CN1645043A - 工件壁厚与尺寸形位误差自动测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工件壁厚与尺寸形位误差自动测量系统，包括测量机及其电控系统。电控系统的包括工控微机，工控微机通过控制卡与连接有接口主板，接口主板连接有测头、退让机构、温度传感器、操纵盒、限位开关和多个控制与驱动电路。控制驱动电路由驱动器、伺服马达构成。测量机包括基座、测量架、固定被测工件的工件安装部件和测头，工件安装部件由回转工作台和滚动轮组成，测量机的运动装置上设置有用于测量和指示所述测量部件运动装置位移的测量指示装置。本发明控制的回转体测量装置有很强的适应性，能适用于相似形状工件的壁厚、壁厚差与形位误差、直径等的测量，路径简单、效率高，能够通过软件控制实现多种测量，不通过换算而是直接测量数据，有利于提高测量精度。

Description

工件壁厚与尺寸形位误差自动测量系统

技术领域

本发明涉及一种精密测量工件几何尺寸装置的自动测量系统，具体是一种精密测量回转体壁厚与尺寸形位误差自动测量系统。用于控制回转体测量装置测量工件的壁厚、壁厚差及其尺寸、形位误差等数据。

背景技术

目前，回转体测量技术中，壁厚和壁厚差的测量是核心。传统的方法中，坐标法是从各个方位分别测量工件的内外轮廓，然后通过计算求得工件的壁厚、壁厚差、直径、止靠厚度、母线直线度等。这种方法效率非常低，远不能满足本项目3～5分种/件的要求，而且可靠性差，精度上也难以满足要求。可靠性差是因为工件不转、用单测头从各个方位用坐标法测量时，测头需要跨越工件、做大幅度的运动，容易发生碰撞。还有一个可及性的问题，由于测头回转体绕水平轴的转角是-15°～90°，用坐标法测量时有可能某些点探测不到。精度差是因为测头在测量内外轮廓时，内外测量时机器的运动误差不尽相同，其差异直接影响壁厚和壁厚差测量精度。另一不足是，采用独立运动的两个模拟式测头进行测量，在两个测头沿不同导轨运动时，存在两个运动误差的差异会影响测量精度的问题。

对母线直线度误差的测量中，传统的方法是采用与X向导轨垂直的Z向导轨，这样测量母线直线度时需要X向与Z向的联动，不仅运动复杂、效率低，加大了发生碰撞的可能性，也降低了测量精度。因为不仅X向与Z向导轨的直线度误差都会引起测量误差，X向与Z向运动的不同步，也会引起测量误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种精度较高的回转体测量装置的自动测量系统，能够测量工件的壁厚和壁厚差、母线的直线度、外表面相对于回转轴线的圆跳动等数据。

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种工件壁厚与尺寸形位误差自动测量系统，包括测量机及其电控系统。所述的电控系统的包括工控微机，工控微机通过控制卡与连接有接口主板，接口主板连接有测头、退让机构、温度传感器、操纵盒、限位开关和多个控制与驱动电路；所述的控制驱动电路由驱动器、伺服马达构成；所述的测量机包括基座、测量架、固定被测工件的工件安装部件和测头，工件安装部件由回转工作台和滚动轮组成，测量机上设置有测量指示装置。

所述的测量指示装置是第一光栅尺、第二光栅尺、第一读数头和第二读数头；所述的测量机基座通过其上的导轨连接有第一测量架，第一测量架可在其导轨上沿X₂方向运动，第一光栅尺设置在基座上，用于测量第一测量架的位移，第一读数头设置在第一测量架上，用于读取第一测量架的位移数据；  第一测量架上设置有根据测量需要能旋转到所需角度的转架，转架上设置有指示转架旋转角度的角度编码器；转架上设置有Z向导轨，Z向导轨上设置有滑架，滑架可在其Z向导轨上沿Z2方向运动，第二光栅尺设置在Z向导轨上设置上，用于测量滑架的位移，第二读数头设置在滑架上，用于读取滑架的位移数据；所述滑架设置有测座和第二测头，测座设置长臂，长臂设置有第一测头；所述回转工作台设置有第三测头。

所述的测量指示装置是第三光栅尺、第四光栅尺、第三读数头和第四读数头；所述的测量机基座通过其上的导轨连接有第二测量架；第二测量架可在其导轨上沿X₁方向运动，第三光栅尺设置在基座上，用于测量第二测量架的位移，第三读数头设置在第二测量架上，用于读取第二测量架的位移数据；第二测量架设置有主轴，主轴可在第三导轨上沿Z₁方向运动，第四光栅尺设置大主轴上，用于测量主轴的位移，第四读数头设置在第二测量架上，用于读取主轴的位移数据。

所述的第四测头是带星形测端的三维模拟测头。

本发明具有以下有益效果：(1)本发明具有很强的适应性，能适用于相似形状工件的壁厚、壁厚差与形位误差、直径等的测量；(2)安装被测工件后，测量机即能在工控微机控制下实现半自动测量，由于路径简单、效率高，能够通过软件控制，实现多种测量；(3)采用两个同时运动的模拟式测头进行测量，可以使测头和工件的运动误差基本上不影响测量精度，因为它们对两个测头带来的影响基本相同，内外测头同时测量还可减小了测量力引起的薄壁件变形；(4)在母线直线度误差的测量中，本发明的测量方向始终在内外壁的法线方向，这样壁厚、壁厚差、圆跳动都直接在法线方向测量，而不是通过换算获取，避免了一些因素的影响，有利于提高测量精度；(5)被测工件的轴线在竖直方向，而不是水平方向的安装，采用竖直方向可以保证被测工件的轴线方向准确，不会因自重使轴线方向产生偏差。

附图说明

图1是本发明的电控系统的结构框图；

图2是被测工件的剖面示意图；

图3是本发明的测量机的示意图；

图4是本发明的准备程序的流程图；

图5是本发明的一般测量程序的流程图；

图6是本发明的圆截面测量程序的流程图；

图7是本发明的直线度测量程序的流程图；

图8是本发明的圆截面测量子程序的流程图；

图9是本发明的后续处理程序的流程图；

图10是本发明的数据处理子程序的流程图

附图标记：

1基座  2第二测量架  3回转工作台  4被测工件  5第四测头

6滚动轮   7主轴       8第一测头  9第二测头     10测座

11滑架    12 Z向导轨  13转架     14第一测量架  15第三测头

具体实施方式

为了清楚简明地描述本发明，下面对本发明专利文件中的以下述语进行定义：

X₁方向：是指在基座平面中，第二测量架2的中心与回转工作台圆心连线所在直线方向。

X₂方向：是指在基座平面中，第一测量架14的中心与回转工作台圆心连线所在直线方向。

Z₁方向：是指主轴7的轴向。

Z₂方向：是指Z向导轨12轨面所在直线方向。

以下结合附图对本实用新型作详细描述。

图2是被测工件的剖面示意图，所示的被测工件是一种薄壁回转体工件，回转体的母线为直线段或圆弧。工件的外表面由圆柱面A₁、圆锥面B₁、圆环面C₁、圆锥面D₁、圆柱面E、圆柱面F、底面H₁七部分组成；内表面由圆柱面A₂、圆锥面B₂、圆环面C₂、圆锥面D₂、底面H₂五部分组成；圆柱F还有上下两的端面(平面)G₂、G₁需要测量。各个圆柱面、圆锥面的母线是直线，各个圆环面的母线是圆弧。

如图1和3所示，本发明的工件壁厚与尺寸形位误差自动测量系统，包括测量机及其电控系统。电控系统的包括工控微机，工控微机通过控制卡与连接有接口主板，接口主板连接有测头、退让机构、温度传感器、操纵盒、限位开关和多个控制与驱动电路。控制驱动电路由驱动器、伺服马达构成。测量机包括基座、测量架、固定被测工件的工件安装部件和测头，工件安装部件由回转工作台和滚动轮组成，测量机的运动装置上设置有用于测量和指示所述测量部件运动装置位移的测量指示装置。以下分电控系统和测量机两部分说明。

一、电控系统部分

本发明的电控系统对保证测量机正常工作起着关键作用，测量机有6根轴需要控制，它们是：回转工作台3的转动、第四测头5在X₁、Z₁方向的运动和第一测头8和第二测头9在X₂、Z₂方向的运动和转架13的转动。其中前三根轴主要是独立运动，后三个运动需要能够进行联动。为了准确地进行控制，必须适时地采集反馈信号，根据反馈信号进行闭环控制。4根直线运动轴都装有贴附式带状光栅尺，光栅系统的分辨力为1μm，并具有绝对零位。2根转动轴都装有角度编码器，测角系统的分辨力优于0.01°，并具有绝对零位。工控微机还有控制第二测头9的退让机构。

输入到接口主板的信号除了第一、二、三和四测头4个测头、2个编码器、4个光栅系统的信号外，还有测量温度和测量变形等误差补偿传感器、操纵盒和限位开关等输出的信号。通过实验，在确信设计方案、工艺水平、环境条件能保证所需测量精度时，某些误差补偿传感器可以省略。操纵盒除可用于手动操作外，还可以在有异常情况下进行紧急刹车。限位开关则限制运动部件的允许行程。

测量软件是测量机的又一关键组成部分，它对测量的正常运行至关重要。对测量软件的主要要求是：保证整个测量流程正确进行、各种因素考虑周全、运行速度快、界面友好、符合用户使用要求、操作方便、保存信息完整、功能强大、精度高等。

在软件编写中采用VC、OpenGL等先进平台，尽可能采用点击采单等操作方式，在操作中有必要提示，为简化输入在可能情况下采用自动输入(如测量时间、温度)和默认输入。例如工件类型，只要空击或按回车而无输入时，即默认为与上一个工件类型相同；文件名称空击或按回车而无输入时，默认为在上一个文件名称基础上将序号加1。程序中还设有“返回”栏，当发现有输入错误时，点击“返回”，即重新开始。

测量软件包括测量操作软件、数据回溯、分析软件。进入哪一软件通过点击菜单选择。实时测量操作软件在测量工件时用，它由准备程序、测量程序、后续处理程序三部分组成。

准备程序：

准备程序的流程图如图4所示。

起动程序后工控微机后屏幕提示“输入工件代码”。工件代码在菜单上列出，只要点击即可。在开机后测量第一个工件，如空击或按回车，即默认为图2所示典型工件，在以后的测量中，空击或按回车，即默认为与上一工件相同。输入工件代码后屏幕提示滚动轮6的安装位置，并提示操作人员检查内外测头是否已按被测工件调整、校正好。在没有安装、调整、校正好的情况下先进行安装、调整、校正。安装、调整、校正好后点击“是”，屏幕询问是否“已回家？”，即第一测量架14和第二测量架2是否已退出至最右方，主轴7和滑架11是否已升至最高位置。“回家”是指在完成一次动作组合后，测量机的各个移动部件返回到各自的原始位置的运动。如果“输入工件代码”时得到的回答是“默认”，则直接进入是否“已回家？”的询问。在没有回家的情况下询问“是否现在回家”，询问的目的是让操作者检查，在回家路上有无障碍，在没有或清理完障碍后点击“是”，测量机“回家”。第一测量架测14和第二测量架2到达“回家”位置后，对“已回家？”的询问点击“是”，屏幕询问“工件安装完毕”。工件安装完毕并卡紧后，点击“是”，然后进入测量程序。

测量程序：

测量程序与被测工件的尺寸、形状、需要测量的参数有关，图5是测量一般回转体工件的流程图。测量开始时，首先输入需要测量的截面数N和每一截面上测量的点数M。通常，对同一类工件，截面数N与点数M都是固定的，在不变的情况下可以调用或按默认值选取。

然后调用按要求事先已经确定并存储在工控微机内的起始测量点位置，在工控微机控制下将第一测量架14和第二测量架2引入测量位置，第一测量架14和第二测量架2中的各个运动部件按要求联动到测量点的位置，在运动过程中需进行防碰撞检查。

测头进入测量位置后开始测量。在回转工作台3带动下，工件4连续转动，编码器读取回转工作台3的转角。回转工作台3每转过2π/M，发一个采样指令，各个测头采集一组数据。工控微机存储第二测量架2及其主轴7、第一测量架14及其滑架11、转架13和回转工作台3的位置和转角的信息，以及经过调理电路处理的测头和补偿传感器的数据。图5、图6和图7中的k可为任意正整数。

回转工作台3转过360°停止转动。工控微机计算或调用下一截面测量点处母线的斜率和下一测量点的位置。第一测量架14和第二测量架2中的各个运动部件按要求联动到测量点的位置，在运动过程中需进行防碰撞检查。按照测量需要，截面位置可以沿轴向均布，也可以不均布，只要事先存入工控微机，此时调用即可。

以上阐述的为一般情况，有时只需要测量一个截面或一条母线，这时只需要输入N＝1或M＝1即可。在N＝1或M＝1的情况下，为了能够测量指定的截面、母线或点，需要输入截面和母线位置，然后由工控微机确定测量架需要运动的路径。

图6、图7和图8是针对图2所示典型工件的测量程序的流程图。其中，图6是本发明电控系统的圆截面测量程序的流程图，图7是是本发明电控系统的直线度测量程序的流程图，图8是是本发明回转体壁厚测量电控系统的圆截面测量子程序的流程图。在工控微机控制下，两个测量架各自进入测量第一个参数的测位。第二测量架2首先测量φ15圆的位置，为此测量架2先沿X方向右移动，移到测量φ15圆孔左表面的位置，然后主轴7下移，第四测头5进入测量位置。第一测量架14首先测量圆柱体F的上下两个平面止口G₂、G₁相对于回转轴线O₁O₂的垂直度和止口厚度。为此首先在工控微机控制下利用转架13将导轨12转到水平方向，这时第一测头8和第二测头9两个测头应该正好在上下止口的高度处(通过事先调整实现)。第一测量架14在工控微机控制下沿X方向运动向左运动，进入测量位置。

随后进入圆截面采样子程序。圆截面采样子程序，见图8。在回转工作台3带动下，工件4连续转动。回转工作台3每转过一定角度，发一个采样指令，3个测头采集一组数据。工控微机存储经过调理电路处理的数据。图中M为每一截面上测量的点数，k可为任意正整数。回转工作台3转过360°停止转动。测量圆截面子程序结束，回到测量主程序。

第一测量架14沿X方向运动向右运动，退出测量位置回家。

工控微机计算第四测头5测量到的工件直径，如果测得直径与φ15相差较大，则根据计算得到的差值，主轴7适当上下移动，返回圆截面采样子程序，回转工作台3转动，再次测量φ15圆的位置。如果测得直径与φ15相差不大，则直接进入下一步。

上面的过程中第二测量架2测量φ15圆中心O₁的位置，第二测量架2测量止口的厚度和G₁、G₂两个面相对于工件轴线O₁O₂的垂直度。

随后第一测量架2右移到回转工作台轴线位置，主轴7下移探测H₂面，它与第三测头15共同测量底面H的厚度。接着第一测量架2测量φ80圆的位置，为此主轴7首先上升到φ80圆所在截面，第二测量架2再在X方向向左移动，移到测量φ80圆孔左表面，第四测头5到达测量位置。

第一测量架14测量的下一个参数是圆锥面D₁、D₂的壁厚和壁厚差，以及圆锥面D₁相对于工件回转轴线O₁O₂的圆跳动。为此首先转动转架13，将导轨12转到与圆锥面D₁右侧母线平行的方向。然后，第一测量架14左移至第一测头8的测端在D₂的延长线上，滑架11再沿导轨12下移，让第一测头8和第二测头9两个测头进入测量位置。由于在止口处，第一测头8和第二测头9两个测头需有较大的间距才能进入，外测头9也即第二测头9的测杆具有退让机构，即滑架11沿导轨12向下移动时先让第二测头9的测杆后退，在越过止口、到达测量位置才让第二测头9进入工作状态。在整个运动过程中需进行防碰撞检查。

应当说在任何运动过程中，都要进行防碰撞检查，碰撞可能由于测量方法设计不恰当或软件设计中的问题引起，也可能由于机构运动中硬件在执行中发生的问题引起。一般说，在单一运动中发生碰撞的可能性较小，在几个部件联动的情况下，发生碰撞的可能性要大得多。流程图中在这些部分特别标明“防碰撞检查”，目的是让在设计和调试中，特别注意。我们开发的基于可视化和虚拟测量机的防碰撞技术是发现、解决上述问题十分有效的手段。

再次进入圆截面采样子程序，在回转工作台3带动下，工件4连续转动。回转工作台3每转过一定角度，发一个采样指令，第四测头5采集一个数据。工控微机存储经过调理电路处理的数据。回转工作台3转过360°停止转动。返回测量主程序。

工控微机计算第四测头5测量到的工件直径，如果测得直径与φ80相差较大，则根据计算得到的差值，主轴7适当上下移动，然后进入圆截面采样子程序，回转工作台3转动，再次测量φ80圆的位置。如果测得直径与φ80相差不大，则直接进入下一步。

这一段过程中第二测量架2测量φ80圆中心O₂的位置，从而确定回转轴线O₁O₂的位置。第一测量架14测量圆锥面D₁、D₂的壁厚和壁厚差，以及圆锥面D₁相对于工件回转轴线O₁O₂的圆跳动。

在完成上述测量后，在工控微机控制下，第一测量架14和第二测量架2两个测量架各自进入测量下一个参数的测位。第二测量架2测量的下一个参数是圆柱面F的直径。为此主轴7先上升到高出工件表面的位置，第二测量架2再沿X方向向左运动，移到圆柱面F的左面，主轴7下降，到圆柱面F的中部，使第四测头5进入测量位置。

第一测量架14测量的下一个参数是圆环面C₁相对于工件回转轴线的圆跳动。为此在工控微机控制下，转架13、第一测量架14与滑架11联合运动，让第一测头8和第二测头9两个测头进入测量位置，即C₁的中部位置。在运动过程中需进行防碰撞检查。

随后进入圆截面采样子程序，在回转工作台3带动下，工件4连续转动。回转工作台3每转过一定角度，发一个采样指令，第一、第二和第四3个测头采集一组数据。工控微机存储经过调理电路处理的数据。回转工作台3转过360°停止转动，返回测量主程序。

两个测量架各自进入测量下一个参数的测位。第二测量架2测量的下一个参数是圆柱面E的直径。为此主轴7先下降到E面的中部，第二测量架2再在X方向向右运动，移到圆柱面E的左面，使第四测头5进入测量位置。由于采用了星形测端，在第四测头5的测端接触E面时，其测杆不会与F面相碰。

第一测量架14测量的下一个参数是圆锥面B₁、B₂的壁厚和壁厚差，以及圆锥面B₁相对于工件回转轴线的圆跳动。为此在工控微机控制下，转架13、第一测量架14与滑架11联合运动，让第一测头8和第二测头9两个测头进入测量位置，即B₁、B₂的中部位置。在运动过程中需进行防碰撞检查。

随后进入圆截面采样子程序，在回转工作台3带动下，工件4连续转动。回转工作台3每转过一定角度，发一个采样指令，第一、第二和第四3个测头采集一个数据。工控微机存储经过调理电路处理的数据。回转工作台3转过360°停止转动，返回测量主程序。

至此，第二测量架2已完成全部测量任务，退出到回家位置。

第一测量架14测量的下一个参数是圆柱面A₁、A₂的直径，以及圆柱面A₁相对于工件回转轴线的圆跳动。为此在工控微机控制下，转架13、第一测量架14与滑架11联合运动，让第一测头8和第二测头9两个测头进入测量位置，即A₁、A₂的中部位置。在运动过程中需进行防碰撞检查。

随后进入测量圆截面子程序，在回转工作台3带动下，工件4连续转动。回转工作台3每转过一定角度，发一个采样指令，第一测头8和第二测头9两个测头采集一组数据。工控微机存储经过调理电路处理的数据。回转工作台3转过360°停止转动，返回测量主程序。

第一测量架14测量的下一个参数是圆锥面B₁、B₂的母线直线度误差，为此在工控微机控制下，转架13、第一测量架14与滑架11联合运动，让第一测头8和第二测头9两个测量头进入测量位置，即测量B面直线度的初始点位置z_2B，在运动过程中需进行防碰撞检查。随后滑架11沿导轨12向上运动，每移动一定距离h_B发一个采样指令，第一测头8和第二测头9两个测头采集一组数据。图中k可为0或正整数，工控微机存储经过调理电路处理的数据。在采集完全部N_B个数据后，第一测量架14转下一测量位置。

第一测量架14测量的下一个参数是圆锥面D₁、D₂的母线直线度误差。在工控微机控制下，转架13、第一测量架14与滑架11联合运动，第一测头8和第二测头9两个测头进入测量位置，即测量D面直线度的初始点位置z_2D，在运动过程中需进行防碰撞检查。

随后滑架11从z_2D沿导轨12向上运动，每移动一定距离h_D发一个采样指令，第一测头8和第二测头9两个测头采集一组数据。工控微机存储经过调理电路处理的数据。第一测头8和第二测头9两个测头测量圆锥面D₁、D₂的母线直线度误差。在采集完全部N_D个数据后，测量架14退出。h_B、h_D、n_B、N_D按测量需要设定，存在工控微机中。

最后，第一测量架14回家。回家时，需要在工控微机控制下，转架13、第一测量架14与滑架11联合运动，在跨越止口处，还要先让第二测头9的测杆退让机。在运动过程中需进行防碰撞检查。

后续处理程序：

到此为止测量可以结束了，但还有许多后续工作要做。如测量结果是否需要存盘？如果本次测量属调试性质，或者在测量过程中发现什么问题，就不需要存盘。还包括是否立即进行数据处理、是否输出测量报告等。测量完毕后可以立即进行数据处理，也可以后再进行。此外，还有是否需要重复测量等问题。

后续处理程序的流程图如图9所示，它需要完成下列操作。

首先工控微机屏幕提问，是否存盘，如是，则工控微机提示输入文件名和操作人员等有关信息。在默认方式下，文件名称为在上一个文件名称的基础上将序号加1，操作人员不变。然后将测量数据，包括每一测量点处4个光栅读数系统、2个角度编码器的示值、4个测头示值和误差补偿传感器示值，以及操作人员、温度等有关信息一起存入该文件。

不存盘的原因可能是测量机正在调试，数据没有意义；另一种情况下是认为测量可能有问题，需要重测，因此对“是否存盘”的否定回答将程序转向“是否重测”。在对“是否重测”回答“是”的情况下，转向测量程序中的起点，开始新的测量。如果对“是否重测”的回答是“否”，本次测量结束。

在存盘的情况下，测量数据被认为是有效的。工控微机接着询问是否立即进行数据处理。在回答“是”的情况下，工控微机进入数据处理子程序，数据处理完成后将全部结果存盘并在文件名称后加一个标记，如“*”，然后回到主程序。数据处理子程序见图10。在立即进行数据处理处。

无论是否立即进行数据处理，都有可能想看一下测量结果，为此工控微机接着询问“是否显示测量结果？”，在“否”的情况下转向“是否重测”，因为在有的情况下需要进行重复测量。下面的流程与不存盘的情况相同。

如果对“是否显示测量结果？”的回答是“是”，那么屏幕上出现可供选择项目的菜单，如在一个截面上壁厚变化情况及壁厚差，沿某一母线的壁厚变化、某段母线相对于回转工作台3轴线的跳动等。诚然，在未经数据处理的情况下，菜单上只出现仅包含原始测量数据的项目；在已经数据处理的情况下，菜单上同时出现经数据处理的项目，包括输出完整的测量报告。点击某一显示项目后，屏幕上还会问一些问题，如显示哪一个截面上壁厚变化情况及壁厚差。输入相应信息后，屏幕上即以图形或数据的方式显示该项目。显示该项目同时，屏幕上还询问是否需要打印，输出书面的报告。屏幕显示和打印方式包括图形和文字、数值等方式，显示和打印的项目和形式应满足用户要求。

无论是否打印，在显示某项目后，有可能还想了解其它项目的测量结果，为此屏幕上出现“需显示其它项目？”，在回答“是”的情况下重新出现可供选择项目的菜单”，在回答“否”的情况下转向“是否重测”。

以后流程与前述不存盘情况相同。

数据处理程序：

数据处理子程序的流程图见图10。在测量中读入的数据包括工控微机第二测量架2的位移x₁、主轴7的位移z₁、第一测量架14的位移x₂、滑架11的位移z₂、转架13的转角α、回转工作台3的转角θ的信息，以及经过调理电路处理的测头读数δ₅、δ₈、δ₉、δ₁₅和温度和变形补偿传感器的读数p₁、p₂等。测量机构的误差和标定数据则事先存入工控微机中，为了提高测量精度，需要调用这些参数，进行误差补偿。

在测量中读入的数据首先要经过预处理，预处理的内容包括剔除粗大误差、进行滤波和误差补偿等。

因为有许多误差，如圆跳动和垂直度误差，都是以工件回转轴线O₁O₂为参照进行评定的，因此需要首先计算工件的回转轴线O₁O₂。由第四测头5直接测量得到的是以回转工作台3的轴线为Z轴的圆柱坐标系(机器坐标系)中孔的表面各点的矢量坐标，在同一截面上各点的矢量坐标的平均值就是圆心O₁或O₂的矢量坐标。O₁、O₂的连线给出回转轴线矢量O₁O₂的方向和位置。

在测量G₁、G₂平面时，由第四测头5直接测量得到的是止口上下端面G₁、G₂上各点位置的坐标，利用这些点的坐标按照一定准则，例如最小二乘准则，可以拟合出两个平面G₁、G₂及其法矢量N_G1与N_G2。根据|N_G1×O₁O₂|/|N_G1|·|O₁O₂|和|N_G2×O₁O₂|/|N_G2|·|O₁O₂|可以求出G₁、G₂两个平面相对于工件的回转轴线O₁O₂的垂直度误差。

为了计算A₁、B₁、C₁、D₁、E和F面上各个点的跳动，首先需要确定计算跳动的参照点。参照点的位置在工件的回转轴线O₁O₂上，可以根据截面的位置，利用插值的方法确定各参照点的位置。

在跳动测量中，由第二测头9直接测量得到的是以回转工作台3的轴线为Z轴的圆柱坐标系(机器坐标系)中工件外表面各点的矢量坐标，知道参照点的矢量坐标后，可以求出工件外表面各点相对于参照点的矢量坐标，这一矢量坐标幅值的变化就是各点的跳动。最大幅值与最大幅值之差为圆跳动量。

为了计算A₁、A₂、E和F四个圆柱的直径，需要对测量得到的数据、按照一定的评定准则进行圆拟合，最常用的是最小二乘准则。拟合圆的直径就是A₁、A₂、E和F四个圆柱的直径。

止口的厚度(即G₁、G₂面各对应点处的距离)，和B、D、H等段的壁厚计算比较简单，只要通过简单的加减代数运算就可以得到。可以取在整个圆周上止口厚度的平均值为止口厚度。与此同时，要求在整个圆周上止口厚度和壁厚的最大和最小值均在公差内。为了求得在一个圆截面上的壁厚差，需要先找出它的最大值和最小值，它们的差值定义为壁厚差。

为了计算B、D两段的直线度误差需要按照一定的评定准则拟合出它们的最佳拟合直线，最常用的是最小二乘准则。B、D两段直线上各个点相对于它们的最佳拟合直线的偏差就是直线度偏差，而直线度的最大偏差和最小偏差之差就是直线度误差。

在求得特征参数及其误差后，就可以做出工件是否合格、哪些参数不合格等结论。

在完成全部数据处理任务后，返回到后续处理主程序。

数据回溯程序：

数据回溯是在测量后对已获得的测量数据进行回溯分析。为了节约测量时间，可以在测量时先不进行数据处理，而事后在回溯时进行数据处理。数据回溯可以用图8所示后续处理程序进行。在主菜单上点击数据回溯后即出现已存储在工控微机中的文件清单，点击需要回溯的文件名即可对该文件中的测量数据进行回溯、处理和分析。

被回溯的文件可以是经过数据处理的，也可以是没有经过数据处理的。由于在文件名称中有是否已经数据处理的标记，因此很容易识别。尚未数据处理的文件首先进行数据处理，而已经数据处理的则直接按所选定的项目内容进行显示或打印，也可以输出完整的测量报告。

数据分析程序：

数据分析程序的功能是对一批所生产的工件进行工艺分析，这要在完成了一批工件的测量后才能进行。在主菜单上点击“数据分析”后即出现询问，要分析哪一批工件？所分析的工件可以是文件号从多少到多少，也可以是某一天或某一时段测量的工件，还可以是全部某种工件。紧接着询问分析什么特征参数，如壁厚的平均值，最大壁厚差、垂直度、跳动等。第三是询问分析什么工艺特性，例如壁厚的平均值的变化趋势，壁厚分散性的变化趋势等。以上询问都通过点击或敲入的方式回答。这一部分程序可以根据生产的需要不断补充、完善。

二、测量机部分

如图3所示，本发明的测量机由基座1、工件安装部件、第一测量架2、第二测量架14、4个测头等部分组成。工件安装部件包括回转工作台3和3个滚动轮6。

第二测量架2可沿仪器的基座1上的导轨沿X方向运动，其位移可以通过装在基座1上的第三光栅尺和装在第二测量架2上的第三读数头读出。第四测头5装在第二测量架2的主轴7上，主轴7可作Z向运动，其位移可以通过装在主轴7上的第四光栅尺和装在第二测量架2上的第四读数头读出。第四测头5用来测量工件大头两个短圆柱面E、F的直径与径向跳动，并与第三测头15一起测量底面H的壁厚。它也可以移入被测工件4的孔内，测量φ15和φ80的两个圆截面的位置，以确定其圆心O₁、O₂，并在此基础上确定工件回转轴线。回转工作台3设置有第三测头15。

第一测量架14同样可沿仪器的基座1上的导轨沿X方向运动，其位移可以通过装在基座1上的第一光栅尺和装在第一测量架14上的第一读数头读出。第一测量架14用来测量工件的壁厚和壁厚差、母线的直线度，外表面相对于回转轴线O₁O₂的圆跳动、圆柱体F的上下两个平面止口G₂、G₁相对于回转轴线O₁O₂的垂直度和止口厚度，圆柱面A₁、A₂的直径。由于壁厚和壁厚差、母线的直线度，外表面相对于回转轴线O₁O₂的圆跳动等需要在表面的法线方向测量，测头应该可以转动。为此第一测量架14上装有转架13，它可以根据测量需要转到所需角度。转架13上装有角度编码器，并有绝对零位，根据它可以读出转架13的转角α，当转架13转到所需位置时，停止转动。

Z向导轨12装在转架13上，与转架13一起转动，这就是说滑架11的移动方向是可变的。Z向导轨12转动时带来的偏重采用平衡装置平衡。滑架11的位移量可由装在Z向导轨12上的第二光栅尺和装在滑架11上的第二读数头读出。在滑架11上装有内测头即第一测头8，和外测头即第二测头9。为了使得第一测头8能够伸入孔的深处，它通过有长臂的测座10固定在滑架11上，而第二测头9则直接固定在滑架11上。测量母线的直线部分时，将Z向导轨12转到与母线平行的方向；测量母线的曲线部分时，将Z向导轨12转到母线的切线方向，即可靠滑架11沿Z向导轨12的运动实现测量。这时内外测头均处于薄壁的法线方向，符合测量壁厚的需要。

这种结构还为测量母线的直线度提供方便。只要将Z向导轨12转到水平方向，就可以利用第一测量架14测量圆柱体F的上下两个平面止口G₂、G₁相对于回转轴线O₁O₂的垂直度和止口厚度。为防止损坏测头，内外测头分别采用卸载传动方式和退让机构。

测量开始前第一测量架2、第二测量架14退出，用手或机械手将被测工件4放在三个滚动轮6上，三个滚动轮6位于同一高度、以回转工作台3的轴线为中心的一个圆上，呈120°分布，被测工件4靠平面止口支承在三个滚动轮6上。被测工件4安放到三个滚动轮6上后，回转工作台3靠其卡爪在被测工件4的下端将其卡紧。靠卡爪与三个滚动轮6的共同作用使被测工件4的轴线与回转工作台3的轴线重合。

测量时被测工件4在回转工作台3带动下连续转动，回转工作台3可以由步进电机或伺服电机驱动。回转工作台3上装有的角度编码器，并有绝对零位。当回转工作台3转到规定位置时，发出采样或停止转动信号。

图2是被测工件的剖面示意图，所示的被测工件是一种薄壁回转体工件，回转体的母线为直线段或圆弧。工件的外表面由圆柱面A₁、圆锥面B₁、圆环面C₁、圆锥面D₁、圆柱面E、圆柱面F、底面H₁七部分组成；内表面由圆柱面A₂、圆锥面B₂、圆环面C₂、圆锥面D₂、底面H₂五部分组成；圆柱F还有上下两的端面(平面)G₂、G₁需要测量。各个圆柱面、圆锥面的母线是直线、各个圆环面的母线是圆弧。下面以图2中所示的被测工件为例，说明本发明的测量过程：

(1)输入需要测量的工件品种代码(只是在更换工件品种时需要输入，测量图3所示典型工件不需要输入，空击即自动默认为典型工件)。

(2)为适应测量不同工件需要，按照被测工件4(件号与运动方向均指图3上所标件号与运动方向，下同)的尺寸将三个滚动轮6调整到合适位置。在测量同类工件时滚动轮6的位置无需重新调整。

(3)在测量每个工件开始前，第二测量架2退出至最左方，主轴7升至最高位置；第一测量架14退出至最右方，滑架11升至最右、最高位置，即原始位置。

(4)用手或机械手将被测工件4放在三个滚动轮6上。

(5)回转工作台3的卡爪在工件4的下端处将其卡紧。

(6)根据输入的工件代码，在工控微机控制下，两个测量架各自进入测量第一个参数的测位。第二测量架2首先测量φ15的圆，为此第二测量架2首先沿X方向右移，移到与φ15的圆左边相对应的位置，然后主轴7下移，第四测头5进入测量位置。第二测量架14首先测量圆柱体F的上下两个平面止口G₂、G₁相对于回转轴线O₁O₂的垂直度和止口厚度。为此首先在工控微机控制下利用转架13将导轨12转到水平方向，这时两个第一测头8和第二测头9应该正好在上下止口的高度处(通过事先调整实现)。第二测量架14在工控微机控制下沿X方向运动向左运动，进入测量位置。

(7)在回转工作台3带动下，工件4连续转动。回转工作台3每转过一定角度，发一个采样指令，3个测头采集一组数据。工控微机存储经过调理电路处理的数据。

(8)回转工作台3转过360°停止转动。

(9)工控微机计算第四测量头5测量到的工件直径，如果测得直径与φ15相差较大，则根据计算得到的差值，主轴7适当上下移动，然后回到步骤(7)，即回转工作台3转动，再次测量φ15圆的位置。如果测得直径与φ15相差不大，则直接进入下一步。

(10)第二测量架2进入测量第二个参数，即底面H₂的测位，为此第二测量架2先沿X方向右移，移到回转工作台3的轴线处，然后主轴7下移，探测底面H₂。它与安装在回转工作台孔内的第三测头15一起测量底面H的壁厚。第一测量架14沿X方向运动向右运动，退出测量位置。

(11)在工控微机控制下，两个测量架各自进入测量下一个参数的测位。第二测量架2测量φ80圆的位置，为此主轴7首先上升到所需位置，第二测量架2再沿X方向向左运动，移到测量φ80圆孔左表面，第三测头5进入测量位置。第一测量架14测量的下一个参数是圆锥面D₁、D₂的壁厚和壁厚差，以及圆锥面D₁相对于工件回转轴线的圆跳动。为此首先转动转架13，将Z向导轨12转到与圆锥面D₁右侧母线平行的方向。然后，在工控微机控制下，第一测量架14左移，使第一测头8的测端在D₂右侧母线的延长线上，随后滑架11沿Z向导轨12下移，让第一测头8和第二测头9进入测量位置。由于在止口处，第一测头8和第二测头9需有较大的间距才能进入，第一测头9的测杆具有退让机构，即滑架11沿Z向导轨12向下移动时先让第一测头9的测杆后退，在越过止口、到达测量位置才让第一测头9进入工作状态。在整个运动过程中需进行防碰撞检查。

(12)在回转工作台3带动下，被测工件4连续转动。回转工作台3每转过一定角度，发一个采样指令，3个测头采集一组数据。工控微机存储经过调理电路处理的数据。

(13)回转工作台3转过360°停止转动。

(14)工控微机计算第四测头5测量到的工件直径，如果测得直径与φ80相差较大，则根据计算得到的差值，主轴7适当上下移动，然后回到步骤(12)，即回转工作台3转动，再次测量φ80圆的位置。如果测得直径与φ80相差不大，则直接进入下一步。

(15)第二测量架2测量的下一个参数是圆柱面F的直径，以及F面相对于工件回转轴线的圆跳动。为此主轴7先上升，到高出工件上表面的位置。第二测量架2再沿X方向向左运动，移到圆柱面F的左面，主轴7下降，到圆柱面F的中部，使第四测头5进入测量位置。第一测量架14测量的下一个参数是圆环面C₁相对于工件回转轴线的圆跳动。为此在工控微机控制下，转架13、第一测量架14与滑架11联合运动，第一测头8和第二测头9进入测量位置，即C₁的中部位置。在运动过程中需进行防碰撞检查。

(16)在回转工作台3带动下，被测工件4连续转动。回转工作台3每转过一定角度，发一个采样指令，3个测头采集一组数据。工控微机存储经过调理电路处理的数据。

(17)回转工作台3转过360°停止转动。

(18)两个测量架各自进入测量下一个参数的测位。第二测量架2测量的下一个参数是圆柱面E的直径，以及E面相对于工件回转轴线的圆跳动。为此主轴7先下降，第二测量架2再沿X方向向右移动，移到圆柱面E的左面，使第四测头5进入测量位置。由于采用了星形测端，可以保证在测端接触E面时，测杆不会与F面相碰。第一测量架14测量的下一个参数是圆锥面B₁、B₂的壁厚和壁厚差，以及圆锥面B₁相对于工件回转轴线的圆跳动。为此在工控微机控制下，转架13、第一测量架14与滑架11联合运动，第一测头8和第二测头9进入测量位置，即B₁、B₂的中部位置。在运动过程中需进行防碰撞检查。

(19)在回转工作台3带动下，被测工件4连续转动。回转工作台3每转过一定角度，发一个采样指令，第二测头9采集一个数据。工控微机存储经过调理电路处理的数据。

(20)回转工作台3转过360°停止转动。

(21)第二测量架2退出，到原始位置。第一测量架14测量的下一个参数是圆柱面A₁、A₂的直径，以及圆柱面A₁相对于工件回转轴线的圆跳动。为此在工控微机控制下，转架13、第一测量架14与滑架11联合运动，让第一测头8和第二测头9进入测量位置，即A₁、A₂的中部位置。在运动过程中需进行防碰撞检查。

(22)在回转工作台3带动下，被测工件4连续转动。回转工作台3每转过一定角度，发一个采样指令，2个测头采集一组数据。工控微机存储经过调理电路处理的数据。

(23)回转工作台3转过360°停止转动。

(24)第一测量架14测量的下一个参数是圆锥面B₁、B₂的母线直线度误差。在工控微机控制下，转架13、测量架14与滑架11联合运动，让两个测量头8和9进入测量位置，即到达B₁、B₂的下端，在运动过程中需进行防碰撞检查。

(25)滑架11沿Z向导轨12向上运动，每移动一定距离发一个采样指令，2个测头采集一组数据。工控微机存储经过调理电路处理的数据。2个测头测量圆锥面B₁、B₂的母线直线度误差。

(26)第一测量架14测量的下一个参数是圆锥面D₁、D₂的母线直线度误差。在工控微机控制下，转架13、第一测量架14与滑架11联合运动，让第一测头8和第二测头9进入测量位置，即到达D₁、D₂的下端，在运动过程中需进行防碰撞检查。。

(27)滑架11沿Z向导轨12向上运动，每移动一定距离发一个采样指令，2个测头采集一组数据。工控微机存储经过调理电路处理的数据。2个测头测量圆锥面D₁、D₂的母线直线度误差。

(28)在工控微机控制下，转架13、测量架14与滑架11联合运动，让第一测头8和第二测头9回原始位置。在跨越止口处，先让外测头9的测杆退让。在运动过程中需进行防碰撞检查。

(29)在完成全部截面的测量后，工控微机询问是否保存测量数据，是否显示、打印测量结果，是否重新测量等。

以上阐述的针对典型工件的测量步骤。在测量其它工件时，随工件尺寸、形状不同，需要测量的参数不同测量步骤会有所变化。

Claims (6)

1、一种工件壁厚与尺寸形位误差自动测量系统，包括测量机及其电控系统，其特征是，所述的电控系统的包括工控微机，工控微机通过控制卡与连接有接口主板，接口主板连接有测头、退让机构、温度传感器、操纵盒、限位开关和多个控制与驱动电路；所述的控制驱动电路由驱动器、伺服马达构成；所述的测量机包括基座、测量架、固定被测工件的工件安装部件和测头，工件安装部件由回转工作台和滚动轮组成，测量机上设置有测量指示装置。

2、根据权利要求1所述的一种工件壁厚与尺寸形位误差自动测量系统，其特征是，所述的测量指示装置是第一光栅尺、第二光栅尺、第一读数头和第二读数头；所述的测量机基座通过其上的导轨连接有第一测量架，第一测量架可在其导轨上沿X₂方向运动，第一光栅尺设置在基座上，用于测量第一测量架的位移，第一读数头设置在第一测量架上，用于读取第一测量架的位移数据；第一测量架上设置有根据测量需要能旋转到所需角度的转架，转架上设置有指示转架旋转角度的角度编码器；转架上设置有Z向导轨，Z向导轨上设置有滑架，滑架可在其Z向导轨上沿Z₂方向运动，第二光栅尺设置在Z向导轨上设置上，用于测量滑架的位移，第二读数头设置在滑架上，用于读取滑架的位移数据；所述滑架设置有测座和第二测头，测座设置长臂，长臂设置有第一测头；所述回转工作台设置有第三测头。

3、根据权利要求2所述的一种工件壁厚与尺寸形位误差自动测量系统，其特征是，所述的测量指示装置是第三光栅尺、第四光栅尺、第三读数头和第四读数头；所述的测量机基座通过其上的导轨连接有第二测量架；第二测量架可在其导轨上沿X₁方向运动，第三光栅尺设置在基座上，用于测量第二测量架的位移，第三读数头设置在第二测量架上，用于读取第二测量架的位移数据；第二测量架设置有主轴，主轴可在第三导轨上沿Z₁方向运动，第四光栅尺设置大主轴上，用于测量主轴的位移，第四读数头设置在第二测量架上，用于读取主轴的位移数据。

4、根据权利要求3所述的一种工件壁厚与尺寸形位误差自动测量系统，其特征是，所述的第四测头是带星形测端的三维模拟测头。

5、根据权利要求1所述的一种工件壁厚与尺寸形位误差自动测量系统，其特征是，所述的工控微机内存储有实时测量软件，实时测量软件由准备程序、测量程序和后续处理程序组成；所述的工控微机运行准备程序时执行以下步骤：

(1)开始；

(2)输入工件代码；

(3)判断是否输入了“默认”，如判断结果为“是”，则执行步骤(7)；

(4)如步骤(3)的判断结果为“否”，则屏幕显示工件类别并提示对滚动轮的安装要求；

(5)判断滚动轮是否已安装妥、测头是否已校正？如判断结果为“是”，则执行步骤(7)；

(6)如步骤(5)的判断结果为“否”，则调整、校正并返回步骤(5)；

(7)判断屏幕是否提示已回家？如判断结果为“是”，则执行步骤(10)；

(8)如步骤(7)的判断结果为“否”，则判断是否现在回家？

(9)如步骤(8)的判断结果为“是”，则测量机回家并返回步骤(7)；

(10)安装工件；

(11)判断安装工件是否完毕？

(12)如步骤(11)的判断结果为“是”，则运行测量程序；

所述的工控微机运行测量程序时执行以下步骤：

(13)输入测量的截面数N和每个截面上测量的点数M；

(14)i＝1；

(15)计算或调用起始测量点的位置；

(16)第一测量架与第二测量架进入测量位置；

(17)工作台转动；

(18)读取工作台转角θ；

(19)判断θ＝2kπ/M？

(20)如步骤(19)的判断结果为“是”，则进行采样读数并由工控微机保存；

(21)判断θ＝2π？

(22)如步骤(21)的判断结果为“是”，则工作台停止转动；

(23)i＝i+1；

(24)判断i＝N？如判断结果为“是”，则运行后续处理程序；

(25)如步骤(24)的判断结果为“否”，则计算或调用下一个点的位置和母线方向；

(26)第一测量架与第二测量架进入下一点测量位置，返回步骤(17)；

所述的工控微机运行后续处理程序时，执行以下步骤：

(27)判断是否存盘？如判断结果为“否”，则执行步骤(40)；

(28)如步骤(27)的判断结果为“是”，则输入文件名；

(29)存盘；

(30)判断是否立即进行数据处理？如判断结果为“否”，则执行步骤(32)；

(31)如步骤(30)的判断结果为“是”，则进行数据处理；

(32)存数据处理结果并对文件名加标记；

(33)判断是否显示测量结果？如判断结果为“否”，则执行步骤(40)；

(34)如步骤(33)的判断结果为“是”，则选择显示项目；

(35)显示该项内容；

(36)判断是否打印该项内容？如判断结果为“否”，则执行步骤(38)；

(37)如步骤(36)的判断结果为“是”，则打印；

(38)判断是否需要显示其它项目？如判断结果为“否”，则执行步骤(40)

(39)如步骤(38)判断结果为“是”，则返回步骤(34)；

(40)判断是否需要重测？如判断结果为“是”，则接测量程序起点，运行测量程序；

(41)如步骤(40)的判断结果为“是”，则结束。

6、根据权利要求5所述的一种工件壁厚与尺寸形位误差自动测量系统，其特征是，所述工控微机内存储有数据处理子程序，工控微机运行数据处理子程序时执行以下步骤：

(1)读入数据；

(2)进行数据预处理；

(3)Φ15面上圆拟合；

(4)Φ80面上圆拟合；

(5)确定O₁O₂位置和O₁O₂位置方向；

(6)对G₁进行平面拟合；

(7)对G₂进行平面拟合；

(8)求平面法线矢量；

(9)求G₁和G₂的垂直度误差；

(10)确定A₁～F₁各面跳动参照点位置；

(11)求A₁面各点跳动与圆跳动量；

(12)求B₁面各点跳动与圆跳动量；

(13)求C₁面各点跳动与圆跳动量；

(14)求D₁面各点跳动与圆跳动量；

(15)求E₁面各点跳动与圆跳动量；

(16)求F₁面各点跳动与圆跳动量；

(17)求A₁面的拟合圆；

(18)求A₂面的拟合圆；

(19)求E面的拟合圆；

(20)求F面的拟合圆；

(21)求A₁、A₂、E、F圆柱的直径；

(22)求G₁、G₂面各对应点之间的距离；

(23)求止口厚度平均值、最大值、最小值；

(24)计算底部H壁厚；

(25)计算D面各点壁厚；

(26)确定D面壁厚差；

(27)计算B面各点壁厚；

(28)确定B面壁厚差；

(29)对D₁、D₂母线进行直线拟合；

(30)计算D₁、D₂直线度误差；

(31)求B₁、B₂母线进行直线拟合；

(32)计算B₁、B₂直线度误差；

(33)得出结论；

(34)返回主程序。

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