CN117260389A - 多传感器融合驱动的大型深孔零件形状误差在位测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多传感器融合驱动的大型深孔零件形状误差在位测量系统，涉及大型深孔零件加工测量设备领域，包括测量单元，测量单元包括旋转编码器、电涡流位移传感器、激光干涉仪和电磁超声探头，旋转编码器通过旋转编码器转接机构连接在车床主轴上，车床主轴的另一侧安装有三爪卡盘，三爪卡盘上夹紧连接有深孔零件，电涡流位移传感器与深孔零件的轴线垂直，电涡流位移传感器安装在可调节连接座上，电磁超声探头安装在自适应距离调整机构上。本发明布局合理，构思巧妙，能够针对不同尺寸的深孔零件以及同一零件不同的加工阶段在线测量，使得测量坐标系与绝对坐标系统一，从而实现对深孔零件的外表面与内表面轮廓的重构。
Description
技术领域
本发明涉及大型深孔零件加工测量设备领域，尤其涉及一种多传感器融合驱动的大型深孔零件形状误差在位测量系统。
背景技术
圆度和轴线直线度是两种典型的形状误差，前者反映孔类零件某一横截面实际轮廓趋近于理想圆的程度，而后者反映零件某一轴向部分的弯曲状况。它们的测量是孔类零件实际加工工艺过程的重要组成部分，例如，加工准备阶段中，直线度误差的检测对于孔类零件毛坯弯曲度的校正具有重要意义；而粗加工过程中，形状误差的检测能够辅助减少粗加工形成的表面层缺陷，进一步提升零件加工的精度。因此，孔类零件的形状误差检测是保障零件加工质量的重要手段，对几何精度控制、多工序补偿和零件可用性评估等方面具有极强的实际指导意义。
深孔零件作为一种特殊的孔类零件，在加工工艺过程中，由于其长径比大、内部空间狭窄的特点，导致传统的测量设备如三坐标测量机、圆度仪、塞规和量规等用于辅助孔类零件实际加工的形状误差检测适用性降低，无法满足智能制造领域对形状误差测量过程高精度、高效率、高智能化的要求。
同样地，使用激光、CCD相机、射线、电涡流传感器为主要测量元件的测量方法在原理上的共同点在于：需要通过设计定心行走机构加持传感器进入深孔，对内部进行扫描以获取截面轮廓，便于形状误差的进一步评定。然而，这些方法使用过程中由于深孔零件轴向尺寸较大，导致测量过程不可视，降低了反应加工过程中孔内壁缺陷的直观性，对于辅助指导加工过程仍具有开发空间；此外，这些方法主要针对深孔零件成品的误差合格性评价，并不能满足深孔零件加工过程中在位检测的需求，一定程度上对于工程实际应用具有局限性。
壁厚法是深孔零件形状误差测量领域中较为常用的手段，通过测量零件周向和轴向的壁厚值，反映出零件全长范围内的误差特性。若周向壁厚均匀且差值较小，则判定圆度误差合格；若周向壁厚均匀且差值较小，则说明直线度符合标准。该方法优点在于：能够避免使用定心行走机构进入深孔时对内孔造成的划伤，且增强了测量过程的直观性。
其中，超声测厚法通过各种方法使得被测物体中产生超声波，再基于超声波反射原理，实现对各种材料的厚度测量，此方法具备对测量环境要求低、测量范围广、使用安全性高和经济成本低的优势，在零件厚度测量方面具有极强的竞争力。目前，压电式超声测厚法由于其具有较强的抗环境干扰能力，成本也较为低廉的优势广泛应用于无损检测领域中，然而，该方法需要将被测工件浸入液体耦合剂中，或将耦合剂喷射到工件上，不适用于大型深孔零件加工过程中的厚度测量。且壁厚法最大的劣势在于只能对零件做定性分析，无法从数值上直接地反映出圆度和轴线直线度误差。
如何提供一种多传感器融合驱动的大型深孔零件形状误差在位测量系统，已解决上述现有测量方法的不足，成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种多传感器融合驱动的大型深孔零件形状误差在位测量系统，采用电磁式超声测厚探头测量深孔壁厚，不需要耦合剂，更适应复杂的大型深孔零件加工环境，且无需处理工件表面涂层，提升了测量效率，实现在位检测。并在使用超声壁厚法的基础上，综合使用电涡流位移传感器测量零件外圆跳动，对内孔测量截面进行定量分析。通过机械结构实现各传感器间的相互配合与关联，相对实现大型深孔零件的高精度、高效率、直观化的加工过程在位测量。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明一种多传感器融合驱动的大型深孔零件形状误差在位测量系统，包括测量单元，所述测量单元包括旋转编码器、电涡流位移传感器、激光干涉仪和电磁超声探头，所述旋转编码器通过旋转编码器转接机构连接在车床主轴上，车床主轴的另一侧安装有三爪卡盘，所述三爪卡盘上夹紧连接有深孔零件；所述电涡流位移传感器与所述深孔零件的轴线垂直，所述电涡流位移传感器安装在可调节连接座上，所述电磁超声探头安装在自适应距离调整机构上，所述自适应距离调整机构安装在所述可调节连接座上，且所述自适应距离调整机构的前端始终抵接在所述深孔零件的外周侧壁上。
优选的，所述旋转编码器转接机构通过磁铁定位连接在车床上并与所述旋转编码器的定子定位连接，所述旋转编码器的转子与车床主轴连接并同步旋转，旋转编码器记录车床主轴转过的角位移。
优选的，所述电磁超声探头位于所述电涡流位移传感器的正下方，所述电磁超声探头和所述电涡流位移传感器安装后位于同一竖直面上，且二者的夹角设置为30°。
优选的，所述激光干涉仪包括激光干涉仪反射镜、激光干涉仪干涉镜和激光干涉仪探头，所述激光干涉仪反射镜粘贴安装在所述可调节连接座上，所述激光干涉仪干涉镜通过支架立在地面或设备机架上，且激光干涉仪干涉镜的水平高度与所述深孔零件的中轴线对齐，所述激光干涉仪探头通过支架立在地面或设备机架上，且位于所述深孔零件的自由端一侧；所述激光干涉仪反射镜、所述激光干涉仪干涉镜和所述激光干涉仪探头相互配合完成距离测量作业。
优选的，所述可调节连接座包括主壳体、斜向对心机构、水平调距机构和竖直调距机构，所述主壳体的顶面设置有三角形固定座，所述斜向对心机构可调节的安装在所述三角形固定座上；所述主壳体通过所述水平调距机构与所述竖直调距机构连接在一起，所述竖直调距机构通过夹持柄定位连接在车床刀架上。
优选的，所述斜向对心机构包括伸缩量块、标定基准板、斜向刻度手轮、第一斜向滑移杆和丝杠螺母，所述丝杠螺母通过第七螺钉安装在所述三角形固定座的中间，所述斜向刻度手轮位于所述伸缩量块的上方，斜向刻度手轮的底面上连接有斜向调节螺杆，所述斜向调节螺杆与所述丝杠螺母通过螺纹连接在一起，所述斜向调节螺杆的下端连接有限位环；所述第一斜向滑移杆可调节的安装在所述伸缩量块上且通过第一螺钉定位，所述电涡流位移传感器通过螺纹旋紧连接在所述第一斜向滑移杆的前端，所述第一斜向滑移的末端连接有标定球，
所述标定基准板通过第二螺钉连接在所述主壳体的顶面上，所述标定基准板位于所述标定球的正下方。
优选的，所述斜向调节螺杆的两侧设置有导向用的第二斜向滑移杆，所述第二斜向滑移杆可滑动的连接在所述三角形固定座的导向孔内。
优选的，所述水平调距机构包括水平滑移杆，所述水平滑移杆的一端可伸缩的连接在所述主壳体的水平滑移腔内，并通过侧面设置的第六螺钉限位，所述水平滑移杆的另一端通过第五螺钉定位连接在竖直滑移座上；所述竖直调距机构包括竖直滑移板，所述竖直滑移板通过夹紧嵌块连接在所述竖直滑移座的滑槽内，所述竖直滑移座沿所述竖直滑移板上下移动，所述竖直滑移板的顶端通过螺钉定位连接有竖直挡板，所述竖直挡板上连接有竖直螺纹导杆，所述竖直螺纹导杆的底端与所述竖直滑移座螺纹连接在一起；所述夹持柄通过第三螺钉与所述竖直滑移板的背面连接在一起。
优选的，所述夹紧嵌块通过第四螺钉紧固连接在所述竖直滑移座上。
优选的，所述自适应距离调整机构包括滑轮和固定夹具，所述滑轮通过连接轴可旋转的安装在探头基座的连接爪的前端，所述探头基座卡紧连接在所述固定夹具内，所述电磁超声探头安装在所述探头基座的中心孔上，所述探头基座远离所述电磁超声探头的一侧安装有调节用的弹簧，所述弹簧的另一端依次安装有锁紧垫片和外牙顶丝，所述锁紧垫片和外牙顶丝均位于所述固定夹具形成的内腔中；所述固定夹具通过螺钉连接在所述主壳体的侧面上。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
本发明一种多传感器融合驱动的大型深孔零件形状误差在位测量系统，包括测量单元，所述测量单元包括旋转编码器、电涡流位移传感器、激光干涉仪和电磁超声探头，旋转编码器通过旋转编码器转接机构连接在车床主轴上，三爪卡盘上夹紧连接有深孔零件；电涡流位移传感器与深孔零件的轴线垂直，电涡流位移传感器安装在可调节连接座上，电磁超声探头安装在自适应距离调整机构上，自适应距离调整机构的前端始终抵接在深孔零件的外周侧壁上；可调节连接座包括主壳体、斜向对心机构、水平调距机构和竖直调距机构。
本发明在深孔加工过程中，能够在深孔车床的辅助下，通过设计机械结构集成了电涡流位移传感器、电磁超声探头、旋转编码器、激光干涉仪测量元件，搭建了多传感器融合驱动的深孔零件形状误差在位测量平台，并通过斜向对心机构形成的参数标定结构、自适应距离调整机构，实现了在测量坐标系与绝对坐标系统一的情况下，对深孔零件的外表面与内表面轮廓的重构。
本发明采用电涡流位移传感器与电磁超声探头，实现了对于深孔零件的非接触测量，且避免了传统超声测厚方法中，使用液体耦合剂对加工过程产生的影响，使得操作更加便捷。
本发明无需更换深孔零件的装夹位置，通过自适应距离调整机构的设置，能够实现从粗加工到精加工各个工艺过程阶段的测量，实现了加工设备的在位检测作业。
总的来说，本发明布局合理，构思巧妙，能够针对不同尺寸的深孔零件以及同一零件不同的加工阶段在线测量，使得测量坐标系与绝对坐标系统一，从而实现对深孔零件的外表面与内表面轮廓的重构，测量中保证了电磁超声探头的测量精度与测量效率。
附图说明
下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
图1为本发明多传感器融合驱动的大型深孔零件形状误差在位测量系统示意图；
图2为本发明工作原理示意图；
图3为本发明在位测量装置爆炸图；
图4为本发明在位测量装置主视图；
图5为本发明在位测量装置俯视图；
图6为本发明自适应距离调节机构示意图；
图7为本发明自适应距离调节机构的工作原理图；
图8为本发明深孔零件全长范围内形貌的扫描结果示意图。
附图标记说明：1-车床刀架，2-三爪卡盘，3-旋转编码器，301-旋转编码器转接机构，4-电涡流位移传感器，401-顶部安装座，5-激光干涉仪，501-激光干涉仪反射镜，502-激光干涉仪干涉镜，503-激光干涉仪探头，6-电磁超声探头；601-探头基座，7-深孔零件，8-可调节连接座，9-夹持柄，901-第三螺钉；
801-主壳体，802-标定基准板，803-斜向刻度手轮，804-第一斜向滑移杆，805-标定球，806-第一螺钉，807-第二斜向滑移杆，808-斜向调节螺杆，809-丝杠螺母，810-第七螺钉；
811-竖直滑移座，812-水平滑移杆，813-第六螺钉，814-夹紧嵌块，815-第四螺钉，816-第五螺钉，817-第二螺钉，
818-竖直滑移板，819-竖直挡板，820-竖直螺纹导杆，821-弹性垫圈，822-导杆垫圈，
10-自适应距离调节机构；1001-滑轮，1002-锁紧垫片，1003-外牙顶丝，1004-弹簧舱，1005-弹簧，1006-固定夹具。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-8所示，一种多传感器融合驱动的大型深孔零件形状误差在位测量系统，包括测量单元，所述测量单元包括旋转编码器3、电涡流位移传感器4、激光干涉仪5和电磁超声探头6，所述旋转编码器3通过旋转编码器转接机构301连接在车床主轴上，车床主轴的另一侧安装有三爪卡盘2，所述三爪卡盘2上夹紧连接有深孔零件7；所述电涡流位移传感器4与所述深孔零件7的轴线垂直，所述电涡流位移传感器4安装在可调节连接座8上，所述电磁超声探头6安装在自适应距离调整机构10上，所述自适应距离调整机构10安装在所述可调节连接座8上，且所述自适应距离调整机构10的前端始终抵接在所述深孔零件7的外周侧壁上。
具体的，在深孔车床对深孔零件实施加工的过程中，所述旋转编码器转接机构301通过磁铁定位连接在车床上并与所述旋转编码器3的定子定位连接，所述旋转编码器3的转子与车床主轴连接并同步旋转，旋转编码器3记录车床主轴转过的角位移。同时，当零件尺寸过大时，庞大的深孔车床主轴将会产生无法避免的跳动，因此，该旋转编码器定子固定端设置滑槽，使得当与旋转编码器转子相连的主轴末端产生跳动时不会对旋转编码器造成损坏。
具体的，如图2、4所示，所述电磁超声探头6位于所述电涡流位移传感器4的正下方，所述电磁超声探头6和所述电涡流位移传感器4安装后位于同一竖直面上，且二者的夹角设置为30°。由于深孔车床的结构特点，通过调整可调节连接座8，使得电磁超声探头6的测量轴线与夹持柄9的轴线重合，以可保证电磁超声探头的测量轴线经过绝对坐标系圆心。
具体的，所述激光干涉仪5包括激光干涉仪反射镜501、激光干涉仪干涉镜502和激光干涉仪探头503，所述激光干涉仪反射镜501通过胶粘贴安装在所述可调节连接座8的指定位置上，所述激光干涉仪干涉镜502通过支架立在地面或设备机架上，且激光干涉仪干涉镜502的水平高度与所述深孔零件7的中轴线对齐，所述激光干涉仪探头503通过支架立在地面或设备机架上，且位于所述深孔零件7的自由端一侧，具体的所述激光干涉仪探头503的高度与所述激光干涉仪干涉镜502的高度对齐；所述激光干涉仪反射镜501、所述激光干涉仪干涉镜502和所述激光干涉仪探头503相互配合完成距离测量作业。
使用时，激光干涉仪5当作是整体测量系统外独立的一个传感器，它的作用主要是测量一个固定点到随着车床刀架移动的测量系统间的距离，固定的点是激光干涉仪探头503的位置，是通过支架立于地面上的，离测量装置有一定距离，用热熔胶固定，激光干涉仪干涉镜502同样通过支架固定，放置在激光干涉仪反射镜501和激光干涉仪探头503中间。工作时，激光干涉仪探头射出的光通过激光干涉仪干涉镜照到激光干涉仪反射镜上再反射回激光干涉仪探头，可以测得测量装置测量的各个截面间的距离；即激光干涉仪干涉镜的作用是监测光路的变化，保证光线能够返回激光干涉仪探头获得距离。
如图3-5所示，所述可调节连接座8包括主壳体801、斜向对心机构、水平调距机构和竖直调距机构，所述主壳体801的顶面设置有三角形固定座，所述斜向对心机构可调节的安装在所述三角形固定座上；所述主壳体801通过所述水平调距机构与所述竖直调距机构连接在一起，所述竖直调距机构通过夹持柄9定位连接在车床刀架1上。
具体的，所述斜向对心机构包括伸缩量块401、标定基准板802、斜向刻度手轮803、一个第一斜向滑移杆804和一个丝杠螺母809，所述丝杠螺母809通过第七螺钉810安装在所述三角形固定座的中间，所述斜向刻度手轮803位于所述伸缩量块401的上方，斜向刻度手轮803的底面上连接有一个斜向调节螺杆808，所述斜向调节螺杆808与所述丝杠螺母809通过螺纹连接在一起，所述斜向调节螺杆808的下端连接有限位环；所述第一斜向滑移杆804可调节的安装在所述伸缩量块401上且通过第一螺钉806定位，所述电涡流位移传感器4通过螺纹旋紧连接在所述第一斜向滑移杆804的前端，所述第一斜向滑移杆804的末端连接有标定球805，所述标定基准板802通过第二螺钉817连接在所述主壳体801的顶面上，所述标定基准板802位于所述标定球805的正下方。
具体的，所述斜向调节螺杆808的两侧设置有导向用的第二斜向滑移杆807，所述第二斜向滑移杆807可滑动的连接在所述三角形固定座的导向孔内。该导向零件的设置，可以保证斜向调节的稳定性。
具体的，首先是调整第一斜向滑移杆804在伸缩量块401中的位置，使得电涡流位移传感器4在测量范围内，调整到位后使用第一螺钉806固定第一斜向滑移杆804；固定以后调节斜向刻度手轮803并观察电涡流位移传感器4的示数，当示数最小时，此时电涡流位移传感器的测量轴线穿过深孔零件7的轴心；测量一个截面完成后，需要移动可调节连接座8至下一个截面，由于深孔的直径改变，因此需要重复调节斜向刻度手轮803并观察示数，但是不需要改变第一斜向滑移杆804在伸缩量块401中的位置了，这个位置仅改变一次，基本满足某一确定的深孔零件全长范围的测量；如果更换零件，则需要再调整第一斜向滑移杆804的位置，作用是让电涡流位移传感器4处于测量范围内工作状态。
其次，操作者手动旋转斜向刻度手轮803，带动斜向调节螺杆808同步旋转，因为斜向调节螺杆808与丝杠螺母809通过螺纹连接，遂将旋转作业转换为直线移动作业，从而带动顶部的伸缩量块401及上方的电涡流位移传感器4同步移动，实现斜向位置的调整，最终使得电涡流位移传感器4的中心线穿过深孔零件7的轴心，即与绝对坐标原点对齐。
具体的，斜向调节螺杆808利用阶梯面和轴用挡圈实现其轴向位置的固定，在斜向调节螺杆周向分置两片微型平面推力滚针轴承，并利用阶梯面和锁紧螺母实现两片微型平面推力滚针的轴向定位，既可以降低丝杆在旋转过程中所受的摩擦影响，也可以在微小轴向空间内提供极高的刚度，从而对斜向调节螺杆808进行一定程度的保护，提升其使用寿命。当限位环接触丝杆螺母809时，到达斜向对心机构的上极限位置，而当微型平面推力滚针轴承接触丝杆螺母时，到达下极限位置。
具体的，所述水平调距机构包括水平滑移杆812，所述水平滑移杆812的一端可伸缩的连接在所述主壳体801的水平滑移腔内，并通过侧面设置的第六螺钉813限位，所述水平滑移杆812的另一端通过第五螺钉816定位连接在竖直滑移座811上，调节时，松开第五螺钉816即可实现水平滑移杆812的水平移动调整，调整到位后旋紧第五螺钉816锁紧即可。
所述竖直调距机构包括竖直滑移板818，所述竖直滑移板818通过夹紧嵌块814连接在所述竖直滑移座811的滑槽内，所述竖直滑移座811沿所述竖直滑移板818上下移动，所述竖直滑移板818的顶端通过螺钉定位连接有竖直挡板819，所述竖直挡板819上连接有竖直螺纹导杆820，所述竖直螺纹导杆820的底端与所述竖直滑移座811螺纹连接在一起；所述夹持柄9通过第三螺钉901与所述竖直滑移板818的背面连接在一起；所述夹紧嵌块814通过第四螺钉815紧固连接在所述竖直滑移座811上。整体高度调整，夹持柄9和竖直滑移板818定位不动，旋转竖直螺纹导杆820将旋转作业转化为直线移动，遂带动竖直滑移座811上下移动，再通过竖直滑移座811带动前方连接的所有零件上下移动实现微调，其中，所述竖直挡板819对竖直滑移座811的最高点进行限位。
如图6、7所示，所述自适应距离调整机构10包括滑轮1001和固定夹具1006，所述滑轮1001通过连接轴可旋转的安装在探头基座601的连接爪的前端，所述探头基座601卡紧连接在所述固定夹具1006内，所述电磁超声探头6安装在所述探头基座601的中心孔上，所述探头基座601远离所述电磁超声探头6的一侧安装有调节用的弹簧1005，所述弹簧1005的另一端依次安装有锁紧垫片1002和外牙顶丝1003，所述锁紧垫片1002和外牙顶丝1003均位于所述固定夹具1006形成的内腔中；所述固定夹具1006通过螺钉连接在所述主壳体801的侧面上，螺钉设置有两个且位于固定夹具1006的底部。
具体的，电磁超声探头的提离效应是影响系统测厚效率与精度的重要因素。当电磁超声探头与被测试件提离距离增大时，更多的涡流被感应到接收线圈与屏蔽层上，导致更多的涡流耗散，进一步造成提离效应与换能效率的降低。
大型深孔零件由于其极端的轴向尺寸，在加工工艺过程中的外圆跳动一般较大，特别是粗加工阶段直线度校准过程中，外圆跳动可能将达到5～8mm，而在后续精加工直线度误差测量阶段，外圆跳动则显著降低。这将导致在选用探头时，小提离探头不能满足所有工艺过程中的直线度校准检测，且对于外圆跳动值浮动较大的深孔零件，测量过程存在零件与探头相撞的风险；而采用磁性更强、提离效应更好的探头不仅极大提升系统成本，且大提离探头尺寸较大，会影响长径比较大的深孔零件的测厚精度。
因此，本系统设计了一种能够针对不同尺寸的深孔零件以及同一零件不同的加工阶段，均能实现提离距离的自适应调整与控制的机构，以保证电磁超声探头的测量精度与测量效率。自适应距离调整机构通过固定夹具1006、探头基座601、弹簧1005、锁紧垫片1002以及外牙顶丝1003组成。其中，电磁超声探头6通过螺纹与探头基座相连并与固定夹具实现配合，探头基座的前端为钳形并设有滑轮1001，内置于弹簧舱1004的弹簧与探头基座相连，通过旋转外牙顶丝调整锁紧垫片在弹簧舱内的位置以压缩弹簧，此时弹簧提供给探头基座的弹力增大，使得基座前端滑轮始终贴合在深孔零件的外壁上，弹簧舱上下两端设有滑槽，当零件产生外圆跳动ha时，探头基座601、滑轮1001与电磁超声探头6整体移动，基座的钳形机构进入滑槽中，弹簧被压缩ha。通过外牙顶丝与锁紧垫片压缩弹簧舱空间以进一步增大弹簧对基座的弹力，使得当外圆跳动减小时，弹簧弹力能够保证滑轮始终贴合深孔零件的外壁滚动，从而实现对提离距离的控制。
本发明的使用过程如下：
本发明的工作原理，根据圆度和轴线直线度误差测量原理，以及在位检测的测量需求，开发一套基于电涡流位移传感器与电磁超声探头的形状误差在位测量系统。
该系统组装后，能够依托自身的夹持柄9固定于车床刀架1上，并进一步应用于深孔车床经卡盘等夹具带动深孔零件做回转运动的加工现场，其中卡盘多三爪卡盘，具体的零部件的安装连接关系见前方所述。
其中，测量单元由电涡流位移传感器4、电磁超声探头6、激光干涉仪5以及旋转编码器3共同组成，通过有效识别被测零件的形状和位置特征，将感知信息按照一定规律转化为系统的可用物理信号，构建起系统与深孔零件7间的信息交互渠道。其中，电涡流位移传感器4与电磁超声探头6间相隔30°放置，保证两测量元件的测量轴线位于同一平面内，以此获取该平面的测量截面。如图2所示，若两传感器的测量轴线相交于o点，以该点为原点，水平方向为x轴，垂直于测量截面方向为z轴，构建测量坐标系o-xyz，在测量截面中，电涡流位移传感器401的端面至o的距离为L，其测量获得的探头端面至深孔外圆的距离为e，则零件的外圆轮廓至测量坐标系原点的距离可表示为hf见公式(1)：
hf＝L-e (1)
电磁超声探头测量获得的零件壁厚值为ht，由于电磁超声探头与电涡流位移传感器间有角度间隔，需要首先将电涡流位移传感器与电磁超声探头测点相对应，进一步拟合得到内孔表面至测量截面原点间的距离为r,见公式(2)：
r＝hf-ht (2)
通过深孔车床带动测量系统移动以获取多个测量截面，将激光干涉仪反射镜501粘贴于主壳体801上，用于接收来自激光干涉仪探头503透过激光干涉仪干涉镜502的测量光路，同时，通过旋转编码器3记录主轴角的位移。根据激光干涉仪5记录的各测量截面间的间距l，结合旋转编码器3所记录的主轴角位移θ，在各截面所求解的内孔截面r，可以得到在测量坐标系下传感器测量各点的位置(x,y,z)，见公式(3)，再通过各测量点的位置坐标，采用最小二乘法对截面圆度误差和截面圆心坐标值进行评定与求解，进一步地，对所获得的圆心坐标进行直线拟合，即可评定得到轴线直线度误差值。
具体的，可调节连接座8上集成有多个滑移单元，即斜向对心机构、水平调距机构和竖直调距机构。其中，主壳体801的内部设有三个斜向滑移内腔与两个水平滑移内腔，分别嵌入斜向对心机构与水平调距机构的第二斜向滑移杆807与水平滑移杆812。通过水平滑移杆的调节，调整电涡流位移传感器4、电磁超声探头6与被测深孔零件7间的距离，使得两测量传感器的测量值均落在各自的可靠量程范围内，并保证电磁超声探头具有良好的提离效应。
具体的，如图3-5所示，竖直调距机构通过弹性垫圈821、竖直螺纹导杆820与导杆垫圈822实现竖直滑移板818在竖直滑移座811中的位置改变，其中弹性垫圈821与导杆垫圈822主要起到定位的功能：通过旋转螺纹导杆820带动竖直滑移座811上下移动，改变与竖直滑移板818的相对位置，移动到位后通过夹紧嵌块814嵌入紧固定位，该调整通过螺纹旋转作业转化为直线移动，通过旋转竖直螺纹导杆即可完成电涡流位移传感器4高度方向上的微调。
通过竖直调距机构、斜向对心机构分别用于电磁超声探头6、电涡流位移传感器4的对心，使得两传感器的测量轴线相交点尽可能落在深孔轴线上，实现测量坐标系与绝对坐标系的统一，便于获取深孔内圆的实际截面轮廓。
标定单元通过标定球805、标定基准板802以及伸缩量块401组成，系统是以电涡流位移传感器401和超声探头8两者轴线的交点作为测量坐标系原点。原点与电涡流位移传感器发射端间的距离值L是获取形状误差值的中间参量，对精准反映被测零件横截面的尺寸信息有着重要意义。该参数可以通过组合使用标定单元中的标定球和标定基准板实现测定，标定球具有出色的球形度，标定基准板的基准平面也具有极高的平面度。如图2所示，展示了参数L的标定原理。在测量系统装配完成后，分别使用三坐标测量机对标定球半径，电涡流位移传感器4的发射端到标定球末端的距离值以及标定基准板的基准平面到电磁超声探头轴线的距离值，这些物理量在整个测量过程中始终恒为定值。
参数L的数值大小取决于标定基准板的基准平面到标定球下端的距离值的变化，式(4)展示了这一关系。
L＝3r1+2h1+2h2-l1 (4)
r1为标定球的半径；
h1为标定球到标定基准板的距离；
h2为深孔零件中轴线与标定基准板顶面的距离；
l1为标定球末端到电涡流传感器的距离；
伸缩量块401是一种可以利用自身螺旋结构实现伸缩的新型量块，其上表面和下表面均具有极高的平面度。通过不断地旋伸置于标定基准板的基准平面上的伸缩量块，直至量块上表面接触标定球时，使用锁紧螺钉进行锁紧；再利用千分尺对当前的量块高度进行测量，间接地获取参数h2、h1，l1利用三坐标测量机测得。
在深孔深孔车床对深孔零件实施加工的过程中，深孔车床通过磁吸的方式连接旋转编码器3，使得旋转编码器定子与车床末端相连，且转子与车床主轴相连，以记录测量过程中主轴转过的角度。
在测量系统装夹之前，通过竖直调距机构调节电磁超声探头6的对心，具体实施方式为：由于深孔车床的结构特点，通过调整竖直调距机构，使得电磁超声探头6的测量轴线与夹持柄9轴线重合，即可保证超声探头的测量轴线经过绝对坐标系圆心。
采用深孔深孔车床通过夹持柄装夹测量系统，将电涡流位移传感器4、电磁超声探头6以及激光干涉仪5集成于该测量系统上，保证电涡流位移传感器4与电磁超声探头6的测量轴线在同一竖直平面内且间隔30°角放置，如图1所示。
进一步地，通过水平调矩机构、自适应距离调整机构10使得滑轮1001与深孔零件7的外壁贴合，启动深孔车床主轴旋转，并观察自适应距离调整机构的运动状态，根据运动状态继续调整水平距离使得深孔零件转动一周的过程中，自适应距离调整机构始终贴合零件外壁，适当旋转外牙顶丝1003，使得滑轮与零件外壁贴合更紧密。在滑轮贴合时，电磁超声探头6的提离距离计算原理如图7所示：
当电磁超声探头与探头基座通过螺纹配合时，其端面与基座间基准距离dp恒定，由此确定的基座基准面和与深孔零件接触的滑轮中心距离为ds，滑轮中心与探头中心距离dc恒定。若所测深孔零件外径为Re，探头所测零件壁厚差为hd，滑轮的半径为rc，则提离距离为：
式(5)表明，通过确定自适应距离单元尺寸，即当rc、dc、dp、ds均为恒定时，提离距离hL仅取决于被测深孔零件的外径Re。同样地，当确定所测零件的尺寸范围后，可以通过调整自适应距离调整机构10的尺寸即可在不更换电磁超声探头的条件下稳定提离效应，实现测量范围的扩展。
在初始测量截面上，以深孔零件外壁的圆心为原点所确定的直角坐标系为绝对坐标系，通过斜向刻度手轮803调整斜向对心机构滑移的同时，观察电涡流位移传感器4的示数，当出现示数范围内最小值时，此时电涡流位移传感器4测量轴线即对应绝对坐标系圆心。进一步地，通过斜向对心机构，使得电涡流位移传感器4和电磁超声探头6测量轴线的交点与零件所确定的绝对坐标系的原点重合，实现测量坐标系与绝对坐标系的统一。
控制主轴带动深孔零件进行旋转，旋转编码器3的转子跟随主轴旋转记录角度，每隔一定角度便同时触发电涡流位移传感器4和电磁超声探头6同步采样，根据标定单元所确定的标定值，如图8所示，即可获取零件外壁以及内孔的被测截面轮廓。移动夹持柄9，通过激光干涉仪记录移动距离，重复步骤，获取新的被测截面轮廓，依次类推，即可完成对深孔零件全长范围内形貌的扫描，如8图所示，Sm为被测横截面，Mc为实际被测轮廓，o0为两同心圆的圆心(也即测量点拟合圆的圆心)，Zc为最小包容同心圆，其半径差fc即为圆度误差；Lm为被测提取轴线，Zs为被测提取轴线的最小包容圆柱，其直径fs即为轴线直线度误差。因此，通过各传感器测量得到的实际值，即可计算确定实际被测轮廓Mc和实际轴线Lm，并与理想轴线相比较，获得形状误差。
本发明无需更换深孔零件的装夹位置，通过自适应距离调整机构的设置，能够实现从粗加工到精加工各个工艺过程阶段的测量，实现了加工设备的在位检测作业。
本发明布局合理，构思巧妙，能够针对不同尺寸的深孔零件以及同一零件不同的加工阶段在线测量，使得测量坐标系与绝对坐标系统一，从而实现对深孔零件的外表面与内表面轮廓的重构，测量中保证了电磁超声探头的测量精度与测量效率。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种多传感器融合驱动的大型深孔零件形状误差在位测量系统，其特征在于：包括测量单元，所述测量单元包括旋转编码器(3)、电涡流位移传感器(4)、激光干涉仪(5)和电磁超声探头(6)，所述旋转编码器(3)通过旋转编码器转接机构(301)连接在车床主轴上，车床主轴的另一侧安装有三爪卡盘(2)，所述三爪卡盘(2)上夹紧连接有深孔零件(7)；所述电涡流位移传感器(4)与所述深孔零件(7)的轴线垂直，所述电涡流位移传感器(4)安装在可调节连接座(8)上，所述电磁超声探头(6)安装在自适应距离调整机构(10)上，所述自适应距离调整机构(10)安装在所述可调节连接座(8)上，且所述自适应距离调整机构(10)的前端始终抵接在所述深孔零件(7)的外周侧壁上。
2.根据权利要求1所述的多传感器融合驱动的大型深孔零件形状误差在位测量系统，其特征在于：所述旋转编码器转接机构(301)通过磁铁定位连接在车床上并与所述旋转编码器(3)的定子定位连接，所述旋转编码器(3)的转子与车床主轴连接并同步旋转，旋转编码器(3)记录车床主轴转过的角位移。
3.根据权利要求2所述的多传感器融合驱动的大型深孔零件形状误差在位测量系统，其特征在于：所述电磁超声探头(6)位于所述电涡流位移传感器(4)的正下方，所述电磁超声探头(6)和所述电涡流位移传感器(4)安装后位于同一竖直面上，且二者的夹角设置为30°。
4.根据权利要求1所述的多传感器融合驱动的大型深孔零件形状误差在位测量系统，其特征在于：所述激光干涉仪(5)包括激光干涉仪反射镜(501)、激光干涉仪干涉镜(502)和激光干涉仪探头(503)，所述激光干涉仪反射镜(501)粘贴安装在所述可调节连接座(8)上，所述激光干涉仪干涉镜(502)通过支架立在地面或设备机架上，且激光干涉仪干涉镜(502)的水平高度与所述深孔零件(7)的中轴线对齐，所述激光干涉仪探头(503)通过支架立在地面或设备机架上，且位于所述深孔零件(7)的自由端一侧；所述激光干涉仪反射镜(501)、所述激光干涉仪干涉镜(502)和所述激光干涉仪探头(503)相互配合完成距离测量作业。
5.根据权利要求1所述的多传感器融合驱动的大型深孔零件形状误差在位测量系统，其特征在于：所述可调节连接座(8)包括主壳体(801)、斜向对心机构、水平调距机构和竖直调距机构，所述主壳体(801)的顶面设置有三角形固定座，所述斜向对心机构可调节的安装在所述三角形固定座上；所述主壳体(801)通过所述水平调距机构与所述竖直调距机构连接在一起，所述竖直调距机构通过夹持柄(9)定位连接在车床刀架(1)上。
6.根据权利要求5所述的多传感器融合驱动的大型深孔零件形状误差在位测量系统，其特征在于：所述斜向对心机构包括伸缩量块(401)、标定基准板(802)、斜向刻度手轮(803)、第一斜向滑移杆(804)和丝杠螺母(809)，所述丝杠螺母(809)通过第七螺钉(810)安装在所述三角形固定座的中间，所述斜向刻度手轮(803)位于所述伸缩量块(401)的上方，斜向刻度手轮(803)的底面上连接有斜向调节螺杆(808)，所述斜向调节螺杆(808)与所述丝杠螺母(809)通过螺纹连接在一起，所述斜向调节螺杆(808)的下端连接有限位环；所述第一斜向滑移杆(804)可调节的安装在所述伸缩量块(401)上且通过第一螺钉(806)定位，所述电涡流位移传感器(4)通过螺纹旋紧连接在所述第一斜向滑移杆(804)的前端，所述第一斜向滑移杆(804)的末端连接有标定球(805)，
所述标定基准板(802)通过第二螺钉(817)连接在所述主壳体(801)的顶面上，所述标定基准板(802)位于所述标定球(805)的正下方。
7.根据权利要求6所述的多传感器融合驱动的大型深孔零件形状误差在位测量系统，其特征在于：所述斜向调节螺杆(808)的两侧设置有导向用的第二斜向滑移杆(807)，所述第二斜向滑移杆(807)可滑动的连接在所述三角形固定座的导向孔内。
8.根据权利要求5所述的多传感器融合驱动的大型深孔零件形状误差在位测量系统，其特征在于：所述水平调距机构包括水平滑移杆(812)，所述水平滑移杆(812)的一端可伸缩的连接在所述主壳体(801)的水平滑移腔内，并通过侧面设置的第六螺钉(813)限位，所述水平滑移杆(812)的另一端通过第五螺钉(816)定位连接在竖直滑移座(811)上；
所述竖直调距机构包括竖直滑移板(818)，所述竖直滑移板(818)通过夹紧嵌块(814)连接在所述竖直滑移座(811)的滑槽内，所述竖直滑移座(811)沿所述竖直滑移板(818)上下移动，所述竖直滑移板(818)的顶端通过螺钉定位连接有竖直挡板(819)，所述竖直挡板(819)上连接有竖直螺纹导杆(820)，所述竖直螺纹导杆(820)的底端与所述竖直滑移座(811)螺纹连接在一起；所述夹持柄(9)通过第三螺钉(901)与所述竖直滑移板(818)的背面连接在一起。
9.根据权利要求8所述的多传感器融合驱动的大型深孔零件形状误差在位测量系统，其特征在于：所述夹紧嵌块(814)通过第四螺钉(815)紧固连接在所述竖直滑移座(811)上。
10.根据权利要求8所述的多传感器融合驱动的大型深孔零件形状误差在位测量系统，其特征在于：所述自适应距离调整机构(10)包括滑轮(1001)和固定夹具(1006)，所述滑轮(1001)通过连接轴可旋转的安装在探头基座(601)的连接爪的前端，所述探头基座(601)卡紧连接在所述固定夹具(1006)内，所述电磁超声探头(6)安装在所述探头基座(601)的中心孔上，所述探头基座(601)远离所述电磁超声探头(6)的一侧安装有调节用的弹簧(1005)，所述弹簧(1005)的另一端依次安装有锁紧垫片(1002)和外牙顶丝(1003)，所述锁紧垫片(1002)和外牙顶丝(1003)均位于所述固定夹具(1006)形成的内腔中；所述固定夹具(1006)通过螺钉连接在所述主壳体(801)的侧面上。
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|---|---|---|---|---|
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| CN117330011B (zh) * | 2023-12-01 | 2024-03-01 | 中铁山桥集团有限公司 | 一种u肋孔边距及极边孔距的测量系统 |
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