一种反射测量耳孔同轴度的方法、装置及平台

技术领域

本发明涉及同轴度测量技术领域，尤其涉及一种反射测量耳孔同轴度的方法、装置及平台。

背景技术

工件的形状和位置误差统称为形位误差，和工件尺寸偏差组成了零件表面宏观几何形状误差。零件加工过程中，由于受力变形，热变形、振动、磨损等因素，会产生几何形状误差，它们对零件的受力、配合、工作寿命和可靠性都有较大的影响。在机械制造工业中，孔、轴的制造、装配与测量是最普遍的，其制造和装配精度对设备和系统的精度和寿命有很大的影响。

测量对象为无人机副翼上的双耳孔系，根据实际情况建立实验室待测对象，总长3m，待测孔径为φ10mm，相邻耳孔间距1m。虽然中小尺寸零部件的同轴度测量方法和测量仪器已日趋完善，但小尺寸、长距离分布的零件同轴度测量技术仍然有待研究。

目前，现有的同轴度测量方法和仪器有三坐标测量仪、打表法等。三坐标测量仪测头精度高，且重复性好，但只能在实验室环境下测量，无法在线测量；打表法对零件的外形有特定的限制，只适用于本身有实体基准的测量对象，因此适用范围小且精度低。

在上述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种反射测量耳孔同轴度的方法、装置及平台，能够在线检测出同轴度误差，且对零件表面不会造成划伤，也不受零件表面材质的限制。

一方面，本申请实施例提供了一种反射测量耳孔同轴度的方法，所述方法基于测量装置进行耳孔同轴度测量，所述测量装置包括激光位移传感器和设置在所述激光位移传感器前端的棱镜，包括以下步骤：

确定贯穿若干待测耳孔中首尾孔圆心的校准激光所在的直线为基准轴线；

对若干所述待测耳孔中的任一待测耳孔，移动所述测量装置的棱镜伸入该待测耳孔中，并调整所述测量装置的旋转轴线与所述基准轴线重合；控制所述激光位移传感器发射激光，并控制所述激光位移传感器和所述棱镜同时沿所述旋转轴线旋转，以获得所述激光在所述激光位移传感器的接收端形成的测量数据；其中，所述旋转轴线为所述激光位移传感器和所述棱镜旋转的轴线，所述棱镜的反射面的直径基于若干所述待测耳孔的尺寸确定；

对若干所述待测耳孔的剩余待测耳孔，重复前述对所述任一待测耳孔的测量操作的步骤，以获得各待测耳孔的测量数据；

基于各待测耳孔的测量数据，获得若干所述待测耳孔的同轴度误差。

可选地，在本发明的一些实施例中，确定贯穿若干待测耳孔中首尾孔圆心的校准激光所在的直线为基准轴线的步骤，包括：

获取若干待测耳孔中首尾待测耳孔的第一圆心坐标；

调整所述校准激光，使得所述校准激光与所述首尾待测耳孔的第一圆心坐标重合，并以与所述首尾待测耳孔的第一圆心坐标重合的校准激光所在的直线为基准轴线。

可选地，在本发明的一些实施例中，上述若干所述待测耳孔中，最大半径的待测耳孔的半径r与所述棱镜的直径d成正比，最大孔深的待测耳孔的孔深h与所述半径r成正比。

可选地，在本发明的一些实施例中，获取所述待测耳孔的半径r与深度h的公式为：

其中，l为镜面至所述激光位移传感器的距离，安装好测头后通过标定获取，d为所述棱镜的直径，m为所述激光位移传感器发射端和接收端的距离，r为所述待测耳孔的半径，h为所述待测耳孔的深度。。

可选地，在本发明的一些实施例中，所述基于各待测耳孔的测量数据，获得若干所述待测耳孔的同轴度误差的步骤之前，包括：

将所述激光位移传感器对任一所述待测耳孔检测到的多个位置信号拟合为圆或者类圆，并获取所述圆或者类圆的第二圆心坐标；

基于若干所述第二圆心坐标的建立最小包容圆柱，确定所述最小包容圆柱的底面圆的直径为若干所述待测耳孔的同轴度误差值。

可选地，在本发明的一些实施例中，基于所述圆或者类圆的最大半径与所述棱镜与所述激光位移传感器之间的距离，获取待测耳孔的半径和孔深。

可选地，在本发明的一些实施例中，所述棱镜为45度楔形棱镜。

可选地，在本发明的一些实施例中，所述45度楔形棱镜的材质为Ag膜或Al膜。

再一方面，本申请实施例还提供了一种反射测量耳孔同轴度的装置，包括第一运动平台、驱动电机、激光位移传感器、平移台、棱镜和处理模块；

所述驱动电机安装于所述第一运动平台，所述激光位移传感器与所述驱动电机的驱动端传动连接，所述平移台一端与所述激光位移传感器连接，所述平移台另一端与所述棱镜连接，所述第一运动平台、所述驱动电机、所述激光位移传感器和所述平移台均与所述处理模块电连接；

所述驱动电机用于带动所述激光位移传感器与所述平移台转动，所述激光位移传感器用于发射检测激光和采集反射激光的位置数据，所述棱镜用于反射所述检测激光，所述平移台用于调整所述棱镜与所述激光位移传感器之间的距离。

可选地，在本发明的一些实施例中，所述平移台远离所述激光位移传感器的一侧连接有棱镜支架，所述棱镜与所述棱镜支架可拆卸连接。

可选地，在本发明的一些实施例中，所述激光位移传感器与所述驱动电机之间设有联轴器，所述联轴器两端分别与所述激光位移传感器和所述驱动电机的驱动端连接。

可选地，在本发明的一些实施例中，所述处理模块为工控机。

再一方面，本申请实施例还提供了反射测量耳孔同轴度的平台，包括上述反射测量耳孔同轴度的装置，还包括校准激光发射装置、校准激光接收装置和第二运动平台，所述校准激光发射装置安装于所述第二运动平台，所述校准激光接收装置安装于所述第一运动平台，所述第二运动平台与所述处理模块电连接。

本申请实施例提出的一种反射测量耳孔同轴度的方法，基于测量装置进行耳孔同轴度测量，所述测量装置包括激光位移传感器和设置在所述激光位移传感器前端的棱镜；包括以下步骤：确定贯穿若干待测耳孔中首尾孔圆心的校准激光所在的直线为基准轴线；对若干所述待测耳孔中的任一待测耳孔，移动所述测量装置的棱镜伸入该待测耳孔中，并调整所述测量装置的旋转轴线与所述基准轴线重合；控制所述激光位移传感器发射激光，控制所述激光位移传感器和所述棱镜同时沿所述旋转轴线旋转，控制棱镜沿基准轴线移动，以获得所述激光在所述激光位移传感器的接收端形成的测量数据；其中，所述旋转轴线为所述激光位移传感器和所述棱镜旋转的轴线，所述棱镜的反射面的直径基于若干所述待测耳孔的尺寸确定；对若干所述待测耳孔的剩余待测耳孔，重复前述对所述任一待测耳孔的测量操作的步骤，以获得各待测耳孔的测量数据；基于各待测耳孔的测量数据，获得若干所述待测耳孔的同轴度误差。

也即，该方法利用平面镜成像的原理将检测激光反射到激光位移传感器，通过驱动激光位移传感器和棱镜运动，获取待测耳孔的位置信息，并进行待测耳量耳孔同轴度的计算，实现非接触式在线同轴度测量，能够在线检测出同轴度误差，在检测过程中不受零件表面材质的限制，同时也不会对零件表面不会造成划伤。

附图说明

图1为本发明实施例提供的反射测量耳孔同轴度的平台的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的反射测量耳孔同轴度的装置的正视图；

图3为本发明实施例提供的反射测量耳孔同轴度的装置的俯视图；

图4为图3中A处的放大图；

图5为本发明实施例提供的反射测量耳孔同轴度的方法的流程示意图；

图6为本发明实施例提供的最大可测孔半径的示意图；

图7为本发明实施例提供的最大可测孔深的示意图。

图标：101-第一运动平台，102-驱动电机，103-联轴器，104-激光位移传感器支架，105-激光位移传感器，106-平移台，107-棱镜支架，108-棱镜，201-校准激光发射装置，202-校准激光接收装置。

本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

参照图1，图1本发明实施例提供的反射测量耳孔同轴度的平台的结构示意图，包括反射测量耳孔同轴度的装置，还包括校准激光发射装置9、校准激光接收装置10和第二运动平台2，所述校准激光发射装置9安装于所述第二运动平台2，所述校准激光接收装置10安装于所述第一运动平台1，所述第二运动平台2与所述处理模块电连接。

其中，反射测量耳孔同轴度的装置如图2-图4所示，图2本发明实施例提供的反射测量耳孔同轴度的装置的正视图；图3本发明实施例提供的反射测量耳孔同轴度的装置的俯视图；图4为图3中A处的放大图。

具体的，本本实施例的包括第一运动平台1、驱动电机3、激光位移传感器4、平移台5、棱镜6、棱镜6支架、联轴器8和处理模块；

在本实施例中，驱动电机3安装于第一运动平台1，激光位移传感器4与驱动电机3之间通过联轴器8实现传动连接，联轴器8两端分别与激光位移传感器4和驱动电机3的驱动端连接，平移台5远离激光位移传感器4的一侧连接有棱镜6支架，棱镜6与棱镜6支架可拆卸连接，第一运动平台1、驱动电机3、激光位移传感器4和平移台5均与处理模块电连接。

具体的使用方式为：先通过反射测量耳孔同轴度的平台，确定该检测过程的基准轴线。其中，第一运动平台1和第二运动平台2间隔设置，校准激光发射装置9安装于第二运动平台2，第二运动平台2设置于若干待测耳孔中首尾孔的外侧，以便于通过调整第二运动平台2，进而控制校准激光穿过若干个待测耳孔。

校准激光接收装置10与校准激光发射装置9配合使用，校准激光接收装置10安装于第一运动平台1一侧，驱动电机3安装于第一运动平台1另一侧，校准激光接收装置10的监测中心位于驱动电机3的转动轴线，激光位移传感器4与驱动电机3远离第一运动平台1的一侧传动连接。

其中，第一运动平台1和第二运动平台2均为五维运动平台，以便于调整校准激光和驱动电机3的旋转轴心，使校准激光能够若干耳孔中的首尾耳孔的圆心坐标，同时使校准激光与驱动电机3的转动轴线同轴。

通过基准轴线完成测量装置的定位之后，移动棱镜6使其伸入待测耳孔，驱动电机3通过联轴器8带动测量装置旋转，45°楔形棱镜6通过棱镜6支架固定于平移台5，平移台5通过控制棱镜6沿校准激光移动方向移动，从而控制激光位移传感器4与棱镜6之间的距离，同时激光位移传感器4获取棱镜6反射形成的虚像位于激光位移传感器4的截面坐标。

其中，首先确定若干耳孔中的首尾耳孔的圆心坐标，通过控制第二运动平台2，使校准激光发射装置9发射的激光能够恰好穿过首尾耳孔的圆心坐标，通过校准激光接收装置10检测校准激光，从而反馈调节第一运动平台1，使得校准激光与驱动电机3的转动轴线同轴。

具体的，本实施例的处理模块为工控机，即基于PC总线的工业电脑。其主要的组成部分为工业机箱、无源底板及可插入其上的各种板卡组成，如CPU卡、I/O卡等。并采取全钢机壳、机卡压条过滤网，双正压风扇等设计及EMC技术以解决工业现场的电磁干扰、震动、灰尘、高/低温等问题。工控机IPC是一种加固的增强型个人计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。应用的比较广泛的如西门子工控机IPC。

需要说明的是，处理模块还可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。该处理模块可以是通用处理器，包括中央处理器、网络处理器等；还可以是数字信号处理器、专用集成电路、现场可编程门阵列或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。并不仅限于本实施例中的工控机。

作为一种可选的实施方式，工控机是整个系统控制和数据处理的核心，其软件模块包括系统标定模块、截面圆测量模块和同轴度评定模块等。其中上述系统标定模块包括标定激光位移传感器4的反射测头，同时对运动控制卡等相关硬件设备进行初始化；上述截面圆测量模块包括运动控制和光板采集的相关功能，实现待测孔的截面圆测量；上述同轴度评定模块将当前测量孔的同轴度误差测量结果显示到工控机界面上，包括图形化显示当前待测孔各截面圆心偏离轴线的距离变化和进行合格性判定等。

作为一种可选的实施方式，本实施例的第一运动平台1为五维运动平台，五维运动平台是通过X轴、Y轴、Z轴这三根轴的运动方向的基础上，再添加R轴、P轴两个用于控制测量装置旋转的移动方向。

作为一种可选的实施方式，本实施例的棱镜6可以为45°楔形棱镜6，45°楔形棱镜6利用平面镜成像原理，在测量激光方向上形成一个等大的虚像，处理其测量值后可以得出被测孔径在当前位置的大小，创新性地利用反射原理解决了传统高速激光位移传感器4由于体积较大导致的干涉问题。

如图5所示，图5为本发明另一实施例提供的反射测量耳孔同轴度的方法的流程示意图；，该方法基于前述实施例的装置，包括以下步骤：

S1、确定贯穿若干待测耳孔中首尾孔圆心的校准激光所在的直线为基准轴线；

本实施例中安装于第二运动平台2的校准激光发射装置9发射的校准激光大致穿过首尾孔，通过安装于第一运动平台1的校准激光接收装置10获得激光点的坐标，再通过驱动第二运动平台2调整使得校准激光贯穿首尾耳孔的圆心坐标，以校准激光为基准轴线。

通过光斑测量装置测量激光在电机输入输出轴的坐标，调整五维运动平台，使测量装置旋转轴线与激光准直建立的基准轴线重合，使截面圆测量平台达到既定位置。

S2、对若干所述待测耳孔中的任一待测耳孔，移动所述测量装置的棱镜6伸入该待测耳孔中，并调整所述测量装置的旋转轴线与所述基准轴线重合；控制所述激光位移传感器4发射激光，并控制所述激光位移传感器4和所述棱镜6同时沿所述旋转轴线旋转，以获得所述激光在所述激光位移传感器4的接收端形成的测量数据；其中，所述旋转轴线为所述激光位移传感器4和所述棱镜6旋转的轴线，所述棱镜6的反射面的直径基于若干所述待测耳孔的尺寸确定；

进一步的，本实施例通过移动棱镜获取多个圆形轨迹，从而对多个圆形轨迹进行拟合，获取的拟合后的圆形轨迹的最大圆心。移动次数和距离可以在软件中根据待测耳孔孔深来确定。具体为当孔径小于预设值使，将待测耳孔孔深均匀分为5份，获取5个圆形轨迹，进行拟合；当孔径大于预设值使，将待测耳孔孔深均匀分为10份，获取10个圆形轨迹，进行拟合。

可以根据待测孔系孔径、孔深选用合适直径的45°楔形棱镜6，使用镜面朝向接收端的安装方式将其安装于棱镜6支架。

如图6-图7所示，图6为本发明实施例提供的最大可测孔半径的示意图，图7本本发明实施例提供的最大可测孔深的示意图。

根据三角形相似定理，获取图6中ΔABC～ΔADE的几何关系，图7中ΔABC～ΔAD′E′的几何关系，其相似方程如下：

上式中：l为镜面至激光位移传感器4的距离，安装好测头后通过标定得到；d为楔形棱镜6的直径；m为传感器发射端和接收端的距离；r为待测孔半径；h为待测孔深。解r得：

由上式可得，最大可测孔半径r与镜面直径d的大小成正比，最大可测孔深h与最大可测孔半径r成正比。

根据激光位移传感器4的光斑特性，测量距离在量程中点时光斑尺寸最小，以此提高测量精度，进而可根据具体孔深和孔径选用合适尺寸的棱镜6。

需要说明的是，45°反射棱镜6材料的选择有多种不同方案，最常用的金属材料有金(Au)、银(Ag)和铝(Al)等，其中Au膜的稳定性和反射率是最高的，但由于高反射区仅在红外波段范围，因此Au膜一般常用于红外反射镜的制备，而测量系统中所用激光位移传感器4的测量激光波长为670nm，属于可见光波段，因此45°反射棱镜6的材料选择可以采用Ag膜或Al膜两种，均采用K9玻璃作为镀膜载体。

将合适尺寸的45°反射棱镜6安装于棱镜6支架，驱动电机3带动激光位移传感器4和45°反射棱镜6转动，激光位移传感器4将监测到的空间坐标拟合为圆或者类圆，在上述过程中，由于待测耳孔存在尺寸或者圆心位置的偏差，部分反射激光会被待测耳孔的内侧壁所遮挡，在驱动电机3进行一次旋转后，通过平移台5带动45°反射棱镜6转位移一定距离，重复进行上述操作，控制激光位移传感器4发射的测量激光打在镜面上的相对位置，使测量量程达到最大，便于同轴度评定模块拟合当前截面圆。

S3、对若干所述待测耳孔的剩余待测耳孔，重复前述对所述任一待测耳孔的测量操作的步骤，以获得各待测耳孔的测量数据；

具体的，完成任意耳孔的一次测量后，激光位移传感器4将采集到的位置信号输送到处理模块，通过第一运动平台1将平移台5连同棱镜6从耳孔取出，移动第一运动平台1将平移台5连同棱镜6下一个测量耳孔，激光位移传感器4将采集到的位置信号输送到处理模块，

S4、基于各待测耳孔的测量数据，获得若干所述待测耳孔的同轴度误差。

具体的，将获取的多个拟合后的截面圆，以获得若干所述待测耳孔的圆心坐标

基于若干所述圆心坐标的建立最小包容圆柱，其中最小包容圆柱的直径与基准轴线之间的距离为同轴度误差值。

同时可以获取任一待测耳孔的半径和深度，将其与若干待测耳孔的平均半径和平均深度作对比，进而可以进一步对待测目标的多个耳孔进行评价。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。