一种基于数控车床的异型曲面深盲孔零件壁厚测量方法

技术领域

本发明属于零件厚度检测领域，具体涉及一种基于数控车床的异型曲面深盲孔零件壁厚测量方法。

背景技术

随着工业技术的快速发展，机械制造作为工业技术中的基础，其制造与加工的精度要求也越来越高。因此，在对零件加工完成后，需要对零件的外形尺寸、表面强度、零件壁厚等多个要素进行检测，进而确保生产后的零件能够符合其加工的精度要求。其中，对零件厚度的检测是零件合格性检测中最为重要的检测方向之一，其检测手段在大体上分为接触式与非接触式两种。在接触式检测方式中，大多以量规、超声波等方式对零件进行检测，在非接触式检测方式中，大多采用三维扫描或光电反射等原理对零件的厚度进行检测，但是非接触式检测与接触式检测相比，其检测的准确度远远没有接触式检测高。因此，在如今对高精度零件的检测中，大多还是采用接触式的方式对零件进行检测。

在现有技术中，利用量规对厚度进行检测时，需先使用量规对零件进行夹持后，才能实现零件的厚度测量。因此，待测零件需要具有一个位于夹持范围内的截面才能利用量规进行厚度检测，其检测具有一定的局限性；而通过超声波进行检测时，其检测精度十分容易受到零件表面粗糙度、曲率等因素的影响，导致超声波检测的结果不够准确。同时，在针对深盲孔零件进行检测时，量规、卡尺等方式难以对其内壁孔径较小的位置处进行检测，因此，作业人员甚至需要剖开零件，然后再通过测量仪或量规才能对其剖面处的厚度进行检测。

综上所述，无论是上述那种检测方式，都无法满足现有技术中对高精度深盲孔零件厚度检测需求，并且作业人员需要将零件从车床上取下后再对其进行检测，其检测作业都脱离了车床进行作业，其检测作业无法与零件的加工作业形成连续性，无法满足零件在流水线上进行持续检测的需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求中的一种或者多种，本发明提供了一种基于数控车床的异型曲面深盲孔零件壁厚测量方法，其利用工件测头对车床内零件的内外检测点的坐标值进行检测，进而通过得到该检测点的厚度，以此实现对深盲孔零件的任意点位快速且准确的厚度检测作业。

为实现上述目的，本发明提供一种基于数控车床的异型曲面深盲孔零件壁厚测量方法，用于测量异型回转体零件的厚度，包括以下步骤：

S1：根据零件轮廓图选取至少一个虚拟点位对；所述虚拟点位对包括选取自零件内、外轮廓图上的虚拟外测点和虚拟内测点，且所述虚拟内测点与所述虚拟外测点的连线为零件该测点的法线；

S2：根据零件轮廓图获取各所述虚拟点位对所对应的切角角度；

S3：根据所述切角角度确定工件测头对测点进行检测时的标定补偿值；

S4：将零件装夹到车床上，实现零件在车床坐标系中的定位，并结合零件轮廓图和车床坐标系，获取零件上对应于各虚拟点位对的实际点位对；

S5：根据实际点位对的内外测点坐标确定工件测头的检测参数，并控制工件测头对零件内外两侧的实际测点进行检测，获得每个测点的实际检测值；

S6：将各测点的标定补偿值与该测点的实际检测值进行拟合计算，获得各测点的真实坐标值，再根据各实际点位对内外两测点的真实坐标值确定两测点之间的距离，以此得到该实际测点上的厚度。

作为本发明的进一步改进，在步骤S3中，所述工件测头沿标定球对应切角角度的法线方向进给；

相应地，在步骤S5中，所述工件测头沿零件实际点位中内、外测点的法线方向进给。

作为本发明的进一步改进，在步骤S3中，对所述工件测头的标定包括以下步骤：

S301：以标定件的中轴线为基准，根据虚拟点位对的切角角度确定标定件端部标定球上下两侧的两个标定测点；

S302：控制所述工件测头分别与两标定测点接触，分别获得两标定测点所对应的误差补偿值。

作为本发明的进一步改进，所述工件测头依次对两标定测点进行标定时，所述工件测头的测量轴线与各标定测点的法线平行；

和/或

所述工件测头依次对实际点位对中的内、外测点进行测定时，所述工件测头的测量轴线与各测点的法线平行。

作为本发明的进一步改进，所述虚拟点位对和与之对应的实际点位对分别为多个；且

多个所述虚拟点位和多个所述实际点位对分别在零件中轴线方向上间隔分布。

作为本发明的进一步改进，在S5步骤中，对所述零件实际内、外测点的测定，包括以下步骤：

S501：设置第一夹持件将所述零件夹持固定在所述车床上，控制所述工件测头对所述零件的实际外测点进行测定，获取零件实际外测点的坐标值；

S502：调转零件的方向，并设置第二夹持件将所述零件夹持固定在所述车床上，将所述工件测头伸入到所述零件内部，对其实际内测点进行测定，获取零件实际内测点的坐标值。

作为本发明的进一步改进，所述第一夹持件包括第一基准板和设置在第一基准板端面上的多个第一弹簧伸缩杆；

所述第一弹簧伸缩杆的伸缩端连接设置有第一活动板，所述第一活动板套设在零件外部；且

在所述第一基准板的一侧开设有凹槽，所述零件的开口端紧密抵触在该凹槽内，进而通过第一基准板与第一活动板实现零件的夹持作业。

作为本发明的进一步改进，所述第二夹持件包括第二基准板和设置在第二基准板端面上的多个第二弹簧伸缩杆；

所述第二弹簧伸缩杆的一端连接设置有第二活动板；且

在所述第二活动板的一端开设有环槽，所述零件的开口端可设置在该环槽内；

所述第二基准板靠近所述第二活动板的一侧开设有容置槽，所述零件的尖端部插入到该容置槽内，进而实现对所述零件的夹持作业。

作为本发明的进一步改进，所述零件由两夹持件夹持固定于所述车床后的位置互为镜像。

作为本发明的进一步改进，所述工件测头在对不同测点对进行标定和/或实测时，其沿测点对法线进给的路径长度相等。

上述改进技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有的有益效果包括：

(1)本发明的基于数控车床的异型曲面深盲孔零件壁厚测量方法，其通过在零件的轮廓图上选取的虚拟点位对，结合零件在车床坐标系内的位置，实现虚拟点位对与实际点位对的转换，并通过工件测头对实际点位对中的内、外实际测点进行测定，以此通过两点之间的坐标计算零件位于该测点处的厚度，在保证了零件完整性的情况下，实现了零件任意点位的厚度检测，不仅提高了检测了零件的检测精度，同时有效提高了零件厚度检测的效率。

(2)本发明的基于数控车床的异型曲面深盲孔零件壁厚测量方法，其通过对工件测头误差补偿值的确定以及对其进给路线的规划，极大程度上减少了工件测头在对实际点位对进行测定所产生的误差，并利用误差补偿值与实际检测值之间的拟合计算，得到实际测点准确的坐标值，进而提高了检测结果的精确度。同时，通过对工件测头沿法线法向进给路径长度的优选，使得工件测头在对零件内测点进行检测时，其能够尽可能的靠近零件的小径端，并配合上述对零件厚度的测量方法，实现对深盲孔零件内部任意深度测点坐标的检测。

(3)本发明的基于数控车床的异型曲面深盲孔零件壁厚测量方法，其利用第一夹持件和第二夹持件的结构设置，配合第一夹持件和第二夹持件对零件夹持方式的优选设置，使得异型曲面零件在夹持后，能够更加的稳定，同时，还能够更加便捷的将零件与车床坐标系进行对正，以此保证了零件检测点坐标值的准确性。

(4)本发明的基于数控车床的异型曲面深盲孔零件壁厚测量方法，其操作简单、使用方便，能够在保证零件完整性的情况下，实现对零件各个点位的无损检测，并且通过对工件测头误差补偿值的确定和进给路径的规划，减少了测定过程中的所产生的误差，从而有效提高了测定结果的准确性，进而实现零件在车床上的任意点位、连续且准确的厚度检测作业。

附图说明

图1是本发明实施例中基于数控车床的异型曲面深盲孔零件壁厚测量方法的流程框图；

图2是本发明实施例中基于数控车床的异型曲面深盲孔零件壁厚测量方法中对零件内壁点进行检测时的示意图；

图3是本发明实施例中基于数控车床的异型曲面深盲孔零件壁厚测量方法中对零件外壁点进行检测时的示意图；

图4是本发明实施例中基于数控车床的异型曲面深盲孔零件壁厚测量方法中对工件测头进行标定的示意图；

图5是本发明实施例中基于数控车床的异型曲面深盲孔零件壁厚测量方法中第一夹持件对零件进行夹持时的示意图；

图6是本发明实施例中基于数控车床的异型曲面深盲孔零件壁厚测量方法中第二夹持件对零件进行夹持时的示意图；

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：

1、零件；2、工件测头；3、第一夹持件；301、第一基准板；302、第一弹簧伸缩杆；303、第一活动板；4、第二夹持件；401、第二基准板；402、第二弹簧伸缩杆；403、第二活动板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例：

请参阅图1～图4，本发明优选实施例中基于数控车床的异型曲面深盲孔零件壁厚测量方法主要用于测量异型回转体零件的厚度，例如“子弹头”形式的零件各部位的厚度。在实际测量时，以加工该零件的车床作为测量的载体，并以车床的三维坐标系定位回转体零件1的位置和工件测头2的位置，并在此基础上完成相应测点处零件厚度的测定。

具体而言，优选实施例中对异型深盲孔零件壁厚的测量方法包括以下步骤：

S1：根据零件轮廓图选取至少一个虚拟点位对；虚拟点位对包括选取自零件内、外轮廓图上的虚拟外测点和虚拟内测点，且虚拟内测点与虚拟外测点的连线为零件1该测点的法线。

可以理解，对于零件1位于该测点的厚度而言，其实质上便是外测点与内测点之间的距离。

具体地，在实际检测时，往往需要在零件1的不同位置进行厚度检测。因此，在选择虚拟测点位对时，其选择数量通常为多对。例如，在零件1的外轮廓图上选取若干个虚拟外测点A、A

通过上述过程的进行，可以得到多对测点，对应形式如A-A'、A

此外，在选取虚拟外测点对应设置的虚拟内测点时，优选在内外轮廓图的投影面上进行，具体过程为：先选取对应的虚拟外测点，并做过该虚拟外测点法线，而虚拟内测点即为该法线与内轮廓投影图上的交点，如图2中所示。

S2：根据零件轮廓图获取各虚拟点位对所对应的切角角度。

需要说明的是，此处的“切角角度”为各对虚拟测点法线与零件1中轴线之间的夹角。进一步优选为如图2、图3中所示的锐角。

可以理解，在获取零件1外周的虚拟测点A、A

S3：根据切角角度确定工件测头2对测点进行检测时的标定补偿值。

具体而言，由于工件测头2在对零件1表面进行测定时，检测的坐标值为工件测头2的球心位置的坐标值，因此，需要根据工件测头2和零件1的接触方向、测头半径、安装尺寸等因素，获取工件测头2与零件1表面接触点的真正坐标值，即对工件测头2进行标定补偿作业，以确定工件测头2在标定时的标定补偿值。

在实际测量的过程中，虽然两实际测点的切角角度相同，但是，工件测头2在检测时，其前端的测头与内、外实际测点的接触点和工件测头2在靠近内、外实际测点时的进给方向都存在不同。因此，工件测头2在对每对实际测点进行检测前，都需要分别对内、外实际测点进行单独的标定补偿，进而确保检测后结果的准确性。

在一个具体的实施例中，如图4中所示，以A-A'这一组为例，其切角角度为：α。首先，设定标定件，其中标定件由标定杆和标定杆端部同轴设置标定球组成，以标定球的球心做水平线，并确定标定球面上±α角度的位置，以此确定工件测头2与标定球的两个接触点，其分别对应A和A'点；接着工件测头2与球面α角度的位置相互接触，在接触后得到工件测头2在α角度时的标定补偿值，然后再控制工件测头2与标定球面-α角度的位置相互接触，以此得到工件测头2在-α角度时的标定补偿值。

此外，由于工件测头2在移动过程中的进给方向也会对误差检测值造成影响。因此，在对工件测头2进行标定作业和检测作业过程中，工件测头2的进给方向需要以切角角度为基准，并沿测点的法线方向进给，以此减少工件测头2的测量轴线与法线之间的夹角，从而降低工件测头2标定作业或检测作业中的产生的误差，并且，在工件测头2在标定和检测的过程中，其测量轴线始终与对应测点的法线平行设置，如图4中所示。进一步具体地，工件测头2的测量轴线为其测杆与其前端测头中心点的连线。

S4：将零件1装夹到车床上，实现零件1在车床坐标系中的定位，并结合零件轮廓图和车床坐标系，获取零件1上对应于各虚拟点位对的实际点位对。

可以理解，在确定零件1位于内外轮廓图内的位置后，能够通过车床坐标系和零件1位于车床坐标系内的位置，获得虚拟测点在实体零件1上对应的实际点位对。优选车床坐标系和内外轮廓图坐标系对正设置，且内外轮廓图位于其坐标系内的位置与零件1位于车床坐标系内的位置相同，进而使得每组虚拟测点的坐标值与实际测点的坐标值相同，以便于工件测头2按照实际测点的坐标值进行移动和检测作业。

进一步地，在如图5和图6所示的优选实施例中，在通过工件测头2对零件1外、内壁点进行检测前，需要先利用夹持件对零件1进行夹持和固定，夹持件设置在车床上。

具体而言，在对零件1的实际外测点进行检测时，作业人员需利用第一夹持件3对零件1进行固定，并将第一夹持件3固定到车床的夹爪上，进而实现零件1的夹持作业。进一步具体地，第一夹持件3包括第一基准板301和安装在第一基准板301上的多个第一弹簧伸缩杆302，优选第一弹簧伸缩杆302有四个且呈环向设置，在第一弹簧伸缩杆302背离第一基准板301的一侧设置有第一活动板303，且在第一基准板301上开设有凹槽，零件1的开口端与凹槽内部紧密抵触，第一活动板303套接于零件1的外表面，使其能够在第一弹簧伸缩杆302的带动下向第一基准板301的靠近，以此使得零件1能够时刻被拉紧在第一基准板301与第一活动板303之间，进而保证零件1在被夹持后的稳定性。

更细节地，在对零件1的实际内测点进行检测时，作业人员需利用第二夹持件4对零件1进行夹持，然后再将第二夹持件4装夹到车床夹爪上，并将工件测头2伸入到。具体地，第二夹持件4包括第二基准板401和设置在第二基准板401一端的第二弹簧伸缩杆402，第二弹簧伸缩杆402的伸缩端设置有第二活动板403，在第二基准板401内设置有与零件1尖端部相互匹配的容置槽，零件1的尖端部插入到该容置槽内，而零件1的开口端则设置在在第二活动板403上开设的环槽中，以此实现对零件1的反向夹持。

此外，在上述过程中，由于零件1在调转后其位于车床坐标系中的位置发生的改变，因此，在零件1调转后，需相应调整零件1基准面的位置。在一个具体的实施例中，在进行第一次装夹时，以第一基准板301背离第一弹簧伸缩杆302的端面为基准，并使其与坐标原点对齐，即通过第一基准板301将零件夹持到车床夹爪上；在进行第二装夹时，则以第二基准板401背离第二弹簧伸缩杆402的端面为基准，使其与坐标系的坐标原点对齐，即通过第二基准板401将零件夹持到车床夹爪上，以使得两测点检测的坐标值以Y轴呈对称设置，进而方便后续对两坐标值的换算。

总体而言，零件1在加工的过程中，依次第一夹持件3和第二夹持件4对零件进行夹持并将其固定到车床夹爪上，进而方便工件测头2对依次对零件1的内外实际测点进行测定。并且，在实际操作时，需保证两次夹持后，其零件呈镜像设置，继而有效保证零件1在车床坐标系内的精准定位，同时，方便后续对零件1坐标值的换算与计算。

进一步地，如图1所示的优选实施例中，由于工件测头2在对零件1的实际内测点进行检测时，需将工件测头2伸入到零件1内部进行测量。因此，在通过第二夹持件4对零件1进行夹持后，需对调转零件1两端部的朝向，即将零件1的开口端朝向工件测头2，以此方便工件测头2伸入到零件1内部，并且，通过该方法还能够实现对零件1内部小径端测点坐标的采集，进而实现对零件内部任意位置处测点的坐标检测作业。

S5：根据实际点位对的内外测点坐标确定工件测头2的检测参数，并控制工件测头2对零件1实际内、外测点进行检测，获得每个测点的实际检测值。

具体而言，在工件测头2对实际点位对中实际内、外测点进行检测时，工件测头2的进给方向需沿测点的法线方向，并且工件测头2的进给角度与其测点的切角角度相同。进一步优选地，工件测头2沿切角法线方向进给的路径长度为10mm。

S6：将各测点的标定补偿值与该测点的实际检测值进行拟合计算，获得各测点的真实坐标值，再根据各实际点位对内外两测点的真实坐标值确定两测点之间的距离，以此得到该实际测点上的厚度。

进一步地，在通过实际内、外测点之间的距离计算零件1在该测点的厚度时，优选在零件1的投影面上进行。

本发明的基于数控车床的异型曲面深盲孔零件壁厚测量方法，其操作简单、使用方便，能够在保证零件完整性的情况下，实现对零件各个点位的无损检测，并且通过对工件测头误差补偿值的确定和进给路径的规划，减少了测定过程中的所产生的误差，从而有效提高了测定结果的准确性，进而实现零件在车床上的任意点位、连续且准确的厚度检测作业。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。