基于单激光束旋转的深孔直线度测量方法

发布时间：2019-10-11 21:37

【摘要】：基于激光位移传感器旋转,以回转轴线为基准,提出和验证了一种测量深孔零件直线度的方法。实验结果表明,在选用的激光位移传感器精度为±2μm的情况下,该方法实现了圆孔直线度的在机测量,与三坐标测量机给出的相对真值对比,误差低于12%。该测量模型仅需机床主轴及其进给部件,易于实施。
【图文】：

搜索模型,极限点,圆孔

５４，０３１２０３（２０１７）激光与光电子学进展ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ图２激光束回转扫描圆孔内表面模型Ｆｉｇ．２Ｍｏｄｅｌｆｏｒｓｃａｎｎｉｎｇｉｎｎｅｒｓｕｒｆａｃｅｏｆｈｏｌｅｗｉｔｈｌａｓｅｒｒｏｔａｔｉｏｎ感器相对于主轴垂直安装时，，图２所示的空间模型可转变成平面模型，如图３所示。当扫描点为图３中Ａｍａｘ和Ａｍｉｎ时，由（３）、（４）式可知，传感器输出值ＡＢ亦将出现极大和极小值。图３圆孔极限点搜索模型Ｆｉｇ．３Ｓｅａｒｃｈｉｎｇｍｏｄｅｌｏｆｌｉｍｉｔｅｄｐｏｉｎｔｏｆｈｏｌｅ在设计测头时，作如下限制：回转轴线至零位测量点的距离不低于７０ｍｍ，安装偏心ＯＣ小于０．１ｍｍ，测量范围小于１０ｍｍ，则在△ＯＡＣ中，ＡＢ和ＡＤ的最大偏差不超过０．０５μｍ，可忽略不计，因而有ＯＯ１＝ＡｍａｘＯ－ＡｍｉｎＯ２＝ＡｍａｘＢ－ＡｍｉｎＢ２＝ｓ２，（５）式中ｓ表示传感器单周期内的峰谷值。由（５）式可以计算回转轴线至被测孔圆心的距离，所有数据均经过卡尔曼滤波处理以减小传感器的随机误差。为求解圆心相对回转轴线的相对位置，除两者距离外，还需确定两者方位［９］。为此，在对各个截面进行回转扫描时，预先固定一个起始方向，如图３所示。由于传感器采样时间极短且测量值呈周期变化，波峰出现的时间可以转化为波峰出现时激光束相对起始方向的角度θｐｅｅｋ。由图３可知，当波峰出现时，被测点、圆心、回转轴线投影点三者共线，因而，θｐｅｅｋ即可表示圆心的方位：θｐｅｅｋ＝ｎｐｅｅｋＮ

模型图,模型,测头,回转轴线

５４，０３１２０３（２０１７）激光与光电子学进展ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ式中ｎｐｅｅｋ表示单周期内起始扫描点至最大测距点之间的扫描总点数，ＮＴ表示单周期内扫描的总点数。３．２孔心定位模型直线度的量值一般为微米量级，而激光位移传感器的误差易受测距变化的影响，因此在测头轴向平动进行直线度测量时，要求测距变化不应过大。本方法在进行首圆截面测量时，使回转轴线和圆心重合，以减小传感器误差的干扰。基本原理如图４所示，在机床Ｘ方向移动测头，ＯＯ１是一个由大变小再变大的过程，根据（５）式可知，测量峰谷值ｓ存在由大变小再变大的规律，其极小值对应Ｐ点；沿Ｙ方向移动测头，观测ｓ的变化，当回转轴线与孔心重合时，ｓ最小，理论上可以一次定心。图４激光回转定心模型Ｆｉｇ．４Ｍｏｄｅｌｆｏｒｃｅｎｔｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｗｉｔｈｌａｓｅｒｒｏｔａｔｉｏｎ考虑到实际操作时机床平动误差和主轴回转径向误差等多因素，有时需在Ｘ、Ｙ轴方向上多次交替移动测头，直至ｓ最小，使得Ｏ和Ｏ１重合。３．３圆孔直线度测量方法圆孔直线度的测量原理如图５所示，其中ｓｅｃｔｉｏｎ１为初始扫描截面，ｓｅｃｔｉｏｎＮ（Ｎ＝２，３，…，ｎ）为其他任意扫描截面，设起始测量方向为俯视图六点钟方向。根据定义，圆孔直线度为各截面的圆心相对理想轴线的变动量，若在轴线的中垂面上投影，可表示为所有圆心投影点的最小包容圆直径［１０］。根据３．１节，可测得各截面圆心相对回转轴线的极距和方位，进而可绘制极坐标图，并转成直角坐标图，快速构建所有被测圆心的凸包［１１－１２
【作者单位】：邵阳学院多电源地区电网运行与控制湖南省重点实验室;天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室;
【基金】：湖南省科技计划(2016GK2021,2016TP1023)
【分类号】：TG83

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