專利名稱：非接觸式在線測量大型軸工件直徑的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量機械加工大型軸工件直徑的裝置，特別是一種非接觸式在線
測量大型軸工件直徑的裝置。
背景技術(shù)：
隨著大型機械設(shè)備向著復雜化、精密化方向發(fā)展，對于這些設(shè)備所需要的大尺寸 工件加工質(zhì)量的檢測要求也不斷提高。長期以來，國內(nèi)外對大直徑測量進行了大量的研究， 但是一直沒有理想的方法和儀器出現(xiàn)，尤其在機械加工行業(yè)中，大直徑尺寸的精密測量尚 未得到很好解決。 對于大外徑的測量，目前企業(yè)普遍采用的還是游標卡尺、外徑千分尺、卡規(guī)和Ji 尺等直接測量的方法，檢具笨重，操作不便，測量精度低，測量效率不高。相對于直接測量 法，間接測量方法在測量范圍、儀器的便攜式、測量效率等方面具有明顯的優(yōu)勢，其中具有 代表性的測量方法包括滾輪法、三點法和圓周要素法等。 滾輪法測量大直徑具有體積小、操作方便、工作效率高以及可在線動態(tài)測量等優(yōu) 點，但是測量過程存在滾輪和工件之間相對打滑等諸多誤差因素，目前天津大學和合肥工 業(yè)大學等機構(gòu)都在從事滾輪法大直徑測量的研究，但是為了減小誤差影響和進行誤差補 償，儀器結(jié)構(gòu)和信號處理過程越來越復雜化。 三點法的測量原理是根據(jù)平面幾何中過不在同一直線上的三個點可以唯一確定 一個圓的定理，通過間接測量的方法，獲得大尺寸孔或軸的直徑。目前便攜式的產(chǎn)品如瑞士 TESA公司生產(chǎn)的ETALON ZEDURAM通用電子測量儀等。西南交通大學目前也在開展這方面 的研究，設(shè)計開發(fā)了一套檢具用于火車車輪直徑的測量。 圓周要素法直徑測量，根據(jù)所測量的圓周要素不同可分為測量圓周的弓高和弦 長來獲得被測直徑；測兩切線的夾角和從角頂?shù)焦ぜ砻婢嚯x來獲得被測直徑，測固定角 度和弦長來獲得被測直徑等。楊宏宇等基于標記法研制的"智能大直徑測量儀"其實質(zhì)就 是采用角度弦長方法；專利"大直徑軸盤類工件直徑的測量方法及裝置"也是采用相同的測
量原理。 在根據(jù)圓周要素測量直徑的方法中，目前廣泛使用的是弓高弦長類測量儀器。目 前武漢理工大學、西南交通大學和申請人所在的湖南科技大學等機構(gòu)積極開展這方面的研 究，研究的關(guān)鍵問題在于如何提高弓高弦長法直徑測量精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種設(shè)計科學，結(jié)構(gòu)簡單，根據(jù)被測大軸的尺寸優(yōu)化確定 標定系統(tǒng)大圓盤和小圓盤以及測試系統(tǒng)的弦長值，測試系統(tǒng)的弦長和初始弓高參數(shù)進行現(xiàn) 場標定。采用激光位移傳感器進行弓高測量，計算機自動剔除異常數(shù)據(jù)的非接觸式在線測 量大型軸工件直徑的裝置。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是測量底座(4)的云臺(5)上裝有三
3根導軌(6)由絲桿(7)和螺紋聯(lián)接，底座(4)上裝有立柱(S)，立柱(8)上套裝有四個導軌 滑塊(9)并裝有鎖緊螺絲(IO)，上下導軌滑塊(9)固裝的滑板(11)長度一致且裝有傳感器 (12)由鎖緊螺桿(13)聯(lián)接，立柱(8)上中間套裝的二個導軌滑塊(9)由鎖緊螺桿(14)聯(lián) 接裝有滑板(11)和傳感器(12)，中間導軌滑塊(9)滑板(11)的長度小于上下滑板(11)， 傳感器(12)與計算機(1)之間由電纜聯(lián)接，標定底座(15)上固裝有對稱的支撐座(16)， 支撐座(16)由旋轉(zhuǎn)軸(17)聯(lián)接并裝有軸承(18)，旋轉(zhuǎn)軸(18)中央裝有兩個直徑大小不 同的圓盤(19)和小圓盤(20)，調(diào)速電機(2)由支架(21)聯(lián)接固定在標定底座(15)上，調(diào) 速電機(2)機軸與一端旋轉(zhuǎn)軸(17)聯(lián)接，另一端旋轉(zhuǎn)軸(17)與固定在標定底座(15)支架 (21)上的轉(zhuǎn)速編碼器(22)聯(lián)接，測量底座(4)與標定底座(15)之間由大平臺(23)聯(lián)接。 測量底座(4)與標定底座(15)能單獨使用，由于被測量物的異形或超大，測量底座(4)能 安裝三角架、曲線架和其它異形架。 本發(fā)明的優(yōu)點是1，設(shè)計科學，結(jié)構(gòu)簡單。根據(jù)被測大軸的尺寸優(yōu)化確定標定系統(tǒng) 大圓盤和小圓盤以及測試系統(tǒng)的弦長值，測試系統(tǒng)的弦長和初始弓高參數(shù)進行現(xiàn)場標定。 采用3只高精度激光位移傳感器的對稱布置進行弓高的相對測量，降低了測量時測試系統(tǒng) 和被測大軸之間的位置精度要求。2，數(shù)據(jù)取樣多樣化，集中處理數(shù)據(jù)誤差小。通過測量過 程中傳感器的讀數(shù)調(diào)整上下傳感器的對稱性，通過測量數(shù)據(jù)的處理，自動剔除異常數(shù)據(jù)。標 定和測量過程自動進行整圓周內(nèi)均勻采樣并取平均的方法減小隨機測量誤差和圓度誤差 對測量結(jié)果的影響。3，制作費用低，運營成本小。


附圖1本發(fā)明測量底座和標定底座結(jié)構(gòu)圖
附圖2本發(fā)明測量底座結(jié)構(gòu)示意圖
附圖3本發(fā)明標定底座結(jié)構(gòu)示意圖
下面根據(jù)附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明
具體實施例方式
本發(fā)明可從圖1、圖2和圖3可知，本發(fā)明測量底座(4)的云臺(5)上裝有三根導 軌(6)由絲桿(7)和螺紋聯(lián)接，底座(4)上裝有立柱(S)，立柱(8)上套裝有四個導軌滑塊 (9)并裝有鎖緊螺絲(IO)，上下導軌滑塊(9)固裝的滑板(11)長度一致且裝有傳感器(12) 由鎖緊螺桿(13)聯(lián)接，立柱(8)上中間套裝的二個導軌滑塊(9)由鎖緊螺桿(14)聯(lián)接裝 有滑板(11)和傳感器(12)，中間導軌滑塊(9)滑板(11)的長度小于上下滑板(ll)，傳感 器(12)與計算機(1)之間由電纜聯(lián)接，標定底座(15)上固裝有對稱的支撐座(16)，支撐 座(16)由旋轉(zhuǎn)軸(17)聯(lián)接并裝有軸承(18)，旋轉(zhuǎn)軸(18)中央裝有兩個直徑大小不同的 圓盤(19)和小圓盤(20)，調(diào)速電機(2)由支架(21)聯(lián)接固定在標定底座(15)上，調(diào)速電 機(2)機軸與一端旋轉(zhuǎn)軸(17)聯(lián)接，另一端旋轉(zhuǎn)軸(17)與固定在標定底座(15)支架(21) 上的轉(zhuǎn)速編碼器(22)聯(lián)接，測量底座(4)與標定底座(15)之間由大平臺(23)聯(lián)接。立柱 (8)中間滑板(11)傳感器(12)采用二個導軌滑塊(9)，作用是當中間下滑板(11)上的傳 感器(12)對被測物件已確立方位和距離，與之聯(lián)接在一起的導軌滑塊(9)便可通過鎖緊螺 桿(14)對下導軌滑塊(9)滑板(11)傳感器(12)進行修正和微調(diào)，保證數(shù)據(jù)可靠和精確。測量底座(4)與標定底座(15)能單獨使用，由于被測量物的異形或超大，測量底座(4)能 安裝三角架、曲線架和其它異形架。首先根據(jù)被測大軸的直徑，綜合考慮測試系統(tǒng)的空間尺 寸和弓高測量誤差對直徑測量結(jié)果的傳遞關(guān)系，合理選擇弦長參數(shù)， 一般說來，對于直徑為 D的大軸，弦長(L)選擇L二2D/3左右比較合適。如果大型軸工件超大或異形，測量底座 (4)可加裝加長三角架和其它支撐架，單獨使用。 根據(jù)被測大軸的直徑D、弦長L和激光位移傳感器(12)的測量范圍，確定標定大圓 盤的大致尺寸D工=D+A和D2 = D-A 。在傳感器(12)測量范圍允許的前提下，A值盡可 能取大一些。由于大圓盤的直徑值將在三坐標測量機上進行測量標定，所以對其尺寸公差 無需特別要求，另外對測量裝置初始弓高和弦長參數(shù)的標定采用旋轉(zhuǎn)一整周取多次標定結(jié) 果的平均值，所以對圓盤的圓度誤差也無需嚴格要求。 在三坐標測量機上分別對大圓盤(19)和小圓盤(20)的兩個外圓一周進行密集 均勻測量采樣得到N個圓周上點的坐標值，將采樣得到的坐標值序列按照奇偶序號分成兩 個等長的序列，采用頻域分析方法估計圓周的主要諧波分量和噪聲強度o ，根據(jù)圓周輪廓 的主要諧波分量值重構(gòu)輪廓，根據(jù)o給出輪廓合理的公差范圍，超差的為異常數(shù)據(jù)予以剔 除，最后采用最小二乘法計算圓盤直徑D工和D2。當圓盤輪廓主要諧波分量不大于50微米， 且坐標測量誤差不超過5個微米，在圓周上均勻采樣256點時，仿真結(jié)果表明，直徑標定誤 差小于1微米。 測量系統(tǒng)弦長和初始弓高參數(shù)的標定如附圖1所示。首先根據(jù)選擇的弦長參數(shù) 移動導軌滑塊(9)，上、下傳感器(12)光線之間的距離大致等于所選擇的弦長；中間傳感器 (12)光線大致經(jīng)過測量軸的軸心；將測量裝置靠近標定圓盤，調(diào)節(jié)上、中、下滑板(11)以確 保對大圓盤(19)和小圓盤(20)的測量在傳感器(12)的測量范圍之內(nèi)，鎖緊滑板(ll)，開 動電機(2)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速并用編碼器(22)運行轉(zhuǎn)速測量，保證和待測大軸的轉(zhuǎn)速基本一致。
設(shè)圓盤軸心到上傳感器(12)光線的距離為l"到下傳感器(12)光線的距離為13， 則定義上下傳感器(12)光線不對稱誤差為|1「13|。設(shè)測量大圓盤(19)時上、下傳感器 (12)讀數(shù)為Su和S^，測量小圓盤(20)時上、下傳感器(12)讀數(shù)為S21和S^，保證傳感器 (12)高度在測量兩圓時變化微小，則當Sn-S21 = S13-S23時表明標定過程上、下傳感器(12) 光線已對稱，根據(jù)這一現(xiàn)象，調(diào)整其中的一個傳感器(12)高度，直到Sn-S21 = S13-S23。然后 上下調(diào)節(jié)中間導軌滑塊(9)，當傳感器(12)讀數(shù)最小時，表明中間傳感器(12)光線已對中， 鎖緊各導軌滑塊(9)。上述調(diào)節(jié)過程中傳感器(12)讀數(shù)都是采用旋轉(zhuǎn)一周多次采樣取均 值，以減低圓盤圓度誤差對對稱調(diào)整和對中調(diào)整的影響。當測試系統(tǒng)調(diào)節(jié)完畢后，即可實施 對測試系統(tǒng)弦長和初始弓高參數(shù)的標定。設(shè)大圓盤(19)的弓高為初始弓高，記作H，弦長記 作L。將測量系統(tǒng)靠近大圓盤(19)，獲得三傳感器(12) —周的平均讀數(shù)分別為Sn、S^和 S13 ;同樣的將測量系統(tǒng)靠近小圓盤(20)，獲得平均讀數(shù)S21、S22和S23。三個傳感器(12)在 一整周內(nèi)采樣N點，對于這N點數(shù)據(jù)采取與三坐標測量圓盤直徑類似的方法進行數(shù)據(jù)處理， 剔除異常值。 記&' = "&3 一&2 ，《— & ,則大圓盤(19)和小圓盤(20)的弓高差
為AH二S' 2-S' p則小圓盤(20)的弓高為H+AH。
構(gòu)造方程
大圓盤="^ + 7/
4//
小圓盤=-+ (77 + M) 已知大圓盤(19)、小圓盤(20)和AH，解上面的方程即可求得L和H，存儲參數(shù)H、 L和參數(shù)Su、 S12， S13，完成測試裝置的標定。 測試裝置一旦標定完畢，3只傳感器(12)的相對位置固定，不可再調(diào)節(jié)。在對待測 大軸測量時，只需將測試系統(tǒng)安裝在三腳架上，并調(diào)節(jié)測量底座(4)上的絲杠(7)螺母，保 證上下傳感器(12)對稱要求，即保證Sn-S^ = S13_S33即可。測量過程與標定環(huán)節(jié)測量大圓 盤(19)過程的數(shù)據(jù)處理方式完全相同，得到三個數(shù)值S31、 S32和S^，則被測大軸的弓高為
W = (&，3 - &2) -+ F ，則被測大軸的直徑D為
丄2 D 二 - + W 測量結(jié)果的精度分析將在后節(jié)結(jié)合實施實例進行分析。
實施例 要求進行直徑為505mm大軸尺寸的測量，選擇LK-G30激光位移傳感器(12)，其工 作距離為30mm、測量范圍為-5mm-5mm，與ML10激光干涉儀進行比對，其測量精度在1 P m左 右。選擇弦長為400mm，標定大圓盤的直徑分別取508mm和500mm。 —個大圓盤上加工三種尺寸的外圓盤，在三坐標測量機上進行標定，每個尺寸的
圓上分別測量上、中、下三個截面，得到三個外圓的直徑和圓度如下表所示
直徑(mm)圓度(um)
499. 78626. 3
圓一499. 7899. 9
499. 79115. 5
503. 60013. 7
圓二503. 60112. 4
503. 60517. 7
507.75025. 6
圓三507. 75115. 0
507.75221. 9 標定時，首先中間傳感器(12)大致對中即可，鎖緊，固定下傳感器(12)的位置， 測量標定大圓盤(19)，得到讀數(shù)Sn， S^和S^在同樣的高度位置測量標定小圓盤(20)，得
6到讀數(shù)S21、S22和S23 ;記A S丄=SU_S21 ; A S3 = S13-S23 ;若A S丄=A S3，則表明上、下傳感器 (12)已對稱，否則需調(diào)整上傳感器(12)的位置，直到= AS3。以弦長400mm、標定大 軸直徑500mm和508mm為例，當不對稱誤差為4mm時，A S工和A S3會相差0. 23mm左右；當 不對稱誤差為2mm時，ASi和A S3會相差0. 11mm左右，位移傳感器(12)發(fā)現(xiàn)這么大的差 值是沒有任何問題的。實際標定過程控制A S工和A S3相差在20 m以內(nèi)，足以保證標定時 的不對稱誤差要求。 當用標定好的測試系統(tǒng)對待測大軸進行測量時，調(diào)整測量底座(4)絲杠(7)螺母 直到控制A&和AS2相差在20iim以內(nèi)，足以保證測量時傳感器(12)位置整體偏移小于 0. 02mm。 假設(shè)設(shè)備調(diào)整完畢后，測量標定圓1時，上、下傳感器(12)不對稱誤差服從3 0 = 4mm的正態(tài)分布，中間傳感器(12)不對中誤差服從3 o = 5mm的正態(tài)分布；測量標定圓2 時，存在傳感器(12)整體位置相對測量圓1時3 o = 0. 02mm的上、下隨機偏移；對待測大 軸測量時，傳感系統(tǒng)整體位置也存在3 0=0. 02mm的上下整體偏移。 仿真計算結(jié)果表明，當控制標定和測量時上、下傳感器(12)不對稱誤差、中間傳 感器(12)不對中誤差、標定和測量時傳感器(12)位置上下整體相對偏移控制在上述范圍 時，對待測大軸的直徑測量誤差小于1. 5ym。 通過上面的分析可知，上面的測量條件通過簡單調(diào)節(jié)很容易得到滿足。對測量裝 置的低要求得益于測量過程采用相對弓高測量、上下傳感器的對稱布置等技術(shù)手段的實 施。 標定圓尺寸的標定誤差、傳感器(12)光線不共面、不平行等對測量結(jié)果也有一定 的影響，在此不一一說明了。由于采用一周多次采樣求均值的辦法，極大的降低了傳感器 (12)隨機測量誤差、輪廓圓度、旋轉(zhuǎn)過程中的軸跳動等對測量結(jié)果的影響。
采用圓1和圓3對測試系統(tǒng)進行標定，然后對圓1、圓2和圓3分別在中間截面位 置進行測量，按上表分別取直徑為499. 789mm、503. 601mm和507. 751mm。標定完成后，分別 對三個直徑進行20次的測量，對圓1和圓3的直徑測量結(jié)果偏差小于±3 ii m，對圓2的直 徑測量結(jié)果偏差大一些，在士4iim左右，可以看出測量系統(tǒng)可以達到5iim的測量精度。
權(quán)利要求
一種非接觸式在線測量大型軸工件直徑的裝置，包括計算機(1)、調(diào)速電機(2)和傳感器(12)，其特征是測量底座(4)的云臺(5)上裝有三根導軌(6)由絲桿(7)和螺紋聯(lián)接，底座(4)上裝有立柱(8)，立柱(8)上套裝有四個導軌滑塊(9)并裝有鎖緊螺絲(10)，上下導軌滑塊(9)固裝的滑板(11)長度一致且裝有傳感器(12)由鎖緊螺桿(13)聯(lián)接，立柱(8)上中間套裝的二個導軌滑塊(9)由鎖緊螺桿(14)聯(lián)接裝有滑板(11)和傳感器(12)，中間導軌滑塊(9)滑板(11)的長度小于上下滑板(11)，傳感器(12)與計算機(1)之間由電纜聯(lián)接，標定底座(15)上固裝有對稱的支撐座(16)，支撐座(16)由旋轉(zhuǎn)軸(17)聯(lián)接并裝有軸承(18)，旋轉(zhuǎn)軸(18)中央裝有兩個直徑大小不同的大圓盤(19)和小圓盤(20)，調(diào)速電機(2)由支架(21)聯(lián)接固定在標定底座(15)上，調(diào)速電機(2)機軸與一端旋轉(zhuǎn)軸(17)聯(lián)接，另一端旋轉(zhuǎn)軸(17)與固定在標定底座(15)支架(21)上的轉(zhuǎn)速編碼器(22)聯(lián)接，測量底座(4)與標定底座(15)之間由大平臺(23)聯(lián)接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式在線測量大型軸工件直徑的裝置，其特征是測量底座(4)與標定底座(15)能單獨使用，由于被測量物的異形或超大，測量底座(4)能安裝三角架、曲線架和其它異形架。
全文摘要
本發(fā)明是一種非接觸式在線測量大型軸工件直徑的裝置，它解決了機械加工大外徑工件的精密測量，檢具笨重，操作不便，測量精度低，測量效率不高的問題。本發(fā)明測量底座的云臺上裝有三根導軌由絲桿和螺紋聯(lián)接，底座上裝有立柱，立柱上套裝有四個導軌滑塊并裝有鎖緊螺絲，上下導軌滑固裝的滑板長度一致且裝有傳感器由鎖緊螺桿聯(lián)接，立柱上中間套裝的二個導軌滑塊由鎖緊螺桿聯(lián)接裝有滑板和傳感器，中間導軌滑塊滑板的長度小于上下滑板，傳感器與計算機之間由電纜聯(lián)接，標定底座上固裝有對稱的支撐座，支撐座由旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)接并裝有軸承，旋轉(zhuǎn)軸中央裝有兩個直徑大小不同的大圓盤和小圓盤，調(diào)速電機由支架聯(lián)接固定在標定底座上，調(diào)速電機機軸與一端旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)接，另一端旋轉(zhuǎn)軸與固定在標定底座支架上的轉(zhuǎn)速編碼器聯(lián)接，測量底座與標定底座之間由大平臺聯(lián)接。本發(fā)明設(shè)計科學，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，采用傳感器進行數(shù)據(jù)取樣，計算機和圓編碼器自動集中處理，測量大型軸工件精密度可靠，極大提高我國測量機械加工軸工件的高精度測量儀器。
文檔編號G01B11/08GK101706261SQ20091022719
公開日2010年5月12日 申請日期2009年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月11日
發(fā)明者衛(wèi)枝梅, 尹喜云, 彭春江, 楊天龍, 毛鵬飛, 胡燕平, 趙前程, 郭迎福 申請人:湖南科技大學