两束光，一束光经反射垂直照射到所述大型深孔零件的内孔截面上，经过所述内孔截面反射，光束沿原光路返回至激光位移传感器，所述激光位移传感器采集到所述内孔截面的轮廓信息；另一束光透过分光镜照射在所述位置敏感探测器上，所述位置敏感探测器通过采集到的光斑能够检测到深孔轴线的径向变动量；

步骤(3)，所述激光位移传感器将采集到的所述内孔截面的轮廓信息实时传输至所述数据采集卡，所述数据采集卡上的信息被传输到所述数据储存模块内，所述数据储存模块再将储存的信息传输到所述预处理模块内，对存储的数据进行过滤消噪处理，处理后的信号被传输到误差评定模块中对测得的圆度误差进行评定；

与此同时，所述位置敏感探测器将采集到的深孔轴线的径向变动量实时传输至所述数据采集卡，所述数据采集卡上的信息被传输到所述数据储存模块内，所述数据储存模块再将储存的信息传输到所述预处理模块内，对存储的数据进行过滤消噪处理，处理后的信号被传输到误差评定模块中对测得的直线度误差进行评定；

步骤(4)，根据所述步骤(3)中实时检测到的误差信号，对加工过程中的切削速度、进给量和切削深度的参数进行调整，对镗削加工进行反馈闭环控制，进而改善加工质量，提升加工效率。

采用上述技术方案的有益效果是，本发明中利用激光位移传感器和位置敏感探测器对大型深孔零件的圆度和直线度可以进行实时的监测，并将检测到的信息实时传输到数据采集卡中，在通过预处理模块对此检测信号进行降噪处理，然后再通过误差评定模块对圆度和直线度误差进行快速评定。该方法实施简单，计算方便，可以实现在加工过程中的圆度、直线度的智能检测，极大地改善了加工过程的自动化程度与工作效率，为大型深孔零件的智能制造过程奠定了基础。

优选的，预处理模块利用卡尔曼滤波方式对数据储存模块储存的数据进行滤波消噪处理，能够去除信号中的噪声影响，进而提高信号处理效率，提高评定结果的精度；

其计算过程如下：

式中，

为第k期状态参量的预测值；P_k/k-1为

的协方差；Q_k为动态噪声的协方差；Φ、H_k为系数矩阵；Φ^T为Φ的转置；H_K ^T为的H_K转置；R_k为检测噪声的协方差；K_k为卡尔曼滤波增益矩阵；z_k为测量得到的信号量；

与

分别为第k-1次与k次的输出值；P_k为

的协方差；P_k-1为

的协方差。

优选的，对圆度、直线度的误差评定过程如下：

测量初始截面选在大型深孔零件端面入口处，在测量初始截面中心处建立绝对坐标系o-xyz，在分光镜处建立相对坐标系o’-x’y’z’，位置敏感探测器检测到的深孔轴线的径向变动量反映了相对坐标系相对于绝对坐标系的位置变化；激光位移传感器的数据为相对坐标系下的数据，将坐标转换至绝对坐标系，在绝对坐标系下进行精度评定；

设位置敏感探测器上检测到的径向变动量为Δx与Δy，相对坐标与绝对坐标转换关系为：

其中，Δz＝vt，v为镗杆进给速度，t为进给时间；

在大型深孔零件上等间隔设置n个测量段，设激光位移传感器和分光镜到达第i个测量段的时间为t_i，在该时间内激光位移传感器测得的数据为(x_ijr,y_ijr,z_ijr)，i,j＝1,2,…n，转换至绝对坐标系坐标为(x_ija,y_ija,z_ija),i,j＝1,2,…,n，其中j为测量点的标号，读取数据储存模块的数据，将数据向xy平面投影，在xy平面对圆度进行评定；

圆度误差评定：圆度误差的计算是以被测实际轮廓的最小二乘圆为理想圆心，所作包容被测圆轮廓的两同心圆的半径差即为圆度误差，

读取测量段在绝对坐标系下的xy平面测量点数据为P_i(x_ija,y_ija),i,j＝1,2,…,n，则由数据拟合的理想最小二乘圆方程为：

(x-x₀)²+(y-y₀)²＝R²

求得最小二乘圆心为O(x₀,y₀)，则圆度误差表示为：

f＝r_max-r_min＝max[(x_ija-x₀)²+(y_ija-y₀)²]-min[(x_ija-x₀)²+(y_ija-y₀)²]

同时，将最小二乘圆心坐标储存到数据储存模块中；

直线度误差评定：直线度误差为包络轴线最小圆柱的直径即为直线度误差；

直线度误差的点集由各测量段拟合最小二乘圆圆心组成，读取数据储存模块中储存的测量点集M_i(x_i0,y_i0,z_i)，其中x_i0，y_i0为第i个测量段的拟合圆心，z_i为各测量段的初始轴向坐标；

由数据拟合的理想最小二乘轴线方程用空间直线的一般表达式表示，设直线上一点为(a,b,c)，则直线方程可以表示为：

其中l，m，n为直线的一组方向向量；

则直线度误差表示为：

f＝2max(r_i)

式中，r_i为各点至最小二乘直线的距离。

本发明的有益效果是，

本发明中的测量方法实施简单，计算方便，可以对大型深孔零件镗削加工过程中的圆度、直线度进行实时监测，并根据检测到的结果对加工过程中的参数进行调整，实现对加工过程中的智能检测，这样极大地改善了加工过程的自动化程度与工作效率，为大型深孔零件的智能制造过程奠定了基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的大型深孔零件圆度、直线度智能检测系统布局结构示意图；

图2附图为本发明提供的检测光路的示意图；

图3附图为本发明提供的测量轨迹坐标变换示意图；

图4附图为本发明提供的圆度误差评定示意图；

图5附图为本发明提供的直线度误差评定示意图。

其中，图中，

1-大型深孔零件；2-浮动镗刀；3-刀杆；4-反射棱镜；5-分光镜；6-激光位移传感器；7-位置敏感探测器；8-数据采集卡；9-数据储存模块；10-预处理模块；11-误差评定模块；12-激光位移传感器发射的激光；13-分光镜反射到内孔截面上的光束；14-分光镜透射到位置敏感探测器上的光束；E-大型深孔零件内孔壁面上的测量轨迹；F-测量段。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-5中所示，本发明实施例公开了一种大型深孔零件镗削过程圆度与直线度的检测方法，检测方法的步骤如下：

步骤(1)，如图1所示，构建大型深孔零件圆度、直线度检测系统：其包括：浮动镗刀2、刀杆3、反射棱镜4、分光镜5、激光位移传感器6、位置敏感探测器7、数据采集卡8、数据储存模块9、预处理模块10、误差评定模块11；

浮动镗刀2安装在刀杆3一端，刀杆3带动浮动镗刀2在大型深孔零件1的内孔中移动，对内孔进行加工；

激光位移传感器6、位置敏感探测器7、数据采集卡8、数据储存模块9、预处理模块10、误差评定模块11置于大型深孔零件1的外侧；激光位移传感器6、位置敏感探测器7均与数据采集卡8信号连接；数据采集卡8、数据储存模块9、预处理模块10、误差评定模块11顺次连接；

反射棱镜4、分光镜5固定于刀杆3的一侧壁上；分光镜5置于反射棱镜4与位置敏感探测器7之间；

步骤(2)如图1、2所示，激光位移传感器6发射的激光被反射棱镜4反射，反射光在经过分光镜5后被分为两束光，一束光经反射垂直照射到大型深孔零件1的内孔截面上，经过内孔截面反射，光束沿原光路返回至激光位移传感器6，激光位移传感器6采集到内孔截面的轮廓信息；另一束光透过分光镜5照射在位置敏感探测器7上，位置敏感探测器7通过采集到的光斑能够检测到深孔轴线的径向变动量；

步骤(3)，如图1所示，激光位移传感器6将采集到的内孔截面的轮廓信息实时传输至数据采集卡8，数据采集卡8上的信息被传输到数据储存模块9内，数据储存模块9再将储存的信息传输到预处理模块10内，对存储的数据进行过滤消噪处理，处理后的信号被传输到误差评定模块11中对测得的圆度误差进行评定；

与此同时，位置敏感探测器7将采集到的深孔轴线的径向变动量实时传输至数据采集卡8，数据采集卡8上的信息被传输到数据储存模块9内，数据储存模块9再将储存的信息传输到预处理模块10内，对存储的数据进行过滤消噪处理，处理后的信号被传输到误差评定模块11中对测得的直线度误差进行评定；

步骤(4)，根据步骤(3)中实时检测到的误差信号，对加工过程中的切削速度、进给量和切削深度的参数进行调整，对镗削加工进行反馈闭环控制，进而改善加工质量，提升加工效率。

本发明中的检测方法可以对零件加工过程中的圆度、直线度进行测量，工作效率高，而现有的零件检测技术都是零件加工后在进行检测，都在不同工序之间进行，无法得到误差的准确数值，且影响生产的效率。

如图2所示，将反射棱镜与位置敏感探测器组成的测量装置固定在镗杆上，在加工过程中工件回转，刀具进给，调整角反射棱镜与激光位移传感器6位置，对不同位置的圆度、直线度进行测量，并且在测量的过程中激光光线基本与刀杆3轴线保持平行。

更进一步地，预处理模块利用卡尔曼滤波方式对数据储存模块储存的数据进行滤波消噪处理，能够去除信号中的噪声影响，进而提高信号处理效率，提高评定结果的精度；

其计算过程如下：

式中，

为第k期状态参量的预测值；P_k/k-1为

的协方差；Q_k为动态噪声的协方差；Φ、H_k为系数矩阵；Φ^T为Φ的转置；H_K ^T为的H_K转置；R_k为检测噪声的协方差；K_k为卡尔曼滤波增益矩阵；z_k为测量得到的信号量；

与

分别为第k-1次与k次的输出值；P_k为

的协方差；P_k-1为

的协方差。

更进一步地，对圆度、直线度的误差评定过程如下：

测量初始截面选在大型深孔零件1端面入口处，在测量初始截面中心处建立绝对坐标系o-xyz，在分光镜5处建立相对坐标系o’-x’y’z’，位置敏感探测器7检测到的深孔轴线的径向变动量反映了相对坐标系相对于绝对坐标系的位置变化；激光位移传感器6的数据为相对坐标系下的数据，将坐标转换至绝对坐标系，在绝对坐标系下进行精度评定，如图3所示，图中E表示测量轨迹，F表示测量段；

设位置敏感探测器7上检测到的径向变动量为Δx与Δy，相对坐标与绝对坐标转换关系为：

其中，Δz＝vt，v为镗杆进给速度，t为进给时间；

在大型深孔零件1上等间隔设置n个测量段，设激光位移传感器6和分光镜到达第i个测量段的时间为t_i，在该时间内激光位移传感器6测得的数据为(x_ijr,y_ijr,z_ijr)，i,j＝1,2,…n，转换至绝对坐标系坐标为(x_ija,y_ija,z_ija),i,j＝1,2,…,n，其中j为测量点的标号，读取数据储存模块9的数据，将数据向xy平面投影，在xy平面对圆度进行评定；

圆度误差评定：如图4所示，圆度误差的计算是以被测实际轮廓的最小二乘圆为理想圆心，所作包容被测圆轮廓的两同心圆的半径差即为圆度误差，

读取测量段在绝对坐标系下的xy平面测量点数据为P_i(x_ija,y_ija),i,j＝1,2,…,n，则由数据拟合的理想最小二乘圆方程为：

(x-x₀)²+(y-y₀)²＝R²

求得最小二乘圆心为O(x₀,y₀)，则圆度误差表示为：

f＝r_max-r_min＝max[(x_ija-x₀)²+(y_ija-y₀)²]-min[(x_ija-x₀)²+(y_ija-y₀)²]

同时，将最小二乘圆心坐标储存到数据储存模块中；

直线度误差评定：如图5所示，直线度误差为包络轴线最小圆柱的直径即为直线度误差；

直线度误差的点集由各测量段拟合最小二乘圆圆心组成，读取数据储存模块中储存的测量点集M_i(x_i0,y_i0,z_i)，其中x_i0，y_i0为第i个测量段的拟合圆心，z_i为各测量段的初始轴向坐标；

由数据拟合的理想最小二乘轴线方程用空间直线的一般表达式表示，设直线上一点为(a,b,c)，则直线方程可以表示为：

其中l，m，n为直线的一组方向向量；

则直线度误差表示为：

f＝2max(r_i)

式中，r_i为各点至最小二乘直线的距离。

更进一步地，利用Labview编写程序化界面，集合数据采集，数据储存，数据处理模块，将整个在线检测过程显示在计算机界面上，以便技术人员实时观测数据，了解误差分布规律；并且根据实时的误差信号，控制加工参数，对镗削加工进行反馈闭环控制，改善加工质量，提升加工效率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种大型深孔零件镗削过程圆度与直线度的检测方法，其特征在于，检测方法的步骤如下：

步骤(1)，构建大型深孔零件圆度、直线度检测系统：其包括：浮动镗刀(2)、刀杆(3)、反射棱镜(4)、分光镜(5)、激光位移传感器(6)、位置敏感探测器(7)、数据采集卡(8)、数据储存模块(9)、预处理模块(10)、误差评定模块(11)；

所述浮动镗刀(2)安装在刀杆(3)的一端，所述刀杆(3)带动所述浮动镗刀(2)在所述大型深孔零件(1)的内孔中移动，对所述内孔进行加工；

所述激光位移传感器(6)、位置敏感探测器(7)、数据采集卡(8)、数据储存模块(9)、预处理模块(10)、误差评定模块(11)置于所述大型深孔零件(1)的外侧；所述激光位移传感器(6)、位置敏感探测器(7)均与所述数据采集卡(8)信号连接；所述数据采集卡(8)、数据储存模块(9)、预处理模块(10)、误差评定模块(11)顺次连接；

所述反射棱镜(4)、分光镜(5)固定于所述刀杆(3)的一侧壁上；所述分光镜(5)置于所述反射棱镜(4)与位置敏感探测器(7)之间；

步骤(2)所述激光位移传感器(6)发射的激光被所述反射棱镜(4)反射，反射光在经过所述分光镜(5)后被分为两束光，一束光经反射垂直照射到所述大型深孔零件(1)的内孔截面上，经过所述内孔截面反射，光束沿原光路返回至激光位移传感器(6)，所述激光位移传感器(6)采集到所述内孔截面的轮廓信息；另一束光透过分光镜(5)照射在所述位置敏感探测器(7)上，所述位置敏感探测器(7)通过采集到的光斑能够检测到深孔轴线的径向变动量；

步骤(3)，所述激光位移传感器(6)将采集到的所述内孔截面的轮廓信息实时传输至所述数据采集卡(8)，所述数据采集卡(8)上的信息被传输到所述数据储存模块(9)内，所述数据储存模块(9)再将储存的信息传输到所述预处理模块(10)内，对存储的数据进行过滤消噪处理，处理后的信号被传输到误差评定模块(11)中对测得的圆度误差进行评定；

与此同时，所述位置敏感探测器(7)将采集到的深孔轴线的径向变动量实时传输至所述数据采集卡(8)，所述数据采集卡(8)上的信息被传输到所述数据储存模块(9)内，所述数据储存模块(9)再将储存的信息传输到所述预处理模块(10)内，对存储的数据进行过滤消噪处理，处理后的信号被传输到误差评定模块(11)中对测得的直线度误差进行评定；

步骤(4)，根据所述步骤(3)中实时检测到的误差结果，对加工过程中的切削速度、进给量和切削深度的参数进行调整，对镗削加工进行反馈闭环控制，进而改善加工质量，提升加工效率。

2.根据权利要求1中所述的一种大型深孔零件镗削过程圆度与直线度的检测方法，其特征在于，预处理模块利用卡尔曼滤波方式对数据储存模块储存的数据进行滤波消噪处理；

其计算过程如下：

式中，

为第k期状态参量的预测值；P_k/k-1为

的协方差；Q_k为动态噪声的协方差；Φ、H_k为系数矩阵；Φ^T为Φ的转置；H_K ^T为的H_K转置；R_k为检测噪声的协方差；K_k为卡尔曼滤波增益矩阵；z_k为测量得到的信号量；

与

分别为第k-1次与k次的输出值；P_k为

的协方差；P_k-1为

的协方差。

3.根据权利要求1中所述的一种大型深孔零件镗削过程圆度与直线度的检测方法，其特征在于，对圆度、直线度的误差评定过程如下：

测量初始截面选在大型深孔零件(1)端面入口处，在测量初始截面中心处建立绝对坐标系o-xyz，在分光镜(5)处建立相对坐标系o’-x’y’z’，位置敏感探测器(7)检测到的深孔轴线的径向变动量反映了相对坐标系相对于绝对坐标系的位置变化；激光位移传感器(6)的数据为相对坐标系下的数据，将坐标转换至绝对坐标系，在绝对坐标系下进行精度评定；

设位置敏感探测器(7)上检测到的径向变动量为Δx与Δy，相对坐标与绝对坐标转换关系为：

其中，Δz＝vt，v为镗杆进给速度，t为进给时间；

在大型深孔零件上等间隔设置n个测量段，设激光位移传感器(6)和分光镜(5)到达第i个测量段的时间为t_i，在该时间内激光位移传感器(6)测得的数据为(x_ijr,y_ijr,z_ijr)，i,j＝1,2,…n，转换至绝对坐标系坐标为(x_ija,y_ija,z_ija),i,j＝1,2,…,n，其中j为测量点的标号，读取数据储存模块的数据，将数据向xy平面投影，在xy平面对圆度进行评定；

圆度误差评定：圆度误差的计算是以被测实际轮廓的最小二乘圆为理想圆心，所作包容被测圆轮廓的两同心圆的半径差即为圆度误差，

读取测量段在绝对坐标系下的xy平面测量点数据为P_i(x_ija,y_ija),i,j＝1,2,…,n，则由数据拟合的理想最小二乘圆方程为：

(x-x₀)²+(y-y₀)²＝R²

求得最小二乘圆心为O(x₀,y₀)，则圆度误差表示为：

f＝r_max-r_min＝max[(x_ija-x₀)²+(y_ija-y₀)²]-min[(x_ija-x₀)²+(y_ija-y₀)²]

同时，将最小二乘圆心坐标储存到数据储存模块中；

直线度误差评定：直线度误差为包络轴线最小圆柱的直径即为直线度误差；

直线度误差的点集由各测量段拟合最小二乘圆圆心组成，读取数据储存模块中储存的测量点集M_i(x_i0,y_i0,z_i)，其中x_i0，y_i0为第i个测量段的拟合圆心，z_i为各测量段的初始轴向坐标；

由数据拟合的理想最小二乘轴线方程用空间直线的一般表达式表示，设直线上一点为(a,b,c)，则直线方程可以表示为：

其中l，m，n为直线的一组方向向量；

则直线度误差表示为：

f＝2max(r_i)

式中，r_i为各点至最小二乘直线的距离。

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