大型筒形件圆度误差及圆心跳动、直线度在线检测方法及其检测装置与流程

本发明涉及一种大型筒形件圆度误差及圆心跳动、直线度在线检测方法，以及测量装置的设计开发，适用于大型筒形件的圆度误差及圆心跳动及直线度的精确测量。该装置结构简单可靠，实现方便，可以在工件加工完成后直接采集被测工件的直线度及圆度误差、圆心跳动信息，通过计算机处理数据信息同时得到工件既定点的直线度与圆度误差、圆心跳动指标；使得加工与检测手段融为一体，极大的提高工件的测量精度，最大限度的改善了机床的自动化程度与工作效率。

背景技术：

世界各个国家对直线度及圆度误差及圆心跳动测量领域一直予以高度重视,并不断推出新型高精度直线度、圆度误差及圆心跳动测量方法和装置,以满足日益增长的对产品质量的要求。

现代机械制造与加工中，在制造和加工大型筒形件时，经常会遇到需要测量工件的直线度与圆度误差及圆心跳动的问题，由于大型筒形件物理特殊性，使得测量其直线度、圆度误差及圆心跳动存在一定困难，国内外很多的检测方法都无法兼顾精确性与经济性，在这以前,比较常用的方式是将被测件置于两个v型铁上用几个千分表来测量直线度及圆度误差及圆心跳动，以及基于光学准直望远系统测量测量轴线直线度，采用圆度误差及圆心跳动仪测量工件圆度误差及圆心跳动的方法等，这些方法都需要将工件移除加工设备，采用额外的测量装置对工件直线度、圆度误差及圆心跳动单独进行测量。检测方法精度低，效率低，性能无法得到保障。

技术实现要素：

1.名称：大型筒形件圆度误差及圆心跳动、直线度在线检测方法及其检测装置。

2.用途：一种测量大型筒形件直线度、圆度误差及圆心跳动的方法及测量装置，在加工完成后不移除工件的情况下，对大型筒形件的直线度及圆度误差及圆心跳动进行精确测量。

3.技术方案：

1)该方案针对大型筒形件进行在线检测，当工件加工完成后，无需移除工件即可同时检测其直线度与圆度误差及圆心跳动；

2)由于工件体积较大，长度较长，将工件用卡具装卡于同心且位置相对的两个回转主轴组成的同步旋转卡紧机构；

3)同步旋转卡紧机构满足在受轴向旋压力约700kn的同时能承受自大扭矩10000/n·m旋转；

4)测量机构安装于主轴中心线的垂直平面内，测量机构的机械部分对位置测量传感器进行固定；

5)准备与被测工件几何结构相似的标准标的物（检棒），用于标定测量机构；

6)当测量机构调试初始时，先将标定物安装于回转主轴上，手动调节测量机构并固定于适当位置，伸出测量触头，先对标定物进行测量（检棒），以此标定测量机构，达到将测量机构原点与工件原点重合并拟合标定物几何状态及提取数据作为测量基准的目的；

7)当进行工件加工时，测量机构关闭并抬起测量触头，以保证工件的正常加工；

8)当工件加工完毕，需要进行测量时，伸出测量触头，开启测量机构数据采集及分析、记录功能；

9)当工件加工完成后，对其进行直线度及圆度误差及圆心跳动测量时，首先将被测工件按既定长度划分若干等份，依次对其中某一个等分段中一点进行直线度的测量工作并读取记录测量数据，同时将此点设置为其所在的圆周上的采样点起点进行圆度误差及圆心跳动的测量；

10)对工件圆周设置测量n对测量点，计算采集测量点时工件需要旋转的角度；

11)抬起测量触头，以第6步中长度等分段中直线度的采样点为起点，令工件旋转180°，再次伸出测量触头并读取记录测量数据；

12)抬起测量触头，令工件按照既定角度旋转到指定测量点，伸出测量触头接触工件并读取记录测量触头位置数据，再次抬起测量触头，令工件旋转180°之后伸出测量触头，对工件进行再次测量及数据采集工作，第一对测量点数据采集完成；

13)当采集到最后一个设定点后，对相同测量点进行逆序测量，逆序执行步骤10、11并采集数据，完成第一对测量点的逆序二次数据采集；

14)对于直线度的计算：假设在8至12步骤中采集到的两条平行且相差180°的平面中直线的单方向测量数据分别为l1(x)、l2(x)，反方向的测量数据分别为l3(x)、l4(x)有：

l(x)=δs(x)+δ(x)

δs(x)=s(x)-k

其中δs(x)为被检工件在每个测量方向上各个采样点上相对于标的物的偏差值

s(x)为被测工件在每个测量方向中各个采样点上的直线度偏差值

k为标的物在各个测量点上的直线度

δ(x)为拖板移动时导轨运动副在每个测量方向上相应的采样点的偏差值

假设拖板运动的重复定位精度足够好，则有δ1(x)=δ2(x)=┈┈=δn(x)、

s1(x)=s3(x)=┈┈=sn+1/2(x)

s2(x)=s4(x)=┈┈=sn/2(x)

则工件的直线度偏差及拖板的定位误差分别为：

δ(x)=1/2[l1(x)+l3(x)]

s1(x)=1/2[l1(x)-l3(x)]

则有

δ1(x)=δ2(x)=δ3(x)=┈┈δn(x)=1/2[l1(x)+l3(x)]

s1(x)=s3(x)=1/2[l1(x)-l3(x)]

s2(x)=s4(x)=1/2[l2(x)-l4(x)]

┊

s4n-3(x)=1/2[l4n-3(x)-l4n-1(x)]

s4n-2(x)=1/2[l4n-2(x)-l4n-1(x)]

其中n=1、2、3、4┈┈

15)对于圆度误差及圆心跳动的计算是以被测实际轮廓的最小二乘圆作为理想圆，其最小二乘圆圆心与标的物在此测量平面内的圆心距离差为被测工件在此测量平面内的圆心跳动值，相应的其最小二乘圆圆心至轮廓的最大距离与最小距离之差为圆度误差及圆心跳动误差；

设步骤8到12中采集到同一平面内工件圆周上测量点数据为p1（x1，y1），p2（x2，y2），p3（x3，y3），p4（x4，y4），┈┈pn（xn，yn）

则最小二乘圆圆心g（a，b）计算公式为：

a为最小二乘圆圆心到标的物圆心距离

b为最小二乘圆圆心到标的物圆心距离

有最小二乘圆半径计算及各个测量点到最小二乘圆圆心的距离计算：

r=

r为最小二乘圆半径

rm实际被测轮廓上各点到最小二乘圆圆心的距离

16)重复步骤10、11、12以及步骤8到步骤12直至采集满设置测量点数量，系统将存储的采样点位置数据进行拟合，得出测量点几何轨迹并与标定物几何轨迹进行比较，从而同时得出被测工件的直线度、圆度误差及圆心跳动等测量结果；

17)本发明的优点是：采用在线检测系统对大型筒形件的直线度及圆度误差及圆心跳动进行检测，结构简单可靠，实现方便并可以在工件加工完成后直接测量工件的直线度及圆度误差及圆心跳动，即大大简化了测量的难度又提高了测量精度，使得加工与检测手段融为一体，还避免了工件在搬运过程中或者其他外界因素测量结果的影响，极大的提高了机床的自动化程度与工作效率。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1直线度、圆度误差及圆心跳动测量流程图

图2测量机构装置示意图

图3测量机构安装示意图

图4圆度误差及圆心跳动误差、圆跳动评定数学模型

图1为测量工件圆度直线度程序流程图

图2中1.底座，2导轨，3驱动油缸，4位移传感器定尺，5保护弹簧，6读数头，7测量触头

图中，将4位移传感器定尺部分固定于1底座上，2导轨用于导向读数头上下运行并起到一定的辅助固定作用，当需要将测量触头伸出时，控制信号控制3驱动油缸伸出并推动6读数头及7测量触头向靠近被测物体方向运行，当7测量触头与被测物体接触后，如果油缸继续推动触头伸出，为了避免损伤被测工件，5保护弹簧被动压缩以，以减小触头与工件的作用力。

图3中1测量装置，2垂直于主床身的三脚架，3标的物（检棒），4主轴，5主床身

图中，将1测量装置固定于2三脚架上并手动调节其安装固定位置，使得设备加工工件时，1测量装置收回到极限位置避免干扰工件的正常加工；确保5主床身与2三脚架所在平面保持垂直；设备安装初始时，将3标的物装卡于4主轴上，并保证3标的物中心线与4主轴中心线重合便于确定1测量装置的原点位置。

图4中1测量最大圆轮廓，2拟合的最小二乘圆，3标的物圆轮廓，4测量数据轨迹，5标的物圆心，6拟合的最小二乘圆圆心，7为最小二乘圆圆心到标的物圆心横向距离a，8为最小二乘圆圆心到标的物圆心横向距离b，9为最小二乘圆半径r，10实际被测轮廓上各点到最小二乘圆圆心的距离rm；

图中当5标的物圆心与6拟合的最小二乘圆圆心重合时，表示工件不存在圆心跳动；反之两个圆心不重合，则可以计算出工件的圆心跳动大小。

具体实施方式

1)测量机构安装于主轴中心线的垂直平面内，测量机构的机械部分对位置位置传感器进行固定；

2)在测量触头末端配置液压油缸，当进行测量工作时，控制油缸活塞伸出并驱动测量触头伸出保证其与被测物体进行点接触；

3)由于工件体积较大，长度较长，将工件用卡具装卡于同心且位置相对的两个回转主轴组成的同步旋转卡紧机构；

4)当进行工件加工时，测量机构关闭并收起，以保证工件的正常加工，当工件加工完毕，需要进行测量时，手动调整测量机构机械位置并控制测量触头后的液压油缸伸出，保证测量触头接触被测工件，开启测量机构数据采集及分析、记录功能；

5)位置传感器采用绝对值式测量原理；

6)待设备安装调试完成，在测量机构安装之初，先调节与启用测量机构，对预先安装于主轴上的圆柱形标定物进行测量（检棒），达到对测量机构进行标定的目的，将测量机构原点与工件原点重合并拟合标定物几何状态及提取数据作为测量基准值；

7)在对待测工件测量直线度及圆度误差及圆心跳动时，首先将被测工件径向按既定长度划分若干等份，对其中某一个等分段中一点进行直线度的数据采集工作；

8)同时设置将此点所在轴向圆周采样点数量（两个互成180°的点为一对采样点）进行圆度误差及圆心跳动的测量；

9)测量直线度时，先将测量机构以恒定速度运行至设定点，系统控制图2中3的油缸活塞伸出，将6位移传感器的读数头推出测量装置，使测量触头充分接触到被测工件采样点，同时采集测量头位置信息；

10)系统控制液压油缸收起测量头，并以当前点为起始点，令工件旋转180°，再次伸出触头与被测工件进行完全接触，对采样点进行数据采集，第一对测量点数据采集完成；

11)将第一对测量数据与之前得到的标的物的数据进行比较，得出此两点的直线度偏差，以及此两点所在轴向圆周的直径数据以计算测量圆周的圆度误差及圆心跳动差；

12)再次抬起测头，手动控制主轴旋转任意角度，重复10、11步骤，直至采集满轴向设置测量点数量；

13)将测头抬起，手动将测量机构所在轴纵向运行至下一测量点，依次按照9、10、11步骤采集并计算被测工件的表面数据，直至测量机构运行至径向采样结束点；

14)若测量触头已经完全接触到被测工件，但驱动油缸由于惯性继续向前移动时，为避免测量触头损伤工件表面，在读数头与驱动活塞之间设置5保护弹簧，以减小测量触头与被测工件之间的作用力。