CN116448046B - 一种圆柱形零件端面垂直度误差的测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种圆柱形零件端面垂直度误差的测量装置及方法，涉及零件精度测量技术领域，装置包括：精密转台、第一传感器、第二传感器、刚性杆和转动机构，精密转台上方放置待测件，刚性杆的上下两端分别固定第一传感器和第二传感器，刚性杆垂直于精密转台的水平平面并固定于待测件的一侧，转动机构驱动精密转台转动。本发明的技术方案克服现有技术中测量零件的垂直度误差和误差方向角的测量效率较低、精度不高的问题。

Description

一种圆柱形零件端面垂直度误差的测量装置及方法
技术领域
本发明涉及零件精度测量技术领域，具体涉及一种圆柱形零件端面垂直度误差的测量装置及方法。
背景技术
在制造具有高表面精度的复杂形状部件的过程中，为了提高生产效率和生产质量，引入了高性能多轴机床。机床轴将刀具和工件移动到所需位置进行加工、制造，但在机床的使用寿命内，各种误差会导致机床轴在加工过程中的使用性能下降。其中，机床直线轴微小的垂直度误差可能会导致显著的工件误差。在进行垂直度误差测量时，现有的大部分检测仪器对垂直度误差的测量成本高，并且部分仪器只能检测垂直度误差或方向角误差参数中的一种。为了提高垂直度误差测量效率、测量精度，降低成本，有必要提出一种新的垂直度误差测量方法。
因此，现需要一种具有较高测量效率和测量精度，并且具有较低测量成本的圆柱形零件端面垂直度误差的测量装置及方法。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种圆柱形零件端面垂直度误差的测量装置及方法，以解决现有技术中测量零件的垂直度误差和误差方向角的测量效率较低、精度不高的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种圆柱形零件端面垂直度误差的测量装置，包括：精密转台、第一传感器、第二传感器、刚性杆和转动机构，精密转台上方放置待测件，刚性杆的上下两端分别固定第一传感器和第二传感器，刚性杆垂直于精密转台的水平平面并固定于待测件的一侧，转动机构驱动精密转台转动。
进一步地，转动机构包括：电机、第一带轮和第二带轮，电机的输出端与第一带轮固定连接，精密转台固定于第二带轮上方，第二带轮和第一带轮通过皮带连接。
进一步地，第一传感器和第二传感器为位移传感器。
进一步地，刚性杆的长度可调节，并且刚性杆上具有连接孔，第一传感器和第二传感器固定于连接孔中。
进一步地，待测件为圆柱形零件，待测件与精密转台的接触面为高精度平面。
一种圆柱形零件端面垂直度误差的测量方法，具体包括如下步骤：S1，将精密转台置于标准实验台面上，并且使圆柱形零件置于精密转台上。
S2，将第一传感器和第二传感器固定在刚性杆上，将刚性杆竖直固定并调整其高 度，使两个传感器之间的长度小于圆柱形零件的高度。
S3，打开电机，使得精密转台转动一周，由第一传感器和第二传感器得到测量数据。
S4，将圆柱形零件倒置，并且使精密转台反方向转一圈，由第一传感器和第二传感器得到测量数据。
S5，重复步骤S3和S4，直到测得的数据样本趋于稳定时进行步骤S6。
S6，测量完毕，利用数据采集装置对测量数据进行分析处理，输出圆柱形零件的垂直度误差和误差方向角。
进一步地，步骤S6具体包括：S6.1，计算垂直度误差的具体方法为：S6.1.1，根据最 小二乘法，拟合出圆柱形零件上、下两个表面的最小二乘圆圆心，连接圆心得到两轴线l和 L，根据最小二乘圆圆心坐标及几何关系得出垂直误差的中间参数和。
S6.1.2，通过垂直度误差的中间参数和，计算圆柱形零件的两个垂直度 和。
S6.2，计算误差方向角的具体方法为：根据步骤S6.1.1将两次测量得到的第二传感器所在平面的最小二乘圆投影到同一个固定坐标系内并进行平移重合，将圆心分别进行连线，并使两条直线l1和L1的一端点与坐标原点重合，投影后的两个轴线l1和L1的夹角θd即为误差方向角。
进一步地，步骤S6.1.1具体为：以圆柱形零件的上、下表面所在平面分别建立平面 直角坐标系，按照步骤S3和S4进行测量并利用最小二乘法，拟合出圆柱形零件上、下两个表 面的最小二乘圆圆心，即S(a,b); S' (c,d); Q(e,f); Q' (g,h)，连接点S S'得到第一次 测量的圆柱形零件的轴线l，连接点Q Q'得到第二次测量的圆柱形零件的轴线L，根据最小 二乘圆圆心坐标及几何关系得出垂直误差的中间参数和。
进一步地，步骤S6.1.2具体为：以圆柱形零件在竖直方向所在平面建立平面直角 坐标系，通过步骤S3和S4得到圆柱形零件的轴线与X轴的夹角分别为和，以夹角 和将圆柱形零件投影到此坐标系中，圆柱形零件的中轴线的延长线与X轴的交点分别为 O1和O2，与中轴线的垂线延长线的交点分别为A和B, A1和B1分别为点A和点B沿Y轴方向的投 影，和分别为直线O1 A1和直线O2 B1的长度，垂直度和的计算公式推导如下：，。
其中，为圆柱形零件的上下两个平面的半径。
本发明具有如下有益效果：本发明提供的测量装置成本低，测量精度高；而且，本发明测量垂直度误差和误差方向角的测量方法操作简单，能够快速实现对圆柱形零件的端面与其轴线的垂直度误差及两端面的误差方向角的测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
在附图中：图1示出了本发明的一种圆柱形零件端面垂直度误差的测量装置的整体结构示意图。
图2示出了本发明的一种圆柱形零件端面垂直度误差的测量方法的计算垂直度中 间参数和的方法示意图。
图3示出了利用本发明的方法计算垂直度误差的示意图。
图4示出了利用本发明的方法计算误差方向角的示意图。
其中，上述附图中的附图标记为：
1、精密转台；2、待测件；3、第一传感器；4、第二传感器；5、刚性杆；6、电机；7、第一带轮；8、第二带轮。
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。
如图1所示的一种圆柱形零件端面垂直度误差的测量装置，包括：精密转台1、第一传感器3、第二传感器4、刚性杆5和转动机构，精密转台1上方放置待测件2，刚性杆5的上下两端分别固定第一传感器3和第二传感器4，刚性杆5垂直于精密转台1的水平平面并固定于待测件2的一侧，转动机构驱动精密转台1转动。当进行测量时，将精密转台1置于标准台面（未在图中示出）上。
具体地，转动机构包括：电机6、第一带轮7和第二带轮8，电机6的输出端与第一带轮7固定连接，精密转台1固定于第二带轮8上方，第二带轮8和第一带轮7通过皮带连接。
具体地，第一传感器3和第二传感器4为位移传感器。
具体地，刚性杆5的长度可调节，并且刚性杆5上具有连接孔，第一传感器3和第二传感器4固定于连接孔中。
具体地，待测件2为圆柱形零件，待测件2与精密转台1的接触面为高精度平面。
一种圆柱形零件端面垂直度误差的测量方法，具体包括如下步骤：S1，将精密转台1置于标准实验台面上，并且使圆柱形零件置于精密转台1上。
S2，将第一传感器3和第二传感器4固定在刚性杆5上，将刚性杆5竖直固定并调整 其高度，使两个传感器之间的长度小于圆柱形零件的高度。
S3，打开电机6，使得精密转台1转动一周，由第一传感器3和第二传感器4得到测量数据。
S4，将圆柱形零件倒置，并且使精密转台1反方向转一圈，由第一传感器3和第二传感器4得到测量数据。
S5，重复步骤S3和S4，直到测得的数据样本趋于稳定时进行步骤S6。
S6，测量完毕，利用数据采集装置对测量数据进行分析处理，输出圆柱形零件的垂直度误差和误差方向角。
具体地，步骤S6具体包括：S6.1，计算垂直度误差的具体方法为：S6.1.1，根据最小 二乘法，拟合出圆柱形零件上、下两个表面的最小二乘圆圆心，连接圆心得到两轴线l和L， 根据最小二乘圆圆心坐标及几何关系得出垂直误差的中间参数和。
具体地，步骤S6.1.1具体为：以圆柱形零件的上、下表面所在平面分别建立平面直 角坐标系，按照步骤S3和S4进行测量并利用最小二乘法，拟合出圆柱形零件上、下两个表面 的最小二乘圆圆心，即S(a,b)；S' (c,d) ；Q(e,f) ； Q' (g,h)，连接点S S'得到第一次测 量的圆柱形零件的轴线l，连接点Q Q'得到第二次测量的圆柱形零件的轴线L，根据最小二 乘圆圆心坐标及几何关系得出垂直误差的中间参数和。
S6.1.2，通过垂直度误差的中间参数和，计算圆柱形零件的两个垂直度 和。
具体地，步骤S6.1.2具体为：以圆柱形零件在竖直方向所在平面建立平面直角坐 标系，通过步骤S3和S4得到圆柱形零件的轴线与X轴的夹角分别为和，以夹角和将圆柱形零件投影到此坐标系中，圆柱形零件的中轴线的延长线与X轴的交点分别为O1 和O2，与中轴线的垂线延长线的交点分别为A和B, A1和B1分别为点A和点B沿Y轴方向的投 影，和分别为直线O1 A1和直线O2 B1的长度，垂直度和的计算公式推导如下：，。
其中，为圆柱形零件的上下两个平面的半径。
S6.2，计算误差方向角的具体方法为：根据步骤S6.1.1将两次测量得到的第二传感器所在平面的最小二乘圆投影到同一个固定坐标系内并进行平移重合，将圆心分别进行连线，并使两条直线l1和L1的一端点与坐标原点重合，投影后的两个轴线l1和L1的夹角θd即为误差方向角。
以下将以第一传感器3和第二传感器4采集到的数据为例，说明本发明的计算圆柱形零件垂直度误差和误差方向角的方法，其中第一、第二传感器为位移传感器。
由于两个传感器在安装时存在不同的偏心误差，两个传感器测得初始数据的幅值不相同，需要对数据进行进行消除偏心处理。数据处理时采用拟合最小二乘法，处理后的数据再通过程序拟合出最小二乘圆圆心。其中拟合最小二乘圆圆心的方法为现有技术，详见张应芳,张爱国,苏积聪等. 观测圆上多个任意点及其圆心坐标拟合[J]. 黑龙江工程学院学报, 2014, 28(2): 5，在此不再赘述。
在测量过程中，由于位移传感器位置是固定不变的，建立直角坐标系，以待测件2 圆柱形零件的上下表面所在平面建立平面直角坐标系。随着转台同步转动的轴表面的测量 点始终处于两个固定的平面内。图2展示了对待测件2圆柱形零件进行两次测量后位置示意 图，左侧部分为待测件2圆柱形零件的上端面放置在精密转台1上进行测量的位置示意图， 右侧部分为待测件2圆柱形零件下端面放置在精密转台1上进行测量的位置示意图。将拟合 得到的最小二乘圆圆心分别标示在坐标系内，在图中的标示为S(a,b); S' (c,d); Q(e, f); Q' (g,h))四点，将圆心进行连线，得到的两轴线l和L，根据几何关系可以测出端面垂 直度的中间参数和。
如图3所示，中间参数和已知，圆柱形零件的上下表面半径R已知，根据以下 公式可以推导出垂直度。
垂直度和的计算公式推导如下：；。
求垂直度误差的另一个参数即误差方向角，即为上下两面垂直度的倾斜夹角，在将待测件2圆柱形零件进行反转分别测量上下表面的过程中，第一传感器3和第二传感器4的上下位置是不发生变化的，于是将两次测量得到的第二传感器所在平面的最小二乘圆投影到同一个固定坐标系内并进行平移重合，如图4所示，将图2中圆心投影到一个坐标系内，将圆心分别进行连线，并使两条直线l1和L1的一端点与坐标原点重合，即可测得两条轴线l1和L1之间的夹角即为误差方向角θd。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种圆柱形零件端面垂直度误差的测量方法，利用一种圆柱形零件端面垂直度误差的测量装置，包括：精密转台、第一传感器、第二传感器、刚性杆和转动机构，所述精密转台上方放置待测件，所述刚性杆的上下两端分别固定所述第一传感器和所述第二传感器，所述刚性杆垂直于所述精密转台的水平平面并固定于所述待测件的一侧，所述转动机构驱动所述精密转台转动；
其特征在于，测量方法具体包括如下步骤：
S1，将精密转台置于标准实验台面上，并且使圆柱形零件置于精密转台上；
S2，将第一传感器和第二传感器固定在刚性杆上，将刚性杆竖直固定并调整其高度，使两个传感器之间的长度l′m小于圆柱形零件l′的高度；
S3，打开电机，使得精密转台转动一周，由第一传感器和第二传感器得到测量数据；
S4，将圆柱形零件倒置，并且使精密转台反方向转一圈，由第一传感器和第二传感器得到测量数据；
S5，重复步骤S3和S4，直到测得的数据样本趋于稳定时进行步骤S6；
S6，测量完毕，利用数据采集装置对测量数据进行分析处理，输出圆柱形零件的垂直度误差和误差方向角；
步骤S6具体包括：
S6.1，计算垂直度误差的具体方法为：
S6.1.1，根据最小二乘法，拟合出圆柱形零件上、下两个表面的最小二乘圆圆心，连接圆心得到两轴线l和L，根据最小二乘圆圆心坐标及几何关系得出垂直误差的中间参数γ1和γ2；
S6.1.2，通过垂直度误差的中间参数γ1和γ2，计算圆柱形零件的两个垂直度δ1和δ2；
S6.2，计算误差方向角的具体方法为：根据步骤S6.1.1将两次测量得到的第二传感器所在平面的最小二乘圆投影到同一个固定坐标系内并进行平移重合，将圆心分别进行连线，并使两条直线l1和L1的一端点与坐标原点重合，投影后的两个轴线l1和L1的夹角θd即为误差方向角。
2.根据权利要求1所述的一种圆柱形零件端面垂直度误差的测量方法，其特征在于，所述转动机构包括：电机、第一带轮和第二带轮，所述电机的输出端与所述第一带轮固定连接，所述精密转台固定于所述第二带轮上方，所述第二带轮和所述第一带轮通过皮带连接。
3.根据权利要求1所述的一种圆柱形零件端面垂直度误差的测量方法，其特征在于，所述第一传感器和所述第二传感器为位移传感器。
4.根据权利要求1所述的一种圆柱形零件端面垂直度误差的测量方法，其特征在于，所述刚性杆的长度可调节，并且所述刚性杆上具有连接孔，所述第一传感器和所述第二传感器固定于所述连接孔中。
5.根据权利要求1所述的一种圆柱形零件端面垂直度误差的测量方法，其特征在于，所述待测件为圆柱形零件，所述待测件与所述精密转台的接触面为高精度平面。
6.根据权利要求1所述的一种圆柱形零件端面垂直度误差的测量方法，其特征在于，步骤S6.1.1具体为：
以圆柱形零件的上、下表面所在平面分别建立平面直角坐标系，按照步骤S3和S4进行测量并利用最小二乘法，拟合出圆柱形零件上、下两个表面的最小二乘圆圆心，即S(a,b)；S'(c,d)；Q(e,f)；Q'(g,h)，连接点S S'得到第一次测量的圆柱形零件的轴线l，连接点Q Q'得到第二次测量的圆柱形零件的轴线L，根据最小二乘圆圆心坐标及几何关系得出垂直误差的中间参数γ1和γ2。
7.根据权利要求1所述的一种圆柱形零件端面垂直度误差的测量方法，其特征在于，步骤S6.1.2具体为：
以圆柱形零件在竖直方向所在平面建立平面直角坐标系，通过步骤S3和S4得到圆柱形零件的轴线与X轴的夹角分别为γ1和γ2，以夹角γ1和γ2将圆柱形零件投影到此坐标系中，圆柱形零件的中轴线的延长线与X轴的交点分别为O1和O2，与中轴线的垂线延长线的交点分别为A和B,A1和B1分别为点A和点B沿Y轴方向的投影，δ1和δ2分别为直线O1 A1和直线O2B1的长度，垂直度δ1和δ2的计算公式推导如下：
其中，R为圆柱形零件的上下两个平面的半径。
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