CN110470242A - 一种大型零件内孔圆度在位测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及精密测试领域，特别是一种大型零件内孔圆度在位测量装置及方法，该方法通过控制设置有非接触式位移传感器的仪器主轴沿Z轴运动到被测工件内孔内部的设定位置后沿C轴旋转至少一周；在旋转过程中，记录被测工件的被测工件内孔上M个采样点的被测工件的传感器读数和对应的C轴的角位移数据；根据M个采样点的被测工件的传感器读数和对应的C轴的角位移数据进行最小二乘圆拟合，得到第一最小二乘圆的圆心；计算M个采样点到圆心的距离，以距离中的最大值和最小值之间的差值作为被测工件内孔的圆度误差，实现了被测工件的被测内孔圆度的测量，解决了大型关键零件的内孔圆度在位测量实现起来困难的问题。

Description

一种大型零件内孔圆度在位测量装置及方法

技术领域

本发明涉及精密测试领域，特别是一种大型零件内孔圆度在位测量装置及方法。

背景技术

圆度测量是保证机械零件产品质量和使用性能的重要检测手段。圆度测量的基本原理是首先获取被测圆上一系列点的坐标，然后根据需要计算出这些点的最小二乘圆、最小区域圆、最大内接圆或最小外接圆的圆心坐标和对应的轮廓最大、最小半径等信息，最后按照产品几何量技术规范评定圆度误差的方法就可以计算出圆度误差值。

传统的圆度误差测量方法均采用把工件放置在圆度仪或三坐标测量机的工作台上进行测量的方式，要想检测大型的零件就必须使用大型的仪器。但大规格的圆度仪和三坐标测量机价格昂贵，且只能固定放置在计量室中使用而不能随意搬动。这就带来生产实践中的两个问题：一是大型零件上的内孔圆度测量非常困难，一般的加工厂都没有检测手段，无从获取内孔圆度的关键数据；二是必须把被测件拆卸下来运到计量室才能测量，无法实现大型零件内孔圆度加工中的在机测量和维修中的在位测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种大型零件内孔圆度在位测量装置及方法，用以解决大型关键零件的内孔圆度在位测量实现起来困难的问题。

本发明提供一种大型零件内孔圆度在位测量装置，该测量装置包括机械系统和控制系统，所述机械系统包括仪器外壳、仪器主轴、传感器支架和安装在所述传感器支架上的非接触式位移传感器，传感器支架设置在仪器主轴的外端；所述控制系统包括Z轴电机驱动系统、C轴电机驱动系统、传感器信号采集系统和处理器；传感器信号采集系统用于采集仪器主轴沿Z轴方向的直线位移信号、仪器主轴带动非接触式位移传感器沿C轴方向旋转时的非接触式位移传感器读数信号以及与各读数信号对应的沿C轴方向的角位移信号；测量时，将所述仪器主轴放置在被测工件的内孔中，使被测工件内孔轴线与仪器主轴的轴线平行；所述处理器执行相应的软件模块实现以下步骤：

1)控制仪器主轴带动非接触式位移传感器在被测工件内孔中沿C轴旋转至少一周；

2)根据旋转过程中采集到的被测工件内孔上M个采样点的被测工件的非接触式位移传感器读数a_i和对应的C轴的角位移数据θ_i进行最小二乘圆拟合，得到第一最小二乘圆的圆心；计算M个采样点到该圆心的距离，以距离中的最大值和最小值之间的差值作为被测工件内孔的圆度误差，i＝1，2，3，…，M。

有益效果是，该测量装置体积较小，可固定在大型零件上，使用仪器自身旋转的轴系带动非接触式位移传感器对大型工件的内孔进行测量，而被测工件不需要转动，可解决大型关键零件内孔圆度在位测量的难题；另外通过测量得到数据进行相应的拟合处理最终得到被测工件的内孔测量数据，该测量装置具有可观的应用前景。

进一步地，所述测量装置还包括对被测工件的非接触式位移传感器读数a_i进行轴系误差补偿的过程，如下：

将被测工件与标准工件上下安装，控制仪器主轴沿Z轴运动到标准工件内部的设定位置后控制仪器主轴带动非接触式位移传感器沿C轴旋转至少一周，按照在被测工件内的角位移数据θ_i采集标准工件的非接触式位移传感器读数，得到与θ_i对应的标准工件的标准内孔上M个采样点的标准工件的非接触式位移传感器读数d_i；

根据标准内孔的M个采样点的标准工件的非接触式位移传感器读数d_i和对应的C轴角位移数据θ_i进行最小二乘圆拟合，得到第二最小二乘圆的圆心和半径r₀；计算标准工件内孔上每个采样点到第二最小二乘圆的圆心的距离r_i，并将该距离r_i减去第二最小二乘圆的半径r₀得到各采样点的轴系误差补偿量e_i；

将各采样点的被测工件的非接触式位移传感器读数a_i减去对应采样点的轴系误差补偿量e_i得到轴系误差补偿后的被测工件的非接触式位移传感器读数b_i。

由于机械振动等原因在仪器旋转过程中会产生轴系误差，不同的旋转角位移对应的轴系误差可能不一样，通过对标准内孔进行测量得到不同的旋转角位移对应的轴系误差，将每个旋转角位移对应轴系误差作为补偿量对被测工件内孔在测试时对应的旋转角位移的数据进行补偿，能够得到更加精准的测量结果。

进一步地，为了便于统计和计算，采集到的非接触式位移传感器各相邻读数对应的角位移间隔相等。

进一步地，为了保证测量的精度，所述非接触式位移传感器的位移测量误差小于或者等于被测工件允许公差的1/5，所述非接触式位移传感器的量程大于或等于10mm。

本发明提供一种大型零件内孔圆度在位测量方法，包括以下步骤：

1)采集被测工件数据：

通过主轴带动非接触式位移传感器在被测工件内孔内旋转至少一周，采集非接触式位移传感器在被测工件的待测截面处的一组读数a_i，同时记录相应读数所对应位置处所述非接触式位移传感器的角位移θ_i，旋转过程中，保持非接触式位移传感器的转动轴线与被测工件的轴线平行，i＝1，2，3，…，M；

2)处理数据：

对采集到被测工件的待测截面处的一组读数a_i和对应的C轴的角位移数据θ_i进行最小二乘圆拟合，得到第一最小二乘圆的圆心；计算各读数对应的采样点到该圆心的距离，以距离中的最大值和最小值之间的差值作为被测工件内孔的圆度误差。

有益效果是，使用仪器自身旋转的轴系带动非接触式位移传感器对大型工件的内孔进行测量，将测量得到数据通过拟合得到被测工件内孔的圆心和拟合半径，实现被测工件内孔的测量，该测量方法简单易于实现。

进一步地，所述测量方法还包括对被测工件的非接触式位移传感器读数a_i进行轴系误差补偿的过程，如下：

A.采集标准工件数据

将被测工件与标准工件上下安装，通过主轴带动非接触式位移传感器在标准工件内孔内旋转至少一周，按照在被测工件内的角位移数据θ_i采集标准工件的非接触式位移传感器读数，得到与θ_i对应的标准工件的标准内孔上M个采样点的标准工件的非接触式位移传感器读数d_i；

B.

根据标准内孔的M个采样点的标准工件的非接触式位移传感器读数d_i和对应的C轴角位移数据θ_i进行最小二乘圆拟合，得到第二最小二乘圆的圆心和半径r₀；计算标准工件内孔上每个采样点到第二最小二乘圆的圆心的距离r_i，并将该距离r_i减去第二最小二乘圆的半径r₀得到各采样点的轴系误差补偿量e_i；

将各采样点的被测工件的非接触式位移传感器读数a_i减去对应采样点的轴系误差补偿量e_i得到轴系误差补偿后的被测工件的非接触式位移传感器读数b_i。

由于机械振动等原因在仪器旋转过程中会产生轴系误差，不同的旋转角位移对应的轴系误差可能不一样，通过对标准内孔进行测量得到不同的旋转角位移对应的轴系误差，将每个旋转角位移对应轴系误差作为补偿量对被测工件内孔在测试时对应的旋转角位移的数据进行补偿，能够得到更加精准的测量结果。

进一步地，为了便于统计和计算，该测量方法采集到的非接触式位移传感器各相邻读数对应的角位移间隔相等。

进一步地，为了保证测量的精度，该测量方法中所述非接触式位移传感器的位移测量误差小于或者等于被测工件允许公差的1/5，所述非接触式位移传感器的量程大于或等于10mm。

附图说明

图1是本发明的一种内孔圆度在位测量装置的结构示意图；

图2是本发明的一种内孔圆度在位测量方法的流程图；

图3是本发明的一种轴系误差补偿的内孔圆度在位测量方法的流程图；

图4是本发明的一种大型零件内孔圆度在位测量方法的高精度使用示意图；

图中，1为仪器外壳，2为仪器主轴，3为传感器支架，4为非接触式位移传感器，5为标准工件，6为被测工件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

装置实施例

本发明提供一种内孔圆度在位测量装置，如图1和图4所示，该测量装置包括机械系统和控制系统，机械系统包括仪器外壳1、仪器主轴2、传感器支架3和非接触式位移传感器4，传感器支架3设置在仪器主轴2的外端，该传感器支架3上安装有非接触式位移传感器4；控制系统包括Z轴电机驱动系统、C轴电机驱动系统、传感器信号采集系统和处理器。

处理器运行测量过程控制软件通过Z轴电机驱动系统控制相应的电机实现仪器主轴2的轴向运动即Z轴运动，并且处理器运行测量过程控制软件通过C轴电机驱动系统控制相应的电机实现仪器主轴2的周向运动即C轴运动，仪器主轴2的回转精度很高，例如，要满足轴向跳动量≤被测工件端面允许公差的1/5、径向跳动量≤被测工件内孔允许公差的1/5等要求。

传感器信号采集系统用于采集仪器主轴沿Z轴方向的直线位移信号、仪器主轴带动非接触式位移传感器沿C轴方向旋转时的非接触式位移传感器读数信号以及与各读数信号对应的沿C轴方向的角位移信号，处理器运行测量过程处理软件实现对上述各信号的处理，从而计算出待测内孔的尺寸、位置和圆度信息。

非接触式位移传感器4基于非接触式测量原理，可选用基恩士公司型号为IL-S025的CMOS激光位移传感器，其重复精度为1μm，当测量直径≥120mm且精度不高于IT4级的孔时，其位移测量误差≤被测零件允许公差的1/5，且具有大于或等于10mm的量程。非接触式位移传感器4具有固定的死程量，传感器读数为零时实际上是有一个固定的检测距离的，即为零示值距离，这个固定的检测距离就是死程量；即传感器读数不是实测距离，传感器读数加上死程量等于实测距离。

在使用该测量装置测量被测工件的内圆度时，将仪器主轴2放置在被测工件的内孔中，使被测工件的内孔的轴线与仪器主轴2的轴线平行；处理器执行相应的软件模块实现一种测量方法步骤，该测量方法具体见方法实施例。

方法实施例

在上述装置实施例的基础上，本发明提供一种大型零件内孔圆度在位测量方法，处理器通过测量过程控制软件和测量过程处理软件实现该方法，主要为采集被测工件数据、采集标准工件数据和处理数据，如图2所示。

1、采集被测工件数据：

通过主轴带动非接触式位移传感器在被测工件内孔内旋转至少一周，采集非接触式位移传感器在被测工件的待测截面处的一组读数a_i，同时记录相应读数所对应位置处所述非接触式位移传感器的角位移θ_i，旋转过程中，保持非接触式位移传感器的转动轴线与被测工件的轴线平行，i＝1，2，3，…，M。

2、采集标准工件数据：

将被测工件与标准工件上下安装，通过主轴带动非接触式位移传感器在标准工件内孔内旋转至少一周，按照在被测工件内的角位移数据θ_i采集标准工件的非接触式位移传感器读数，得到与θ_i对应的标准工件的标准内孔上M个采样点的标准工件的非接触式位移传感器读数d_i。

3、处理数据：

对采集到被测工件的待测截面处的一组读数a_i和对应的C轴的角位移数据θ_i进行最小二乘圆拟合，得到第一最小二乘圆的圆心；计算各读数对应的采样点到该圆心的距离，以距离中的最大值和最小值之间的差值作为被测工件内孔的圆度误差。

另外，如图3所示，还能够通过采集的标准工件的数据对被测工件的非接触式位移传感器读数a_i进行轴系误差补偿，根据标准内孔的M个采样点的标准工件的非接触式位移传感器读数d_i和对应的C轴角位移数据θ_i进行最小二乘圆拟合，得到第二最小二乘圆的圆心和半径r₀；计算标准工件内孔上每个采样点到第二最小二乘圆的圆心的距离r_i，并将该距离r_i减去第二最小二乘圆的半径r₀得到各采样点的轴系误差补偿量e_i；将各采样点的被测工件的非接触式位移传感器读数a_i减去对应采样点的轴系误差补偿量e_i得到轴系误差补偿后的被测工件的非接触式位移传感器读数b_i。当对被测工件内孔的精度要求不高时，可以省略对该内孔圆度测量进行轴系误差补偿的相关步骤。

为了得到更精准的数据，当非接触式位移传感器沿轴向旋转一周以上时，对采样点相同的多个传感器读数求平均值得到该采样点的采样数据。非接触式位移传感器每一次旋转的角度可以均相等，也可以不等，但为了更好的计算，一般采用角度相等的方式进行采样。

具体的是，标准内孔的第i个采样点到第二最小二乘圆的圆心的拟合距离为r_i，若第二最小二乘圆的半径为r₀，则第i个采样点的轴系误差补偿量为e_i＝r_i-r₀；被测内孔的第i个采样点的传感器读数为a_i，则补偿后的传感器读数为b_i＝a_i-e_i。

在标准工件5和被测工件6的测量时，获取的采样数据可以在极坐标下进行最小二乘法拟合。对标准工件5进行拟合得到的为第二最小二乘圆，具有第二最小二乘圆的圆心和第二最小二乘圆的半径；对被测工件6进行拟合得到的为第一最小二乘圆，具有第一最小二乘圆的圆心和第一最小二乘圆的半径。

以上测量过程中将标准工件5和被测工件6上下或者左右放置，使得两者的内孔轴重合，并且与仪器主轴2重合，如图4所示，当然测试过程也不一定采用上述的方式，但只要仪器主轴2相对标准工件5的初始位置与仪器主轴2相对被测工件6的初始位置相同即可。

在内孔圆度测量过程中，仪器主轴2每旋转一定角度，同步采集一次仪器主轴2的角位置和非接触式位移传感器4的读数。假设本次测量中，每间隔1°采集一次数据，在整个圆周可采样360次。

测量标准工件5获取的数据如表1所示。

表1

表1中的数据可以看作是极坐标下360个采样点的位置坐标。对这360个点进行数据处理，可以获得第二最小二乘圆的圆心和半径r₀。从第二最小二乘圆的圆心出发，可以计算出每个采样点到第二最小二乘圆的圆心的距离。记第i个点到第二最小二乘圆的圆心的距离为r_i，则每个采样点处的待补偿的测量误差可表示为e_i＝r_i-r₀。

测量被测工件6获取的数据如表2所示。

表2

序号	旋转角度(°)	传感器读数(mm)
			1	0	15.005
2	1	15.001
			……	……	……
360	359	14.994

为了部分地消除仪器由于安装位姿导致的重力方向变化引入的轴系误差和仪器主轴自身误差对测量结果的影响，可以按照测量标准件时计算出的测量误差对测量工件时的测量结果进行误差补偿。补偿的方法为从每个传感器读数中减去前面计算出的对应点的测量误差e_i。

对被测工件进行测量时，第i点的传感器读数为a_i，误差补偿后的读数为b_i，则补偿公式为b_i＝a_i-e_i。

误差补偿后的数据同样可以看作是极坐标下360个采样点的位置坐标。对这360个点进行数据处理，可以获得第一最小二乘圆的圆心坐标。从第二最小一乘圆的圆心出发，可以计算出每个采样点到第一最小二乘圆的圆心的距离，这些距离值中的最大值-最小值即为按照第一最小二乘圆的圆心计算出的被测内孔圆度误差。

上述的测量装置体积较小，可固定在大型零件上，使用装置自身旋转的轴系带动非接触式位移传感器对大型工件的内孔进行测量，而被测工件不需要转动。使用本发明可以设计出新型的圆度测量仪器，可解决大型关键零件内孔圆度在位测量的难题，本发明有可观的应用前景。

Claims (8)

1.一种大型零件内孔圆度在位测量装置，其特征在于，该测量装置包括机械系统和控制系统，所述机械系统包括仪器外壳、仪器主轴、传感器支架和安装在所述传感器支架上的非接触式位移传感器，传感器支架设置在仪器主轴的外端；所述控制系统包括Z轴电机驱动系统、C轴电机驱动系统、传感器信号采集系统和处理器；传感器信号采集系统用于采集仪器主轴沿Z轴方向的直线位移信号、仪器主轴带动非接触式位移传感器沿C轴方向旋转时的非接触式位移传感器读数信号以及与各读数信号对应的沿C轴方向的角位移信号；测量时，将所述仪器主轴放置在被测工件的内孔中，使被测工件内孔轴线与仪器主轴的轴线平行；所述处理器执行相应的软件模块实现以下步骤：

1)控制仪器主轴带动非接触式位移传感器在被测工件内孔中沿C轴旋转至少一周；

2)根据旋转过程中采集到的被测工件内孔上M个采样点的被测工件的非接触式位移传感器读数a_i和对应的C轴的角位移数据θ_i进行最小二乘圆拟合，得到第一最小二乘圆的圆心；计算M个采样点到该圆心的距离，以距离中的最大值和最小值之间的差值作为被测工件内孔的圆度误差，i＝1，2，3，…，M。

2.根据权利要求1所述的大型零件内孔圆度在位测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括对被测工件的非接触式位移传感器读数a_i进行轴系误差补偿的过程，如下：

将被测工件与标准工件上下安装，控制仪器主轴沿Z轴运动到标准工件内部的设定位置后控制仪器主轴带动非接触式位移传感器沿C轴旋转至少一周，按照在被测工件内的角位移数据θ_i采集标准工件的非接触式位移传感器读数，得到与θ_i对应的标准工件的标准内孔上M个采样点的标准工件的非接触式位移传感器读数d_i；

根据标准内孔的M个采样点的标准工件的非接触式位移传感器读数d_i和对应的C轴角位移数据θ_i进行最小二乘圆拟合，得到第二最小二乘圆的圆心和半径r₀；计算标准工件内孔上每个采样点到第二最小二乘圆的圆心的距离r_i，并将该距离r_i减去第二最小二乘圆的半径r₀得到各采样点的轴系误差补偿量e_i；

将各采样点的被测工件的非接触式位移传感器读数a_i减去对应采样点的轴系误差补偿量e_i得到轴系误差补偿后的被测工件的非接触式位移传感器读数b_i。

3.根据权利要求1或2所述的大型零件内孔圆度在位测量装置，其特征在于，采集到的非接触式位移传感器各相邻读数对应的角位移间隔相等。

4.根据权利要求1或2所述的大型零件内孔圆度在位测量装置，其特征在于，所述非接触式位移传感器的位移测量误差小于或者等于被测工件允许公差的1/5，所述非接触式位移传感器的量程大于或等于10mm。

5.一种大型零件内孔圆度在位测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采集被测工件数据：

通过主轴带动非接触式位移传感器在被测工件内孔内旋转至少一周，采集非接触式位移传感器在被测工件的待测截面处的一组读数a_i，同时记录相应读数所对应位置处所述非接触式位移传感器的角位移θ_i，旋转过程中，保持非接触式位移传感器的转动轴线与被测工件的轴线平行，i＝1，2，3，…，M；

2)处理数据：

对采集到被测工件的待测截面处的一组读数a_i和对应的C轴的角位移数据θ_i进行最小二乘圆拟合，得到第一最小二乘圆的圆心；计算各读数对应的采样点到该圆心的距离，以距离中的最大值和最小值之间的差值作为被测工件内孔的圆度误差。

6.根据权利要求5所述的大型零件内孔圆度在位测量方法，其特征在于，还包括对被测工件的非接触式位移传感器读数a_i进行轴系误差补偿的过程，如下：

A.采集标准工件数据

将被测工件与标准工件上下安装，通过主轴带动非接触式位移传感器在标准工件内孔内旋转至少一周，按照在被测工件内的角位移数据θ_i采集标准工件的非接触式位移传感器读数，得到与θ_i对应的标准工件的标准内孔上M个采样点的标准工件的非接触式位移传感器读数d_i；

B.

根据标准内孔的M个采样点的标准工件的非接触式位移传感器读数d_i和对应的C轴角位移数据θ_i进行最小二乘圆拟合，得到第二最小二乘圆的圆心和半径r₀；计算标准工件内孔上每个采样点到第二最小二乘圆的圆心的距离r_i，并将该距离r_i减去第二最小二乘圆的半径r₀得到各采样点的轴系误差补偿量e_i；

将各采样点的被测工件的非接触式位移传感器读数a_i减去对应采样点的轴系误差补偿量e_i得到轴系误差补偿后的被测工件的非接触式位移传感器读数b_i。

7.根据权利要求5或6所述的大型零件内孔圆度在位测量方法，其特征在于，采集到的非接触式位移传感器各相邻读数对应的角位移间隔相等。

8.根据权利要求5或6所述的大型零件内孔圆度在位测量方法，其特征在于，所述非接触式位移传感器的位移测量误差小于或者等于被测工件允许公差的1/5，所述非接触式位移传感器的量程大于或等于10mm。