CN111412865A - 一种非接触式同轴度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种非接触式同轴度测量装置及方法，测量装置包括用于测量激光测头到被测零件表面的激光位移传感器；被测零件，设置于被测零件轴向两端面的顶尖，位于被测零件下方的驱动模块，驱动模块提供摩擦力带动被测零件旋转；激光位移传感器安装于一可沿被测零件轴向移动的型材架上，激光位移传感器电连接到数据采集及处理模块上。测量方法以激光位移传感器为核心，结合计算机技术和误差分析技术，对现有的复合轴类零件同轴度测量方法进行改进，针对测量过程中的零件驱动、数据采集、结果评定等环节完全由检测人员通过计算机进行控制，在实现同轴度高精度测量的同时，极大地提高测量效率，节约测量成本。

Description

一种非接触式同轴度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及机械零件的位置精度测量，更具体的说，是一种利用激光位移传感器测量复合轴类零件同轴度的方法及系统。

背景技术

目前，复合轴类零件的同轴度测量大部分依然属于接触式测量方法，即使用测量工装与夹具夹持零件，由检验人员手动旋转零件，通过测头与零件表面接触进行测量数据点的采集，根据指示表的读数变化判断零件的同轴度是否达到要求。使用上述测量方法得到的测量结果受到测量装置、环境扰动和人工操作等多种因素的影响，导致得到的测量结果精度较低。这种接触式测量方法存在以下几点弊端：

（1）需要多组工装与夹具，成本高。由于复合轴类零件的各组成部分的尺寸变化较多，导致复合轴类零件具有多种规格，且需要根据不同规格定制多组测量工装与夹具，使测量成本增高。

（2）表面形貌复杂，数据点采集困难。复合轴类零件的表面形貌比较复杂，测量过程中测头很难时刻与被测表面完全接触，导致当前被测截面的数据点准确度不高。而且某些规格零件的轴向长度有限，导致可用于测量的截面数量也有限，如果只测量个别截面，则数据点单一，只适合测量同心度，不适合测量同轴度。

（3）人工旋转驱动，精度低。由检验人员手动控制零件旋转，很难达到稳定匀速状态，因此会有数据点分布不均的情况出现，精度不易保证且效率低。而且人工旋转驱动容易导致零件产生局部跳动，直接影响到测量数据的准确性，从而影响测量结果。

发明内容

针对上述现有的研究所存在的不足，本发明的目的在于，提供一种非接触式同轴度测量装置及方法，实现对复合轴类零件同轴度的测量。

一种非接触式同轴度测量装置，所述测量装置包括用于测量激光测头到被测零件表面的激光位移传感器；被测零件，设置于所述被测零件轴向两端面的顶尖，位于所述被测零件下方的驱动模块，所述驱动模块提供摩擦力带动所述被测零件旋转；

所述激光位移传感器安装于一可沿所述被测零件轴向移动的型材架上，所述激光位移传感器电连接到数据采集及处理模块上。

进一步的，本发明中所述驱动模块具体包括：

用于提供动能的调速电机，所述调速电机通过联轴器连接到齿轮箱上，所述齿轮箱的输出为两个摩擦轮，所述齿轮箱将电机的单输入通过齿轮变换为双输出；所述被测零件放置于两个摩擦轮的中间位置，所述摩擦轮带动被测零件旋转。

更进一步的，为了保持被测零件的平衡，所述齿轮箱上表面形状与所述摩擦轮的外边缘相同，所述摩擦轮与齿轮箱上表面形成被测零件的安装面，所述摩擦轮位于被测零件下方，所述摩擦轮与所述齿轮箱为被测零件提供支撑力，且保持被测零件平衡。

作为一种优选的实施方式，在所述摩擦轮一侧设有压辊，所述压辊在被测零件安装好后压紧被测零件的表面，用于防止所述被测零件旋转过程发生跳动。

进一步的，为了使所述激光位移传感器可沿所述被测零件轴向移动，所述测量装置整体安装在测量平台上；在所述测量平台的两侧设有平行导轨，所述型材架设有两支脚，每个支脚各通过一个滑块安装于一个导轨上，两支脚同步移动实现所述型材架整体沿被测零件的轴向平移。

所述顶尖安装于上下平移台上，测量时两端的顶尖均位于该测端面的回转中心。

为了测量轴线的长度，在一侧导轨旁设有光栅尺，所述光栅尺与导轨平行设置，用于测量激光位移传感器在导轨上移动的距离。

本发明还提供一种非接触式同轴度测量方法，使用上述非接触式同轴度测量装置，包括以下过程：

步骤1，将测量平台固定在测量地点的平面上，将导轨、上下平移台、齿轮箱、光栅尺、调速电机等零件固定在测量平台上，固定其他各个零件的相对位置，搭建好整个测量装置；

步骤2，将所述被测零件重放在所述摩擦轮与所述齿轮箱上表面形成的安装面上，保证水平放置；调整两个顶尖的位置，使顶尖顶在所述被测零件两端面的回转中心；

步骤3，启动调速电机，驱动被测零件旋转，将所述激光位移传感器移动到被测零件测量轴段的第一测量截面，检测测量点到激光位移传感器测头的距离，并将数据送给所述数据采集与处理模块，对所述第一截面进行圆拟合，得到圆心坐标；

步骤4，将传感器移动到被测零件测量轴段的第二测量截面，用步骤3中同样的方法得到另一个测量截面的圆心，重复该步骤测量得到多个截面圆心，将多个测量截面的圆心进行直线拟合即可得到该轴段的轴线；

步骤5，重复步骤3、步骤4，得到另一轴段的轴线，通过两个轴段对应轴线数据得到所述被测零件的同轴度误差。

作为一种优选，所述步骤2中，在调整好顶尖位置后，调整压辊的位置，使压辊压在被测零件上方，防止所述被测零件旋转过程发生跳动。

本发明实施的技术方案带来的有益效果至少包括：

1）被测零件的旋转采用摩擦驱动的方式，电机来提供动力，驱动两个驱动轮同向旋转，通过零件的标准柱面，提供零件的旋转动力。零件的旋转速度可以通过电机来控制，并且用两顶尖定位，零件的安装与拆卸简单。

2）本发明中顶尖和传感器的上下位置可调，可以根据零件大小调整顶尖和传感器的位置，增大被测零件的尺寸范围。

3）传感器固定在可以在导轨上移动的型材架上，测量不同的截面比较方便。

4）配套开发的同轴度评定软件可以将测量得到的距离值通过计算转换为空间点坐标，再通过算法拟合得到测量截面轴线，最终得到零件的同轴度误差信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对本发明中所需要使用的附图进行简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明一种非接触式同轴度测量装置的整体结构示意图；

图2是实施例中被测零件的外部结构示意图；

图中的标号名称：1—激光位移传感器；2—型材架；3—压辊；4—第一上下平移台；5—第一顶尖；6—导轨；7—测量平台；8—电机支座；9—调速电机；10—联轴器；11—齿轮箱；12—摩擦轮；13—第二顶尖；14—第二上下平移台；15—光栅尺；16—滑块；17—数据采集及处理模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合说明书附图对本发明的实施方式做进一步地详细叙述。

实施例1

图1为本发明非接触式同轴度测量装置的整体结构示意图，图中涉及的各个部件如下：

激光位移传感器1，与型材架固连，用于测量激光测头到被测零件表面的距离值；

型材架2，固定激光位移传感器，与滑块相连；

压辊3，压紧被测零件，防止零件旋转过程发生跳动；

第一上下平移台4，根据零件回转中心的不同，带动顶尖上下方向移动；

第一顶尖5，用于定位被测零件的其中一个端面；

导轨6，固定在测量平台上，可以使滑块在上面滑动测量零件的不同截面；

测量平台7，固定各个测量平台上零件的位置；

电机支座8，支撑固定调速电机；

调速电机9，提供动力，经过联轴器、齿轮箱带动摩擦轮旋转；

联轴器10，连接电机轴和齿轮箱的输入轴；

齿轮箱11，电机的单输入经过齿轮箱变成双输出以带动两个摩擦轮旋转；

摩擦轮12，承载被测零件，带动被测零件旋转；

第二顶尖13，用于定位被测零件的另外一个端面；

第二上下平移台14，根据零件回转中心的不同，带动顶尖上下方向移动；

光栅尺15，测量传感器在导轨上移动的距离；

滑块16，通过型材架带动传感器在导轨上滑动，根据需要测量不同截面。

数据采集与处理模块17，采集并处理由传感器输出的电信号，将传感器获得距离信号值转换各测量点的空间位置坐标，在此基础上拟合得到该截面的圆心坐标，测量多个截面获得多个截面圆心坐标，根据多个截面的圆心坐标拟合得到基准轴线，然后测量得到零件另一轴段的多个圆心坐标，根据同轴度最小包容区域判断原则可以求得被测零件的同轴度误差。根据各个测量点的空间坐标位置，由开发的有同轴度评定软件得到被测零件同误差。

结合图1，具体介绍本方案各个部件之间的连接关系及作动原理，本实施例提供的非接触式同轴度测量装置包括，用于测量激光测头到被测零件表面的激光位移传感器；被测零件，设置于所述被测零件轴向两端面的顶尖，位于所述被测零件下方的驱动模块，所述驱动模块提供摩擦力带动所述被测零件旋转；所述激光位移传感器安装于一可沿所述被测零件轴向移动的型材架上，所述激光位移传感器电连接到数据采集及处理模块上。

进一步的，本实施例中所述驱动模块具体包括：

用于提供动能的调速电机，该调速电机包括一输出端，输出端通过联轴器连接到齿轮箱上，所述齿轮箱的输出为两个摩擦轮。齿轮箱根据该发明需求设计为单输入双输出结构，该种齿轮箱将电机的单输入通过齿轮变换为双输出；所述被测零件放置于两个摩擦轮的中间位置，所述摩擦轮带动被测零件旋转。

更进一步的，为了保持被测零件的平衡，所述齿轮箱上表面形状与所述摩擦轮的外边缘相同，所述摩擦轮与齿轮箱上表面形成被测零件的安装面，所述摩擦轮位于被测零件下方，所述摩擦轮与所述齿轮箱为被测零件提供支撑力，且保持被测零件平衡。

通过齿轮箱的作用，两个摩擦轮在使用时同向转动，为被测零件提供摩擦驱动力，使被测零件能够反向旋转，通过调节电机的转速最终调节被测零件的转速。

作为一种优选的实施方式，在所述摩擦轮一侧设有压辊，所述压辊在被测零件安装好后压紧被测零件的表面，用于防止所述被测零件旋转过程发生跳动。

进一步的，为了使所述激光位移传感器可沿所述被测零件轴向移动，所述测量装置整体安装在测量平台上；在所述测量平台的两侧设有平行导轨，所述型材架设有两支脚，每个支脚各通过一个滑块安装于一个导轨上，两支脚同步移动实现所述型材架整体沿被测零件的轴向平移。

为了使本测量装置能够测量多种尺寸的零件，顶尖需要根据零件轴心位置而上下调节，所以顶尖安装于上下平移台上，测量时两端的顶尖均位于该测端面的回转中心；该上下平移台可以通过套管及内部伸缩装置来实现上下移动，也可采用齿轮齿条的驱动方式，手动旋钮调节齿轮的旋转方向带动平移台面沿着齿条上下移动。顶尖固定在平移台的台面上，通过手动旋钮即可调节顶尖上下移动。

为了测量轴线的长度，在一侧导轨旁设有光栅尺，所述光栅尺与导轨平行设置，用于测量激光位移传感器在导轨上移动的距离。

随着现代测试技术的发展，光学测量技术被越来越多的应用于零件形貌特征的检测中，它集合了光学和电子学两大领域的优势，具有非接触、精度高、抗干扰能力强等特点。基于激光测距的激光位移传感器是光学测量的典型代表之一，以集成度高、实时性好等优点广泛应用于精密测量和逆向工程等研究领域，特别是在具有复杂表面形貌的零件检测中，激光位移传感器比传统的接触式测量方法更易获得零件表面的特征信息，极大的提高了检测精度，同时有效提高了检测的效率。

针对复合轴类零件同轴度测量这一问题，本发明提出了以激光位移传感器为核心，结合计算机技术和误差分析技术，对现有的复合轴类零件同轴度测量方法进行改进，搭建一套基于激光位移传感器的非接触式同轴度测量系统，针对测量过程中的零件驱动、数据采集、结果评定等环节完全由检测人员通过计算机进行控制，在实现同轴度高精度测量的同时，极大地提高测量效率，节约测量成本。

实施例2

基于实施例1中所提供的测量装置，本发明还提供一种非接触式同轴度测量方法，将激光位移传感器固定在型材架上，型材架固定在可以在滑块上，通过滑块在精密导轨上的滑动可以调节传感器的测量位置。被测零件放置在摩擦轮上，零件两端用顶尖定位。对于不同尺寸的零件可以通过调节顶尖和传感器的位置，确保零件位于传感器的测量范围之内。利用配套开发的同轴度评定软件将测量得到激光测头到被测零件截面上某测量点的距离值转换空间点坐标，再通过算法拟合得到测量截面轴线，最终得到零件的同轴度信息。

上述方法具体包括以下过程：

步骤1，将测量平台固定在测量地点的平面上，将导轨、上下平移台、齿轮箱、光栅尺、调速电机等零件固定在测量平台上，固定其他各个零件的相对位置，搭建好整个测量装置；

步骤2，将所述被测零件重放在所述摩擦轮与所述齿轮箱上表面形成的安装面上，保证水平放置；调整两个顶尖的位置，使顶尖顶在所述被测零件两端面的回转中心；

步骤3，接通调速电机的电源，连接传感器与数据采集与处理模块；

步骤4，启动调速电机，驱动被测零件旋转，将所述激光位移传感器移动到被测零件测量轴段的第一测量截面，检测测量点到激光位移传感器测头的距离，并将数据送给所述数据采集与处理模块，对所述第一截面进行圆拟合，得到圆心坐标；

步骤5，将传感器移动到被测零件测量轴段的第二测量截面，用步骤4中同样的方法得到另一个测量截面的圆心，重复该步骤测量得到多个截面圆心，将多个测量截面的圆心进行直线拟合即可得到该轴段的轴线。

步骤6，重复步骤4、步骤5，得到另一轴段的轴线，通过两个轴段对应轴线数据得到所述被测零件的同轴度误差。

作为一种优选，为了更好的将被测零件进行固定，步骤2中，在调整好顶尖位置后，调整压辊的位置，使压辊压在被测零件上方，防止所述被测零件旋转过程发生跳动。

如图2所示，该零件是一种常见的花键-齿轮复合轴，该零件由花键，齿轮和中间的标准圆柱组成。对该类零件进行测量时，将零件中间的光滑圆柱段放在摩擦轮上，两个顶尖分别顶在零件的两端，压辊压在光滑圆柱上方保证零件旋转过程中不发生跳动。通过上述方法即可测量齿轮相对于花键的同轴度误差。

本发明提供的测量方法，将被测零件的旋转采用摩擦驱动的方式，采用电机来提供动力，驱动两个驱动轮同向旋转，通过零件的标准柱面，提供零件的旋转动力。零件的旋转速度可以通过电机来控制，并且用两顶尖定位，零件的安装与拆卸简单。

上述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种非接触式同轴度测量装置，其特征在于，所述测量装置包括用于测量激光测头到被测零件表面的激光位移传感器；被测零件，设置于所述被测零件轴向两端面的顶尖，位于所述被测零件下方的驱动模块，所述驱动模块提供摩擦力带动所述被测零件旋转；

所述激光位移传感器安装于一可沿所述被测零件轴向移动的型材架上，所述激光位移传感器电连接到数据采集及处理模块上。

2.根据权利要求1所述的一种非接触式同轴度测量装置，其特征在于，所述驱动模块具体包括：

用于提供动能的调速电机，所述调速电机通过联轴器连接到齿轮箱上，所述齿轮箱的输出为两个摩擦轮，所述齿轮箱将电机的单输入通过齿轮变换为双输出；

所述被测零件放置于两个摩擦轮的中间位置，所述摩擦轮带动被测零件旋转。

3.根据权利要求2所述的一种非接触式同轴度测量装置，其特征在于，所述齿轮箱上表面形状与所述摩擦轮的外边缘相同，所述摩擦轮与齿轮箱上表面形成被测零件的安装面，所述摩擦轮位于被测零件下方，所述摩擦轮与所述齿轮箱为被测零件提供支撑力，且保持被测零件平衡。

4.根据权利要求3所述的一种非接触式同轴度测量装置，其特征在于，在所述摩擦轮一侧设有压辊，所述压辊在被测零件安装好后压紧被测零件的表面，用于防止所述被测零件旋转过程发生跳动。

5.根据权利要求1所述的一种非接触式同轴度测量装置，其特征在于，所述测量装置整体安装在测量平台上；

在所述测量平台的两侧设有平行导轨，所述型材架设有两支脚，每个支脚各通过一个滑块安装于一个导轨上，两支脚同步移动实现所述型材架整体沿被测零件的轴向平移。

6.根据权利要求1所述的一种非接触式同轴度测量装置，其特征在于，所述顶尖安装于上下平移台上，测量时两端的顶尖均位于该测端面的回转中心。

7.根据权利要求1所述的一种非接触式同轴度测量装置，其特征在于，在一侧导轨旁设有光栅尺，所述光栅尺与导轨平行设置，用于测量激光位移传感器在导轨上移动的距离。

8.一种非接触式同轴度测量方法，使用如权利要求1-7任意一项所述的非接触式同轴度测量装置，其特征在于，包括以下过程：

步骤1，将测量平台固定在测量地点的平面上，将导轨、上下平移台、齿轮箱、光栅尺、调速电机等零件固定在测量平台上，固定其他各个零件的相对位置，搭建好整个测量装置；

步骤2，将所述被测零件重放在所述摩擦轮与所述齿轮箱上表面形成的安装面上，保证水平放置；调整两个顶尖的位置，使顶尖顶在所述被测零件两端面的回转中心；

步骤3，启动调速电机，驱动被测零件旋转，将所述激光位移传感器移动到被测零件测量轴段的第一测量截面，检测测量点到激光位移传感器测头的距离，并将数据送给所述数据采集与处理模块，对所述第一截面进行圆拟合，得到圆心坐标；

步骤4，将传感器移动到被测零件测量轴段的第二测量截面，用步骤3中同样的方法得到另一个测量截面的圆心，重复该步骤测量得到多个截面圆心，将多个测量截面的圆心进行直线拟合即可得到该轴段的轴线；

步骤5，重复步骤3、步骤4，得到另一轴段的轴线，通过两个轴段对应轴线数据得到所述被测零件的同轴度误差。

9.根据权利要求8所述的一种非接触式同轴度测量方法，其特征在于，所述步骤2中，在调整好顶尖位置后，调整压辊的位置，使压辊压在被测零件上方，防止所述被测零件旋转过程发生跳动。

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