专利名称：超长孔系零件同轴度光学测量系统及方法
技术领域：
本发明涉及同轴度检测技术，更具体的说，是一种针对超长孔系零件的同轴度，利用激光、PSD传感器及综合测头等技术进行高效测量的系统及方法。
背景技术：
在航空航天、武器装备领域，孔系是用来充当传递力矩、输出动力的关键部件，尤其是对于固定翼飞机，其副翼、襟缝翼的旋转是实现飞机俯仰、偏转、横滚等动作的保证。飞机襟缝翼上的孔系属于超长阵列孔系，长度可达3-5米，而且孔的尺寸一般在Φ20πιπι左右。 该类孔的特点是单孔直径较小；零件尺寸超长；没有测量、安装基准。如果该超长孔系的同轴度存在问题，直接导致的后果可能是战斗机在执行任务中出现副翼或襟缝翼的动作不到位，甚至是不动作，那将会造成航空领域的一级(机毁人亡)或是二级(机毁人不亡)事故。 由此可见，对于该类超长孔系的同轴度、内径的正确检测是确保飞机安全飞行的关键因素。目前对飞机襟缝翼超长孔系的同轴度检测方法，在国内各大飞机制造集团公司主要仍然采用长轴塞规测量法，利用塞规原理进行孔系同轴度的手工原始测量。手工测量以工人的经验为判断依据，没有一个可靠的参数指标进行合格性判定，检测结果很难保证零件的合格率，往往会发生折叠翼在安装时无法有效对中，安装过程产生机械干涉，大大影响了飞机装配的进度，工作效率低下。欧美国家已经有多种高精度的同轴度测量仪，如德国 PRUFTECHNIK (普乐福尼克)对中仪，瑞典FIXTURLASER对中仪，美国Universal同轴度测量仪等，但由于商业原因，未见其原理描述，而这类进口设备对孔系直径Φ 20mm的测量长度最大只能达到300mm，并不适合飞机襟缝翼超长孔系(3000mm)同轴度的测量。国内孔系同轴度测量方法中，目前的方法一般都是针对大尺寸孔系进行测量的， 而满足小尺寸孔系的测量方法中，测量孔系的长度一般很小，都不超过100mm，无法满足大客襟缝翼孔系的测量。目前对飞机襟缝翼同轴度的测量都是基于手工塞规的方法，这不仅耗费人力物力，而且要求操作者具备丰富的实践经验，而且检测合格的零件装配不合格比例仍然很高。这已经不能满足飞机现代化生产与检修的需求，延长了生产周期，增加了制造成本。
发明内容
本发明的目的在于提出一种适宜大距离测量的超长孔系零件同轴度光学测量系统及方法。—种超长孔系同轴度光学测量系统，其特征在于包括用于放置超长孔系零件的工件台()、由旋转电机和三个测爪组成的自定心综合测头(102)、安装于自定心综合测头 (102)前端的PSD传感器(103)、还包括四维准直平台(106)、安装于四维准直平台上的激光发射器(107)、还包括计算机(110)、数据采集卡(111)和运动控制卡(108)；其中数据采集
4卡(111)的传感信号输入端与PSD传感器(103)相连，数据信号输出端与计算机(110)相连，运动控制卡(108)的控制信号输入端与计算机(110)相连，控制信号输出端与四维准直平台(106)相连。利用所述超长孔系同轴度光学测量系统的测量方法，其特征在于包括以下过程 第一步通过计算机(Iio)发送调节信号到运动控制卡(108)，再驱动四维准直平台(106) 进行激光发射器的位置调整，以确定基准激光线，具体过程如下首先，利用自定心综合测头(102)测量首孔中心点，调整激光发射器(107)位置，使激光打在此时的PSD中心位置上； 其次，保持激光发射器位置不变，移动自定心综合测头(102)到尾孔内，测量尾孔中心点； 通过首孔中心点和尾孔中心点确定一条直线的算法，系统自动调节四维准直平台(106)的位置，使激光打在此时的PSD中心位置；此时激光发射器发出的激光同时穿过首孔中心点和尾孔中心点，以该激光线作为基准激光线；第二步骤、保持基准激光线不变，测量各待测孔的中心点相对于基准激光线的偏移信息，具体过程如下首先、自定心综合测头(102)上的电机旋转驱动三个测爪同时伸出，卡住所测孔的内径，此时基准激光线打在与自定心综合测头(102)固连的PSD (103)上形成光斑，该光斑称作基准光斑点；得到此时PSD中心即所测孔中心点相对于基准光斑点的位置偏移信息；数据采集卡(111)采集该位置偏移坐标信息，并传输给计算机(110);其次、为确保对一个孔测出的孔中心点相对于基准光斑点的位置偏移信息合理可信，上述测量过程至少进行两次，每次测量前先将自定心综合测头 (102)旋转一角度；第三步、计算零件同轴度误差，具体过程如下计算机(110)进行数据处理，把各孔中心点相对于各基准光斑点的位置偏移坐标信息进行最小二乘拟合，得到理论中心线，以该理论中心线作为同轴度评定基准，采用最小包容区域法，得到零件的同轴度误差值。与现有技术相比较，本发明采用激光准直技术、PSD传感技术、综合测头技术等，实现了超长小尺寸孔系零件的同轴度测量。这一方法具备的优点有测量精度高，可靠性好， 测量过程方便；大大提高的超长孔系零件同轴度测量的效率和准确率。针对超长孔系零件测量过程中存在的问题，上述超长孔系零件同轴度光学测量装置和系统，可以在零件质量检验中使用，也可在零件装配过程中使用，或者在故障维修中使用，可以实现高效率、高精度的故障连接孔的故障位置诊断，具有广阔的工程应用前景。上述自定心综合测头(10 上还加工有依次间隔固定角度的至少两个插槽；该测量系统还包括一个可以插入或拔出上述插槽的定向杆(101)，定向杆(101)上安装有光电传感器；该测量系统还包括用于分出一束和激光发射器(107)的初始激光线平行的激光线的分光镜(105)与反射镜(109)；将该与初始激光线平行的激光线称作定向激光线；所述同轴度光学方法第二步中，为确保对一个孔测出的孔中心点相对于基准光斑点的位置偏移信息合理可信，并且避免加工的系统偏差，测量过程进行两次，每次测量前转动自定心综合测头(102)，并保证定向激光线打在定向杆(101)上。在实际中上述固定角度可以设置为90 度，插槽为2个，几每个孔的测量时按上述方法测量两次。所述的超长孔系同轴度光学测量方法，其特征在于所述第三步中，系统还给出测量误差与给定公差的比较结果，以及不符合同轴度要求的孔位置信息。
图1是本发明的超长孔系同轴度光学测量装置图2是本发明的首尾孔中心定准直激光示意图；其中图2 (a)为定位首孔中心示意图； 图2 (b)为定位尾孔中心示意图3是本发明的PSD传感器UV坐标系上的光斑位置示意图中标号名称101 —定向杆，102 一自定心综合测头，103 - PSD传感器，104 —超长孔系零件，105 一分光镜，106 一四维准直平台，107 —激光发射器，108 一运动控制卡，109 一反射镜，110 一计算机，111 一数据采集卡。102—自定心综合测头；202 —首孔；103 — PSD传感器；204 —尾孔；107 —激光发
射器；106—四维准直平台。301 一基准光斑；302 —综合测头测的孔内径圆。
具体实施例方式下面结合附图对本发明超长孔系同轴度光学测量装置进行说明。如图1所示，本发明的超长孔系同轴度光学测量装置包括
定向杆101，安插在综合测头上，定向杆上带光电传感器，当激光打在光电传感器上，表明综合测头上PSD的坐标位置调整完毕，可以采集PSD上激光光斑的位置信息；
自定心综合测头102，带三个测爪，由精密丝杆、棘轮和电机进行驱动，测量时，电机进行旋转驱动三个测爪同时伸出，卡住孔内径，同时激光打在与测头固连的PSD上；
PSD传感器103，与综合测头固连，用于确定各孔的中心位置信息，当激光打在PSD上时，PSD传感器输出激光光斑的平面位置信息；
超长孔系零件104，待测量的孔系零件，一般长度在ail以上，分布20个以上数量的孔， 孔径Φ 20mm左右；
分光镜105，把激光器发射出的激光分成2束，一束直射出去，一束与直射光成90度角， 向上方射入到反射镜上；
四维准直平台106，带2个平移、2个转动的四维运动平台，激光器安装在该平台上，用于实现激光光束的位置调节，调节时接受运动控制卡信号，驱动各轴电机的运动； 激光发射器107，发射激光到PSD传感器，固连在四维准直平台上； 运动控制卡108，接收计算机的位置驱动信息，发送给四维准直平台，实现平台的正确运动；
反射镜109，接收分光镜发射来的激光束，并发射出与激光准直基准线相平行的激光束，打到定向杆上，用于调整综合测头上PSD的坐标位置；
计算机110，记录数据采集卡发送来的各孔位置信息，通过软件模块计算出理论中心线，以该理论中心线为同轴度评定基准，采用最小包容区域法，得到零件的同轴度误差值， 并给出测量误差与给定公差的比较结果，以及不符合同轴度要求的孔位置信息；发送位置信息给四维准直平台，调整激光器的光束位置；
数据采集卡111，采集PSD传感器上的各孔位置信息，发送该信息到计算机； 综合测头上带三个测爪，由精密丝杆、棘轮和电机进行驱动，当进行测量时，电机进行旋转驱动三个测爪同时伸出，卡住孔内径，同时激光打在与测头固连的PSD上，给出孔中心位置信息。棘轮的作用在于保护测头，避免测爪与孔内壁接触反力损坏测头机构。
超长孔系同轴度光学测量系统的测量精度取决于PSD传感器的精度，而PSD的尺寸大小需要满足能在20mm的孔系内穿过，本发明选择的PSD位置分辨率达到0. OOlmm,元件外形尺寸< Φ 20mm。以首尾孔确定出的激光准直线为测量基准，得到各孔中心点的位置信息，然后把这些所有的位置坐标点进行最小二乘拟合，得到理论中心线，以该拟合出的理论中心线为同轴度评定基准，采用最小包容区域法，得到零件的同轴度误差值，因此计算机中的软件处理部分需要完成上述计算过程，并给出测量误差与给定公差的比较结果，以及不符合同轴度要求的孔位置信息。如图1所示，检测过程中，超长孔系同轴度测量装置的实现步骤如下
步骤1 综合测头102测量首尾孔的中心点，调整激光发射器107，根据两点确定一条直线的方法，使激光发射器107发射的激光准直中心线通过首尾孔中心，从而确定出测量基准线；该过程参见图2所示，图2 (a)中确定了首孔中心，图2 (b)中首孔中心不变，调整出尾孔中心，从而确定出准直中心线；激光发射器107的位置调节通过计算机110发送调节信号到运动控制卡108，再驱动四维准直平台106进行位置的调整；
步骤2 分光镜105、反射镜109固连在激光发射器107上方，通过分光镜105和反射镜 109出来一束和上述准直基准线相平行的激光束，该激光束打在定向杆101上，可判定PSD 传感器103的坐标位置，使得在不同孔测量时，PSD传感器103上测量的坐标位置都有一个统一方向基准；
步骤3 综合测头102依次通过超长孔系零件104的各待测小孔，测量时，综合测头102 上的电机旋转驱动三个测爪同时伸出，卡住孔内径，同时激光打在与测头固连的PSD传感器103上，给出孔中心点坐标位置信息，如图3所示；数据采集卡111采集该位置信息，并传输给计算机110。棘轮的作用在于保护测头，避免测爪与孔内壁接触反力损坏测头机构。步骤4 计算机110进行数据的记录，把各孔中心点的位置信息坐标点进行最小二乘拟合，得到理论中心线，以该拟合出的理论中心线为同轴度评定基准，采用最小包容区域法，得到零件的同轴度误差值，并给出测量误差与给定公差的比较结果，以及不符合同轴度要求的孔位置信息。
权利要求
1.一种超长孔系同轴度光学测量系统，其特征在于包括用于放置超长孔系零件的工件台、由旋转电机和三个测爪组成的自定心综合测头 (102)、安装于自定心综合测头(102)前端的PSD传感器(103)、还包括四维准直平台(106)、安装于四维准直平台上的激光发射器(107)、还包括计算机(110)、数据采集卡(111)和运动控制卡(108);其中数据采集卡(111)的传感信号输入端与PSD传感器(103)相连，数据信号输出端与计算机(110)相连，运动控制卡(108)的控制信号输入端与计算机(110)相连，控制信号输出端与四维准直平台(106)相连。
2.根据权利要求1所述的超长孔系同轴度光学测量系统，其特征在于上述自定心综合测头(10 上还加工有依次间隔固定角度的至少两个插槽；该测量系统还包括一个可以插入或拔出上述插槽的定向杆(101)，定向杆(101)上安装有光电传感器；该测量系统还包括用于分出一束和激光发射器(107)的初始激光线平行的激光线的分光镜(105)与反射镜(109)。
3.根据权利要求2所述的超长孔系同轴度光学测量系统，其特征在于上述固定角度为90度，插槽为2个。
4.利用权利要求1所述超长孔系同轴度光学测量系统的测量方法，其特征在于包括以下过程第一步通过计算机(110)发送调节信号到运动控制卡(108)，再驱动四维准直平台 (106)进行激光发射器的位置调整，以确定基准激光线，具体过程如下首先，利用自定心综合测头(102)测量首孔中心点，调整激光发射器(107)位置，使激光打在此时的PSD中心位置上；其次，保持激光发射器位置不变，移动自定心综合测头(102)到尾孔内，测量尾孔中心点；通过首孔中心点和尾孔中心点确定一条直线的算法，系统自动调节四维准直平台 (106)的位置，使激光打在此时的PSD中心位置；此时激光发射器发出的激光同时穿过首孔中心点和尾孔中心点，以该激光线作为基准激光线；第二步骤、保持基准激光线不变，测量各待测孔的中心点相对于基准激光线的偏移信息，具体过程如下首先、自定心综合测头(102)上的电机旋转驱动三个测爪同时伸出，卡住所测孔的内径，此时基准激光线打在与自定心综合测头(102)固连的PSD (103)上形成光斑，该光斑称作基准光斑点；得到此时PSD中心即所测孔中心点相对于基准光斑点的位置偏移信息；数据采集卡(111)采集该位置偏移坐标信息，并传输给计算机(110);其次、为确保对一个孔测出的孔中心点相对于基准光斑点的位置偏移信息合理可信， 并且避免加工的系统偏差，上述一个孔截面的测量过程至少进行两次，每次测量时将自定心综合测头(102)旋转一角度；然后把多次测量的孔中心点的偏移平均值作为该孔的测量 fn息；第三步、计算零件同轴度误差，具体过程如下计算机(110)进行数据处理，把各孔中心点相对于各基准光斑点的位置偏移坐标信息进行最小二乘拟合，得到理论中心线，以该理论中心线作为同轴度评定基准，采用最小包容区域法，得到零件的同轴度误差值。
5.根据权利要求4所述的超长孔系同轴度光学测量方法，其特征在于上述自定心综合测头(10 上还加工有依次间隔固定角度的至少两个插槽；该测量系统还包括一个可以插入或拔出上述插槽的定向杆(101)，定向杆(101)上安装有光电传感器；该测量系统还包括用于分出一束和激光发射器(107)的初始激光线平行的激光线的分光镜(105)与反射镜(109)；将该与初始激光线平行的激光线称作定向激光线；所述同轴度光学方法第二步中，为确保对一个孔测出的孔中心点相对于基准光斑点的位置偏移信息合理可信，测量过程进行两次，每次测量前转动自定心综合测头(102)，并保证定向激光线打在定向杆(101)上。
6.根据权利要求4所述的超长孔系同轴度光学测量方法，其特征在于所述第三步中， 系统还给出测量误差与给定公差的比较结果，以及不符合同轴度要求的孔位置信息。
全文摘要
本发明涉及一种超长孔系零件同轴度光学测量系统及方法，属同轴度检测技术领域。该检测系统包括定向杆(101)、自定心综合测头(102)、PSD传感器(103)、超长孔系零件(104)、分光镜(105)、四维准直平台(106)、激光发射器(107)、运动控制卡(108)、反射镜(109)、计算机(110)、数据采集卡(111)等几个部分组成。测量中，首先以首尾孔的中心确定出激光准直中心线，然后依次测量各孔的中心位置，通过最小包容区域法得到孔系的同轴度值。本发明具有高效率、高精度的优点。
文档编号G01B11/27GK102322825SQ20111014726
公开日2012年1月18日 申请日期2011年6月2日 优先权日2011年6月2日
发明者余厚云, 赵转萍, 陆永华 申请人:南京航空航天大学