專利名稱：可消除零件定位誤差的復(fù)雜回轉(zhuǎn)體輪廓測量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利屬于測量儀器制造及測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種可消 除零件定位誤差的回轉(zhuǎn)體輪廓測量方法及裝置。
背景技術(shù)：
本發(fā)明提出一種通用的測量復(fù)雜回轉(zhuǎn)體輪廓的快速測量方法，主 要用于復(fù)雜回轉(zhuǎn)體輪廓的快速測量。
對于復(fù)雜回轉(zhuǎn)體輪廓，其快速、準(zhǔn)確測量一直是一個比較難以解 決的問題。現(xiàn)有的回轉(zhuǎn)體輪廓測量方法大致分為三種
1. 輪廓樣板法該方法只能判斷回轉(zhuǎn)體輪廓合格與否，不能給出 誤差大小。同時該方法受操作人員的影響，測量精度低、效率也不高。
2. 影像法利用投影儀器將被測零件的實際輪廓投影到影屏上， 然后將實際輪廓的影像與預(yù)先繪制好且放大倍數(shù)與影像一致的極限 輪廓相比較，實際輪廓的影像若能位于極限輪廓范圍內(nèi)，則表示合格。 該方法與工件的放置方向和位置有直接的關(guān)系，要求回轉(zhuǎn)體軸心和預(yù) 先繪制的圖形輪廓軸心重合，否則對測量結(jié)果有很大的影響。該方法 同樣只能判定零件合格與否，不能給出具體的誤差值，測量效率低。
3. 坐標(biāo)法利用坐標(biāo)測量儀器或裝置測取被測回轉(zhuǎn)體的輪廓各測 點的坐標(biāo)值，然后把這些坐標(biāo)值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，求出回轉(zhuǎn)體輪廓的誤 差值。該方法需要的數(shù)據(jù)量大，算法復(fù)雜，測量效率低，不能應(yīng)用于大批量生產(chǎn)的快速測量。
綜上所述，已有的回轉(zhuǎn)體輪廓測量方法，都存在著各種各樣的缺 點，無法滿足大批量生產(chǎn)時快速準(zhǔn)確測量回轉(zhuǎn)體輪廓的需要。
如圖1所示，回轉(zhuǎn)體零件的設(shè)計基準(zhǔn)為中心軸線A。由于回轉(zhuǎn)體 的設(shè)計基準(zhǔn)為一個理論空間直線，實際上難以找到。在對回轉(zhuǎn)體工件 進(jìn)行測量時，通常將工件放置在工作臺上，回轉(zhuǎn)體的端平面B就成 為定位基準(zhǔn)，也就是測量基準(zhǔn)。如圖2所示，由于測量基準(zhǔn)和設(shè)計基 準(zhǔn)不一致，實際的定位基準(zhǔn)B和設(shè)計基準(zhǔn)A不可能完全垂直，而且 難以將工件中心A和回轉(zhuǎn)臺中心C完全重合，在測量回轉(zhuǎn)體廓形時， 定位誤差必然對測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響1)回轉(zhuǎn)體中心軸線A與回轉(zhuǎn)工 作臺中心有一定偏離S; 2)回轉(zhuǎn)體中心軸線A和回轉(zhuǎn)工作臺中心有 一定的傾斜角度a。為了消除回轉(zhuǎn)體零件測量時定位誤差的影響，回 轉(zhuǎn)體零件特別是沒有中心孔定位的零件，由于零件的定位基準(zhǔn)和零件 的設(shè)計加工基準(zhǔn)不一致，在進(jìn)行測量時往往需要對零件的安裝定位進(jìn) 行找正，以盡量滿足測量基準(zhǔn)和工件的設(shè)計基準(zhǔn)一致。
為了解決這一問題，零件輪廓測量機(jī)安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(機(jī)械 工程學(xué)報42 (2) 212 215)專門設(shè)計了一個偏心調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減少 被測件和回轉(zhuǎn)軸之間的偏心。但是，這樣的系統(tǒng)調(diào)整起來比較困難， 需要較長的調(diào)整時間，工作效率不高；同時，這樣的調(diào)整機(jī)構(gòu)不能消 除中心軸線和理論軸線之間的傾斜誤差。
為了克服已有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種可以同時測量回轉(zhuǎn) 體兩條縱截面輪廓線的測量方法，并通過對輪廓線中心軸線的調(diào)整，自動尋找中心軸線，實現(xiàn)對回轉(zhuǎn)體輪廓的測量，判斷被測回轉(zhuǎn)體輪廓 的合格狀態(tài)，并給出各個軸向位置的誤差值。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述已有方法與技術(shù)存在的局限和不足，本發(fā)明提出一 種可消除回轉(zhuǎn)體零件定位誤差的復(fù)雜回轉(zhuǎn)體輪廓測量方法及裝置，能 夠消除由于回轉(zhuǎn)體零件測量定位基準(zhǔn)與設(shè)計基準(zhǔn)不一致時產(chǎn)生的測 量誤差，快速測量回轉(zhuǎn)體的輪廓誤差。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是 一種可消除零件定位誤差的復(fù)雜回轉(zhuǎn) 體輪廓測量方法，包括以下步驟
1. 選定被測回轉(zhuǎn)體N個測量縱截面，N為自然數(shù)，沿回轉(zhuǎn)體軸 向進(jìn)行縱向測量，在第一個縱截面，第一個測量頭依次得到 回轉(zhuǎn)體的徑向輪廓數(shù)據(jù)，第二個測量頭同時也依次測得回轉(zhuǎn) 體的對側(cè)徑向輪廓數(shù)據(jù)，高度方向的數(shù)據(jù)由光柵尺給出。
2. 根據(jù)已經(jīng)測得的縱截面兩條輪廓線的數(shù)據(jù)，計算該縱截面的 中心軸線位置；
3. 將該縱截面以軸線和選定的特征點構(gòu)造直角坐標(biāo)系，重新計 算輪廓點在新坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值；
4. 將回轉(zhuǎn)體繞回轉(zhuǎn)軸依次旋轉(zhuǎn)規(guī)定的角度間隔，測得回轉(zhuǎn)體的 若干個縱截面數(shù)據(jù)，并計算每個截面的中心軸線，構(gòu)造新的 坐標(biāo)系，進(jìn)行數(shù)據(jù)變換；
5. 將測得的各個縱截面形狀按照中心軸線重合方式，根據(jù)選定 的軸向基準(zhǔn)以測量時的角度間隔進(jìn)行回轉(zhuǎn)體的空間三維重構(gòu)；
6.將重構(gòu)的三維形狀和規(guī)定的理論形狀進(jìn)行比較，以評定回轉(zhuǎn) 體的廓形誤差，就得到了消除了回轉(zhuǎn)體定位誤差的回轉(zhuǎn)體輪 廓度。
本發(fā)明還提供了一種可消除回轉(zhuǎn)體定位誤差的復(fù)雜回轉(zhuǎn)體輪廓 測量裝置，包括第一測量頭和第二測量頭，回轉(zhuǎn)工作臺、基座、滑動 架和立式導(dǎo)軌組成的立式導(dǎo)軌系統(tǒng)，回轉(zhuǎn)體工件置于回轉(zhuǎn)工作臺上， 可隨回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)，第一測量頭1和第二測量頭2隨滑動架沿立式 導(dǎo)軌上下運(yùn)動，且第一測量頭1和第二測量頭2在被測回轉(zhuǎn)體工件的 兩側(cè)徑向?qū)ΨQ分布。 有益效果
可消除由于回轉(zhuǎn)體零件設(shè)計加工基準(zhǔn)和測量基準(zhǔn)不一致帶來的 測量誤差，誤差分離依靠計算機(jī)程序自動實現(xiàn)，解決了已有技術(shù)不能 有效分離以上誤差的不足，這是區(qū)別現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點之一；
通過兩個由平行光源和CCD構(gòu)成的測量頭，能夠同時測量回轉(zhuǎn) 體廓形的兩條輪廓線，從而可以計算其中心對稱軸線，消除由于回 轉(zhuǎn)軸心和回轉(zhuǎn)體工件不重合帶來的安裝位置誤差，省去了大量的找 正時間，提髙了測量效率，這是本發(fā)明的創(chuàng)新點之二。
本發(fā)明在測量過程中，只有測量頭的上下運(yùn)動和工作臺的旋轉(zhuǎn)運(yùn) 動，且這兩種運(yùn)動分開進(jìn)行，控制更加容易，測量步驟簡單，安裝省 時，易于程序化自動執(zhí)行，數(shù)據(jù)處理簡捷易用。


圖1為本發(fā)明測量的回轉(zhuǎn)體的設(shè)計基準(zhǔn)和定位基準(zhǔn)示意圖
圖2為回轉(zhuǎn)體中心軸線和回轉(zhuǎn)工作臺中心不重合的誤差示意圖 (誤差進(jìn)行了夸大)
圖3為本發(fā)明裝置雙測量頭縱向布置的結(jié)構(gòu)示意圖
圖4為本發(fā)明裝置雙測量頭橫向布置的結(jié)構(gòu)示意圖
圖5為本發(fā)明裝置的一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖
圖6為本發(fā)明裝置測量被測件的一個包含定位誤差的縱截面示
圖7為本發(fā)明裝置測量被測件的一個消除了定位誤差的截面示 意圖
圖中1第一測量頭、2第二測量頭、3被測回轉(zhuǎn)體、4回轉(zhuǎn)工作 臺、5基座、6立式導(dǎo)軌、7光柵尺、8浮動架、9回轉(zhuǎn)主軸、10 軸套、11、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、12編碼器
具體實施例方式
將這種可消除零件定位誤差的回轉(zhuǎn)體輪廓測量方法與裝置結(jié)合 實施例及附圖詳細(xì)說明如下
參見圖5，被測件3放置在回轉(zhuǎn)工作臺上，回轉(zhuǎn)工作臺4安裝在 儀器基座5上且和儀器主軸9相連接，儀器主軸9與軸套10構(gòu)成了 精密回轉(zhuǎn)軸系；第一測量頭1和第二測量頭2安裝在導(dǎo)軌浮動架8 和立式導(dǎo)軌6構(gòu)成的立式導(dǎo)軌系統(tǒng)的同一高度上，且第一測量頭1 和第二測量頭2在被測件3的兩側(cè)徑向?qū)ΨQ分布，可以縱向?qū)ΨQ設(shè) 置，也可以橫向?qū)ΨQ設(shè)置。測量前，先對測量頭之間的距離作標(biāo)定，且使兩測量頭對稱于回轉(zhuǎn)臺中心。
當(dāng)?shù)谝粶y量頭1和第二測量頭2測量圖1所示的被測件的某個 縱截面時，沿縱截面依次測得兩條輪廓線的相對于兩個測量頭的數(shù) 據(jù)，由于回轉(zhuǎn)體的定位誤差，測量得到的數(shù)據(jù)可能產(chǎn)生如圖6所示 的截面圖形，這個圖形中包含了由于零件定位誤差產(chǎn)生的中心偏移 和軸線傾斜。
消除誤差的基本原理如下
如圖6所示，在測量得到一個回轉(zhuǎn)體零件的縱截面數(shù)據(jù)后，其 在該平面內(nèi)的平面坐標(biāo)系中的數(shù)據(jù)由于存在定位誤差，導(dǎo)致縱截面 圖形存在軸線偏移和傾斜。由于回轉(zhuǎn)體縱截面上的輪廓線是相對于 中心軸線對稱的，因此求得兩條實測輪廓線的中心軸線。如圖7所 示，以所求得的中心線和選定的特征點建立新的直角坐標(biāo)系，并將 實測數(shù)據(jù)進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換，就可以求得該縱截面下實測輪廓線 的變換數(shù)據(jù)。經(jīng)過這樣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，就消除了該縱截面數(shù)據(jù)中定位 誤差的影響。
將回轉(zhuǎn)工作臺依次旋轉(zhuǎn)規(guī)定的角度，就可以得到若干個回轉(zhuǎn)體 縱截面的輪廓數(shù)據(jù)，經(jīng)過和上面所述相同的轉(zhuǎn)換，就求得若干消除 了定位誤差的縱截輪廓數(shù)據(jù)。由于回轉(zhuǎn)體的中心軸線只有一條，各 個縱截面的軸線是相互重合的，這樣按照確定的角度間隔，可以建 立回轉(zhuǎn)體的三維廓形，將其和已知的理論數(shù)據(jù)相比較，就能夠求得 回轉(zhuǎn)體消除了定位誤差后的輪廓誤差。
因此采用上述方法和裝置，可以有效地消除測量數(shù)據(jù)中定位誤差的影響，同時還可以降低儀器和環(huán)境產(chǎn)生的隨機(jī)誤差和漂移對回 轉(zhuǎn)體測量的影響。該發(fā)明可以提高回轉(zhuǎn)體的測量精度。
以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作了說明，但這些說明 不能被理解為限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍由隨附的權(quán) 利要求書限定，任何在本發(fā)明權(quán)利要求基礎(chǔ)上進(jìn)行的改動都是本發(fā) 明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種可消除零件定位誤差的復(fù)雜回轉(zhuǎn)體輪廓測量方法，其特征在于該方法包括以下步驟①.將被測回轉(zhuǎn)體零件放置在回轉(zhuǎn)工作臺上，測量頭發(fā)射器發(fā)射的可見平行光，照射在被測回轉(zhuǎn)體的表面，測量頭接收器中的高精度線陣CCD安裝在回轉(zhuǎn)體相對位置，回轉(zhuǎn)體遮擋住部分平行光，使得回轉(zhuǎn)體邊緣在CCD上成像，光學(xué)成像系統(tǒng)輸出一個回轉(zhuǎn)體的徑向數(shù)據(jù)。②.浮動架沿立式導(dǎo)軌運(yùn)動，兩個測量頭分別輸出兩組徑向數(shù)據(jù)，光柵尺同時輸出高度數(shù)據(jù)，得到被測回轉(zhuǎn)體工件的兩條輪廓曲線。③.對以上測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求出這兩條輪廓曲線的中心線，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，就得到了回轉(zhuǎn)體的實際輪廓中心線。④.將回轉(zhuǎn)體回轉(zhuǎn)一定角度，測量另一個測量截面，依次得到n組數(shù)據(jù)。⑤.將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行重組，即可以得到被測回轉(zhuǎn)體的三維回轉(zhuǎn)輪廓。將之和已知的設(shè)計規(guī)范進(jìn)行對比，得到該回轉(zhuǎn)體的三維輪廓誤差。
2. —種權(quán)利要求1所述的可消除零件定位誤差的復(fù)雜回轉(zhuǎn)體輪廓測量方法使用 的裝置，包括由可發(fā)射平行光幕的發(fā)射器和高精度線陣CCD構(gòu)成的接收器組 成的第一測量頭和第二測量頭、回轉(zhuǎn)工作臺、基座、立式導(dǎo)軌和浮動架組成 的立式導(dǎo)軌系統(tǒng)。其特征在于被測工件置于回轉(zhuǎn)工作臺上，其可隨回轉(zhuǎn)工作 臺回轉(zhuǎn)。第一測量頭和第二測量頭沿回轉(zhuǎn)工作臺中心對稱分布，和浮動架剛 性連接，可浮動架沿立式導(dǎo)軌上下運(yùn)動。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于兩測量頭縱向垂直于回轉(zhuǎn)工作臺回 轉(zhuǎn)軸線。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝覽，其特征在于兩測量頭橫向垂直于回轉(zhuǎn)工作臺回 轉(zhuǎn)軸線。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于兩個測量頭的測量范圍大于被測回 轉(zhuǎn)體的半徑變化量。
全文摘要
本發(fā)明屬于測量儀器制造及測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種可消除零件定位誤差的復(fù)雜回轉(zhuǎn)體輪廓測量方法及裝置。本發(fā)明的裝置包括由可發(fā)射平行光幕的發(fā)射器和高精度線陣CCD構(gòu)成的接收器組成的第一測量頭和第二測量頭、回轉(zhuǎn)工作臺、基座、立式導(dǎo)軌和浮動架組成的立式導(dǎo)軌系統(tǒng)。被測回轉(zhuǎn)體零件置于回轉(zhuǎn)工作臺上，第一測量頭和第二測量頭可隨浮動架沿立式導(dǎo)軌上下運(yùn)動，且第一測量頭和第二測量頭在被測回轉(zhuǎn)體工件的兩側(cè)徑向?qū)ΨQ分布，測量頭的測量范圍大于被測回轉(zhuǎn)體的半徑變化量。使用該方法和裝置測量復(fù)雜回轉(zhuǎn)體時，能夠有效地自動消除零件定位誤差的影響，快速測量復(fù)雜回轉(zhuǎn)體的輪廓尺寸和輪廓度誤差。
文檔編號G01B11/245GK101629816SQ20091014833
公開日2010年1月20日 申請日期2009年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月16日
發(fā)明者馮忠偉, 周世圓, 孟凡武, 妍 尚, 徐春廣, 肖定國, 賈玉平, 趙新玉, 娟 郝 申請人:北京理工大學(xué)