CN112414353B - 凸轮轴偏心误差修正方法 - Google Patents

凸轮轴偏心误差修正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种凸轮轴偏心误差修正方法，将工件装夹在仪器转台上，通过仪器顶尖竖向固定工件上的凸轮轴；在上、下工件基准的定位区域内分别选取标记点a0、b0；从初始位置0°开始，分别旋转工件至90°、180°和270°位置，仪器测头对标记点进行四次采样；分析仪器测头在四个采样位置时是否处于自身的可控范围内，若否，重新装夹工件；若是，则根据预先标定的仪器测头的最大探测误差确定凸轮轴的轴心线相对于仪器坐标系的Z轴的偏心修差量Δz；根据采样点分别计算凸轮轴的轴心线相对于仪器坐标系的X轴与Y轴的偏心修差量；根据偏心修差量将凸轮轴坐标系转换到仪器坐标。本发明解决了如何修正凸轮轴偏心误差的技术问题，为凸轮轮廓的准确采样打下基础，自动高效。

Description

凸轮轴偏心误差修正方法
技术领域
本发明涉及凸轮轴测量技术领域，尤其涉及一种凸轮轴偏心误差修正方法。
背景技术
凸轮轴是汽车摩托车、航天航空、船舶、高铁等使用的制动系统的重要组成部件，其关键尺寸的测量直接关系到制动系统的性能和使用寿命。凸轮轴偏心误差的修正是保证其高精度测量的关键。在对凸轮轮廓进行测量时，凸轮轴被装夹到仪器转台上，通过仪器上下顶尖固定，其仪器上下顶尖的连线为平行于仪器坐标系的Z轴，凸轮轴的中心轴线与顶尖连线不平行，存在空间夹角，导致偏心误差，也叫安装误差。由于凸轮安装在凸轮轴上，凸轮轴的偏心误差会影响仪器对凸轮轮廓的采样。采样前，仪器根据输入的凸轮设计参数生成相应的采样路径，并控制传感器按照所生成的采样路径进行采样。但是，由于凸轮轴的偏心误差，使得所生成的采用路径不能匹配凸轮在仪器坐标系内的空间姿态，导致传感器不能沿着凸轮的真实轮廓曲线进行采样，最终通过采样点拟合出来的凸轮轮廓与实际的凸轮轮廓存在较大偏差。因此，如何对凸轮轴的偏心误差进行修正，对于准确拟合凸轮轮廓曲线是亟需解决的问题。
发明内容
针对上述技术的不足，本发明提供了一种凸轮轴偏心误差修正方法，解决如何修正凸轮轴偏心误差的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种凸轮轴偏心误差修正方法，包括以下步骤：
将工件装夹在仪器转台上，通过仪器顶尖竖向固定工件上的凸轮轴；
在上、下工件基准的定位区域内分别选取标记点a0、b0；
仪器测头对标记点进行采样：
在初始位置进行第一次采样，获得标记点a0和b0的采样坐标a1(xa,1,ya,1,za,1)和b1(xb,1,yb,1,zb,1)；
转台带动工件从初始位置旋转90°后，进行第二次采样，获得标记点a0和b0的采样坐标a2(xa,2,ya,2,za,2)和坐标b2(xb,2,yb,2,zb,2)；
转台带动工件从初始位置旋转180°后，进行第三次采样，获得标记点a0和b0的采样坐标a3(xa,3,ya,3,za,3)和坐标b3(xb,3,yb,3,zb,3)；
转台带动工件从初始位置旋转270°后，进行第四次采样，获得标记点a0和b0的采样坐标a4(xa,4,ya,4,za,4)和坐标b4(xb,4,yb,4,zb,4)；
分析仪器测头在四个采样位置时是否处于自身的可控范围内，若否，则重新装夹工件；若是，则根据预先标定的仪器测头的最大探测误差确定凸轮轴的轴心线相对于仪器坐标系的Z轴的偏心修差量Δz；
根据采样点分别计算凸轮轴的轴心线相对于仪器坐标系的X轴与Y轴的偏心修差量；根据偏心修差量将凸轮轴坐标系转换到仪器坐标系，使得仪器测头能够在仪器坐标系内相对于凸轮轴调整采样位姿。
进一步的，当仪器测头为接触式测头时，分别判断仪器测头在四个采样位置时的受力是否都在可控受力范围内，若否，则重新装夹工件；若是，则以预先标定的仪器测头的最大探测误差的三分之一作为凸轮轴的轴心线相对于Z轴的偏心修差量Δz。
进一步的，当仪器测头为非接触式测头时，分别判断测头在四个采样位置时的位姿是否在可控位姿范围内，若否，则重新装夹工件；若是，则以预先标定的仪器测头的最大探测误差的三分之一作为凸轮轴的轴心线相对于Z轴的偏心修差量Δz；测头的位姿是指测头在仪器坐标系下的空间坐标和空间夹角。
进一步的，凸轮轴的轴心线相对于X轴的偏心修差量包括凸轮轴的轴心线相对于X轴的夹角α0以及位移量Δx，分别按如下方式计算：
以点
Figure BDA0002771078710000021
与点
Figure BDA0002771078710000022
的连线与Z轴的夹角作为所述夹角α0，其中，点
Figure BDA0002771078710000023
为采样点a1(xa,1,ya,1,za,1)与a3(xa,3,ya,3,za,3)的中间点，点
Figure BDA0002771078710000024
为采样点b1(xb,1,yb,1,zb,1)与采样点b3(xb,3,yb,3,zb,3)的中间点；
夹角α0的计算公式如下：
Figure BDA0002771078710000025
位移量Δx的计算公式如下：
Figure BDA0002771078710000031
进一步的，凸轮轴的轴心线相对于Y轴的偏心修差量包括凸轮轴的轴心线相对于Y轴的夹角β0以及位移量Δy，分别按如下方式计算：
以点
Figure BDA0002771078710000032
与点
Figure BDA0002771078710000033
的连线与Z轴的夹角作为所述夹角β0，其中，点
Figure BDA0002771078710000034
为采样点a2(xa,2,ya,2,za,2)与a4(xa,4,ya,4,za,4)的中间点，点
Figure BDA0002771078710000035
为采样点b2(xb,2,yb,2,zb,2)与b4(xb,4,yb,4,zb,4)的中间点；
夹角β0的计算公式如下：
Figure BDA0002771078710000036
位移量Δy的计算公式如下：
Figure BDA0002771078710000037
进一步的，凸轮轴坐标系按如下方式建立：
在仪器坐标系内以仪器测头对上、下工件基准进行采样，以最小二乘法对对上、下工件基准的采样点进行拟合得到上、下工件基准的圆心坐标，以上、下工件基准的圆心连线作为凸轮轴的Z0轴，并以垂直于Z0轴并通过下工件基准圆心的平面作为X0Y0平面；
按如下公式将凸轮轴坐标系转换到仪器坐标系：
x＝(x0·cosα0+Δx)·cosθ0；
Figure BDA0002771078710000038
z＝z0·cosα0·cosβ0+Δz；
式中，(x0,y0,z0)表示在凸轮轴坐标系下的点，(x,y,z)表示将点(x0,y0,z0)转换到仪器坐标系下的坐标；凸轮轴的轴心线相对于X轴的偏心修差量包括凸轮轴的轴心线相对于X轴的夹角α0以及位移量Δx；凸轮轴的轴心线相对于Y轴的偏心修差量包括凸轮轴的轴心线相对于Y轴的夹角β0以及位移量Δy；θ0表示当前测量点相对于初始测量点的旋转角度，范围为0°～360°。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明是在保证仪器测头在可控范围内的前提下进行偏心量修正，保证了仪器测头的正常工作，避免在采样过程中与工件发生碰撞，能够持续的完成采样。
2、本发明针对凸轮轴的安装误差进行修正，是对凸轮轴上的凸轮轮廓进行准确采样的基础，使得仪器测头能够在根据被测对象设计参数所生成的采样路径的基础上调整采样位姿，即使得仪器测头能够在仪器坐标系内相对于实际安装的凸轮轴的轴线调整采样位姿。
3、本发明所需采样点数量少，采样效率高，能够方便快捷的进行凸轮轴偏心误差修正。
4、本发明对夹角和偏移量进行误差补偿，从而使得仪器测头能调整角度以垂直凸轮轴的轴线，当被测对象(凸轮、轴颈)与凸轮轴同轴时，能在仪器坐标系内将采用路径上的点移动到被测对象轮廓上。
附图说明
图1为工件装夹示意图；
图2为采样过程示意图；
图3为接触是测头的可控受力范围示意图；
图4为凸轮轴线相对于X轴的偏心修正原理图；
图5为凸轮轴线相对于Y轴的偏心修正原理图。
具体实施方式
一种凸轮轴偏心误差修正方法，包括以下步骤：
参考图1所示，将工件装夹在仪器转台上，通过仪器顶尖竖向固定工件上的凸轮轴；
在上、下工件基准的定位区域内分别选取标记点a0、b0。
参考图2所示，仪器测头对标记点进行采样，采样时，仪器测头与工件同步旋转，保持相对静止，避免引入仪器测头的移动误差。
在初始位置进行第一次采样，获得标记点a0和b0的采样坐标a1(xa,1,ya,1,za,1)和b1(xb,1,yb,1,zb,1)。
转台带动工件从初始位置旋转90°后，进行第二次采样，获得标记点a0和b0的采样坐标a2(xa,2,ya,2,za,2)和坐标b2(xb,2,yb,2,zb,2)。
转台带动工件从初始位置旋转180°后，进行第三次采样，获得标记点a0和b0的采样坐标a3(xa,3,ya,3,za,3)和坐标b3(xb,3,yb,3,zb,3)。
转台带动工件从初始位置旋转270°后，进行第四次采样，获得标记点a0和b0的采样坐标a4(xa,4,ya,4,za,4)和坐标b4(xb,4,yb,4,zb,4)。
分析仪器测头在四个采样位置时是否处于自身的可控范围内，若否，则重新装夹工件；若是，则根据预先标定的仪器测头的最大探测误差确定凸轮轴的轴心线相对于仪器坐标系的Z轴的偏心修差量Δz。
根据采样点分别计算凸轮轴的轴心线相对于仪器坐标系的X轴与Y轴的偏心修差量；根据偏心修差量将凸轮轴坐标系转换到仪器坐标。
参考图3所示，当仪器测头为接触式测头时，分别判断仪器测头在四个采样位置时的受力是否都在可控受力范围内，若否，则重新装夹工件；若是，则以预先标定的仪器测头的最大探测误差的三分之一(根据误差的三分之一原则)作为凸轮轴的轴心线相对于Z轴的偏心修差量Δz。仪器上存在测量力值传感器，会反馈受力大小信息。
当仪器测头为非接触式测头时，分别判断测头在四个采样位置时的位姿是否在可控位姿范围内，若否，则重新装夹工件；若是，则以预先标定的仪器测头的最大探测误差的三分之一(根据误差的三分之一原则)作为凸轮轴的轴心线相对于Z轴的偏心修差量Δz；测头的位姿是指测头在仪器坐标系下的空间坐标和空间夹角。空间坐标指在仪器坐标系下的X轴、Y轴、Z轴方向的坐标，空间夹角是指测头不仅可以沿坐标轴移动，同时可以旋转与坐标轴形成夹角，为空间夹角。
参考图4所示，图中圆柱坐标系是指凸轮轴坐标系，凸轮轴的轴心线相对于X轴的偏心修差量包括凸轮轴的轴心线相对于X轴的夹角α0以及位移量Δx，分别按如下方式计算：
以点
Figure BDA0002771078710000051
与点
Figure BDA0002771078710000052
的连线与Z轴的夹角作为所述夹角α0，其中，点
Figure BDA0002771078710000053
为采样点a1(xa,1,ya,1,za,1)与a3(xa,3,ya,3,za,3)的中间点，点
Figure BDA0002771078710000054
为采样点b1(xb,1,yb,1,zb,1)与采样点b3(xb,3,yb,3,zb,3)的中间点；
夹角α0的计算公式如下：
Figure BDA0002771078710000055
位移量Δx的计算公式如下：
Figure BDA0002771078710000061
参考图5所示，图中圆柱坐标系是指凸轮轴坐标系，凸轮轴的轴心线相对于Y轴的偏心修差量包括凸轮轴的轴心线相对于Y轴的夹角β0以及位移量Δy，分别按如下方式计算：
以点
Figure BDA0002771078710000062
与点
Figure BDA0002771078710000068
的连线与Z轴的夹角作为所述夹角β0，其中，点
Figure BDA0002771078710000063
为采样点a2(xa,2,ya,2,za,2)与a4(xa,4,ya,4,za,4)的中间点，点
Figure BDA0002771078710000064
为采样点b2(xb,2,yb,2,zb,2)与b4(xb,4,yb,4,zb,4)的中间点；
夹角β0的计算公式如下：
Figure BDA0002771078710000065
位移量Δy的计算公式如下：
Figure BDA0002771078710000066
凸轮轴坐标系按如下方式建立：
在仪器坐标系内以仪器测头对上、下工件基准进行采样，以最小二乘法对对上、下工件基准的采样点进行拟合得到上、下工件基准的圆心坐标，以上、下工件基准的圆心连线作为凸轮轴的Z0轴，并以垂直于Z0轴并通过下工件基准圆心的平面作为X0Y0平面；
按如下公式将凸轮轴坐标系转换到仪器坐标系：
x＝(x0·cosα0+Δx)·cosθ0；
Figure BDA0002771078710000067
z＝z0·cosα0·cosβ0+Δz；
式中，(x0,y0,z0)表示在凸轮轴坐标系下的点，(x,y,z)表示将点(x0,y0,z0)转换到仪器坐标系下的坐标；凸轮轴的轴心线相对于X轴的偏心修差量包括凸轮轴的轴心线相对于X轴的夹角α0以及位移量Δx；凸轮轴的轴心线相对于Y轴的偏心修差量包括凸轮轴的轴心线相对于Y轴的夹角β0以及位移量Δy；θ0表示当前测量点相对于初始测量点的旋转角度，范围为0°～360°。
本发明针对凸轮轴的安装误差进行修正，是对凸轮轴上的凸轮轮廓进行准确采样的基础，使得仪器测头能够在根据凸轮设计参数所生成的采样路径的基础上调整采样位姿，即使得仪器测头能够在仪器坐标系内相对于实际安装的凸轮轴的轴线调整采样位姿。本发明对夹角和偏移量进行误差补偿，从而使得仪器测头能调整角度以垂直凸轮轴的轴线，当被测对象(凸轮、轴颈)与凸轮轴同轴时，能在仪器坐标系内将采用路径上的点移动到被测对象轮廓上。

Claims (6)

1.一种凸轮轴偏心误差修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
将工件装夹在仪器转台上，通过仪器顶尖竖向固定工件上的凸轮轴；
在上、下工件基准的定位区域内分别选取标记点a0、b0；
仪器测头对标记点进行采样：
在初始位置进行第一次采样，获得标记点a0和b0的采样坐标a1(xa,1,ya,1,za,1)和b1(xb,1,yb,1,zb,1)；
转台带动工件从初始位置旋转90°后，进行第二次采样，获得标记点a0和b0的采样坐标a2(xa,2,ya,2,za,2)和坐标b2(xb,2,yb,2,zb,2)；
转台带动工件从初始位置旋转180°后，进行第三次采样，获得标记点a0和b0的采样坐标a3(xa,3,ya,3,za,3)和坐标b3(xb,3,yb,3,zb,3)；
转台带动工件从初始位置旋转270°后，进行第四次采样，获得标记点a0和b0的采样坐标a4(xa,4,ya,4,za,4)和坐标b4(xb,4,yb,4,zb,4)；
分析仪器测头在四个采样位置时是否处于自身的可控范围内，若否，则重新装夹工件；若是，则根据预先标定的仪器测头的最大探测误差确定凸轮轴的轴心线相对于仪器坐标系的Z轴的偏心修差量Δz；
根据采样点分别计算凸轮轴的轴心线相对于仪器坐标系的X轴与Y轴的偏心修差量；根据偏心修差量将凸轮轴坐标系转换到仪器坐标系。
2.根据权利要求1所述的凸轮轴偏心误差修正方法，其特征在于，当仪器测头为接触式测头时，分别判断仪器测头在四个采样位置时的受力是否都在可控受力范围内，若否，则重新装夹工件；若是，则以预先标定的仪器测头的最大探测误差的三分之一作为凸轮轴的轴心线相对于Z轴的偏心修差量Δz。
3.根据权利要求1所述的凸轮轴偏心误差修正方法，其特征在于，当仪器测头为非接触式测头时，分别判断测头在四个采样位置时的位姿是否在可控位姿范围内，若否，则重新装夹工件；若是，则以预先标定的仪器测头的最大探测误差的三分之一作为凸轮轴的轴心线相对于Z轴的偏心修差量Δz；测头的位姿是指测头在仪器坐标系下的空间坐标和空间夹角。
4.根据权利要求1所述的凸轮轴偏心误差修正方法，其特征在于，凸轮轴的轴心线相对于X轴的偏心修差量包括凸轮轴的轴心线相对于X轴的夹角α0以及位移量Δx，分别按如下方式计算：
以点
Figure FDA0003444056810000021
与点
Figure FDA0003444056810000022
的连线与Z轴的夹角作为所述夹角α0，其中，点
Figure FDA0003444056810000023
为采样点a1(xa,1,ya,1,za,1)与a3(xa,3,ya,3,za,3)的中间点，点
Figure FDA0003444056810000024
为采样点b1(xb,1,yb,1,zb,1)与采样点b3(xb,3,yb,3,zb,3)的中间点；
夹角α0的计算公式如下：
Figure FDA0003444056810000025
位移量Δx的计算公式如下：
Figure FDA0003444056810000026
式中，z为测点在Z轴方向的坐标。
5.根据权利要求1所述的凸轮轴偏心误差修正方法，其特征在于，凸轮轴的轴心线相对于Y轴的偏心修差量包括凸轮轴的轴心线相对于Y轴的夹角β0以及位移量Δy，分别按如下方式计算：
以点
Figure FDA0003444056810000027
与点
Figure FDA0003444056810000028
的连线与Z轴的夹角作为所述夹角β0，其中，点
Figure FDA0003444056810000029
为采样点a2(xa,2,ya,2,za,2)与a4(xa,4,ya,4,za,4)的中间点，点
Figure FDA00034440568100000210
为采样点b2(xb,2,yb,2,zb,2)与b4(xb,4,yb,4,zb,4)的中间点；
夹角β0的计算公式如下：
Figure FDA00034440568100000211
位移量Δy的计算公式如下：
Figure FDA00034440568100000212
式中，z为测点在Z轴方向的坐标。
6.根据权利要求1所述的凸轮轴偏心误差修正方法，其特征在于，凸轮轴坐标系按如下方式建立：
在仪器坐标系内以仪器测头对上、下工件基准进行采样，以最小二乘法对上、下工件基准的采样点进行拟合得到上、下工件基准的圆心坐标，以上、下工件基准的圆心连线作为凸轮轴的Z0轴，并以垂直于Z0轴并通过下工件基准圆心的平面作为X0Y0平面；
x＝(x0·cosα0+Δx)·cosθ；
Figure FDA0003444056810000031
z＝z0·cosα0·cosβ0+Δz；
式中，(x0,y0,z0)表示在凸轮轴坐标系下的点，(x,y,z)表示将点(x0,y0,z0)转换到仪器坐标系下的坐标；凸轮轴的轴心线相对于X轴的偏心修差量包括凸轮轴的轴心线相对于X轴的夹角α0以及位移量Δx；凸轮轴的轴心线相对于Y轴的偏心修差量包括凸轮轴的轴心线相对于Y轴的夹角β0以及位移量Δy；θ表示当前测量点相对于初始测量点的旋转角度，范围为0°～360°。
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