CN113446952A - 一种在线非接触式轴径测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轴径在线非接触式精密测量方法，属于几何量精密测量技术领域。本发明提出一种基于2D激光测量和全量程标定校准的轴径在线精密测量方法，该方法采用2D激光轮廓传感器同步采集检验剖面的二维坐标数据，基于采集的坐标数据和最小二乘拟合算法求解被测轴的半径，采用全量程标定校准方法建立轴径测量误差模型，利用误差补偿算法实时补偿系统的非线性误差，提高轴径测量的精度，该方法解决了轴类工件的快速、非接触、在线、高精度轴径测量的问题。本发明相对测量误差小于0.5％。

Description

一种在线非接触式轴径测量方法

技术领域

本发明涉及几何量精密测量技术领域，涉及一种在线非接触式轴径测量方法。

背景技术

轴类零件是各种机械装置的核心部件，它主要用来支撑传动零部件、承受载荷和传递扭矩，广泛应用于航空航天、军工领域及国民经济的各行各业。轴径是轴类零件的重要基础参数，其测量和制造精度直接关系到轴类零件与其它零部件的配合效能，对提高机械设备运行精度和寿命具有重要作用。

目前，轴径测量的方法有很多，主要包括量仪法、三坐标测量法、机器视觉法、激光测量法等。量仪法主要利用专用量规、游标卡尺、螺旋测微仪等标准量具，手动、离线完成轴径的测量和评价，该方法原理简单、易于操作，但自动化程度低，无法满足高效率、在线轴径测量的需求，只能作为辅助检测手段，用于车间现场的轴径过程质量检查；三坐标测量法在标准的三坐标测量机上选用高精度触发测头，基于逐点接触采集的检验剖面坐标数据和专用算法，自动计算和分析轴径测量结果，该方法具有通用性强、精度高等特点，但接触式、离线测量，限制了测量的效率和适应性；机器视觉法采用图像处理技术快速测量轴类工件的直径，具有非接触、高效率等优点，但受技术水平的限制，其测量精度还有待进一步提高，无法满足高精度轴径测量的技术需求；随着激光测量技术的进步，基于各种激光传感器的光学非接触式测量技术成为了轴径测量的重要研究方向，但是受测量原理的限制，该方法的误差影响因素较多，在光学适应性、测量精度、可靠性等方面还有待深入研究。

综上，目前的轴径测量方法各有优缺点，其发展经历了从手动到自动、从接触到非接触、从离线到在线的过程，随着技术的进步，非接触式轴径在线自动测量技术终将成为研究的主流方向。本发明提出一种基于2D激光测量和全量程标定校准的轴径在线精密测量方法，该方法测量精度高、灵活高效，可实现轴类工件半径的非接触在线测量，在实际工程应用中具有较好的实用价值。

发明内容

(一)解决的技术问题

本发明目的在于克服现有技术存在的不足，而提出一种基于2D激光测量和全量程标定校准的轴径在线精密测量方法。

(二)技术方案

一种在线非接触式轴径测量方法，采用2D激光轮廓传感器同步采集被测轴检验剖面的二维坐标数据，2D激光轮廓传感器采用线激光投射于被测物体表面，一次采样输出光幕宽度方向X和距离方向Y两个轴的位置数据，具有非接触、高精度、高动态响应等技术特点，很好地解决了坐标数据的快速、精密测量问题。

进一步地，为了简化测量模型，在被测轴上规划一个检验剖面，规划的检验剖面垂直于被测轴的中轴线，调整2D激光轮廓传感器的位姿，使线激光沿检验剖面方向投射到被测轴表面，并确保传感器可以采集到清晰、完整、对称的图像数据。

进一步地，优化2D激光轮廓传感器的测量模式和轮廓提取算法，提高坐标测量的精度。

进一步地，测试计算机通过USB接口与2D激光轮廓传感器通信，利用测量软件采集测量数据并完成轴径计算与分析。

进一步地，为了提高测量精度，在选定的测量位置，采集k组测量数据(k>10)，采用算术平均算法求解原始测量数据Q_j(x_j,y_j)，其中，j＝1,2,…,n，n为线激光坐标点数。

进一步地，采用测量软件对求解的原始测量数据Q_j进行预处理，滤除噪声和干扰，优化提取有效坐标信息P_i(X_i,Y_i)，其中，i＝1,2,…,N，N为有效坐标点数。

进一步地，采用最小二乘圆拟合算法处理坐标数据P_i(X_i,Y_i)，求解被测轴的半径R_c。

进一步地，采用全量程标定校准方法建立轴径测量误差模型，补偿系统的非线性误差，提高轴径测量的精度。

进一步地，依据求解的误差模型和实时提取的测量位置Y，补偿轴径测量结果，从而实现轴类工件的快速、非接触、在线、高精度轴径测量。

(三)有益效果

本发明提供了一种基于2D激光测量和全量程标定校准的轴径在线精密测量方法，该方法采用2D激光轮廓传感器同步采集检验剖面的二维坐标数据，基于采集的坐标数据和最小二乘拟合算法求解被测轴的半径，采用全量程标定校准方法建立轴径测量误差模型，利用误差补偿算法提高轴径测量的精度，该方法解决了轴类工件的快速、非接触、在线、高精度轴径测量的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的，保护一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为在线非接触式轴径测量系统；

图2为2D激光轮廓传感器的空间坐标系；

图3为测量软件界面；

图4为最小二乘圆拟合方法；

图5为全量程标定校准方法。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”，其仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”，应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1，一种在线非接触式轴径测量方法，采用2D激光轮廓传感器同步采集被测轴检验剖面的二维坐标数据，基于采集的坐标数据和最小二乘拟合算法求解被测轴的半径，实现轴类工件半径的非接触在线测量。

参照图2，2D激光轮廓传感器采用线激光投射于被测物体表面，一次采样输出光幕宽度方向X和距离方向Y两个轴的位置数据，具有非接触、高精度、高动态响应等技术特点，很好地解决了坐标数据的快速、精密测量问题。

为了简化测量模型，在被测轴上规划一个检验剖面，规划的检验剖面垂直于被测轴的中轴线，调整2D激光轮廓传感器的位姿，使线激光沿检验剖面方向投射到被测轴表面，并确保传感器可以采集到清晰、完整、对称的图像数据。

必要时，优化2D激光轮廓传感器的测量模式和轮廓提取算法，提高坐标测量的精度。

测试计算机通过USB接口与2D激光轮廓传感器通信，利用如图3所示的专用测量软件(基于Labview编程)采集测量数据并完成轴径计算与分析。

为了提高测量精度，在选定的测量位置，采集k组测量数据(k>10)，采用算术平均算法求解原始测量数据Q_j(x_j,y_j)，其中，j＝1,2,…,n，n为线激光坐标点数。

参照图3，测量软件对求解的原始测量数据Q_j进行预处理，滤除噪声和干扰，优化提取有效坐标信息P_i(X_i,Y_i)，其中，i＝1,2,…,N，N为有效坐标点数。

参照图4，采用最小二乘圆拟合算法处理坐标数据P_i(X_i,Y_i)，求解被测轴的半径R_c，最小二乘圆拟合算法模型如公式(1)～(8)所示。

设R_c为拟合圆曲线的半径，其值可以采用最小二乘拟合算法确定：

X_c＝(a₂₂b₂-a₁₂b₁)/(a₁₁a₂₂-a₂₁a₁₂) (1)

Y_c＝(a₁₁b₂-a₂₁b₁)/(a₁₁a₂₂-a₂₁a₁₂) (2)

式(1)、(2)、(3)中，X_i、Y_i为有效坐标点，N为有效坐标点数量，b₁、b₂、a₁₁、a₁₂、a₂₁、a₂₂为过程参量，求解模型如下：

参照图5，为了补偿系统的非线性误差，提高轴径测量的精度，采用全量程标定校准方法建立轴径测量误差模型。

具体方法为：首先建立测量坐标系O-XY，并在2D激光轮廓传感器的全量程测量范围内，沿Y方向等间距规划11个测量位置P₁～P₁₁，相邻测量位置的间距为5mm；然后以标准芯轴(半径r＝15mm，圆度误差小于2μm)为测量对象，分别在位置P₁～P₁₁，测量并基于最小二乘圆拟合算法求解轴径r₁～r₁₁；最后基于求解的轴径误差，采用二次多项式最小二乘拟合算法建立测量系统全量程轴径测量的误差模型，如公式(9)所示。

E_Y＝A×Y²+B×Y+C (9)

其中，Y为测量位置，取值范围(-25mm～+25mm)，A、B、C为模型系数，采用二次多项式最小二乘拟合算法确定。

最后，依据求解的误差模型和实时提取的测量位置Y，补偿轴径测量结果，从而实现轴类工件的快速、非接触、在线、高精度轴径测量。

本发明的工作原理为：

利用本发明在线测量轴径，首先参照图5，采用全量程标定校准方法建立轴径测量误差模型，如公式(9)所示。

进一步地，参照图1，利用2D激光轮廓传感器在线采集被测轴检验剖面的二维坐标数据。

进一步地，参考图2，调整2D激光轮廓传感器的位姿，使线激光沿检验剖面方向投射到被测轴表面，并确保传感器可以采集到清晰、完整、对称的图像数据。

进一步地，优化2D激光轮廓传感器的测量模式和轮廓提取算法，提高坐标测量的精度。

进一步地，参照图3，利用测量软件采集k组测量数据(k>10)，采用算术平均算法求解原始测量数据Q_j(x_j,y_j)，其中，j＝1,2,…,n，n为线激光坐标点数。

进一步地，参照图3，利用测量软件对求解的原始测量数据Q_j进行预处理，滤除噪声和干扰，优化提取有效坐标信息P_i(X_i,Y_i)，其中，i＝1,2,…,N，N为有效坐标点数。进一步地，采用最小二乘圆拟合算法处理坐标数据P_i(X_i,Y_i)，求解被测轴的半径R_c，最小二乘圆拟合算法模型如公式(1)～(8)所示。

进一步地，依据全量程标定校准方法求解的轴径测量误差模型和实时提取的测量位置Y，补偿轴径测量结果，从而实现轴类工件的快速、非接触、在线、高精度轴径测量。

依照本方法，进行多组测量：

在传感器的全量程范围内，任意选定三个测量位置，对比分析误差补偿前后的测量结果，如表1所示。

表1芯轴测量实验数据(mm)：

结果表明：受测量系统非线性误差的影响，补偿前轴径测量误差最大可达到0.636mm；误差补偿后，最大测量误差降低到0.117mm，测量相对误差小于0.5％。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种在线非接触式轴径测量方法，其特征在于，采用2D激光轮廓传感器同步采集被测轴检验剖面的二维坐标数据，基于采集的坐标数据和最小二乘拟合算法求解被测轴的半径，实现轴类工件半径的非接触在线测量。

2.根据权利要求1所述的一种在线非接触式轴径测量方法，其特征在于，2D激光轮廓传感器采用线激光投射于被测物体表面，一次采样输出光幕宽度方向X和距离方向Y两个轴的位置数据。

3.根据权利要求1所述的一种在线非接触式轴径测量方法，其特征在于，在被测轴上规划一个检验剖面，规划的检验剖面垂直于被测轴的中轴线，调整2D激光轮廓传感器的位姿，使线激光沿检验剖面方向投射到被测轴表面，并确保传感器可以采集到清晰、完整、对称的图像数据。

4.根据权利要求3所述的一种在线非接触式轴径测量方法，其特征在于，优化2D激光轮廓传感器的测量模式和轮廓提取算法，提高坐标测量的精度。

5.根据权利要求1所述的一种在线非接触式轴径测量方法，其特征在于，测试计算机通过USB接口与2D激光轮廓传感器通信，利用测量软件采集测量数据并完成轴径计算与分析。

6.根据权利要求1所述的一种在线非接触式轴径测量方法，其特征在于，在选定的测量位置，采集k组测量数据(k>10)，采用算术平均算法求解原始测量数据Q_j(x_j,y_j)，其中，j＝1,2,…,n，n为线激光坐标点数。

7.根据权利要求6所述的一种在线非接触式轴径测量方法，其特征在于，采用测量软件对求解的原始测量数据Q_j进行预处理，滤除噪声和干扰，优化提取有效坐标信息P_i(X_i,Y_i)，其中，i＝1,2,…,N，N为有效坐标点数。

8.根据权利要求7所述的一种在线非接触式轴径测量方法，其特征在于，采用最小二乘圆拟合算法处理坐标数据P_i(X_i,Y_i)，求解被测轴的半径R_c。

9.根据权利要求1所述的一种在线非接触式轴径测量方法，其特征在于，采用全量程标定校准方法和二次多项式最小二乘拟合算法建立轴径测量误差模型，补偿系统的非线性误差，提高轴径测量的精度。

10.根据权利要求1所述的一种在线非接触式轴径测量方法，其特征在于，依据全量程标定校准方法求解的轴径测量误差模型和实时提取的测量位置Y，补偿轴径测量结果，从而实现轴类工件的快速、非接触、在线、高精度轴径测量。

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