CN110567381B

CN110567381B - 一种柱形工件的外圆周长及最大最小直径的测量方法

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Publication number: CN110567381B
Application number: CN201910952651.3A
Authority: CN
Inventors: 覃江华; 李利强
Original assignee: Shanghai Chinese Car Riberd Intelligent System Co ltd
Current assignee: Shanghai Chinese Car Riberd Intelligent System Co ltd
Priority date: 2019-10-09
Filing date: 2019-10-09
Publication date: 2020-11-24
Anticipated expiration: 2039-10-09
Also published as: CN110567381A

Abstract

一种柱形工件的外圆周长及最大最小直径的测量方法，包括一个准备测量装置的步骤，采用激光位移传感器，激光位移传感器围绕被测柱形工件转动或者被测柱形工件绕本身中轴转动，而激光位移传感器固定不动；一个数据测量和记录的步骤，在被测柱形工件上选定测量点数Ｍ；然后开始测量，将测量数据按一定规则，每４个点组为一组，将４个点拟合为一个圆，再计算两个对角短圆弧的弧长之和，得到该４点组的直径、以及弧长，将所有４点组的弧长相加，即得到所需的周长；在所有４点组的直径中找出最大、最小值，即得到所需的最大、最小直径。本发明使周长测量的精度、稳定性有了提高，且对工件圆度及安装的对中度的要求降低很多，具有很好的工程应用价值。

Description

一种柱形工件的外圆周长及最大最小直径的测量方法

技术领域

本发明涉及物理领域，尤其涉及测量技术，特别是一种柱形工件的外圆周长及最大最小直径的测量方法。

背景技术

柱形工件，例如罐车生产过程中制作的封盖，加工出来后，其大小一致性并不理想，由此需要人工测量其边沿的外圆周长，再按测量值分组，并逐一与筒体进行选配，最后跟筒体焊接。由于封盖直径在3m上下，人工测量并不方便，且效率低、易出错。由于封盖除了大小偏差之外，圆度也有偏差，也即有一定的椭圆变形，同时还难以精准测量最大直径、最小直径以及它们的角度位置，焊装时调整难度大。现有技术中没有自动化测量方案。传统的做法一般有：

A、使用距离测量滚轮沿圆周滚动一圈，直接测得周长。

B、使用测距传感器测量圆周上均匀分布的测量点处的坐标(或半径)，然后计算每个小扇形的弧长，再计算周长。

C、使用测距传感器测量圆周上均匀分布的测量点处的坐标(或半径)，然后计算每根弦的弦长再求和，得到周长。

上述传统采莲方案的缺点如下：

1)采用测量滚轮的方法的缺点：接触式测量容易打滑、磨损，重复测量精度不高，可靠性不高；自动测量机构相对复杂；不能得到最大、最小直径及其位置；

2)采用扇形弧长的方法的缺点：工件的装夹对中度对周长的测量结果影响较大，精度不高；工件圆度及装夹对中度对最大、最小直径及其位置的计算结果影响较大；

3)采用弦长计算的方法的缺点：要求采集点数比较密集，才能得到较高的周长精度；工件圆度及装夹对中度对最大、最小直径及其位置的计算影响较大。

发明内容

针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种柱形工件的外圆周长及最大最小直径的测量方法，所述的这种柱形工件的外圆周长及最大最小直径的测量方法要解决现有技术中测量大型柱形工件的外圆周长及最大最小直径精度不高的技术问题。

本发明提供了一种柱形工件的外圆周长及最大最小直径的测量方法，包括如下步骤：

1)一个准备测量装置的步骤，在所述的准备测量装置的步骤中，将一个激光位移传感器和一个控制系统连接；

2)一个数据测量和记录的步骤，在所述的数据测量和记录的步骤中，首先在待测的柱形工件上选定M个测量点，M为大于2的偶数；然后利用所述的控制系统读取所述的激光位移传感器的值并记录为d₀，同时，使柱形工件和激光位移传感器在柱形工件的径向平面内产生相对圆周运动，并在所述的相对圆周运动达到1/M个圆周时，再读取激光位移传感器的值并记录为d₁，重复上述动作M次，记录激光位移传感器的值为d₂、d₃、…d_M，柱形工件和激光位移传感器在柱形工件的径向平面内的相对圆周运动是激光位移传感器围绕柱形工件转动、或者是激光位移传感器位置固定而柱形工件绕其本身中轴转动，

3)一个数据处理的步骤，

a)计算每个测量点的半径值r_i：i＝0～M；

r_i＝D₀+D_i；

D₀为激光位移传感器零位到圆周运动中轴的距离；

d_i为激光位移传感器的第i点测量数据；

b)设N＝M/2；j＝0～N-1；

利用第j点、第j+1点、以及第N+j点、第N+j+1点的数据来拟合圆C_j；称该4点数据为j点组；

假设这4个点的半径值是r_j、r_j1、r_Nj、r_Nj1；

c)通过几何方法，可得到j点组的拟合半径R_cj：

r_j为j点组的第j点半径；

r_j1为j点组的第j+1点半径；

r_Nj为j点组的第N+j点半径；

r_Nj1为j点组的第N+j+1点半径；

θ为第j点与第j+1点间的夹角：

d)j点组的弧长为：

L_j+L_Nj＝2R_cjθ

L_j为拟合圆C_j在第j点与第j+1点之间的弧长；

L_Nj为拟合圆C_j在第N+j点与第N+j+1点之间的弧长；

R_cj为j点组的拟合半径；

θ为第j点与第j+1点间的夹角：

e)通过计算0～N-1点组的拟合半径，得到0～N-1点组的拟合弧长，求和算出工件周长：

C为工件周长；

L_j为拟合圆C_j在第j点与第j+1点之间的弧长；j＝0～N-1；

L_Nj为拟合圆C_j在第N+j点与第N+j+1点之间的弧长；j＝0～N-1；

R_cj为j点组的拟合半径；j＝0～N-1；

θ为第j点与第j+1点间的夹角：

f)最大直径D_max及最小直径D_min：

D_max＝2Max(R_cj)；

D_min＝2Min(R_cj)；

R_cj为j点组的拟合半径；j＝0～N-1。

进一步的，所述的测量装置包括伺服转台、控制系统、激光位移传感器和被测柱形工件，所述的伺服转台与所述的控制系统连接，所述的激光位移传感器与所述的控制系统连接，将待测所述的柱形工件固定于所述的伺服转台上，所述的激光位移传感器沿着所述的伺服转台的径向方向对准所述的被测柱形工件的柱面。

或者，所述的测量装置包括伺服转台、控制系统、激光位移传感器和被测柱形工件，所述的伺服转台与所述的控制系统连接，所述的激光位移传感器与所述的控制系统连接，将激光位移传感器固定于所述的伺服转台上，被测柱形工件固定设置，所述的伺服转台带动激光位移传感器围绕被测柱形工件转动。

或者，所述的测量装置包括控制系统、激光位移传感器和被测柱形工件，所述的激光位移传感器与所述的控制系统连接，被测柱形工件固定设置，激光位移传感器安装在龙门桁架结构上，围绕被测柱形工件作圆周插补运动。

本发明采用了分段圆弧拟合的方案。本发明直接针对测量目标数据(也即周长、最大/最小直径)进行数据处理。

本发明的测量方法是将测量数据按一定规则，每4个点组为一组，将4个点拟合为一个圆，再计算两个对角短圆弧的弧长之和，这样得到了该4点组的直径、以及弧长，将所有4点组的弧长相加，即可得到所需的周长；在所有4点组的直径中找出最大、最小值，即可得到所需的最大、最小直径。

本发明的工作原理是：通过对相邻点及其对角点的共圆拟合，得到每个细分局部的弧长及半径，在通过求和得到整圆周长。对所有得到的半径作取最大值、最小值操作，得到最大半径及最小半径，也即得到最大直径及最小直径。

本发明的测量方法易于计算，在PLC中就可以实现算法；较少的采集数据可以得到较高的测量精度，100个点就可以得到0.03％～0.04％的精度；对装夹要求不高：工件装夹的对中度对测量精度几乎没有影响；工件外形圆度对测量精度影响极小；标定操作十分简便。

本发明与传统方案相比，优点如下：

1)重复测量精度高、可靠性高，算法能直接得到周长、最大最小直径及其位置。

2)较少的测量点数可以得到较高的精度。

3)工件的圆度及装夹对中度对测量的影响非常小。

本发明和已有技术相比，其效果是积极和明显的。本发明通过算法的创新，使周长测量的精度、稳定性有了提高，且对工件圆度及安装的对中度的要求降低很多，具有很好的工程应用价值。本发明所采用的标定方式，对标定工具要求不高，便于现场实施。

附图说明

图1是本发明的一个实施例中的测量装置的正视示意图。

图2是本发明的实施例中的测量装置的俯视示意图。

图3是本发明的柱形工件的外圆周长及最大最小直径的测量方法的示意图。

图4是本发明的柱形工件的外圆周长及最大最小直径的测量方法的计算示意图。

具体实施方式：

实施例1:

如图1、2、图3所示，本发明采用的测量装置由：伺服转台1、控制系统2、激光位移传感器3、被测柱形工件4组成。所述的伺服转台1与所述的控制系统2连接，所述的激光位移传感器3与所述的控制系统2连接，所述的柱形工件4固定于所述的伺服转台1上，所述的激光位移传感器3沿着所述的伺服转台1的径向方向对准所述的被测柱形工件4的柱面。

本实施例中，伺服转台1的伺服电机具体为西门子1FK7伺服电机；控制系统2具体采用了西门子S7 1200PLC及S120驱动器；激光位移传感器3具体为松下HG-C1100；柱形工件具体为一个标称直径为218mm的薄壁圆筒；

本实施例中，测量点数M具体取值为100以及50。

进一步地，所述的控制系统2控制所述的伺服转台1每转动1/M转，所述控制系统2读取一次所述的激光位移传感器3的值并存储，直到转满一整圈，得到M个测量值。

进一步地，通过所述的数据处理，得到周长值、最大最小直径。

以下为本实施例具体的参数及其跟传统的方法得到的结果之间的比较：

1)实施例相关参数

圆环标称直径：218mm；

传感器型号：HG－C1100，范围100+/－35mm，精度0.07mm传感器的原点与转轴中心之间的距离：D₀＝107.4mm；

测量点数：100、50。

2)实施例测量过程及数据处理结果

A.标定

a)人工测量原始工件的周长，结果为684.87mm。

b)人工用卷尺粗测位移传感器零位到伺服转轴中心的距离，结果为105mm。

c)将原始工件装夹到伺服转台上，目测对中。

d)设定测量点数M＝100，启动控制系统，控制系统控制伺服转台步进运行，每1/100转记录一个测量数据，直到转台转满一周，100个测量点数据均已记录为止。

e)控制系统自动按所述的数据处理方法计算出周长。

f)比较自动测量的周长跟人工测量的周长，如果自动测量结果超出684.865～684.874的范围，则微调D₀的取值，重复步骤e)的自动计算。

g)最终得到准确的位移传感器零位到伺服转轴中心的距离D₀，结果为107.4mm。

B.对原始工件做测量，共6次，取M＝100、50各测3次，每次装夹对中偏差由小到大。

a)设定测量点数M＝100。

b)重新装夹原始工件，目测对中。

c)启动控制系统按所述的数据测量和记录的步骤自动测量、按所述的数据处理过程自动计算。记录计算结果。

d)重新装夹原始工件，人为作一个较小的偏心安装。重复c)

e)重新装夹原始工件，人为作一个较大的偏心安装。重复c)

f)将设定测量点数改为M＝50。重复c)～e)。

g)这样总共得到6组测量结果，具体如下表所示：

h)同时为了对比测量的效果，使用同样的原始测量数据，分别用两种不同的算法计算出周长及最大最小直径，一同在下表中列出：

分析可知：对于圆度较好的工件，用本发明的方法测量，6次的测量一次性均比较好。周长最大偏差0.036％，直径最大偏差0.047％；取点100跟取点50的测量结果相差不大；

采用扇形弧长法，安装时的对中偏差对周长和直径的影响比较大，周长最大偏差0.169％，直径最大偏差0.288％。

采用弦长法，安装时的对中偏差对直径的影响比较大，取点数量对周长的影响较大，周长最大偏差0.047％，直径最大偏差0.288％。

C.对原始工件做人为变形处理，增大椭圆度后测量，共6次，取M＝100、50各测3次，每次装夹对中偏差由小到大。

这个试验是为了评估工件圆度对测量的影响，其操作过程类同于B。最终的测量结果如下表：

分析可知：对于圆度较差的工件，用本发明的方法测量，6次的测量一次性均比较好。周长最大偏差0.013％，直径最大偏差0.036％；取点100跟取点50的测量结果相差不大；

采用扇形弧长法，安装时的对中偏差对周长和直径的影响比较大，周长最大偏差0.149％，直径最大偏差0.208％。

采用弦长法，安装时的对中偏差对直径的影响比较大，取点数量对周长的影响较大，周长最大偏差0.060％，直径最大偏差0.208％。

C.从以上结果看，无论是周长测量还是直径测量，本发明的方法得到的结果都是最优的。

实施例2

如图4所示，本发明采用的拟合半径公式可以描述为以下几何问题：

已知：A、B、C、D共圆，圆心假设为C_j；AC、BD交于O；∠AOB＝θ；AO＝r_j；CO＝r_Nj；BO＝r_j1；DO＝r_Nj1；

求：圆C_j的半径R_cj

解：过O、C_j作圆C_j的直径EF，设|OC_j|＝d，易知

于是有：

也即：

同理亦有：

在A、B、C、D非共圆的情况下，可以由以上两式之和取平均的方式作拟合，得到：

即：

通过C_j分别作AC、BD的垂线C_jG、C_jH，易知O、G、H、C_j共圆，设为圆Q，易知圆Q的直径为d。

通过G作圆Q直径GI，于是有∠GIH＝∠GOH＝θ；

易知∠GHI＝90°，因此有：

即

由余弦定理可知：

|GH|²＝|GO|²+|HO|²-2|GO||HO|cosθ……(3)；

易知：

代入式(3)得：

代入式(2)得：

代入式(1)得：

实施例3标定

本发明的方法投入实际应用前应作标定工作，标定工作即是在设备安装完成后需测定：位移传感器零位到伺服转轴中心的距离D₀。

步骤如下：

1)装夹一个待测工件，用人工方式测量出其周长；

2)预先估计一个D₀预估值；

3)利用控制系统按本发明的所述方法自动测量、计算周长值，结果跟1)的周长值比对，相减得到周长误差值；

4)如果周长误差值在允许范围之外，调整D₀预估值，重复3)，直到误差小于期望值。

所述的测量过程分三步，第一步确定测量点数M(M为大于2的偶数)，第二步控制系统控制伺服转台带工件按测量点数均分的角度步进转动并测量、记录每一个点的数据，第三步调用数据处理算法计算周长、最大/最小直径。

所述的数据处理，是利用第j点、第j+1点、以及第N+j点、第N+j+1点的数据组成j点组，来拟合圆C_j；通过几何方法，得到j点组的拟合半径R_cj；通过计算0～N-1点组的拟合半径，得到0～N-1点组的拟合弧长，求和算出工件周长。

所述的几何方法是在A、B、C、D(j点组)非共圆的情况下，使用

代替r_jr_Nj的方式作拟合。

所述的标定是使用人工方式测量待测工件，估计一个D₀值，调用算法计算周长，与人工测量值比较。通过多次调整D₀值的使周长误差在期望范围之内的方式，来最终确认D₀值。

Claims

1.一种柱形工件的外圆周长及最大最小直径的测量方法，其特征在于:包括如下步骤：

2)一个数据测量和记录的步骤，在所述的数据测量和记录的步骤中，首先在待测的柱形工件上选定M个测量点，M为大于2的偶数；然后利用所述的控制系统读取所述的激光位移传感器的值并记录为d₀，同时，使柱形工件和激光位移传感器在柱形工件的径向平面内产生相对圆周运动，并在所述的相对圆周运动达到1/M个圆周时，再读取激光位移传感器的值并记录为d₁，重复上述动作M次，记录激光位移传感器的值为d₂、d₃、…d_M，柱形工件和激光位移传感器在柱形工件的径向平面内的相对圆周运动是激光位移传感器围绕柱形工件转动、或者是激光位移传感器位置固定而柱形工件绕其本身中轴转动；

3)一个数据处理的步骤，

a)计算每个测量点的半径值r_i：i＝0～M；

r_i＝D₀+d_i；

d_i为激光位移传感器的第i点测量数据；

b)设N＝M/2；j＝0～N-1；

假设这4个点的半径值是r_j、r_j1、r_Nj、r_Nj1；

c)通过几何方法，可得到j点组的拟合半径R_cj：

r_j为j点组的第j点半径；

r_j1为j点组的第j+1点半径；

r_Nj为j点组的第N+j点半径；

r_Nj1为j点组的第N+j+1点半径；

θ为第j点与第j+1点间的夹角：

d)j点组的弧长为：

L_j+L_Nj＝2R_cjθ

L_j为拟合圆C_j在第j点与第j+1点之间的弧长；

L_Nj为拟合圆C_j在第N+j点与第N+j+1点之间的弧长；

R_cj为j点组的拟合半径；

θ为第j点与第j+1点间的夹角：

C为工件周长；

L_j为拟合圆C_j在第j点与第j+1点之间的弧长；j＝0～N-1；

L_Nj为拟合圆C_j在第N+j点与第N+j+1点之间的弧长；j＝0～N-1；

R_cj为j点组的拟合半径；j＝0～N-1；

θ为第j点与第j+1点间的夹角：

f)最大直径D_ma*及最小直径D_mi+：

D_ma*＝2Max(R_cj)；

D_min＝2Min(R_cj)；

R_cj为j点组的拟合半径；j＝0～N-1；

在数据测量前先进行标定工作，即是在设备安装完成后需测定：位移传感器零位到伺服转轴中心的距离D₀；

步骤如下：

i.装夹一个待测工件，用人工方式测量出其周长；

ii.预先估计一个D₀预估值；

iii.利用控制系统测量、计算周长值，结果跟i)的周长值比对，相减得到周长误差值；

iv.如果周长误差值在允许范围之外，调整D₀预估值，重复iii)，直到误差小于期望值。

2.根据权利要求1所述的柱形工件的外圆周长及最大最小直径的测量方法，其特征在于：所述的测量装置包括伺服转台、控制系统、激光位移传感器和待测柱形工件，所述的伺服转台与所述的控制系统连接，所述的激光位移传感器与所述的控制系统连接，将所述的待测柱形工件固定于所述的伺服转台上，所述的激光位移传感器沿着所述的伺服转台的径向方向对准所述的待测柱形工件的柱面。

3.根据权利要求1所述的柱形工件的外圆周长及最大最小直径的测量方法，其特征在于：所述的测量装置包括伺服转台、控制系统、激光位移传感器和待测柱形工件，所述的伺服转台与所述的控制系统连接，所述的激光位移传感器与所述的控制系统连接，将激光位移传感器固定于所述的伺服转台上，待测柱形工件固定设置，所述的伺服转台带动激光位移传感器围绕待测柱形工件转动。

4.根据权利要求1所述的一种柱形工件的外圆周长及最大最小直径的测量方法，其特征在于：所述的测量装置包括控制系统、激光位移传感器和待测柱形工件，所述的激光位移传感器与所述的控制系统连接，待测柱形工件固定设置，激光位移传感器安装在龙门桁架结构上，围绕待测柱形工件作圆周插补运动。