CN112461181A - 一种利用三坐标测量机精确测量球缺半径的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用三坐标测量机精确测量球缺半径的方法，属于机械类精密尺寸检测技术。本发明将零件在三坐标工作台上稳定放置，并使测量机测针能够测到球体，利用在球体上采集的点，建立坐标系，并反复进行修正后确定球心位置，然后在球缺上采集若干点，计算球缺上各点半径数值，然后再将这些数值进行拟合，计算该球缺的半径尺寸。利用该测量方法测量小于1/4球缺半径，测量精度和效率都很高，在零件检测领域有着广泛的用途和前景。

Description

一种利用三坐标测量机精确测量球缺半径的方法

技术领域

本发明属于机械类精密尺寸检测技术，具体涉及一种利用三坐标测量机精确测量球缺半径的方法。

背景技术

球缺是指一个球体被平面截开形成的两个半球，其中小的那一部分；球缺件球径尺寸检测是检验工作中经常遇到的，球缺件材料一般有玻璃类、金属类和树脂类；类型有零件、组件、部件；形状有完整的和不完整的、凸型和凹型；在球体中所占比例各不相同，尺寸有大有小、精度有高有低。检测球缺球径尺寸的方法有很多，玻璃类材料可以用轮廓仪、定心仪、干涉仪、三坐标测量机、R样板；球径仪检测是利用三个支撑球与零件接触，确定一个截面，顶杆接触球面得到矢高，然后根据截面半径以及矢高，计算得出被测零件球径。但是球径仪测量受限于结构，对于包含球面与其他结构的非回转对称零件的的球面则无法进行测量。机械类可以用球径仪、轮廓仪、三坐标测量机、R样板等；轮廓仪、定心仪、干涉仪检测时，都需要制作专用工装将球缺的球心置于设备的轴线或中心位置上,且能进行精确调整；R样板只能进行定性检测且检测精度较低；三坐标测量机是在零件上建立坐标系进行测量的，不受工件结构影响，不需要准确定位，且测力小精度高行程大，适用于各种形状、材料、精度、尺寸球径的检测，适用范围最广，缺点是检测软件均是利用在球体上采集到的点构造出整个球体，然后以构造球体的直径作为球缺的尺寸。当被测球缺在球体中所占的比例小于1/4时，球体的大部分体积是构造的，构造球体部分的公差带是所测球缺公差带的延伸公差带，构造的部分越大，延伸公差带越长，则测量误差越大。

发明内容

要解决的技术问题

为了解决现有球缺检测方法存在的缺陷，本发明提出一种利用三坐标测量机精确测量球缺半径的方法。

技术方案

一种利用三坐标测量机精确测量球缺半径的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：利用三坐标测量机先在球面上靠近球缺表面边缘位置处呈三角形分布采集3个点，编号为点1～点3，在目视球缺的顶或者底的位置采集点4，其中凸球为顶，凹球为底；

步骤2：利用点1～点3构造一个平面1和一个圆1，然后连接点1和点4构造一条直线1；建立坐标系1，将平面1的法线方向设置为坐标系的Z轴方向，线1设置为坐标系的X轴方向，圆1的圆心设置为坐标系的原点；

步骤3：将点4的(x，y)测量时的坐标值修改为(0，0)，并将点1～点4的矢量方向统一改为垂直于平面1；然后让三坐标测量机自动测量点1～点4，测量结束后，点4成为Z轴与球面的交点；

步骤4：按步骤2的操作过程重新建立坐标系1，然后在新坐标系1的XZ平面内，过线1的中点构造线1的垂线，并让垂线和Z轴相交，得到交点5，该点为粗测的球心点；

步骤5：修改点1～点4的矢量方向为各点到球心点5的连线方向，然后让三坐标测量机自动测量一次点1～点4，重复步骤4的操作，第二次测得球心点；

步骤6：重复步骤4～5的操作，本次所测得交点为精确的球心点；

步骤7：在球缺上均匀分布的采集多个特征点，然后将这些特征点的矢量方向统一改为各点与球心的连线方向；

步骤8：让三坐标测量机自动执行所有点的测量程序；测量结束后，计算球心到所采集的全部特征点的距离，即为球缺上各点的实测半径值；将实测的所有半径值，通过最小二乘法进行计算，得到一个球缺半径值。

步骤1中的靠近球缺表面边缘位置2mm处，使这三个点构成的三角形面积要尽可能的大。

步骤7中根据被测球缺球面的大小和形状，选择自动或者手动采集特征点。

有益效果

本发明提出的一种利用三坐标测量机精确测量球缺半径的方法，可适用于各种材料、尺寸、形状的球缺零件球径检测方法，保证检测精度和可靠性，降低检测成本，提高工作效率。本发明解决了以下几个方面的问题：

1)在未知球径情况下的球缺半径测量；

2)包含球面与其他结构的非回转对称零件的球缺半径测量。

经过试验验证，使用本发明方法测量标准球面时，与球径仪测量结果比较接近，且重复测量精度高。

附图说明

图1为零件示意图；

图2为采集点1～点4示意图；

图3为构造平面1、圆1和线1示意图；

图4为建立坐标系1示意图；

图5为构造线2及球心示意图；

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

第一步：在测量软件中设置关闭探针补偿，利用三坐标测量机手动在球面上，靠近球面边缘位置(大约2mm)，呈三角形均匀采集三个点(点1、点2、点3)，采集这三个点时要注意使这三个点构成的三角形面积要尽可能的大。并在目视球面的顶部或者底部(凸球为顶部，凹球为底部)的位置采集点4，如附图2；

第二步：利用点1、点2、点3构造一个平面(平面1)和一个圆(圆1)，点4和点1连线构造一条直线(线1)，平面1为球面上的截面、圆1为截面圆，如附图3；

第三步：建立坐标系1，用平面1的法线做Z轴，线1做X轴，坐标系原点为圆1的圆心；坐标系Z轴是经过球心的，如附图4；

第四步：将点4的(x，y)坐标值设置为(0，0)，点1～点4的矢量方向统一改为垂直于平面1，使点1～点3测量误差保持一致；让测量机自动测量一次点1～点4，自动测量结束后，点4成为Z轴与球面的交点；

第五步：按第二步和第三步操作，重新建立坐标系1，在坐标系的XZ平面内，过线1的中点构造线1的垂线(线2)，由于线2和坐标系Z轴在同一平面(坐标系的XZ平面)内，所以线2和线1相交于一点，构造线2和Z轴的交点(点5)，点5即为粗测的球心，如附图5；

第六步：利用粗测的球心(点5)，把点1～点4的矢量方向逐个修改为各点到球心(点5)的方向，再让测量机自动测量一次点1～点4；

第七步：重复第五步操作，测得精确的球心(点5)；

第八步：根据被测球缺球面的大小和形状，选择自动或者手动在球缺上尽量多且均匀分布的采集特征点，将这些特征点的矢量方向统一改为各点到球心(点5)的方向，然后让测量机自动测量全部特征点；

第九步：计算球心到球面上所有特征点的距离，得到每个点的半径值，再用最小二乘法计算得出最终的半径值。

Claims (3)

1.一种利用三坐标测量机精确测量球缺半径的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：利用三坐标测量机先在球面上靠近球缺表面边缘位置处呈三角形分布采集3个点，编号为点1～点3，在目视球缺的顶或者底的位置采集点4，其中凸球为顶，凹球为底；

步骤2：利用点1～点3构造一个平面1和一个圆1，然后连接点1和点4构造一条直线1；建立坐标系1，将平面1的法线方向设置为坐标系的Z轴方向，线1设置为坐标系的X轴方向，圆1的圆心设置为坐标系的原点；

步骤3：将点4的(x，y)测量时的坐标值修改为(0，0)，并将点1～点4的矢量方向统一改为垂直于平面1；然后让三坐标测量机自动测量点1～点4，测量结束后，点4成为Z轴与球面的交点；

步骤4：按步骤2的操作过程重新建立坐标系1，然后在新坐标系1的XZ平面内，过线1的中点构造线1的垂线，并让垂线和Z轴相交，得到交点5，该点为粗测的球心点；

步骤5：修改点1～点4的矢量方向为各点到球心点5的连线方向，然后让三坐标测量机自动测量一次点1～点4，重复步骤4的操作，第二次测得球心点；

步骤6：重复步骤4～5的操作，本次所测得交点为精确的球心点；

步骤7：在球缺上均匀分布的采集多个特征点，然后将这些特征点的矢量方向统一改为各点与球心的连线方向；

步骤8：让三坐标测量机自动执行所有点的测量程序；测量结束后，计算球心到所采集的全部特征点的距离，即为球缺上各点的实测半径值；将实测的所有半径值，通过最小二乘法进行计算，得到一个球缺半径值。

2.根据权利要求1所述的一种利用三坐标测量机精确测量球缺半径的方法，其特征在于步骤1中的靠近球缺表面边缘位置2mm处，使这三个点构成的三角形面积要尽可能的大。

3.根据权利要求1所述的一种利用三坐标测量机精确测量球缺半径的方法，其特征在于步骤7中根据被测球缺球面的大小和形状，选择自动或者手动采集特征点。

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