CN112254691B - 一种环形零件的外径测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种环形零件的外径测量装置及方法，该测量装置包括底座、设置在底座中心的夹紧机构、转动驱动机构以及设置在底座上的测量机构；所述夹紧机构包括转动设置在所述底座中心的夹具体、设置在所述夹具体上端的夹具盖，所述夹具盖与所述夹具体通过螺纹结构连接；所述转动驱动机构与所述夹具体连接；所述测量机构包括8组测量组件，8组测量组件绕着底座中心圆周均匀分布，每组测量组件均包括设置在所述底座上的安装座、设置在所述安装座上的测量杆以及测量驱动机构。该装置的环形零件在装夹过程中出现偏心现象时，可以对环形零件的外径进行准确的测量，不用保证装夹过程中的环形零件在夹具上的精确位置，测量过程简单，方便。

Description

一种环形零件的外径测量装置及方法

技术领域

本发明涉及环形零件外径测量技术领域，具体涉及一种环形零件的外径测量装置及方法。

背景技术

环形零件对于目前机械行业尤为重要，例如轴瓦、轴套以及轴承套圈等，在轴承套圈的生产过程中，需要对轴承套圈的质量进行抽检，通常需要对轴承的外径进行测量，以判断该轴承套圈是否符合所需规格。

现有的轴承套圈的外径测量装置主要采用的是通过两点直径测量直径，例如授权公告号为CN206037892U的实用新型专利公开了一种易于定位的多功能轴承测量仪器；该测量仪器的工作过程为：将轴承件放置在定位盘上端，通过定位盘上的定位螺栓在滑槽内来回移动到合适的位置，固定好位置后用紧固螺栓夹住百分表对轴承件进行测量操作。但是，上述的测量仪器存在以下不足：

1、轴承件在装夹时，很难将轴承件的圆心位于测量直径上，导致出现了偏心现象，从而出现误差。

2、上述的测量仪器中，需要测量轴承件的多处外径时，每次测量完成一处的外径时，需要手动转动工件，进行下一处的测量，这样会加大测量带来误差，影响产品的质量。

3、上述测量仪器，当需要测量不同大小的轴承件时，均需要通过定位螺栓进行定位，导致测量过程复杂繁琐，影响测量效率。

发明内容

本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种环形零件的外径测量装置，该装置的环形零件在装夹过程中出现偏心现象时，可以对环形零件的外径进行准确的测量，不用保证装夹过程中的环形零件在夹具上的精确位置，测量过程简单，方便。

本发明的另一目的在于提供一种环形零件的外径测量方法，该方法不仅能够在环形零件在装夹过程中出现偏心现象时，对环形零件进行精确的测量；还能通过测量的数据对环形零件进行分析，从而判断出环形零件加工设备出现的问题。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种环形零件的外径测量装置，包括底座、设置在底座中心用于夹紧环形零件的夹紧机构、用于驱动夹紧机构转动的转动驱动机构以及设置在底座上用于测量环形零件的测量机构；其中，

所述夹紧机构包括转动设置在所述底座中心的夹具体、设置在所述夹具体上端用于将环形零件压紧在夹具体上的夹具盖，所述夹具盖与所述夹具体通过螺纹结构连接；所述转动驱动机构与所述夹具体连接；

所述测量机构包括8组测量组件，8组测量组件绕着底座中心圆周均匀分布，每组测量组件均包括设置在所述底座上的安装座、滑动设置在所述安装座上的测量杆以及用于驱动所述测量杆朝着底座的径向方向运动的测量驱动机构。

上述环形零件的外径测量装置的工作原理是：

测量时，首先将环形零件放置在夹具体上，然后用夹具盖该将环形零件固定在夹具体上；接着，以底座中心为原点建立坐标系，并依次逆时针定义8个测量杆头部中心为点1，点2，点3，……，点8，其中，点1位于X轴的正半轴上，点5位于X轴的负半轴上，点3位于Y轴的正半轴上，点7位于Y轴的负半轴上；由此可以知道每个测量杆的头部的坐标位置(即知道原点到每个测量杆头部的距离)；测量驱动机构驱动驱动测量杆朝着底座中心移动，当测量杆的头部接近环形零件的外表面时，逐渐与环形零件接触，此时，停止测量驱动机构的驱动，记录此时测量杆头部的坐标位置；然后测量驱动机构驱动驱动测量杆远离坐标原点；停止测量驱动机构驱动，接着转动驱动机构驱动夹具体转动，带动环形零件转动一定角度后，停止转动驱动机构驱动；最后测量驱动机构驱动测量杆与环形零件接触，停止测量驱动机构的驱动，记录此时测量杆头部的坐标位置，通过两次记录的测量杆头部的坐标位置，可以计算获得外径测量数据。

本发明的一个优选方案，其中，所述测量杆的头部设有安装孔，所述安装孔沿着测量杆的轴线延伸；所述安装孔上设有弹性测量组件；所述弹性测量组件包括设置在所述安装孔中且与安装孔滑动配合的钢珠、设置在安装孔底部的测力传感器以及设置在所述钢珠与所述测力传感器之间的伸缩弹簧；该伸缩弹簧的一端作用于所述钢珠，另一端作用于所述测力传感器。通过设置弹性测量组件，一方面在钢珠与环形零件的外表面进行接触时，通过伸缩弹簧的缓冲作用，使得钢珠与环形零件进行软接触，防止钢珠与环形零件在接触时，钢珠对环形零件外表面造成损坏，从而造成测量误差，同时也影响了环形零件的加工质量；另一方面通过设置测力传感器，当钢珠与环形零件接触时，钢珠在伸缩弹簧的作用下，朝着远离底座中心运动，并压缩伸缩弹簧，伸缩弹簧作用与测力传感器，可以测量出钢珠与环形零件接触，便于控制测量驱动机构的启停。

进一步地，所述安装孔的开口处设有渐缩段，所述渐缩段的之间朝着所述底座的中心逐渐减小，所述渐缩段的形状为弧形。通过设置渐缩段，其目的在于，对钢珠起到限位的作用，防止钢珠从安装孔的开口处掉落。

优选地，所述测量驱动机构包括安装在安装座上的伺服电机以及用于将所述伺服电机动力传递给测量杆的传动组件，其中，所述传动组件包括主动齿轮、从动齿轮、丝杆、滑块以及滑槽；所述滑槽设置在所述安装座上，该滑槽向着所述底座中心延伸，所述丝杆转动设置在所述滑槽的两端，所述滑块的下端与所述滑槽滑动配合且与所述丝杆滑动连接，该滑块的上端与所述测量杆固定连接；所述从动齿轮与所述丝杆同轴设置，所述主动齿轮与所述伺服电机连接且与所述从动齿轮啮合。通过设置上述机构，伺服电机驱动主动齿轮转动，带动从动齿轮转动，从而带动丝杆转动，进而带动滑块在滑槽上来回运动，最终实现测量杆在滑槽上来回运动。

优选地，所述螺纹结构包括设置在所述夹具体中心的螺纹孔以及固定螺栓，所述固定螺栓穿过所述夹具盖与所述螺纹孔配合连接。通过设置上述机构，当需要对环形零件进行固定时，将环形零件放置在夹具体上，然后将固定螺栓穿过夹具盖，将固定螺栓在螺纹孔中向下拧紧，夹具盖对环形零件向下压紧，直到环形零件固定在夹具体与夹具盖之间，完成环形零件的装夹。

优选地，所述夹具体的上端设有锥台；其好处在于，通过设置锥台，一方面可以更好地安装环形零件，将环形零件放置在锥台上；另一方面使得锥台能够适应不同规格大小的环形零件，从而提高装夹的适应性。

优选地，所述转动驱动机构包括设置在底座底部的步进电机以及设置在步进电机与所述夹具体之间的联轴器，所述联轴器的上端与所述夹具体的下端固定连接，下端与所述步进电机的主轴连接。通过步进电机驱动联轴器转动，带动夹具体在底座上转动，可以实现环形零件的转动，进而实现环形零件的不同位置的侧量。

进一步地，所述底座中心设有阶梯孔，所述步进电机安装在阶梯孔的底部，所述夹具体的下端通过轴承连接在所述阶梯孔的上端。通过设置阶梯孔，一方面便于步进电机的安装，另一方面也使得结构更加紧凑。

一种环形零件的外径测量方法，该方法应用于上述的外径测量装置，包括以下步骤：

(1)以底座中心为原点O，建立直角坐标系，并确定8个测量杆的头部的钢珠中心位置坐标；其中4个钢珠中心位于坐标轴上；

(2)将标准环形零件安装在夹紧机构上，测量驱动机构驱动测量杆移动，使得钢珠与标准环形零件接触，通过测力传感器获取此时的读数为F_预，测量驱动机构反向驱动测量杆移动，当测力传感器的读数为F’_预时，停止对测量杆的驱动，通过F_预和F’_预计算出测量杆的回程误差η，并取下标准环形零件；

(3)将待测环形零件安装在夹紧机构上，测量驱动机构驱动测量杆接近待测环形零件，使得钢珠与待测环形零件进行第一次接触，待测力传感器有读数时，停止对测量杆的驱动，记录此时每个测力传感器的读数为F’，然后计算每个钢珠与待测环形零件接触时接触点的坐标；

(4)从步骤(3)中的8个接触点的坐标选择其中3个接触点的坐标，通3个接触点的坐标求得待测环形零件的外径D，该3个接触点的坐标两两相连均不过原点；选择其中8组不同组合的接触点，每组接触点计算出一个待测环形零件的外径D，获取8个待测环形零件的外径D的数据；

(5)测量驱动机构驱动测量杆反向运动，钢珠与待测环形零件分离，停止对测量杆驱动，转动驱动机构驱动夹紧机构转动，带动待测环形零件旋转至一定角度，测量驱动机构驱动测量杆移动，使得钢珠与待测环形零件进行第二次接触，记录此时每个测力传感器的读数为F”，然后计算每个钢珠与待测环形零件接触时接触点的坐标；重复步骤(4)的计算方法，获取另外8个待测环形零件的外径D的数据；

(6)通过获取的16个待测环形零件的外径D的数据，对数据分析，判断待测环形零件加工是否正常。

优选地，在步骤(1)中，8个测量杆的头部的钢珠中心位置坐标分别标记为为点1，点2，点3，……，点8，其中，点1位于X轴的正半轴上，点5位于X轴的负半轴上，点3位于Y轴的正半轴上，点7位于Y轴的负半轴上；点2与点6的连线和点4与点8的连线分别与坐标轴成45度，其中，点2位于第一象限，点4为于第二象限，点6位于第三象限，点8位于第四象限；8个点的坐标分别为：

点1(L1，0)，点2(L2*cos45°，L2*sin45°)，点3(0，L3)，点4(-L4*cos45°，L4*sin45°)，点5(-L5，0)，点6(-L6*cos45°，-L6*sin45°)，点7(0，-L7)，点8(L8*cos45°，-L8*sin45°)，其中，L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8为各点到原点O的距离；

测量驱动机构驱动测量杆远离原点O，获取钢珠中心到O点的距离为L_初，并将L_初设定为初始位置。

优选地，在步骤(2)中，通过以下公式计算回程误差η：

其中，L_导为对应测量驱动机构中丝杆的导程，θ为对应测量驱动机构中伺服电机所转的角度，K为对测量杆中伸缩弹簧的劲度系数。

优选地，在步骤(3)中，每个接触点的坐标通过接触点到原点O的距离L_接确定，则每个接触点到原点O的距离L_接的计算公式为：

其中，θ_第一次为对应的测量驱动机构中的伺服电机在钢珠与待测环形零件进行第一次接触时所转的角度，R为钢珠的半径；

因此，在钢珠与待测环形零件进行第一次接触时，各个接触点的坐标为：接触点1(L_接1，0)，接触点2(L_接2*cos45°，L_接2*sin45°)，接触点3(0，L_接3)，接触点4(-L_接4*cos45°，L_接4*sin45°)，接触点5(-L_接5，0)，接触点6(-L_接6*cos45°，-L_接6*sin45°)，接触点7(0，-L_接7)，接触点8(L_接8*cos45°，-L_接8*sin45°)，其中，L_接1，L_接2，……，L_接8为各个接触点到原点O的距离。

优选地，在步骤(4)中，8个接触点选择3个点进行计算待测环形零件外径，取其中八组，其中，第一组：接触点1、接触点4和接触点6；第二组：接触点2、接触点5和接触点7；第三组：接触点3、接触点6和接触点8；第四组：接触点4、接触点7和接触点1；第五组：接触点5、接触点2和接触点8；第六组：接触点6、接触点7和接触点1；第七组：接触点7、接触点4和接触点2；第八组：接触点8、接触点5和接触点3；

将每组的3个接触点的坐标代入下列方程(X₀，Y₀)中，计算处每组待测环形零件外径D；

通过上述方程，算出八个待测环形零件外径，分别为D₁、D₂、D₃、……、D₈。

优选地，在步骤(5)中，每个接触点到原点O的距离为L’_接，则L’_接通过下列公式计算：

其中，L’为第二次接触时接触点与原点O的距离，θ_第一次为对应的测量驱动机构中的伺服电机在钢珠与待测环形零件进行第一次接触时所转的角度，θ_后退为对应的测量驱动机构中的伺服电机在远离时所转的角度，θ_第二次为对应的测量驱动机构中的伺服电机在钢珠与待测环形零件进行第二次接触时所转的角度，F’为第一次接触后对应的测力传感器的读数，F”为第二次接触后对应的测力传感器的读数，K为对应测量杆头部内的伸缩弹簧的劲度系数，η为对应测量杆的回程误差，R为钢珠半径；

因此，在钢珠与待测环形零件进行第二次接触时，各个接触点的坐标为：接触点1(L’_接1，0)，接触点2(L’_接2*cos45°，L’_接2*sin45°)，接触点3(0，L’_接3)，接触点4(-L’_接4*cos45°，L’_接4*sin45°)，接触点5(-L’_接5，0)，接触点6(-L’_接6*cos45°，-L’_接6*sin45°)，接触点7(0，-L’_接7)，接触点8(L’_接8*cos45°，-L’_接8*sin45°)，其中，L’_接1，L’_接2，……，L’_接8为各个接触点到原点O的距离。

重复步骤(4)的计算方法，将每组的三个接触点的坐标代入下列方程(X₀，Y₀)中，计算处每组待测环形零件外径D；

通过上述方程，算出八个待测环形零件外径，分别为D₉、D₁₀、D₁₁、……、D₁₆。

优选地，在步骤(6)中，数据分析包括两个阶段，分别为自身检测阶段和整体检测阶段；其中，

所述自身检测阶段是从步骤(4)和(5)中获取的16个待测环形零件外径数据，通过判断这16个数据是否存在粗大误差来判断测量杆的工作是否稳定和加工零件的工况是否正常，其中，包括以下步骤：

a、采用以下公式计算同一环形零件16个外径数据的均值：

其中，

为环形零件外径的均值，D_i为测得的16个外径数据；

b、计算各组数据的残差，计算公式如下：

其中，v_i为各组数据的残差，

为环形零件外径的均值，D_i为测得的16个外径数据；

c、计算同一环形零件16个外径数据的标准偏差，计算公式如下：

其中：σ为环形零件外径的标准偏差，v_i为各组数据的残差；

当|v_i|＞3σ时，则数据中含有粗大误差，说明测量装置、加工环形零件的设备或者加工环形零件的工况出现了问题，或者环形零件加工开始出现不稳定的问题；

因此，当|v_i|＞3σ时，系统发出警报，提醒工作人员去检查测量装置和工环形零件的设备；

当|v_i|≤3σ时，则数据中不含有粗大误差，则不需要发出警报；

所述整体检测阶段是从步骤(4)和(5)中获取的16个待测环形零件外径数据，以环形零件外径的均值

作为该环形零件外径值D’_i，当测量的环形零件数量到达15个后，通过判断15个环形零件外径数据中是否存在粗大误差来确定环形零件加工的稳定性；当检测完第16个环形零件时，自动删除第1个环形零件的数据，以此类推；计算过程包括以下步骤：

a、通过下列公式计算出15个环形零件外径数据的均值

其中，

为15个环形零件外径数据的均值，D’_i为15个环形零件的外径；

b、计算各组数据的残差，计算公式如下：

其中，v’_i为各个环形零件数据的残差，

为15个环形零件外径数据的均值，D’_i为15个环形零件的外径；

c、计算15个环形零件外径数据的标准偏差，计算公式如下：

其中，σ’为环形零件外径数据的标准偏差，v’_i为各个环形零件数据的残差；

因此，当|v’_i|＞3σ’时，环形零件外径数据中含有粗大误差，说明环形零件加工开始出现不稳定，需要停机检查；

当|v’_i|≤3σ’时，环形零件外径数据不含有粗大误差，则继续检测下一个环形零件。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明中的一种环形零件的外径测量装置，

通过设置八组测量组件，当环形零件在装夹过程中出现偏心时，通过八组测量杆与环形零件接触，获得八个接触点的位置坐标，通过该位置坐标可以获得环形零件的外径数据；本发明可以对环形零件的外径进行准确的测量，不用保证装夹过程中的环形零件在夹紧机构上的精确位置，测量过程简单，方便。

2、本发明中的一种环形零件的外径测量装置，通过设置转动驱动机构，驱动夹具体在底座上转动，从而实现环形零件的转动，测量过程中，不需要进环形零件拆卸下来，通过驱动夹具体在底座上转动即可实现环形零件的位置转移，便于测量环形零件的多个不同位置的直径数据，测量过程简单，减少测量中带来的误差。

3、本发明中的一种环形零件的外径测量装置，能够适应不同大小的环形零件的测量，无需对环形零件进行定位，只需要装夹在夹具体上，即可进行测量，测量效率快。

4、本发明中的一种环形零件的外径测量方法，该方法不仅能够在环形零件在装夹过程中出现偏心现象时，对环形零件进行精确的测量；还能通过测量的数据对环形零件进行分析，以判断测量装置、加工环形零件的设备或者加工环形零件的工况是否出现了问题，或者环形零件加工开始出现不稳定的问题，根据上述问题，及时解决，从而提高环形零件的加工质量，减少废品的产生，减少浪费。

附图说明

图1-图2为本发明中的一种环形零件的外径测量装置的一种具体实施方式的结构示意图，其中，图1为立体图，图2为俯视图。

图3为图2中沿着A-A方向的剖视图。

图4为本发明中测量杆中弹性测量组件的剖视结构示意图。

图5为本发明中夹紧机构的立体结构示意图。

图6为本发明中夹具体的立体结构示意图。

图7为本发明中底座和安装座的立体结构示意图。

图8为本发明中测量机构的立体结构示意图。

图9为本发明中测量机构省去安装座的立体结构示意图。

图10为本发明中的一种环形零件的外径测量方法的流程图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员很好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。

参见图1-图3，本实施例公开一种环形零件的外径测量装置，包括底座1、设置在底座1中心用于夹紧环形零件的夹紧机构2、用于驱动夹紧机构2转动的转动驱动机构以及设置在底座1上用于测量环形零件的测量机构。

参见图1-图3和图5-图6，所述夹紧机构2包括转动设置在所述底座1中心的夹具体2-1、设置在所述夹具体2-1上端用于将环形零件压紧在夹具体2-1上的夹具盖2-2，所述夹具盖2-2与所述夹具体2-1通过螺纹结构连接；所述螺纹结构包括设置在所述夹具体2-1中心的螺纹孔2-4以及固定螺栓2-3，所述固定螺栓2-3穿过所述夹具盖2-2与所述螺纹孔2-4配合连接。通过设置上述机构，当需要对环形零件进行固定时，将环形零件放置在夹具体2-1上，然后将固定螺栓2-3穿过夹具盖2-2，将固定螺栓2-3在螺纹孔2-4中向下拧紧，夹具盖2-2对环形零件向下压紧，直到环形零件固定在夹具体2-1与夹具盖2-2之间，完成环形零件的装夹。

参见图1-图3和图5，所述转动驱动机构包括设置在底座1底部的步进电机4以及设置在步进电机4与所述夹具体2-1之间的联轴器5，所述联轴器5的上端与所述夹具体2-1的下端固定连接，下端与所述步进电机4的主轴连接。通过步进电机4驱动联轴器5转动，带动夹具体2-1在底座1上转动，可以实现环形零件的转动，进而实现环形零件的不同位置的侧量。

参见图1-图3和图7，所述测量机构包括8组测量组件3，8组测量组件3绕着底座1中心圆周均匀分布，每组测量组件3均包括设置在所述底座1上的安装座3-1、滑动设置在所述安装座3-1上的测量杆3-2以及用于驱动所述测量杆3-2朝着底座1的径向方向运动的测量驱动机构3-3。

参见图3和图4，所述测量杆3-2的头部设有安装孔3-21，所述安装孔3-21沿着测量杆3-2的轴线延伸；所述安装孔3-21上设有弹性测量组件；所述弹性测量组件包括设置在所述安装孔3-21中且与安装孔3-21滑动配合的钢珠3-4、设置在安装孔3-21底部的测力传感器3-5以及设置在所述钢珠3-4与所述测力传感器3-5之间的伸缩弹簧3-6；该伸缩弹簧3-6的一端作用于所述钢珠3-4，另一端作用于所述测力传感器3-5。通过设置弹性测量组件，一方面在钢珠3-4与环形零件的外表面进行接触时，通过伸缩弹簧3-6的缓冲作用，使得钢珠3-4与环形零件进行软接触，防止钢珠3-4与环形零件在接触时，钢珠3-4对环形零件外表面造成损坏，从而造成测量误差，同时也影响了环形零件的加工质量；另一方面通过设置测力传感器3-5，当钢珠3-4与环形零件接触时，钢珠3-4在伸缩弹簧3-6的作用下，朝着远离底座1中心运动，并压缩伸缩弹簧3-6，伸缩弹簧3-6作用与测力传感器3-5，可以测量出钢珠3-4与环形零件接触，便于控制测量驱动机构3-3的启停。

参见图4，所述安装孔3-21的开口处设有渐缩段3-22，所述渐缩段3-22的之间朝着所述底座1的中心逐渐减小，所述渐缩段3-22的形状为弧形。通过设置渐缩段3-22，其目的在于，对钢珠3-4起到限位的作用，防止钢珠3-4从安装孔3-21的开口处掉落。

参见图1-图3和图7-图9，所述测量驱动机构3-3包括安装在安装座3-1上的伺服电机3-31以及用于将所述伺服电机3-31动力传递给测量杆3-2的传动组件，其中，所述传动组件包括主动齿轮3-32、从动齿轮3-33、丝杆3-34、滑块3-35以及滑槽3-36；所述滑槽3-36设置在所述安装座3-1上，该滑槽3-36向着所述底座1中心延伸，所述丝杆3-34转动设置在所述滑槽3-36的两端，所述滑块3-35的下端与所述滑槽3-36滑动配合且与所述丝杆3-34滑动连接，该滑块3-35的上端与所述测量杆3-2固定连接；所述从动齿轮3-33与所述丝杆3-34同轴设置，所述主动齿轮3-32与所述伺服电机3-31连接且与所述从动齿轮3-33啮合。通过设置上述机构，伺服电机3-31驱动主动齿轮3-32转动，带动从动齿轮3-33转动，从而带动丝杆3-34转动，进而带动滑块3-35在滑槽3-36上来回运动，最终实现测量杆3-2在滑槽3-36上来回运动。

参见图7-图8，所述安装座3-1在靠近底座1中心的一端上设有凸台3-11，所述测量杆3-2穿过所述凸台3-11并且通过直线轴承6与所述凸台3-11滑动配合。通过设置凸台3-11，进一步保证了测量杆3-2运动的稳定性。

参见图6，所述夹具体2-1的上端设有锥台2-11；其好处在于，通过设置锥台2-11，一方面可以更好地安装环形零件，将环形零件放置在锥台2-11上；另一方面使得锥台2-11能够适应不同规格大小的环形零件，从而提高装夹的适应性。

参见图3和图7，所述底座1中心设有阶梯孔1-1，所述步进电机4安装在阶梯孔1-1的底部，所述夹具体2-1的下端通过轴承连接在所述阶梯孔1-1的上端。通过设置阶梯孔1-1，一方面便于步进电机4的安装，另一方面也使得结构更加紧凑。

参见图1-图3，上述环形零件的外径测量装置的工作原理是：

测量时，首先将环形零件放置在夹具体2-1上，然后用夹具盖2-2该将环形零件固定在夹具体2-1上；接着，以底座1中心为原点建立坐标系，并依次逆时针定义8个测量杆3-2头部中心为点1，点2，点3，……，点8，其中，点1位于X轴的正半轴上，点5位于X轴的负半轴上，点3位于Y轴的正半轴上，点7位于Y轴的负半轴上；由此可以知道每个测量杆3-2的头部的坐标位置(即知道原点到每个测量杆3-2头部的距离)；测量驱动机构3-3驱动驱动测量杆3-2朝着底座1中心移动，当测量杆3-2的头部接近环形零件的外表面时，逐渐与环形零件接触，此时，停止测量驱动机构3-3的驱动，记录此时测量杆3-2头部的坐标位置；然后测量驱动机构3-3驱动驱动测量杆3-2远离坐标原点；停止测量驱动机构3-3驱动，接着转动驱动机构驱动夹具体2-1转动，带动环形零件转动一定角度后，停止转动驱动机构驱动；最后测量驱动机构3-3驱动测量杆3-2与环形零件接触，停止测量驱动机构3-3的驱动，记录此时测量杆3-2头部的坐标位置，通过两次记录的测量杆3-2头部的坐标位置，计算可以获得外径测量数据。

参见图10，本实施例公开一种环形零件的外径测量方法，包括以下步骤：

(1)以底座1中心为原点O，建立直角坐标系，并确定8个测量杆3-2的头部的钢珠3-4中心位置坐标；8个测量杆3-2的头部的钢珠3-4中心位置坐标分别标记为为点1，点2，点3，……，点8，其中，点1位于X轴的正半轴上，点5位于X轴的负半轴上，点3位于Y轴的正半轴上，点7位于Y轴的负半轴上；点2与点6的连线和点4与点8的连线分别与坐标轴成45度，其中，点2位于第一象限，点4为于第二象限，点6位于第三象限，点8位于第四象限；8个点的坐标分别为：

点1(L1，0)，点2(L2*cos45°，L2*sin45°)，点3(0，L3)，点4(-L4*cos45°，L4*sin45°)，点5(-L5，0)，点6(-L6*cos45°，-L6*sin45°)，点7(0，-L7)，点8(L8*cos45°，-L8*sin45°)，其中，L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8为各点到原点O的距离；

测量驱动机构3-3通过伺服电机3-31驱动丝杆3-34转动，进而带动测量杆3-2远离原点O，获取钢珠3-4中心到0点的距离为L初，并将L初设定为初始位置。

(2)将标准环形零件安装在夹紧机构2上，测量驱动机构3-3驱动测量杆3-2移动，使得钢珠3-4与标准环形零件接触，通过测力传感器3-5获取此时的读数为F_预，测量驱动机构3-3反向驱动测量杆3-2移动，当测力传感器3-5的读数为F’_预时，停止对测量杆3-2的驱动，通过以下公式计算回程误差η，并取下标准环形零件：

其中，L_导为对应测量驱动机构3-3中丝杆3-34的导程，θ为对应测量驱动机构3-3中伺服电机3-31在钢珠3-4与标准环形零件进行接触时所转的角度，K为对测量杆3-2中伸缩弹簧3-6的劲度系数。

(3)将待测环形零件安装在夹紧机构2上，测量驱动机构3-3驱动测量杆3-2接近待测环形零件，使得钢珠3-4与待测环形零件进行第一次接触，待测力传感器3-5有读数时，停止对测量杆3-2的驱动，记录此时每个测力传感器3-5的读数为F’，然后计算每个钢珠3-4与待测环形零件接触时接触点的坐标；每个接触点的坐标通过接触点到原点O的距离L_接确定，则每个接触点到原点O的距离L_接的计算公式为：

其中，θ_第一次为对应的测量驱动机构中的伺服电机3-31在钢珠3-4与待测环形零件进行第一次接触时所转的角度，R为钢珠3-4的半径；

因此，在钢珠与待测环形零件进行第一次接触时，各个接触点的坐标为：接触点1(L_接1，0)，接触点2(L_接2*cos45°，L_接2*sin45°)，接触点3(0，L_接3)，接触点4(-L_接4*cos45°，L_接4*sin45°)，接触点5(-L_接5，0)，接触点6(-L_接6*cos45°，-L_接6*sin45°)，接触点7(0，-L_接7)，接触点8(L_接8*cos45°，-L_接8*sin45°)，其中，L_接1，L_接2，……，L_接8为各个接触点到原点O的距离。

(4)从步骤(3)中的8个接触点的坐标选择其中3个接触点的坐标，该3个接触点的坐标两两相连均不过原点；8个接触点选择3个点进行计算待测环形零件外径，组合会出现多种，取其中八组，其中，第一组：接触点1、接触点4和接触点6；第二组：接触点2、接触点5和接触点7；第三组：接触点3、接触点6和接触点8；第四组：接触点4、接触点7和接触点1；第五组：接触点5、接触点2和接触点8；第六组：接触点6、接触点7和接触点1；第七组：接触点7、接触点4和接触点2；第八组：接触点8、接触点5和接触点3；

通过选取的3个接触点的坐标求得待测环形零件的外径D，将每组的3个接触点的坐标代入下列方程(X₀，Y₀)中，计算处每组待测环形零件外径D；

其中，R_环为待测环形零件的半径，假设3个接触点的坐标分别为(X₁，Y₁)、(X₂，Y₂)、(X₃，Y₃)，代入上述方程后得到下列方程组：

通过计算上述方程组，可以求的待测环形零件的外径D；将八组组合接触点，依次代入上述方程，算出八个待测环形零件外径，分别为D₁、D₂、D₃、……、D₈；从而获取8个待测环形零件的外径D的数据。

(5)测量驱动机构3-3驱动测量杆3-2反向运动，钢珠3-4与待测环形零件分离，停止对测量杆3-2驱动，转动驱动机构驱动夹紧机构2转动，带动待测环形零件旋转至一定角度，测量驱动机构3-3驱动测量杆3-2移动，使得钢珠3-4与待测环形零件进行第二次接触接触，记录此时每个测力传感器3-5的读数为F”，然后计算每个钢珠3-4与待测环形零件接触时接触点的坐标；每个接触点到原点O的距离为L’_接，则L’_接通过下列公式计算：

其中，L’为第二次接触时接触点与原点O的距离，θ_第一次为对应的测量驱动机构中的伺服电机3-31在钢珠3-4与待测环形零件进行第一次接触时所转的角度，θ_后退为对应的测量驱动机构3-3中的伺服电机3-31在远离时所转的角度，θ_第二次为对应的测量驱动机构3-3中的伺服电机3-31在钢珠3-4与待测环形零件进行第二次接触时所转的角度，F’为第一次接触后对应的测力传感器3-5的读数，F”为第二次接触后对应的测力传感器3-5的读数，K为对应测量杆3-2头部内的伸缩弹簧3-6的劲度系数，η为对应测量杆3-2的回程误差，R为钢珠3-4半径；

因此，在钢珠3-4与待测环形零件进行第二次接触时，各个接触点的坐标为：接触点1(L’_接1，0)，接触点2(L’_接2*cos45°，L’_接2*sin45°)，接触点3(0，L’_接3)，接触点4(-L’_接4*cos45°，L’_接4*sin45°)，接触点5(-L’_接5，0)，接触点6(-L’_接6*cos45°，-L’_接6*sin45°)，接触点7(0，-L’_接7)，接触点8(L’_接8*cos45°，-L’_接8sin45°)，其中，L’_接1，L’_接2，……，L’_接8为各个接触点到原点O的距离。

重复步骤(4)的计算方法，获取另外8个待测环形零件的外径D的数据；将每组的三个接触点的坐标代入下列方程(X₀，Y₀)中，计算处每组待测环形零件外径D；

同理，通过上述方程，算出八个待测环形零件外径，分别为D₉、D₁₀、D₁₁、……、D₁₆；加上步骤(4)获取的八组数据，总共获取16个待测环形零件的外径的数据。

(6)通过获取的16个待测环形零件的外径D的数据，对数据分析，判断待测环形零件加工是否正常；其中，数据分析包括两个阶段，分别为自身检测阶段和整体检测阶段。

所述自身检测阶段是从步骤(4)和(5)中获取的16个待测环形零件外径数据，通过判断这16个数据是否存在粗大误差来判断测量杆3-2的工作是否稳定和加工零件的工况是否正常，其中，包括以下步骤：

a、采用以下公式计算同一环形零件16个外径数据的均值：

其中，

为环形零件外径的均值，D_i为测得的16个外径数据；

b、计算各组数据的残差，计算公式如下：

其中，v_i为各组数据的残差，

为环形零件外径的均值，D_i为测得的16个外径数据；

c、计算同一环形零件16个外径数据的标准偏差，计算公式如下：

其中：σ为环形零件外径的标准偏差，v_i为各组数据的残差；

当|v_i|＞3σ时，则数据中含有粗大误差，说明测量装置、加工环形零件的设备或者加工环形零件的工况出现了问题，或者环形零件加工开始出现不稳定的问题；

因此，当|v_i|＞3σ时，系统发出警报，提醒工作人员去检查测量装置和工环形零件的设备；

当|v_i|≤3σ时，则数据中不含有粗大误差，则不需要发出警报。

所述整体检测阶段是从步骤(4)和(5)中获取的16个待测环形零件外径数据，以环形零件外径的均值

作为该环形零件外径值D’_i，当测量的环形零件数量到达15个后，通过判断15个环形零件外径数据中是否存在粗大误差来确定环形零件加工的稳定性；当检测完第16个环形零件时，自动删除第1个环形零件的数据，以此类推；计算过程包括以下步骤：

a、通过下列公式计算出15个环形零件外径数据的均值

其中，

为15个环形零件外径数据的均值，D’_i为15个环形零件的外径；

b、计算各组数据的残差，计算公式如下：

其中，v’_i为各个环形零件数据的残差，

为15个环形零件外径数据的均值，D’_i为15个环形零件的外径；

c、计算15个环形零件外径数据的标准偏差，计算公式如下：

其中，σ’为环形零件外径数据的标准偏差，v’_i为各个环形零件数据的残差；

因此，当|v’_i|＞3σ’时，环形零件外径数据中含有粗大误差，说明环形零件加工开始出现不稳定，需要停机检查；

当|v’_i|≤3σ’时，环形零件外径数据不含有粗大误差，则继续检测下一个环形零件。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种环形零件的外径测量方法，该方法应用外径测量装置实现，该外径测量装置包括底座、设置在底座中心用于夹紧环形零件的夹紧机构、用于驱动夹紧机构转动的转动驱动机构以及设置在底座上用于测量环形零件的测量机构；所述夹紧机构包括转动设置在所述底座中心的夹具体、设置在所述夹具体上端用于将环形零件压紧在夹具体上的夹具盖，所述夹具盖与所述夹具体通过螺纹结构连接；所述转动驱动机构与所述夹具体连接；所述测量机构包括8组测量组件，8组测量组件绕着底座中心圆周均匀分布，每组测量组件均包括设置在所述底座上的安装座、滑动设置在所述安装座上的测量杆以及用于驱动所述测量杆朝着底座的径向方向运动的测量驱动机构；其特征在于，该外径测量方法包括以下步骤：

(1)以底座中心为原点O，建立直角坐标系，并确定8个测量杆的头部的钢珠中心位置坐标；其中4个钢珠中心位于坐标轴上；

(2)将标准环形零件安装在夹紧机构上，测量驱动机构驱动测量杆移动，使得钢珠与标准环形零件接触，通过测力传感器获取此时的读数为F_预，测量驱动机构反向驱动测量杆移动，当测力传感器的读数为F’_预时，停止对测量杆的驱动，通过F_预和F’_预计算出测量杆的回程误差η，并取下标准环形零件；

(3)将待测环形零件安装在夹紧机构上，测量驱动机构驱动测量杆接近待测环形零件，使得钢珠与待测环形零件进行第一次接触，待测力传感器有读数时，停止对测量杆的驱动，记录此时每个测力传感器的读数为F’，然后计算每个钢珠与待测环形零件接触时接触点的坐标；

(4)从步骤(3)中的8个接触点的坐标选择其中3个接触点的坐标，通过3个接触点的坐标求得待测环形零件的外径D，该3个接触点的坐标两两相连均不过原点；选择其中8组不同组合的接触点，每组接触点计算出一个待测环形零件的外径D，获取8个待测环形零件的外径D的数据；

(5)测量驱动机构驱动测量杆反向运动，钢珠与待测环形零件分离，停止对测量杆驱动，转动驱动机构驱动夹紧机构转动，带动待测环形零件旋转至一定角度，测量驱动机构驱动测量杆移动，使得钢珠与待测环形零件进行第二次接触，记录此时每个测力传感器的读数为F”，然后计算每个钢珠与待测环形零件接触时接触点的坐标；重复步骤(4)的计算方法，获取另外8个待测环形零件的外径D的数据；

(6)通过获取的16个待测环形零件的外径D的数据，对数据分析，判断待测环形零件加工是否正常；

在步骤(1)中，8个测量杆的头部的钢珠中心位置坐标分别标记为为点1，点2，点3，……，点8，其中，点1位于X轴的正半轴上，点5位于X轴的负半轴上，点3位于Y轴的正半轴上，点7位于Y轴的负半轴上；点2与点6的连线和点4与点8的连线分别与坐标轴成45度，其中，点2位于第一象限，点4为于第二象限，点6位于第三象限，点8位于第四象限；8个点的坐标分别为：

点1(L1，0)，点2(L2*cos45°，L2*sin45°)，点3(0，L3)，点4(-L4*cos45°，L4*sin45°)，点5(-L5，0)，点6(-L6*cos45°，-L6*sin45°)，点7(0，-L7),点8(L8*cos45°，-L8*sin45°)，其中，L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8为各点到原点O的距离；

测量驱动机构驱动测量杆远离原点O，获取钢珠中心到O点的距离为L_初，并将L_初设定为初始位置；

在步骤(2)中，通过以下公式计算回程误差η：

其中，L_导为对应测量驱动机构中丝杆的导程，θ为对应测量驱动机构中伺服电机所转的角度，K为对测量杆中伸缩弹簧的劲度系数；

在步骤(3)中，每个接触点的坐标通过接触点到原点O的距离L_接确定，则每个接触点到原点O的距离L_接的计算公式为：

其中，θ_第一次为对应的测量驱动机构中的伺服电机在钢珠与待测环形零件进行第一次接触时所转的角度，R为钢珠的半径；

因此，在钢珠与待测环形零件进行第一次接触时，各个接触点的坐标为：接触点1(L_接1，0)，接触点2(L_接2*cos45°，L_接2*sin45°)，接触点3(0，L_接3)，接触点4(-L_接4*cos45°，L_接4*sin45°)，接触点5(-L_接5，0)，接触点6(-L_接6*cos45°，-L_接6*sin45°)，接触点7(0，-L_接7),接触点8(L_接8*cos45°，-L_接8*sin45°)，其中，L_接1，L_接2，……，L_接8为各个接触点到原点O的距离；

在步骤(4)中，8个接触点选择3个点进行计算待测环形零件外径，取其中八组，其中，第一组：接触点1、接触点4和接触点6；第二组：接触点2、接触点5和接触点7；第三组：接触点3、接触点6和接触点8；第四组：接触点4、接触点7和接触点1；第五组：接触点5、接触点2和接触点8；第六组：接触点6、接触点7和接触点1；第七组：接触点7、接触点4和接触点2；第八组：接触点8、接触点5和接触点3；

将每组的三个接触点的坐标代入下列方程(X₀，Y₀)中，计算处每组待测环形零件外径D；

通过上述方程，算出八个待测环形零件外径，分别为D₁、D₂、D₃、……、D₈；R_环表示为待测环形零件的半径；

在步骤(5)中，每个接触点到原点O的距离为L’_接，则L’_接通过下列公式计算：

其中，L’为第二次接触时接触点与原点O的距离，θ_第一次为对应的测量驱动机构中的伺服电机在钢珠与待测环形零件进行第一次接触时所转的角度，θ_后退为对应的测量驱动机构中的伺服电机在远离时所转的角度，θ_第二次为对应的测量驱动机构中的伺服电机在钢珠与待测环形零件进行第二次接触时所转的角度，F’为第一次接触后对应的测力传感器的读数，F”为第二次接触后对应的测力传感器的读数，K为对应测量杆头部内的伸缩弹簧的劲度系数，η为对应测量杆的回程误差，R为钢珠半径；

因此，在钢珠与待测环形零件进行第二次接触时，各个接触点的坐标为：接触点1(L’_接1，0)，接触点2(L’_接2*cos45°，L’_接2*sin45°)，接触点3(0，L’_接3)，接触点4(-L’_接4*cos45°，L’_接4*sin45°)，接触点5(-L’_接5，0)，接触点6(-L’_接6*cos45°，-L’_接6*sin45°)，接触点7(0，-L’_接7),接触点8(L’_接8*cos45°，-L’_接8*sin45°)，其中，L’_接1，L’_接2，……，L’_接8为各个接触点到原点O的距离；

重复步骤(4)的计算方法，将每组的三个接触点的坐标代入下列方程(X₀，Y₀)中，计算处每组待测环形零件外径D；

通过上述方程，算出八个待测环形零件外径，分别为D₉、D₁₀、D₁₁、……、D₁₆。

2.根据权利要求1所述的一种环形零件的外径测量方法，其特征在于，在步骤(6)中，数据分析包括两个阶段，分别为自身检测阶段和整体检测阶段；其中，

所述自身检测阶段是从步骤(4)和(5)中获取的16个待测环形零件外径数据，通过判断这16个数据是否存在粗大误差来判断测量杆的工作是否稳定和加工零件的工况是否正常，其中，包括以下步骤：

a、采用以下公式计算同一环形零件16个外径数据的均值：

其中，

为环形零件外径的均值，D_i为测得的16个外径数据；

b、计算各组数据的残差，计算公式如下：

其中，v_i为各组数据的残差，

为环形零件外径的均值，D_i为测得的16个外径数据；

c、计算同一环形零件16个外径数据的标准偏差，计算公式如下：

其中：σ为环形零件外径的标准偏差，v_i为各组数据的残差；

当|v_i|>3σ时，则数据中含有粗大误差，说明测量装置、加工环形零件的设备或者加工环形零件的工况出现了问题，或者环形零件加工开始出现不稳定的问题；

因此，当|v_i|>3σ时，系统发出警报，提醒工作人员去检查测量装置和工环形零件的设备；

当|v_i|≤3σ时，则数据中不含有粗大误差，则不需要发出警报；

所述整体检测阶段是从步骤(4)和(5)中获取的16个待测环形零件外径数据，以环形零件外径的均值

作为该环形零件外径值D’_i，当测量的环形零件数量到达15个后，通过判断15个环形零件外径数据中是否存在粗大误差来确定环形零件加工的稳定性；当检测完第16个环形零件时，自动删除第1个环形零件的数据，以此类推；计算过程包括以下步骤：

a、通过下列公式计算出15个环形零件外径数据的均值

其中，

为15个环形零件外径数据的均值，D’_i为15个环形零件的外径；

b、计算各组数据的残差，计算公式如下：

其中，v’_i为各个环形零件数据的残差，

为15个环形零件外径数据的均值，D’_i为15个环形零件的外径；

c、计算15个环形零件外径数据的标准偏差，计算公式如下：

其中，σ’为环形零件外径数据的标准偏差，v’_i为各个环形零件数据的残差；

因此，当|v’_i|>3σ’时，环形零件外径数据中含有粗大误差，说明环形零件加工开始出现不稳定，需要停机检查；

当|v’_i|≤3σ’时，环形零件外径数据不含有粗大误差，则继续检测下一个环形零件。

3.根据权利要求1所述的一种环形零件的外径测量方法，其特征在于，所述测量杆的头部设有安装孔，所述安装孔沿着测量杆的轴线延伸；所述安装孔上设有弹性测量组件；所述弹性测量组件包括设置在所述安装孔中且与安装孔滑动配合的钢珠、设置在安装孔底部的测力传感器以及设置在所述钢珠与所述测力传感器之间的伸缩弹簧；该伸缩弹簧的一端作用于所述钢珠，另一端作用于所述测力传感器。

4.根据权利要求3所述的一种环形零件的外径测量方法，其特征在于，所述安装孔的开口处设有渐缩段，所述渐缩段的之间朝着所述底座的中心逐渐减小，所述渐缩段的形状为弧形。

5.根据权利要求1所述的一种环形零件的外径测量方法，其特征在于，所述测量驱动机构包括安装在安装座上的伺服电机以及用于将所述伺服电机动力传递给测量杆的传动组件，其中，所述传动组件包括主动齿轮、从动齿轮、丝杆、滑块以及滑槽；所述滑槽设置在所述安装座上，该滑槽向着所述底座中心延伸，所述丝杆转动设置在所述滑槽的两端，所述滑块的下端与所述滑槽滑动配合且与所述丝杆滑动连接，该滑块的上端与所述测量杆固定连接；所述从动齿轮与所述丝杆同轴设置，所述主动齿轮与所述伺服电机连接且与所述从动齿轮啮合。

6.根据权利要求1所述的一种环形零件的外径测量方法，其特征在于，所述螺纹结构包括设置在所述夹具体中心的螺纹孔以及固定螺栓，所述固定螺栓穿过所述夹具盖与所述螺纹孔配合连接；所述夹具体的上端设有锥台。

7.根据权利要求1所述的一种环形零件的外径测量方法，其特征在于，所述转动驱动机构包括设置在底座底部的步进电机以及设置在步进电机与所述夹具体之间的联轴器，所述联轴器的上端与所述夹具体的下端固定连接，下端与所述步进电机的主轴连接。

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