CN110470243B - 基于非接触传感器且工件可偏置的内圆度测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于非接触传感器且工件可偏置的内圆度测量方法及装置，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、仪器主轴、传感器支架和安装在传感器支架上的非接触传感器，传感器支架设置在仪器主轴的外端；通过采集仪器主轴沿Z轴方向的直线位移信号、仪器主轴带动非接触传感器沿C轴方向旋转时的非接触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，根据这些信号构建传感器读数与理论计算的距离的之和最小的目标函数并求解，得到被测工件的内圆度；测量过程中不需要精确对准主轴轴线和内孔轴线的同心度，即可以偏心放置，解决了由于仪器旋转轴与内孔中心轴的偏差导致测量结果不准确的问题。

Description

基于非接触传感器且工件可偏置的内圆度测量方法及装置

技术领域

本发明涉及基于非接触传感器且工件可偏置的内圆度测量方法及装置。

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。常见的圆度仪一般采用接触式测量方式，结构上有两种形式：一种是传感器旋转式，一种是工作台旋转式。传感器旋转式圆度仪工作时带有触头的传感器随主轴旋转，放置在工作台上的被测零件固定不动；而工作台旋转式圆度仪工作时，带有触头的传感器固定，放置在工作台上的被测零件随工作台仪器旋转。

圆度仪在测量时被测零件必须进行安装位置调整，控制其安装偏心在规定的范围内，以避免过量的偏心畸变。对于一般精度的测量，偏心量应限制在0.1mm以内，高精度测量应限制在0.01mm以内。现有技术是通过检测仪器将传感器置于内圆孔中心轴上，并沿轴向旋转，在旋转过程中同步采集角位移数据和传感器的读数，对角位移数据和传感器的读数进行处理得到被测内圆孔的测量数据；但是在上述检测过程中，由于检测仪器的旋转轴与内孔的中心轴会存在一定的偏差，而偏差值的存在会影响测量结果。

发明内容

本发明的目的是提供基于非接触传感器且工件可偏置的内圆度测量方法及装置，用以解决现有技术在测量内孔时由于仪器旋转轴与内孔中心轴的偏差导致测量结果不准确的问题。

本发明提供一种基于非接触传感器且工件可偏置的内圆度测量方法，包括以下步骤：

1)采集数据：

通过主轴带动非接触传感器在被测工件的内孔旋转至少一周，采集非接触传感器在被测工件的待测截面处的一组读数c_i，同时记录相应读数所对应位置处所述非接触传感器的角位移θ_i，旋转过程中，保持非接触传感器的转动轴线与被测工件的轴线平行；

2)建立非接触传感器的理论测量值与非接触传感器的偏置距、非接触传感器的零示值距离、非接触传感器的角位移、被测工件的内孔的中心和被测工件的内孔半径的关系：

在所述待测截面上，以非接触传感器的测量中心为A点，C点为非接触传感器的示值零点位置，A点向主轴的轴线作垂线，其交点为O点，以O点作为原点，建立X-O-Y坐标系，被测工件的内孔的中心为H点即(X_H，Y_H)，被测工件的内孔半径为R，B为M个采样点中的任一个，线段OA为非接触传感器的偏置距a，线段AC为非接触传感器的零示值距离为b，线段CB的长度为理论距离c，θ_i为对应B点的角位移数据，则A、B和C点的坐标分别为：

B点的坐标还满足下式：

因此，B点的坐标标记为：

则理论距离即线段CB的长度为：

3)构建使被测工件的内孔的所有采样点的非接触传感器的读数c_i与对应理论距离的差值之和最小的目标函数min f(R,X_H,Y_H)，求解该目标函数得到R和H点坐标：

其中，

限定方程为：

|R-R₀|≤δ_R

式中，R₀、X_H0和Y_H0分别为通过直接测量得到的被测工件的内孔半径、被测工件的内孔圆心横坐标和纵坐标的估计值，δ_R、

和

分别为被测工件的内孔半径、被测工件的内孔圆心横坐标和纵坐标的最大偏差值。

有益效果是，通过相应的采集得到数据计算得到理论距离，根据理论距离与传感器读数构建相应的目标函数，对该目标函数求解即可得到被测工件的内孔半径和被测工件的内孔坐标，在测量过程中只需要尽量保证主轴轴线和被测工件内孔轴线的平行度，保证被测工件内孔表面的被测点在仪器非接触传感器的测量范围内即可，但不需要精确对准仪器主轴轴线和被测孔轴线的同心度，即被测工件可以偏心放置，且偏心量可≥5mm时均可以实现测量，避免了安装过程中的精度无法保证导致的关键参数不准确的现象，使得测量的准确度较高。

进一步地，为了得到更精准的数据，步骤3)中R₀、X_H0和Y_H0为使用测量尺测量得到。

进一步地，为了便于统计和计算，采集到的各相邻非接触传感器的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，所述非接触传感器的量程大于或等于10mm。

本发明提供一种基于非接触传感器且工件可偏置的内圆度测量装置，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传感器沿C轴方向旋转时的非接触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，使被测工件的内孔的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传感器在被测工件的内孔沿C轴旋转至少一周；

2)建立非接触传感器的理论测量值与非接触传感器的偏置距、非接触传感器的零示值距离、非接触传感器的角位移、被测工件的内孔的中心和被测工件的内孔半径的关系：

在被测工件内孔的被测截面上，以非接触传感器的测量中心为A点，C点为非接触传感器的示值零点位置，A点向主轴的轴线作垂线，其交点为O点，以O点作为原点，建立X-O-Y坐标系，被测工件的内孔的中心为H点即(X_H，Y_H)，被测工件的内孔半径为R，B为M个采样点中的任一个，线段OA为非接触传感器的偏置距a，线段AC为非接触传感器的零示值距离为b，线段CB的长度为理论距离c，θ_i为对应B点的角位移数据，则A、B和C点的坐标分别为：

B点的坐标还满足下式：

因此，B点的坐标标记为：

则理论距离即线段CB的长度为：

3)构建使被测工件的内孔的所有采样点的非接触传感器的读数c_i与对应理论距离的差值之和最小的目标函数min f(R,X_H,Y_H)，求解该目标函数得到R和H点坐标：

其中，

限定方程为：

|R-R₀|≤δ_R

式中，R₀、X_H0和Y_H0分别为通过直接测量得到的被测工件的内孔半径、被测工件的内孔圆心横坐标和纵坐标的估计值，δ_R、

和

分别为被测工件的内孔半径、被测工件的内孔圆心横坐标和纵坐标的最大偏差值。

有益效果是，该测量装置在使用过程中通过相应的采集得到数据计算得到理论距离，根据理论距离与传感器读数构建相应的目标函数，对该目标函数求解即可得到被测工件的内孔半径和被测工件的内孔坐标，在测量过程中只需要尽量保证主轴轴线和被测工件内孔轴线的平行度，保证被测工件内孔表面的被测点在仪器非接触传感器的测量范围内即可，但不需要精确对准仪器主轴轴线和被测孔轴线的同心度，即被测工件可以偏心放置，且偏心量可≥5mm时均可以实现测量，避免了安装过程中的精度无法保证导致的关键参数不准确的现象，使得测量的准确度较高。

进一步地，为了便于统计和计算，采集到的各相邻非接触传感器的读数对应的角位移间隔相等。

进一步地，为了保证测量准确度，所述非接触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，所述非接触传感器的量程大于或等于10mm。

附图说明

图1是本发明的基于非接触传感器且工件可偏置的内圆度测量装置的结构示意图；

图2是本发明的基于非接触传感器且工件可偏置的内圆度测量方法的流程图；

图3是本发明的测量装置与内孔的关系原理图；

图4是本发明的基于非接触传感器且工件可偏置的内圆度测量方法的使用示意图；

图中，1为非接触传感器，2为传感器支架，3为仪器主轴，4为仪器外壳，5为被测工件，6为出射光线，7为反射光线。

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

本发明提供一种基于非接触传感器且工件可偏置的内圆度测量装置，如图1所示，该测量装置包括机械系统和控制系统，机械系统包括非接触传感器1、传感器支架2、仪器主轴3和仪器外壳4，传感器支架2设置在仪器主轴3的外端，该传感器支架2上安装有非接触传感器1；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3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3的周向运动即C轴运动，仪器主轴3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传感器沿C轴方向旋转时的非接触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。

非接触传感器1基于非接触式测量原理，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。非接触传感器1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；优选非接触传感器1为非接触式位移传感器，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≥10mm的量程。

在使用该测量装置测量被测工件的内圆度时，将仪器主轴3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3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

本发明提供一种基于非接触传感器且工件可偏置的内圆度测量方法，在测量过程中，可以根据测量数据精确计算出非接触传感器1在仪器主轴3上的安装位置偏差和仪器主轴3与被测工件5的孔轴线之间的相对位置偏差等四个关键系统参数，从而不再需要精确调整传感器在仪器主轴3上的安装位置和仪器主轴3相对于被测孔轴线的相对位置。

如图2所示，该测量方法具体包括采集数据、建立关系和求解计算：

首先，采集数据：通过主轴带动非接触传感器在被测工件的内孔旋转至少一周，采集非接触传感器在被测工件的待测截面处的一组读数c_i，同时记录相应读数所对应位置处非接触传感器的角位移θ_i，旋转过程中，保持非接触传感器的转动轴线与被测工件的轴线平行。

其次，建立关系：建立非接触传感器的理论测量值与非接触传感器的偏置距、非接触传感器的零示值距离、非接触传感器的角位移、被测工件的内孔的中心和被测工件的内孔半径的关系。

在完成上述方法中要求非接触传感器1在仪器主轴3上的安装位置是经过事先标定的，即非接触传感器1测量轴线相对于仪器主轴3的偏置量是已知的；非接触传感器1的零示值距离是经过事先标定的，即在测量过程中是已知参数。

如图3所示，以被测工件中的一个待测截面为例，具体如下：以非接触传感器的测量中心为A点，C点为非接触传感器的示值零点位置，A点向主轴的轴线作垂线，其交点为O点，以O点作为原点，建立X-O-Y坐标系，被测工件的内孔的中心为H点即(X_H，Y_H)，被测工件的内孔半径为R，B为M个采样点中的任一个，线段OA为非接触传感器的偏置距a，线段AC为非接触传感器的零示值距离为b，线段CB的长度为理论距离c，θ_i为对应B点的角位移数据，则A、B和C点的坐标分别为：

B点的坐标还满足下式：

因此，B点的坐标标记为：

则理论距离即线段CB的长度为：

最后，求解计算：构建使被测工件的内孔的所有采样点的非接触传感器的读数c_i与对应理论距离的差值之和最小的目标函数min f(R,X_H,Y_H)，求解该目标函数得到R和H点坐标，即实现内圆度的测量。

其中，

限定方程为：

|R-R₀|≤δ_R

式中，R₀、X_H0和Y_H0分别为通过直接测量得到的被测工件的内孔半径、被测工件的内孔圆心横坐标和纵坐标的估计值，δ_R、

和

分别为被测工件的内孔半径、被测工件的内孔圆心横坐标和纵坐标的最大偏差值。

R₀、X_H0和Y_H0为使用测量尺测量得到，例如卷尺或卡尺，以此将最小的过程限制在一定范围内，便于计算。

用通用的数学方法求解f(R,X_H,Y_H)最小，即可得到三个未知数R、X_H、Y_H的精确值。其中(X_H，Y_H)即为由测量数据拟合出的最小二乘圆的圆心坐标，代表了被测孔在仪器主轴3的坐标系中的位置，R值代表被测孔的绝对尺寸。

如图4所示，在实际应用中非接触传感器1通过出射光线6和反射光线7实现测距，在旋转时，相邻采样点与回转中心O点构成的各夹角均相等，也可以不相等，为了减少计算量可以设置为相等的，在内孔圆度测量过程中，仪器主轴3相对于被测工件5旋转，每旋转一定角度，同步采集一次仪器主轴的角位置和传感器的读数。在测量中，采集和记录仪器主轴在各个角位置处的传感器读数，记为c_i，i＝1，2，…，n，其中n为采样点数。假设测量中每间隔1°采集一次数据，则在整个圆周可采样360次，即n＝360，可获得数据如表1所示。

表1

序号	角位移θ<sub>i</sub>(°)	传感器读数c<sub>i</sub>(mm)
			1	0	15.001
2	1	14.875
			……	……	……
360	359	14.999

由上述B点坐标的公式，可以计算出表1中每一行测量数据对应的一个被测点。从最小二乘圆的圆心出发，计算出每个被测点到该圆心的距离，这些距离值中的最大值-最小值即为按照最小二乘圆圆心计算出的被测工件的内孔的圆度误差。

上述的测量装置和测量方法采用的新型非接触式位移传感器具有量程大、精度高、采样速度快的优点，可提高圆度测量中的主轴转速，从而提高测量效率。而且采用的数据处理方法，可以在工件安装偏心量≥5mm的条件下实现被测圆的尺寸、位置和圆度测量，因而可节省工件安装找正的时间，进一步提高测量效率。该测量装置效率高、工件装卸方便，特别适合轴承、齿轮等大批量生产零件在生产现场的快速检测。

Claims (7)

1.一种基于非接触传感器且工件可偏置的内圆度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采集数据：

通过主轴带动非接触传感器在被测工件的内孔旋转至少一周，采集非接触传感器在被测工件的待测截面处的一组读数c_i，同时记录相应读数所对应位置处所述非接触传感器的角位移θ_i，旋转过程中，保持非接触传感器的转动轴线与被测工件的轴线平行；

2)建立非接触传感器的理论测量值与非接触传感器的偏置距、非接触传感器的零示值距离、非接触传感器的角位移、被测工件的内孔的中心和被测工件的内孔半径的关系：

在所述待测截面上，以非接触传感器的测量中心为A点，C点为非接触传感器的示值零点位置，A点向主轴的轴线作垂线，其交点为O点，以O点作为原点，建立X-O-Y坐标系，被测工件的内孔的中心为H点即(X_H，Y_H)，被测工件的内孔半径为R，B为M个采样点中的任一个，线段OA为非接触传感器的偏置距a，线段AC为非接触传感器的零示值距离为b，线段CB的长度为理论距离c，θ_i为对应B点的角位移数据，则A、B和C点的坐标分别为：

B点的坐标还满足下式：

因此，B点的坐标标记为：

则理论距离即线段CB的长度为：

3)构建使被测工件的内孔的所有采样点的非接触传感器的读数c_i与对应理论距离的差值之和最小的目标函数minf(R,X_H,Y_H)，求解该目标函数得到R和H点坐标：

其中，

限定方程为：

|R-R₀|≤δ_R

式中，R₀、X_H0和Y_H0分别为通过直接测量得到的被测工件的内孔半径、被测工件的内孔圆心横坐标和纵坐标的估计值，δ_R、

和

分别为被测工件的内孔半径、被测工件的内孔圆心横坐标和纵坐标的最大偏差值。

2.根据权利要求1所述的基于非接触传感器且工件可偏置的内圆度测量方法，其特征在于，步骤3)中R₀、X_H0和Y_H0为使用测量尺测量得到。

3.根据权利要求1或2所述的基于非接触传感器且工件可偏置的内圆度测量方法，其特征在于，采集到的各相邻非接触传感器的读数对应的角位移间隔相等。

4.根据权利要求1或2所述的基于非接触传感器且工件可偏置的内圆度测量方法，其特征在于，所述非接触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，所述非接触传感器的量程大于或等于10mm。

5.一种基于非接触传感器且工件可偏置的内圆度测量装置，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传感器沿C轴方向旋转时的非接触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，使被测工件的内孔的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传感器在被测工件的内孔沿C轴旋转至少一周；

2)建立非接触传感器的理论测量值与非接触传感器的偏置距、非接触传感器的零示值距离、非接触传感器的角位移、被测工件的内孔的中心和被测工件的内孔半径的关系：

在被测工件内孔的被测截面上，以非接触传感器的测量中心为A点，C点为非接触传感器的示值零点位置，A点向主轴的轴线作垂线，其交点为O点，以O点作为原点，建立X-O-Y坐标系，被测工件的内孔的中心为H点即(X_H，Y_H)，被测工件的内孔半径为R，B为M个采样点中的任一个，线段OA为非接触传感器的偏置距a，线段AC为非接触传感器的零示值距离为b，线段CB的长度为理论距离c，θ_i为对应B点的角位移数据，则A、B和C点的坐标分别为：

B点的坐标还满足下式：

因此，B点的坐标标记为：

则理论距离即线段CB的长度为：

3)构建使被测工件的内孔的所有采样点的非接触传感器的读数c_i与对应理论距离的差值之和最小的目标函数minf(R,X_H,Y_H)，求解该目标函数得到R和H点坐标：

其中，

限定方程为：

|R-R₀|≤δ_R

式中，R₀、X_H0和Y_H0分别为通过直接测量得到的被测工件的内孔半径、被测工件的内孔圆心横坐标和纵坐标的估计值，δ_R、

和

分别为被测工件的内孔半径、被测工件的内孔圆心横坐标和纵坐标的最大偏差值。

6.根据权利要求5所述的基于非接触传感器且工件可偏置的内圆度测量装置，其特征在于，采集到的各相邻非接触传感器的读数对应的角位移间隔相等。

7.根据权利要求5所述的基于非接触传感器且工件可偏置的内圆度测量装置，其特征在于，所述非接触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，所述非接触传感器的量程大于或等于10mm。

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