一种轴类工件在位检测方法及系统

技术领域

本发明属于机械加工领域，尤其涉及圆柱型工件表面形位误差检测方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

圆柱类零件作为机械产品的主要零件和机械运动的重要传动部件，在高转速运动的同时，还要承受大扭矩运动，具有较高的的加工要求。在零件的设计和制造中，形位误差是评价机械零件生产制造质量的重要指标，形位公差是企业重要的经济指标。形位误差包括零件的形状误差和位置误差，对产品的性能和使用寿命影响很大，形位误差越小，零件的精度越高。因此在企业生产之前，在设计图纸中常常规定形位误差的最大值，即形位公差。常见的几个公差主要有：形状公差、位置公差、方向公差以及跳动公差，研究的几何要素包括：直线度、圆度、平面度、圆柱度、线轮廓度以及面轮廓度等。

目前现有的采用激光方法进行零件测量的系统仍存在一定的缺陷，一方面主要是由于激光测量技术本身的特点，光线容易在光滑、有弧度形状的工件表面或部分产生反射或投射，导致测量存在偏差，限制了其应用，因此在建立检测系统的同时也要考虑针对其特点进行传感器设置，其实际应用问题仍待解决；另一方面即目前对于工件的检测方法而言，单要素检测较多，能够建立完善、多元素检测的检测体系还较少，造成检测效率不高、不同测量系统存在较大的检测误差等问题，因此，建立一种能够满足如径向圆跳动、直线度等多要素检测的在线智能检测系统是行业要求和企业的迫切需求。因此，亟待解决上述问题。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种轴类工件在位检测方法，为精度高且能够实现多要素在位测量的圆柱型工件在位检测方法。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

第一方面，公开了一种轴类工件在位检测方法，包括：

针对待测轴类工件，获得测量点数据，并建立空间坐标；

基于建立的空间坐标，求解拟合曲线，计算所述轴类工件的轴线方程；

获得工件表面数据，利用空间矩阵实现坐标旋转；

旋转所述轴类工件，对轴类工件的表面数据进行建模，基于所建模型，求得平面点集到轴线的距离，基于该距离计算所述轴类工件的径向圆跳动误差。

作为进一步的技术方案，获得测量点数据时，光栅测头位于待测轴类工件一侧端面上，用以测量待测轴类工件的圆柱端部的一横截面上的点数据，利用光栅测头实现对待测轴类工件的定位测量；

其中，光栅测头分布于一竖直平面圆形的下半圆弧上，光栅测头所在测量平面为Y-O-Z平面，光栅测头所在直线的交点为空间原点O，依据笛卡尔左手定则建立坐标系O-X-Y-Z。

作为进一步的技术方案，利用光栅测头实现对待测轴类工件的定位测量时，针对光栅测头安装时存在的径向安装误差，采用标准圆轴进行标定。

作为进一步的技术方案，针对光栅测头安装时存在的周向误差进行补偿。

作为进一步的技术方案，针对光栅测头安装时存在的轴向误差进行补偿，其中，轴向误差即测头中心线不在同一垂直平面内；

对轴向误差进行标定时，使用杠杆百分表，将底座贴合光栅测头安装座上，杠杆端置于测头下部测柄上，使各个光栅测头百分表测量数值一致，保证光栅测头安装座边缘到光栅测头的距离相等，则光栅测头的轴向误差标定完成。

作为进一步的技术方案，待测轴类工件的端部与平面x＝0的交线为一位于Y-O-Z平面上的椭圆，则上述测量的各点都在椭圆曲线上，对测量数据进行拟合；

通过最小二乘法或直接求解法对上述拟合问题求解即可得到椭圆曲线；

针对椭圆曲线通过求轴向的方向向量确定空间轴件的位置。

作为进一步的技术方案，利用线激光传感器实现对待测轴类工件的表面测量。

作为进一步的技术方案，在测量时，将线激光传感器检测直线与轴线间设置一定的角度；

进行坐标转换，将工件表面数据转换成轴线在x轴上的表面数据，已知轴线的空间位置，对轴线进行平移和旋转，使其与x轴重合。

作为进一步的技术方案，将线激光传感器检测直线与轴线间设置一定的角度，通过建立评价模型对该角度进行评价，并采用标准圆柱对实际的夹角进行验证；

基于线激光传感器检测到的各点到圆柱轴线的距离都相等，求解得到旋转角度。

作为进一步的技术方案，在确定线激光传感器的安装角度信息后，对线激光传感器的安装需要进行标定：

选取一块标准方块，使其一侧面与测头检测平面平行放置，其上平面与测头平面的原点O重合，线激光传感器水平设置于标准方块上方，其检测到的距离数据在标准块上沿扫描仪的x轴方向应为一水平直线，否则线激光传感器非水平放置；

对此时的位置进行标零，则线激光传感器与测头检测平面在Z坐标上进行统一；

对线激光传感器在空间坐标系上y值进行标定，在空间放置一标准圆柱，视圆柱轴线与空间原点O共线；

线激光传感器检测圆柱的圆柱面，检测数值在传感器x方向上应显示为一非标准圆弧；

根据空间几何原理，圆弧上仅有一点为最大值，该点在空间上应位于X-O-Z平面内，即空间y值为0，通过移动线激光传感器使扫描仪坐标上的x值为0的点与平面X-O-Z重合；

标准块到检测平面的距离为x

第二方面，公开了一种轴类工件在位非接触检测系统，包括：

轴线方程计算模块，被配置为：针对待测轴类工件，获得测量点数据，并建立空间坐标；

基于建立的空间坐标，求解拟合曲线，计算所述轴类工件的轴线方程；

径向圆跳动误差计算模块，被配置为：获得工件表面数据，利用空间矩阵实现坐标旋转；

旋转所述轴类工件，对轴类工件的表面数据进行建模，基于所建模型，求得平面点集到轴线的距离，基于该距离计算所述轴类工件的径向圆跳动误差。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本发明整体技术方案基于现有的轴类工件的空间位置，求解出其空间轴线，进而确定其空间位置，与传统方法相比，避免了通过V型块等模拟基准轴线带来的误差；本方法使用非接触式测量与接触式测量相结合的测量方法，在精准确定零件位置的基础上，能够对待测轴类工件表面实现无接触测量，避免划伤形位误差检测表面；本方法通过确定工件的空间轴线及其表面轮廓，能够实现对与多形位误差的测量，与传统的的单要素测量相比能够大大提高检测效率，同时与三坐标测量机相比，当检测要素为单一要素时，本方法的所用的时间将大大减少，且成本较低。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例检测系统结构示意图；

图2为本发明实施例检测系统坐标系构建示意图；

图3为本发明实施例光栅测头所需要的径向补偿量示意图；

图4为本发明实施例光栅测头所需要的周向误差补偿示意图；

图5为本发明实施例光栅测头之间存在轴向误差示意图；

图6为本发明实施例将检测数据转换为轴线在X轴上的数据的转换示意图；

图7为本发明实施例对线激光传感器标定示意图；

图8为本发明实施例方法流程示意图；

图中，1待测圆柱型工件、2旋转卡盘、3顶尖、4光栅测头、5测头安装座、6线激光传感器、7直线导轨、8滑块、9电机。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例子中，轴类工件以圆柱型工件为例进行说明，当然也可以使用于其他轴类工件的检测，具体参见附图8所示，本实施例公开了一种轴类工件在位检测方法，包括：

建立检测系统坐标系；

通过数字光栅测头检测数据，拟合求解检测空间椭圆曲线，进而求解得到圆柱型工件的空间轴线方程；

通过线激光传感器所检测得到的表面数据，旋转圆柱型工件，空间位置转换矩阵简化构型，实现工件表面建模；

通过空间距离计算分析，得到检测圆柱面的径向圆跳动数值。

本实施例子技术方案能够实现对于圆柱型工件的空间轴线的实时确定，避免了传统基准轴线带来的误差，同时能够通过一次测量实现对工件表面数据的建模，从而可实现对多种行为误差的测量。

在该实施例子中，根据光栅测头检测数据能够实时得到空间轴线方程，空间轴线的方程确定了工件在建立的空间坐标系中的位置，从而避免了传统方法假定基准所带来的误差。

详细的实现过程为：

步骤1：建立信息检测系统，参见附图1所示，光栅测头分布于一竖直平面圆形的下半圆弧上，减少了对测量工件的限制，能够实现对工件的在位测量。测头的测杆所在直线交于原点O，测点在初始圆弧上时不受压缩，测量数据为0。光栅测头所在测量平面为Y-O-Z平面，光栅测头所在直线的交点为空间原点O，依据笛卡尔左手定则建立坐标系O-X-Y-Z，参见附图2所示。

步骤2：圆柱型工件的一端通常为圆柱端面，假设圆柱面与平面Y-O-Z平面相交。设测头测杆所在直线与平面内水平直线的夹角为κ，光栅测头测点初始位置所在的圆弧半径为r

x坐标正负由测头所处的空间向量决定，且κ<90°。

同时椭圆处于x＝0平面内，得到测量点的空间坐标(0,y,z)。

在光栅测头安装时会存在径向安装误差，采用标准圆轴对装置进行标定。光栅测头在半径为r

Δx

其中，Δx

x

光栅测头安装时还易存在周向误差，安装位置与预定位置之间存在偏差角度a

式中，d'————光栅测头测杆的原长。

实际值与理论值之间的偏差为需要调整的误差值Δx

则补偿后的数值为

x

式中，x

光栅测头之间还易存在轴向误差，参见附图5所示，即测头中心线不再同一垂直平面内，当光栅测头发生轴向偏移时会对通过从测量数据进行拟合的曲线发生很大影响，特别是当靠近内侧的测点发生位移。轴向误差的大小与工件的倾斜程度有关，因此对其进行标定，使用杠杆百分表，将底座贴合光栅测头安装座上，杠杆端置于测头下部测柄上，使各个光栅侧头百分表测量数值一致，保证光栅测头安装座边缘到光栅测头的距离相等，则光栅测头的轴向误差标定完成。

根据空间几何原理，圆柱与平面的交线为一椭圆，即圆柱型轴件端部与平面x＝0的交线为一位于Y-O-Z平面上的椭圆，则上述测量的各点都在椭圆曲线上，下面对测量数据进行拟合。

椭圆的本质是二次曲线，设椭圆的一般方程为

F(y,z)＝ay

其中，a、b、c、d、e、f————参数，同时存在约束：b

定义向量A

通过最小二乘法或直接求解法对上述拟合问题求解即可得到椭圆曲线。

已知截面椭圆方程可以得到椭圆的中心C(x

在对圆柱型工件进行检测时，要确定圆柱型工件在检测系统中的位置，在轴类工件中表现为确定轴线的位置。确定空间轴线的位置需要轴线上一点及轴线的方向向量，已知椭圆圆心即为轴线上一点，因此接下来只需求轴线的方向向量。

通过轴线上一点和轴线方向向量可以确定轴线在所建立的空间坐标系中的位置。在对物体进行检测时首先要确定轴线的位置，即通过确定空间轴线方向。知道空间轴线方程和工件表面点的位置，则可以确定工件的表面形状。

椭圆为圆柱面与平面的交线，椭圆上各点都在圆柱面上，椭圆上各点(x

式中，S

已知圆柱面半径为R，得到

向量(m,n,p)是轴线的方向向量，S

步骤3：在进行圆柱型工件测量时，激光传感器布置的最佳策略是将检测直线与轴线平行，能够得到最大的检测范围。但在实际实验中，发现激光平行于轴线时，由于激光检测原理即光反射效果，往往会出现检测错误及噪声太大的问题，包含错误数据且整个测量数据中包含大量噪声点。将线激光传感器旋转一定角度后，检测效果明显变好，能够满足测量要求，因此在测量时，将线激光传感器检测直线与轴线间设置一定的角度。

设线激光位移传感器与X-O-Z面的夹角α，则线激光传感器检测数值与世界坐标系的转换关系为

式中，x

为了便于分析和计算，基于进行坐标转换，将圆柱型工件表面数据转换成轴线在x轴上的表面数据，已知轴线的空间位置，对轴线进行平移和旋转，使其与x轴重合。由于事先将轴线平移使其与原点重合，因此旋转时不会对圆轴表面数据造成影响。

参见附图6所示，将C点移到世界坐标系的原点O(0,0,0),移动矩阵为

之后将直线绕z轴旋转方向顺时针旋转β角，β角大小及旋转方程如下：

绕y轴旋转角度γ，γ角大小及旋转方程如下：

则将检测数据转换为轴线在X轴上的数据的转换式为

在表面测量方法的建立中，一个重要的指标是α角的确定。在理论上，α角的大小可以任意设置，在实际实验中，需要确定一个较优的角度。设当α＝0时所得的有效数据量为0.8，在倾斜角度达到45°时基本可以视为有效数据为1，但同时所能够测量的最大数据长度也会减少，在45°时仅有0.707个检测长度，数据精度与数据量的权重分别设为C:1-C(0

s.t 0<α<0.25π

在实际安装过程中，由于安装误差可能导致α角的实际值在设定值左右偏移，对实验结果造成影响，因此采用标准圆柱对实际的夹角进行验证。由线激光传感器的检测数据仍可以得到式(20)，检测到的各点到圆柱轴线的距离都相等：

S

为了解决线激光传感器在使用时会出现的在光滑工件表面出现光的反射等现象造成测量数据不精准的问题，引入了α角，通过上述评价模型能够给出较有的一个角度以供参考。

将式10带入式20，求解得到旋转角度α。

在确定线激光的安装角度信息后，对线激光传感器的安装需要进行标定。选取一块标准方块，使其一侧面与测头检测平面平行放置，其上平面与测头平面的原点O重合。此时，线激光传感器水平设置于方块上方，其检测到的距离数据在标准块上沿扫描仪的x轴方向应为一水平直线，否则线激光传感器非水平放置。对此时的位置进行标零，则线激光传感器与测头检测平面在Z坐标上进行了统一。

对线激光传感器在空间坐标系上y值进行标定，在空间放置一标准圆柱，视圆柱轴线与空间原点O共线。激光传感器检测圆柱圆柱面，检测数值在传感器x方向上应显示为一非标准圆弧。根据空间几何原理，圆弧上仅有一点为最大值，该点在空间上应位于X-O-Z平面内，即空间y值为0。通过移动线激光传感器可使扫描仪坐标上的x值为0的点与平面X-O-Z重合，简便运算。

标准块到检测平面的距离为x

步骤4：选取径向圆跳动为例，介绍检测系统的形位误差检测。径向圆跳动误差实际上是求解空间点到圆心的最大差值，则通过各测量点到圆心的距离即可得到。

实施例二

本实施例的目的是提供一种计算机装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法的步骤。

实施例三

本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行上述方法的步骤。

实施例四

本实施例的目的是提供一种轴类工件在位非接触检测系统，包括：

轴线方程计算模块，被配置为：针对待测轴类工件，获得测量点数据，并建立空间坐标；

基于建立的空间坐标，求解拟合曲线，计算所述轴类工件的轴线方程；

径向圆跳动误差计算模块，被配置为：获得工件表面数据，利用空间矩阵实现坐标旋转；

旋转所述轴类工件，对轴类工件的表面数据进行建模，基于所建模型，求得平面点集到轴线的距离，基于该距离计算所述轴类工件的径向圆跳动误差。

实施例五

再次参见附图1所示，本实施例的目的是提供一种轴类工件在位非接触检测装置，主要包括用于固定圆柱型工件的数控卡盘和顶尖、用于实现工件定位测量的数字光栅测头及测头安装座，用于实现工件表面测量的线激光传感器以及位于线激光传感器上方用于传感器移动的滑块、直线导轨与电机。

其中，圆柱型工件安装于卡盘和顶针之间，启动数控卡盘可带动圆柱工件旋转；数字光栅测头安装于测头安装座上，测头位于一竖直平面内，测头位于圆柱工件一侧端面上用以测量圆柱端部的一横截面上的点数据；线激光传感器固定于直线导轨的滑块上，通过电机旋转带动线激光传感器沿轨道移动至待检测位置上方。

待测圆柱型工件1一端固定在旋转卡盘2上，一端由顶尖3固定，可以控制卡盘2旋转及转速从而带动待测圆柱型工件1的转动。6个光栅测头4安装于测头安装座5上，要求位于同一竖直平面内且所在直线交于同一点，检测平面与待测圆柱型工件1左端圆柱面相交。线激光传感器6固定在直线导轨7上，随滑块8可沿导轨7左右运动，激光光带照射在待测圆柱型工件1表面。电机9安装于直线导轨7上，通过控制电机9的运动，带动滑块8上的线激光传感器6沿导轨7左右运动，从而实现对待测圆柱型工件1不同轴段表面误差的测量。传感器灵敏度高，可以快速、准确地捕获到被测零件表面的微小变化，为后续的分析提供精确的数据支持。整体装置操作简便、自动化程度高、测量精度高，适用于各种机械加工行业中的圆柱型工件表面误差检测。

以上实施例二、三和四的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。

本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。