技術領域

本發(fā)明涉及深孔類零件的測量方法，尤其是單點激光旋轉掃描的深孔直線度檢測方法。

背景技術：

深孔類零件在航天、航海、電力等大型裝備領域應用越來越廣。作為一種機械配合型幾何要素，當深孔加工完成之后，一般需要對其直線度進行檢測，即檢測實際孔心線與理想孔心線之間的空間變動量，如果深孔直線度超出了規(guī)定的公差帶，會增加零件的裝配難度，并嚴重影響整個設備的運動精度和壽命。與其他幾何量相比，深孔直線度的檢測難度大，水平低，究其原因主要包括：一是受內(nèi)部空間限制，探測設備的可達性差；二是深孔中心線是一條虛軸，無法進行直接測量。

傳統(tǒng)測量方法有以下幾種：1、卡尺測壁厚判斷法。在深孔外部加工兩個相互垂直的基準面，利用卡尺測量深孔軸向兩端至基準面的厚度，間接測量計算出深孔兩端中心位置的偏差。此方法的優(yōu)點是操作簡單，缺點是只能測量深孔兩端，不能真實反映整條孔心線，誤差大，不適合對精度要求較高的場合。2、量規(guī)判別法。利用若干個的綜合塞規(guī)，由塞規(guī)通過與否分段判斷孔軸線直線度合格與否。其特點是:效率高,只能判斷合格與否，缺點是不能得出數(shù)據(jù)大小，所需塞規(guī)數(shù)量多，適用于小孔測量。3、臂桿法。將臂桿支撐在孔內(nèi)，在桿長方向分段布置兩個激光方向垂直的位移傳感器。測量時，以傳感器間距為移動量，綜合前后兩次測量數(shù)據(jù)擬合出圓心坐標。該方法的優(yōu)點是成本低，能定量給出深孔直線度誤差，缺點是誤差源較多，精度低。4、坐標機測量法。通過三坐標測量機對深孔內(nèi)臂各點測量，擬合實際孔心線。優(yōu)點是精度高，測量速度快，缺點時設備貴，具有接觸式測量的諸多缺陷，要求對工件進行搬移，若被測工件太大，將無法測量。5、激光準直法。以激光準直法為基礎，激光經(jīng)過準直后射向可以在深孔中移動的光電測量元件，測量元件感知深孔被測截面實際中心位置的變化，實時得到相應的圖像，圖像經(jīng)處理后，可獲得各被測截面實際的圓心位置。優(yōu)點是測量精度較高，容易實現(xiàn)自動化，然而此方法要求深孔兩個端面無干擾物體，且須安裝眾多輔助設備，耗時多，成本高。

查閱中國專利文獻，CN201510741425.2公開一種圓周定位激光深孔直線度檢測裝置，將測頭部分置于被測工件深孔內(nèi)，激光器發(fā)出的激光照射在測頭上的PSD傳感器上形成一個光斑，利用滑輪繞緊牽引線牽引測頭在深孔內(nèi)從靠近激光器的一端向另一端移動，并計算光斑中心位置變化信息，進而確定各圓截面從而得出直線度誤差。該發(fā)明深孔直線度檢測裝置與被測工件相互接觸并移動，本質上是一種接觸式測量。CN201310106703.8公開一種非接觸內(nèi)孔直線度測量裝置和方法，利用了氣浮平臺在孔內(nèi)移動，并將光電傳感器安裝在所述氣浮運動平臺的中心，將準直激光照射在光電傳感器的光敏面上，利用光斑中心位置變化深孔直線度，該方法的最大特點是實現(xiàn)了直線度的非接觸測量。在所有查詢的相關發(fā)明專利和文獻中，多數(shù)以準直激光作為測量基準，尚未發(fā)現(xiàn)任何以回轉軸線為基準的深孔直線度測量技術。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是為克服上述技術的不足，提出一種基于單點激光旋轉掃描的深孔直線度檢測方法，減少檢測誤差源，提高測量效率，結構相對簡單，動態(tài)測量優(yōu)勢明顯，同時，如若在機床上實施，旋轉體可由機床主軸直接代替，輔之以無線通訊技術、自動控制技術，可使深孔在加工現(xiàn)場進行測量變得更加簡單。

本發(fā)明的技術方案是：單點激光旋轉掃描的深孔直線度檢測裝置，包括一個激光位移傳感器測頭、一個旋轉體、一個軸向調節(jié)機構，以及一臺計算機；激光位移傳感器測頭和軸向調節(jié)機構的內(nèi)圓柱導軌固定連接并鎖定；軸向調節(jié)機構的圓柱套筒夾持到機床主軸或自研主軸上并鎖定；啟動激光位移傳感器測頭中的藍牙數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，建立測頭和計算機的通信連接，傳送數(shù)據(jù)至計算機作數(shù)據(jù)處理和結果顯示；旋轉體提供基準所用的回轉軸線，并為旋轉掃描提供運動源；軸向調節(jié)機構包含圓形套筒、內(nèi)圓柱導軌和調節(jié)緊定螺釘，圓形套筒和圓柱導軌配合組成移動副，調節(jié)緊定螺釘可將兩者鎖定。

單點激光旋轉掃描的深孔直線度檢測方法，該方法以旋轉體提供的回轉軸線為基準，利用激光位移傳感器的測頭進行一維旋轉掃描，輸出所掃描的截面中心相對回轉軸線的位置坐標；其操作步驟包括，首測量截面的逼近式定心操作，測量其他截面的圓心相對回轉軸線的位置變化，圓心極坐標圖像的繪制和轉換，最小包容區(qū)域法計算所有圓心坐標的最小包容圓，其直徑即為所求直線度。

單點激光旋轉掃描的深孔直線度檢測方法，其操作步驟是，

第一步， 啟動激光位移傳感器，使激光打在被測深孔內(nèi)壁上；啟動機床主軸旋轉，使得激光掃描圓孔內(nèi)截面；

第二步，設定起始掃描方向，利用逼近式孔心定位方法，觀測計算機上測量數(shù)據(jù)的峰值變化：即在機床X方向與Y方向依次移動測頭，找出測量數(shù)據(jù)峰谷值最小所對應的位置；多次重復，直到測量數(shù)據(jù)的峰谷值不能再小，可知回轉中心和被測圓中心重合；

第三步，調節(jié)軸向調節(jié)機構使測頭下移2~3mm，從起始掃描方向開始保持共同旋轉，保證回轉軸線的唯一性，滿足深度方向測頭移動的要求；

第四步，記錄計算機上測量數(shù)據(jù)的峰谷值，該值的二分之一表示該截面中心距離回轉軸線的距離，記錄計算機上測量數(shù)據(jù)中出現(xiàn)峰值的點位數(shù)和周期總點位數(shù)，兩者之商乘以2π即為該掃描截面中心同回轉軸線的相對角度；

第五步，繼續(xù)下移軸向調節(jié)機構，按照第三、四步的方法找出所有被測截面中心同主軸軸線的距離以及相對角度，所獲數(shù)據(jù)可以構成極坐標內(nèi)的數(shù)據(jù)點；

第六步，將上一步中極坐標內(nèi)所有數(shù)據(jù)點轉換成直角坐標，并利用最小包容區(qū)域法，計算最小包容圓，其直徑即為圓孔直線度值。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比較，具有以下優(yōu)點：

1、本方法可利用加工所用的回轉軸線為基準，一方面，無需使用實物基準，減小了實物基準形位誤差和安裝誤差的影響，另一方面，可以使得加工區(qū)域和測量區(qū)域保持一致；

2、以旋轉體+測頭+軸向調節(jié)機構的組合方式，結構相對簡單，在保證軸向移動測頭的同時，可以保持回轉軸線空間位置的唯一性；

3、首測量截面實現(xiàn)了定心，保證了測量距離的一致性，降低了傳感器誤差受測距變化的影響；

4、本方法的孔內(nèi)移動機構采用軸向調節(jié)結構帶動測頭移動，無需接觸，同時，激光位移傳感器屬于非接觸測量，因而，本方法屬于一種完全非接觸的測量方式；

5、由于每個截面的掃描圈數(shù)少，使得測量效率較高；

6、具有數(shù)字化測量的特點，輔之以無線通訊技術、自動控制技術，還可使自動測量變得簡單；

7、無需安裝附件，無需另外加工基準，使得深孔直線度在機測量變得更加簡單。

附圖說明

圖1是基于激光旋轉掃描的深孔直線度測量系統(tǒng)結構示意圖；

圖2是本發(fā)明核心部件放大圖；

圖3是基于單激光束回轉掃描的空間極限點搜索模型圖；

圖4是被測孔圓心與回轉軸線的位姿計算模型圖；

圖5是首測截面定心模型圖；

圖6基于旋轉掃描的深孔直線度檢測模型圖。

圖中：1.數(shù)控銑床，2工作臺，3.被測孔類工件，4.主軸，5.軸向調節(jié)機構，6.測頭，7.激光位移傳感器，8.激光光軸，9.被測曲面，10.軌跡2，11.公垂線，12.軌跡1，13.回轉主線，14.首測圓截面，13.回轉軸線，15.圓孔實際中心線，16.第n個掃描截面，17.投影極坐標。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步說明。為保證本方法的順利實施，必須有一個激光位移傳感器測頭6、一個旋轉體、一個軸向調節(jié)機構5，如圖1所示。如在機床上，首先，將激光位移傳感器測頭6和軸向調節(jié)機構5固定連接，并夾持到機床主軸4上，然后將被測孔類工件3夾持在工作臺2上，并利用數(shù)控銑床1的進給系統(tǒng)將測頭6移動至孔內(nèi)。啟動激光位移傳感器7，使得激光打在深孔內(nèi)壁上；啟動機床主軸4旋轉，使得激光掃描圓孔內(nèi)截面，再利用逼近式孔心定位方法（如圖4所示）找到首測量截面14圓心同主軸軸線重合的位置，即使O和O₁重合。接下來，利用軸向調節(jié)機構5下移測頭一段距離，如2mm，并從起始掃描方向開始繼續(xù)回轉掃描，如圖3所示，記錄測頭數(shù)據(jù)的輸出曲線，利用公式(5)計算此截面的圓心與回轉軸線之間的距離，利用公式(6)計算截面2波峰測量點的相對角度。同理，繼續(xù)下移軸向調節(jié)機構5，找出所有被測截面9中心同主軸軸線的距離以及相對角度，所獲數(shù)據(jù)可以構成極坐標內(nèi)的數(shù)據(jù)點17。然后，將極坐標內(nèi)的點17轉換成直角坐標，并利用最小包容區(qū)域法，計算最小包容圓，其直徑即為圓孔直線度值。

現(xiàn)以在數(shù)控銑床1上測量深孔直線度為例說明本方法，如圖1所示。除機床1外，該方法用到一個以激光位移傳感器7為核心的測頭6，一個軸向調節(jié)機構5。

首先，介紹極限點搜索模型，以確定圓心和回轉軸線的相對位置利用激光位移傳感器7回轉掃描圓孔內(nèi)表面9，其空間模型可簡化為如圖2所示。考慮到激光位移傳感器7的安裝偏差，激光出射線AB8同回轉軸線13既不垂直也不相交，即兩者成異面關系，存在公垂線OC 11，其中，點C繞回轉軸旋轉可形成圓形軌跡——軌跡1（10）。設B點是激光位移傳感器的零位點，零位點的回轉軌跡為——軌跡2（12）。以O為原點，回轉軸線為Z軸，可建立直線建立坐標系O-XYZ。圖3中，AB表示激光位移傳感器的輸出值，OA為被測點至原點的距離。由于激光束AC在回轉掃描的過程中，△OBC的形狀不會改變，而由于△OAC中A點會變化， OA、AC的長度均會發(fā)生改變。

在△OBC中：

在△OAC中：

因而，有：

(1)

由于△OBC的形狀不會改變，則OB、OC恒定不變，對式(1)對變量AB求導:

(2)

由于長度值AB恒為正，使得導函數(shù)亦為正，即與AB具有相同的單調性。因而，當測量值AB出現(xiàn)極限值時，被測點至回轉軸線（13）的公垂點的間距OA也將出現(xiàn)極限值。即：

(3)

(4)

在深孔加工現(xiàn)場，原則上回轉軸線13與被加工曲面9平行，當激光位移傳感器7相對于機床主軸4垂直安裝時，空間模型圖3可轉變成平面模型，如圖4所示。

當掃描點為Amax和Amin時，由式（3）和式（4）可知，傳感器輸出值AB亦將出現(xiàn)對應極值。

若在設計測頭時，作如下限制：回轉軸線13至零位測量點的距離不低于為70mm，安裝偏心OC小于0.1mm，測量范圍為0~10mm，則在△OAC中，可以計算AB和AD的最大偏差不超過0. 05微米，可忽略不計。

因而有：

(5)

s表示傳感器單周期內(nèi)的峰谷值，由式(5)可以計算回轉軸線至被測孔圓心的距離。然而，求解圓心相對回轉軸線的相對位置還需確定兩者的方位。為了完成這個目的，本文對各個截面進行掃描時，固定一個起始方向，如圖4所示，由于傳感器采樣時間短且保持恒定，可以計算波峰相對起始方向的角度。而由于波峰出現(xiàn)時，被測點、圓心、回轉軸線投影點三者共線，因而，即可表示圓心的方位，有：

(6)

式中，表示自起始方向至波峰出現(xiàn)時的掃描點數(shù)，表示單周期內(nèi)掃描的總點數(shù)。

其次，介紹逼近式孔心定位法，使得首測截面中心和主軸軸線重合。

深孔直線度是一項形位誤差，量值小，而激光位移傳感器的測量范圍相對較大，且其誤差受測距變化影響，因而在進行直線度測量時，測距不應變化過大。為此，在進行首圓截面測量時，使回轉軸線和圓心重合，可消除安裝偏心對傳感器測量范圍的影響。

如附圖4所示，基本原理為：測頭在孔內(nèi)掃描，測量值e周期變化，若在機床X方向移動測頭，由于 OO₁是一個由大變小再變大的過程，測量值e的峰谷值具有由大變小在變大的規(guī)律，根據(jù)公式（3）和公式（4）可知，相應極小值必然對應圖中P點；然后沿Y方向移動測頭，觀測s的變化，當回轉軸線同孔心重合時，s最小，理論上可以一次定心。考慮到實際操作存在在不考慮機床平移側向誤差和主軸回轉徑向誤差時等多種誤差因素影響，有時需多次在X、Y軸方向上交替移動，直至s最小，使得O和O₁重合。

最后，介紹圓孔直線度測量方法

根據(jù)極限點搜索法，并計算出圓心相對回轉軸線的極距和方位時，可繪制極坐標圖，將其轉化為直角坐標圖，根據(jù)最小包容圓擬合算法，并計算直徑最小包容圓，其直徑即為圓孔直線度值。

圓孔直線度的測量原理如圖5所示，設掃描截面從上至下為首截面14、截面N 16 (N=2、3..….n)，起始測量方向為俯視圖六點鐘方向。

執(zhí)行步驟如下：

1.利用回轉定心法使得回轉軸線13和首截面14的中心重合。

2. 軸向調節(jié)裝置執(zhí)行下移測頭至截面2，并對截面2進行回轉掃描，記錄測頭數(shù)據(jù)的輸出曲線，利用公式(5)計算截面2的圓心與回轉軸線13之間的距離，利用公式(6)計算截面2波峰測量點的相對角度。

3.以起始測量角度為極坐標原點，以波峰測量點的相對角度為極角，以所測圓心與回轉軸線之間的距離為極距，繪制極坐標17。

4.以起始掃描角度出發(fā)，下移測頭至其他被測截面，重復步驟2，3直至繪制出所有截面圓心的極坐標17。

5.將極坐標17轉換成直角坐標，利用最小區(qū)域擬合算法計算直徑最小包容圓，其直徑即為圓孔直線度。

本方法的測量基準是旋轉體的回轉軸線，本發(fā)明采用軸向調節(jié)機構和測頭固定，并同時繞回轉軸線旋轉，保證了測量基準的空間唯一性。若如采用機床自帶進給機構移動主軸，則其回轉軸線的空間位置將會發(fā)生變化，無法滿足作為基準的條件。

本方法采用逼近式定心法使得激光位移傳感器測量數(shù)據(jù)保持在較小范圍，解決了傳感器誤差受測距變化的影響。在極限點搜索法的基礎上，利用激光位移傳感器的旋轉掃描數(shù)據(jù)直接計算回轉中心至被測孔圓心的距離；設定起始掃描方向，利用測量數(shù)據(jù)峰值出現(xiàn)的點位和周期總點數(shù)，計算回轉中心和圓孔中心的相對角度變化，從而確定孔心相對回轉軸線的位置坐標，因而，無需采用面陣型光電器件以孔心的二維坐標。

本方法的激光位移傳感器屬于一種完全非接觸的測量方式，即孔內(nèi)移動機構采用軸向調節(jié)結構帶動測頭移動，無需接觸；激光位移傳感器對孔壁進行測量，為非接觸。

本發(fā)明的上述實施例只是用于說明本發(fā)明的技術方案，并不限定本發(fā)明的保護范圍，凡是采用等同替換或等效變換形成的技術方案，均被本發(fā)明申請的范圍所涵蓋。