CN114459390B - 一种车床尾座同轴度精密检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车床尾座同轴度精密检测装置及检测方法，其中检测方法包括：将激光准直模块和光电测头分别安装在车床三爪卡盘和尾座套筒内；手动旋转三爪卡盘一周，根据准直激光束投射在光电测头上的光斑轨迹，拟合得到轨迹中心坐标；摇动车床尾座手轮使光电测头轴向移动到下一个测量截面，由激光测距模块测量移动的距离，根据多个截面上的激光光斑轨迹中心进一步拟合出车床主轴轴线。接下来，保持激光准直模块不动，将光电测头旋转一周，同样由多个截面上的激光光斑轨迹中心确定车床尾座孔轴线与各测量截面的交点；最后，计算出车床尾座的同轴度误差。本发明能够实现车床尾座同轴度的高精度检测，并且极大地提高检测效率，节约检测成本。

Description

一种车床尾座同轴度精密检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及几何量计量测试领域，具体涉及一种车床尾座同轴度精密检测装置及检测方法。

背景技术

同轴度公差是指被测轴线相对于基准轴线所允许的最大变动量，表明了被测轴线与基准轴线之间的重合程度。车床尾座同轴度指的是车床尾座孔轴线与车床主轴轴线之间的同轴度，它是车床的一项重要几何参数，直接影响车床的加工精度。目前，车床尾座同轴度基本上是采用圆柱形标准棒配合千分表用打表法检测。但在车床尾座同轴度检测中，尾座与主轴之间的距离大，打表法测量时千分表需要伸出较长距离，表架很难形成稳定的刚性支撑，从而导致测量精度较低。同时，打表法测量工序繁琐、工作量大、效率低。

综上所述，针对车床尾座同轴度检测问题目前还没有较好的高精度检测手段，而该同轴度误差的存在又严重影响到车床的加工精度和产品质量。因此，急需一种能够在工业现场实现车床尾座同轴度快速高精度检测的装置及其检测方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中打表法这种传统测量方法在检测精度和效率上的不足，提出一种基于激光准直和光电检测的车床尾座同轴度精密检测装置及其检测方法，有利于快速高精度测量工业现场的车床尾座同轴度误差并提供车床尾座调整依据，提高车床加工精度，降低测量操作难度。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种车床尾座同轴度精密检测装置，包括激光准直模块、光电测头、激光测距模块和运算处理模块；其中，所述激光准直模块由单模光纤激光器、陶瓷轴和连接机构组成。单模光纤激光器通过连接机构与陶瓷轴安装在一起，再通过陶瓷轴装夹于车床主轴的三爪卡盘上。连接机构上配有调节螺钉，用于调节单模光纤激光器的姿态，以调整准直激光束的出射方向。

优选的，所述光电测头主要由二维PSD传感器、双轴倾角传感器、导电滑环和旋转机构组成。光电测头通过旋转机构末端的锥形轴装夹于车床尾座套筒内，并可绕着尾座套筒的轴线旋转。

二维PSD传感器安装在光电测头前端的壳体内，PSD光敏面与测头轴线垂直，用于感知单模光纤激光器投射在光电测头上的激光光斑位置。

双轴倾角传感器安装在光电测头壳体内部的安装槽中，用于测量光电测头的旋转角度。

旋转机构一端为锥形结构，测量时与车床尾座套筒配合；另一端为可旋转输出轴，与测头壳体固连，带动光电测头旋转。

导电滑环的作用是避免在光电测头旋转过程中传感器的信号线发生缠绕，导电滑环的动子与所述旋转机构的输出轴固连，定子则与旋转机构的锥形壳体固连。

优选的，所述运算处理模块包括信号处理电路、单片机及触摸屏。测量人员通过触摸屏输入测量指令，信号处理电路采集所述光电测头及激光测距模块的传感器信号并进行放大、滤波、A/D转换等处理。然后由单片机计算出车床尾座的同轴度误差，并通过触摸屏显示输出测量结果。

本发明还公开了基于上述技术方案记载的车床尾座同轴度精密检测装置的检测方法，包括测量车床主轴轴线以及测量车床尾座同轴度误差，其中测量车床主轴轴线的步骤包括：

步骤11)：分别将激光准直模块装夹于车床主轴的三爪卡盘上、光电测头装夹于车床尾座套筒内，然后将车床尾座沿车床导轨移至用户需要的检测位置后锁紧。

步骤12)：转动车床尾座手轮使光电测头移动到尾座的一端，然后手动旋转光电测头至测头内的双轴倾角传感器读数为0°，将当前位置设置为光电测头的初始位置。

步骤13)：将激光测距模块通过磁性表座等辅助手段固定于车床上的合适位置，确保激光测距传感器发出的激光垂直投射在光电测头的前端面上。

步骤14)：由于PSD传感器的光敏面与光电测头轴线垂直，假设PSD平面坐标系为oxy，则以光电测头处于初始位置时的PSD中心作为坐标原点O，OXY坐标平面与PSD的oxy平面重合，OZ轴正方向指向车床主轴，建立世界坐标系OXYZ。

步骤15)：手动旋转车床三爪卡盘，带动激光准直模块旋转一周。光电测头上的二维PSD传感器采集投射在其光敏面上的一周的光斑坐标(x_i,y_i)，其中正整数i≥6，同时激光测距传感器测得光电测头位置Z₁。拟合得到这一周光斑点的中心，即为车床主轴轴线与当前测量截面的交点S₁(X₁,Y₁,Z₁)，具体拟合过程如下：

根据一周光斑坐标(x_i,y_i)，利用最小二乘法可拟合得到PSD平面内的椭圆方程为

Ax²+Bxy+Cy²+Dx+Ey+F＝0

式中，A、B、C、D、E、F为椭圆参数。进一步可得到椭圆中心坐标为

步骤16)：转动车床尾座手轮使光电测头沿轴向移动一段距离，控制光电测头姿态使双轴倾角传感器读数保持0°不变。

步骤17)：重复步骤15)和步骤16)，依次测得多个测量截面上的交点S₂、S₃、……、S_m的坐标，m为测量截面的个数。

根据交点S₁、S₂、……、S_m的坐标，利用最小二乘法拟合得到主轴轴线L₁的方程为

其中，直线L₁的参数X₀、Y₀、p、q由下式计算得到：

在此基础上，测量车床尾座同轴度误差的步骤如下：

步骤21)：车床三爪卡盘上的激光准直模块保持不动，将光电测头绕其轴线旋转一周。光电测头上的二维PSD传感器采集投射在其光敏面上的一周光斑坐标(x_k′,y_k′)，其中正整数k≥6，同时激光测距传感器测得光电测头的距离为Z₁′。拟合得到这一周光斑点的中心，即为车床尾座孔轴线与当前测量截面的交点T₁(X₁′,Y₁′,Z₁′)，其坐标计算方法与车床主轴轴线测量步骤15)的方法相同。

步骤22)：转动车床尾座手轮使光电测头沿轴向移动一段距离，重复步骤21)依次得到多个截面上的交点T₂、T₃、……T_n的坐标，n为测量截面的个数。

步骤23)：以所述的车床主轴轴线L₁为基准轴线，按下式计算车床尾座同轴度误差f

f＝2max{d_l,l＝1,2,…,n}

其中，d_l为坐标点T_l到主轴轴线L₁的距离，max{}表示取最大值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明以激光束作为测量基准，通过高精度光电传感器测量多个截面上的激光光斑坐标，并在此基础上拟合得到车床尾座同轴度误差。相比背景技术中通过打表测量标准轴的方法，本发明的测量误差因素少，系统检测精度高。并且，只需在几个测量截面上简单地旋转主轴或光电测头即可完成测量过程，无需安装和反复调整千分表，并省去了人工读数、记录及数据处理的繁琐操作，降低了测量难度，提高了检测效率。

2.打表法受表架长度及刚性等因素限制，测量范围十分有限，只能检测距离车床主轴较近处的尾座同轴度。本发明采用激光准直测量法，能够在几米甚至更长跨度内保持较高的测量精度，可实现大型车床的尾座同轴度检测。

3.本发明研制的检测装置能够自动完成数据采集、处理和结果输出等功能，装置结构小巧，自动化程度高，抗干扰能力强，特别适合生产现场使用。

附图说明

构成本申请的一部分说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明的测量系统组成原理图；

图2为本发明的激光准直模块结构示意图；

图3为光电测头轴测图；

图4为光电测头壳体内部侧视图；

图5为光电测头传感器安装结构示意图。

图1中：101—主轴箱，102—三爪卡盘，103—激光准直模块，104—激光测距模块，105—运算处理模块，106—光电测头，107—车床尾座，108—手轮，109—车床导轨，110—车床溜板。

图2中：201—陶瓷轴，202—光纤，203—连接机构，204—调节螺钉，205—激光器安装夹具，206—单模光纤激光器。

图3中：301—滤光片，302—测头壳体，303—旋转机构输出轴，304—导电滑环，305—旋转机构锥形壳体。

图4中：401—二维PSD传感器，402—双轴倾角传感器，403—双轴倾角传感器安装板。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

请参阅图1，本申请的一种典型实施方式实施例1：一种车床尾座同轴度检测装置，包括激光准直模块103、激光测距模块104、运算处理模块105及光电测头106。所述激光准直模块103发出的激光束投射在所述光电测头106上，所述运算处理模块105采集所述激光测距模块104及所述光电测头106的数据并进行处理，拟合出车床主轴轴线和尾座孔轴线，计算出车床尾座的同轴度误差，并将检测结果通过运算处理模块105上的触摸屏显示输出。

请参阅图2，所述激光准直模块103由陶瓷轴201、连接机构203和单模光纤激光器206组成。所述连接机构203前端间隔120°均匀分布了三对M3细牙螺钉204，用于固定所述单模光纤激光器206并调整其姿态。所述连接机构203后端与所述陶瓷轴201通过螺纹连接，所述陶瓷轴201装夹于车床三爪卡盘102上。

请参阅图3、图4和图5，所述光电测头106主要由二维PSD传感器401、双轴倾角传感器402、导电滑环304和旋转机构组成。光电测头通过旋转机构末端的锥形壳体305装夹于车床尾座套筒内，并可绕着尾座套筒的轴线旋转。

所述二维PSD传感器401安装在光电测头106前端的壳体302内，PSD光敏面与测头轴线垂直，用于感知单模光纤激光器206投射在光电测头106上的激光光斑位置。所述双轴倾角传感器402安装在光电测头壳体302内部的安装槽中，用于测量光电测头106的旋转角度。所述光电测头壳体302与旋转机构的输出轴303固连，使测头壳体以及安装在壳体内的传感器可随输出轴303一起旋转。所述导电滑环304用于避免在测头旋转时造成的传感器信号线缠绕，其动子与旋转机构的输出轴303固连，定子则与旋转机构的锥形壳体305固连。

本实施例公开了一种车床尾座同轴度检测装置的检测方法，该检测方法基于本实施例记载的车床尾座同轴度检测装置，由于该检测装置的具体结构在上述已经明确记载，故在此不再赘述，该检测方法包括测量车床主轴轴线以及测量车床尾座同轴度误差，其中测量车床主轴轴线的步骤包括：

步骤11)：分别将激光准直模块103装夹于车床主轴的三爪卡盘102上，光电测头106装夹于车床尾座套筒107内，然后将车床尾座107沿车床导轨109移至用户需要的检测位置后锁紧；

步骤12)：转动车床尾座手轮使光电测头106移动到尾座的一端，然后手动旋转光电测头106至测头内的双轴倾角传感器402读数为0°，将当前位置设置为光电测头106的初始位置；

步骤13)：将激光测距模块104通过磁性表座等辅助手段固定于车床上的合适位置，确保激光测距模块104发出的激光垂直投射于光电测头106的前端面上；

步骤14)：由于PSD传感器401的光敏面与光电测头106的轴线垂直，假设PSD平面坐标系为oxy，则以光电测头106处于初始位置时的PSD中心作为坐标原点O，OXY坐标平面与PSD的oxy平面重合，OZ轴正方向指向车床主轴，建立世界坐标系OXYZ。

步骤15)：手动旋转车床三爪卡盘102，带动激光准直模块103旋转一周。光电测头106上的二维PSD传感器401采集投射在其光敏面上的一周的光斑坐标(x_i,y_i)，其中正整数i≥6，同时激光测距传感器104测得光电测头106的位置Z₁。拟合得到这一周光斑点的中心，即为车床主轴轴线与当前测量截面的交点S₁(X₁,Y₁,Z₁)，具体拟合过程如下：

根据一周光斑坐标(x_i,y_i)，利用最小二乘法可拟合得到PSD平面内的椭圆方程为

Ax²+Bxy+Cy²+Dx+Ey+F＝0

式中，A、B、C、D、E、F为椭圆参数。进一步可得到椭圆中心坐标为

步骤16)：转动车床尾座手轮108使光电测头106沿轴向移动一段距离，控制光电测头106姿态使双轴倾角传感器402读数保持0°不变。

步骤17)：重复步骤5)和步骤6)，依次测得多个测量截面上的交点S₂、S₃、……、S_m的坐标，m为测量截面的个数。

根据交点S₁、S₂、……、S_m的坐标，利用最小二乘法拟合得到主轴轴线L₁的方程为

其中，直线L₁的参数X₀、Y₀、p、q由下式计算得到：

在此基础上，测量车床尾座同轴度误差的步骤如下：

步骤21)：车床三爪卡盘102上的激光准直模块103保持不动，将光电测头106绕其轴线旋转一周。光电测头106上的二维PSD传感器401采集投射在其光敏面上的一周光斑坐标(x_k′,y_k′)，其中正整数k≥6，同时激光测距传感器104测得光电测头106的距离为Z₁′。拟合得到这一周光斑点的中心，即为车床尾座孔轴线与当前测量截面的交点T₁(X₁′,Y₁′,Z₁′)，其坐标计算方法与上面主轴轴线测量步骤15)相同。

步骤22)：转动车床尾座手轮108使光电测头106沿轴向移动一段距离，重复步骤21)依次得到多个截面上的交点T₂、T₃、……T_n的坐标，n为测量截面的个数。

步骤23)：以所述的车床主轴轴线L₁为基准轴线，按下式计算车床尾座同轴度误差f。f＝2max{d_l,l＝1,2,…,n}

其中，d_l为坐标点T_l到主轴轴线L₁的距离，max{}表示取最大值。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种车床尾座同轴度精密检测装置的检测方法，其特征在于，所述车床尾座同轴度精密检测装置，包括激光准直模块、光电测头、激光测距模块和运算处理模块；其中所述激光准直模块装夹于车床主轴的三爪卡盘上，用于发出准直激光束作为测量基准；所述光电测头装夹于车床尾座套筒内，用于感知准直激光束投射在光电测头上的激光光斑位置；所述激光测距模块固定于车床上，用于测量光电测头沿车床尾座套筒的轴向位移；所述运算处理模块用于采集和处理所述光电测头及激光测距模块的信号，然后计算出车床尾座的同轴度误差，并通过触摸屏显示输出测量结果；

所述激光准直模块包括单模光纤激光器、陶瓷轴和连接机构；所述单模光纤激光器通过连接机构与陶瓷轴安装在一起，再通过陶瓷轴装夹于车床主轴的三爪卡盘上；所述连接机构上配有调节螺钉，用于调节单模光纤激光器的姿态，以调整准直激光束的出射方向；

所述光电测头包括二维PSD传感器、双轴倾角传感器、导电滑环和旋转机构；所述光电测头通过旋转机构末端的锥形轴装夹于车床尾座套筒内，并可绕着尾座套筒的轴线旋转；

所述二维PSD传感器安装在光电测头前端的壳体内，PSD光敏面与测头轴线垂直，用于感知单模光纤激光器投射在光电测头上的激光光斑位置；

所述双轴倾角传感器安装在光电测头壳体内部的安装槽中，用于测量光电测头的旋转角度；

所述旋转机构一端为锥形结构，测量时与车床尾座套筒配合；另一端为可旋转输出轴，与测头壳体固连，带动光电测头旋转；

所述导电滑环的作用是避免在光电测头旋转过程中传感器的信号线发生缠绕，导电滑环的动子与所述旋转机构的输出轴固连，定子则与旋转机构的锥形壳体固连；

所述运算处理模块包括信号处理电路、单片机及触摸屏；测量人员通过触摸屏输入测量指令，信号处理电路采集所述光电测头及激光测距模块的传感器信号并进行放大、滤波、A/D转换处理，然后由单片机计算出车床尾座的同轴度误差，并通过触摸屏显示输出测量结果；

所述检测方法包括测量车床主轴轴线以及测量车床尾座同轴度误差，其中测量车床主轴轴线的步骤包括：

步骤11）：分别将激光准直模块装夹于车床主轴的三爪卡盘上、光电测头装夹于车床尾座套筒内，然后将车床尾座沿车床导轨移至用户需要的检测位置后锁紧；

步骤12）：转动车床尾座手轮使光电测头移动到尾座的一端，然后手动旋转光电测头至测头内的双轴倾角传感器读数为0°，将当前位置设置为光电测头的初始位置；

步骤13）：将激光测距模块通过磁性表座辅助手段固定于车床上的合适位置，确保激光测距传感器发出的激光垂直投射在光电测头的前端面上；

步骤14）：由于PSD传感器的光敏面与光电测头轴线垂直，假设PSD平面坐标系为oxy，则以光电测头处于初始位置时的PSD中心作为坐标原点O，世界坐标系OXY的坐标平面与PSD的oxy平面重合，OZ轴正方向指向车床主轴，建立世界坐标系OXYZ；

步骤15）：手动旋转车床三爪卡盘，带动激光准直模块旋转一周；光电测头上的二维PSD传感器采集投射在其光敏面上的一周的光斑坐标(x _i , y _i )，其中正整数

，同时激光测距传感器测得光电测头位置Z₁；拟合得到这一周光斑点的中心，即为车床主轴轴线与当前测量截面的交点S ₁(X₁, Y₁, Z₁)，具体拟合过程如下：

根据一周光斑坐标(x _i , y _i )，利用最小二乘法可拟合得到PSD平面内的椭圆方程为

式中，A、B、C、D、E、F为椭圆参数；进一步可得到椭圆中心坐标为

步骤16）：转动车床尾座手轮使光电测头沿轴向移动一段距离，控制光电测头姿态使双轴倾角传感器读数保持0°不变；

步骤17）：重复步骤15）和步骤16），依次测得多个测量截面上的交点S₂、S₃、……、S _m的坐标，m为测量截面的个数；

根据交点S₁、S₂、……、S _m的坐标，利用最小二乘法拟合得到主轴轴线L₁的方程为

其中，直线L₁的参数X ₀、Y ₀、p、q由下式计算得到：

。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述测量车床尾座同轴度误差的步骤包括：

步骤21）：车床三爪卡盘上的激光准直模块保持不动，将光电测头绕其轴线旋转一周；光电测头上的二维PSD传感器采集投射在其光敏面上的一周光斑坐标

，其中正整数

，同时激光测距传感器测得光电测头位置

；

这一周光斑点的中心，即为车床尾座孔轴线与当前测量截面的交点

；

步骤22）：转动车床尾座手轮使光电测头沿轴向移动一段距离，重复步骤21）依次得到多个测量截面上的交点T₂、T₃、……T_n的坐标，n为测量截面的个数；

步骤23）：以所述车床主轴轴线L₁为基准轴线，按下面式子计算车床尾座同轴度误差f

其中，d _l 为坐标点T _l 到主轴轴线L₁的距离，max{}表示取最大值。

Images