专利名称：多孔同轴度误差测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多孔同轴度误差的测量技术，特别是涉及由计算机自动控制测量多孔同轴度误差的方法及装置。
多孔同轴度误差的测量通常是机械制造行业中的重要环节，如在内燃发动机制造行业，缸体上的曲轴孔、凸轮轴孔同轴度精度是保证缸体质量的重要技术指标，它对发动机的性能有比较大影响，因此方便准确地测量其同轴度误差是内燃发动机制造行业中的关键技术。对于缸体曲轴孔、凸轮轴孔同轴度误差的检测，历来各厂家都采用综合量规法(心棒法)进行合格(量规通过)与不合格(量规通不过)的定性检测，对于不合格的缸体，既不能确定是由于那个被测孔导致缸体的不合格，又不能提供被测孔相对于基准的误差大小和方向，测量误差大且不能提供为加工中调整机床和质量管理所需的数据。
本发明的目的在于避免已有技术的不足之处，而提供一种由计算机自动控制测量过程，既能迅速确定出不合格的被测孔，又能迅速提供被测孔相对于基准的误差大小和方向、测量精度和效率高的多孔同轴度误差的测量方法和装置。
本发明的目的是通过下述方法和装置来实现的。
本发明所揭示的多孔同轴度误差测量方法，是由计算机自动控制整个测量过程，其测量步骤如下1.将被测工件按规定方向安置在可移动的工作台上，移送到测量位置锁紧固定;
2.装有测量传感器的转轴自动插入被测工件的被测孔中并定位;
3.使转轴转动，计算机控制测量各孔的传感器等角度采样，同时在屏幕上分别依次显示各孔轮廓每次采样的测量值;
4.计算机按最小二乘圆法计算出各传感器扫描的截面最小二乘圆心;
5.以上述4所计算出的两端被测孔的最小二乘圆心连线作为测量其它各被测孔的基准，计算出各被测孔的最小二乘圆心到基准的距离，该距离的2倍即为被测孔的同轴度误差;
6.测量结束，屏幕显示被测孔最小二乘圆心相对于基准的偏心方向示意图，X、Y坐标值和同轴度误差值，打印测量结果。
本发明的目的通过采取以下技术措施能够获得更好实现1.最小二乘圆的圆心和同轴度的误差按下面的公式计算(1)计算最小二乘圆的公式ak-jbk=2N∑N-1n=0△rkn(cosθn-jSinθn)=2NΣN-1n=0Δrkne-j2πNn]]>=2N∑N-1n=0Δrkewn=2Nxk(1)]]>aK＝ 2/(N) XKR(1) bK＝ 2/(N) XKI(1)K＝1，2，……，m，m是被测孔的个数。aK是富里哀变换的一次分量实部2/N倍，bK是富里哀变换的一次分量虚部的2/N倍;
(2)被测孔基准的直线方程为(x-a1)/(am-a1) = (y-b1)/(bm-b1) = (z-z1)/(zm-z1)
该直线的方向数为
(3)被测孔轮廓的最小二乘圆心到基准直线的距离为
(4)同轴度误差为Φfi＝2hi式中i＝2，3，4，……，m-1。
2.当被测孔的长径比≤0.5时，测量计算被测孔一个截面的最小二乘圆心，以该圆心到基准的距离评价同轴度误差;当被测孔的长径比＞0.5时，测量计算被测孔二个截面的最小二乘圆心和圆心到基准的距离，以两个截面中误差大的一个评价同轴度误差。
3.测量各孔的传感器每10°采样一次，每个孔的轮廓共采样36点。
实现上述测量方法的一种装置，它包括自动控制测量过程的计算机、显示装置、打印装置、作为测量部件的装有传感器的转轴、驱动转轴轴向移动的驱动装置、驱动转轴转动的电机、可移动的工作台、和测量角度的角度发讯盘和光电传感器，被测工件安置在可移动的工作台上，被测孔向对着转轴，每个被测孔由安装在转轴上的相应传感器测量，电机通过x，y双向弹性联轴器带动转轴转动。角度发讯盘安装在与转轴同步转动的部位，光电传感器安置在相对转轴静止的壳体上，转轴、电机和壳体联结成一体，在驱动装置的驱动下沿导轨移动。
实现本发明方法的装置，为了使发明目的得到更好实现，还采取了以下技术措施被测工件的每个被测孔由一个或两个传感器扫描测量，所有的传感器设置在转轴的同一轴截面内，安装有计算机CPU板和传感器电路板的支架与转轴固定安装在一起，位于转轴与电机之间;
测量装置为立式结构，装配联结成一体的电机、支架和转轴，通过端面浮动轴承悬挂在可沿导轨滑动的滑架上，悬挂体的重量由链轮支承着的链条另一端所悬挂的平衡重锤平衡;
转轴下端为锥面结构，转轴为两端支承，上端通过轴承套的外圆锥面定位支承在被测工件最上端的孔端，下端通过具有特殊结构的轴承径向定位，轴承的结构是由滑套带动定位钢球移动使外圆为锥面的下轴承套胀紧于下端被测孔内;
驱动转轴作轴向移动的驱动装置为气缸活塞结构，安装在转轴上的传感器为带触头的电涡流式传感器。
附图1是本发明的测量装置的整体布局示意图。
附图2是本发明的定位测量原理图。
附图3是本发明的同轴度误差计算原理图。
附图4是附图3第i个被测孔计算确定最小二乘圆心的示意平面图。
下面结合
通过实施例对本发明作进一步的详细描述。实施例是本发明应用于第二汽车制造厂引进美国Cummins公司技术加工的EQ153柴油发动机缸体曲轴孔、凸轮轴孔同轴度误差测量装置。被测工件为6缸发动机缸体，被测的曲轴孔、凸轮轴孔各为7个。测量装置为立式结构。被测缸体(12)吊装在小车工作台(13)上，小车工作台可与吊装工位和测量工位锁紧在轨道支架上。(11)是测量凸轮轴孔同轴度误差的转轴，(10)是测量曲轴孔同轴度误差的转轴。每个转轴都分别装有7个带触头的电涡流式传感器(20)，每个转轴上的所有传感器位于同一轴截面内，测量时，每个传感器扫描测量相应的曲轴孔或凸轮轴孔。每个转轴分别与各自装有计算机CPU板、传感器电路板(16)的支架(17)固定联结成一体，再分别通过x，y双向弹性联轴器(15)与各自的驱动电机(14)联结，电机安置在壳体(9)内，分别构成测量曲轴孔和凸轮轴孔同轴度误差的测量部件。测量角度的光电传感器(18)和角度发讯盘(19)分别固定在壳体(9)和支架(17)上。测量曲轴孔的测量部件和测量凸轮轴孔的测量部件分别通过可在两个方向转动的铰链和端面浮动轴承(7)悬挂在同一个滑动支架(6)上，两个测量部件的重量由链轮(5)支承着的链条(4)另一端所悬挂的平衡重锤(2)平衡。作为驱动机构的气缸活塞(3)通过滑架(6)带动测量部件上下轴向移动，使装有传感器的转轴进入或退出被测的曲轴孔或凸轮轴孔。(1)是测量装置的机架。
测量时，先将被测缸体使其曲轴孔、凸轮轴孔垂直向上地安置在小车工作台上，再将被测缸体送至使其被测孔向对着转轴的测量位置并锁紧。气缸活塞(3)在计算机的控制下，驱动测量部件向下移动，由于转轴的端部为锥面和整个测量部件通过可在两个方向转动的铰链和端面浮动轴承悬挂在滑架上，装有传感器的转轴自动地进入被测的曲轴孔和凸轮轴孔。转轴插入到位时，壳体(9)下端90°的锥面(21)与被测缸体最上端的曲轴孔(凸轮轴孔)接触定位，同时转轴下端轴承(22)自胀紧定位于缸体最下端的曲轴孔(凸轮轴孔)内，轴承(22)的结构是由滑套带动定位钢球移动使外圆为锥面的下轴承套胀紧于被测孔内。电动机在计算机的控制下启动，带动转轴回转一周，到位自动停止，旋转中各传感器对缸体的1、2、3、4、5、6、7曲轴孔、凸轮轴孔的一个截面的轮廓进行扫描，计算机根据角度发讯盘与光电传感器每10°发出的信号、分别采集记录各传感器36个测量数据、计算出最小二乘圆心，再计算出2、3、4、5、6各孔圆心到1.7孔圆心连线的距离的2倍，即为被测孔相对基准的同轴度误差。测量扫描过程中，屏幕上分别依次显示曲轴孔、凸轮轴孔中各孔每一采样点的测量值，测量结束即显示各被测孔圆心相对基准的坐标值、坐标示意图形和同轴度误差值，打印机打印所显示的测量结果的数据及示意图。
本发明同轴度误差的计算原理如图3和图4所示。设曲轴孔(或凸轮轴孔)的第i孔被测圆的采样值为△rij，i＝1，2，……7，j＝0，1，……N-1，N为采样点数，△rij为第i个孔被测圆的第j个半径变化量。图中0(0，0)为测量回转中心，O1i(ai，bi)为最小二乘圆中心，ei为偏心量。根据传统推荐公式ai=2N∑N-1j=0Δrijcos(2πij/N)]]>bi=2N∑N-1j=0ΔrijSin(2πij/N)]]>可以求出最小二乘圆心O1i(ai，bi)。根据要求测量基准为1，7孔的公共轴线，即1，7曲轴孔(或凸轮轴孔)被测圆最小二乘圆圆心O1′(a，b，Z，)，O7′(a7，b7，Z7)的连线L。
各被测孔的同轴度误差即各最小二乘圆心O′i(ai，bi，Zi)到空间直线L的距隔的两倍。
φfi＝2hii＝2，3，4，5，6按照这种传统的推荐公式计算各被测圆的最小二乘圆心，需要计算2N次COS，sin;2N次实数相乘;2(N-1)次实数相加。如果截面数较多，采样数据多，则速度较慢，本发明采用了一种快速递归富里哀变换方法，它可单独计算某一次分量，使计算速度提高2/3，应用于求最小二乘圆心的公式推导如下ak-jbk=2N∑N-1n=0△rkn(cosθn-jSinθn)=2NΣN-1n=0Δrkne-j2πNn]]>=2N∑N-1n=0Δrknwn=2Nxk(1)]]>aK＝ 2/(N) XKR(1) bK＝ 2/(N) XKI(1)K＝1，2，3，4，5，6，7由上式可知，最小二乘圆心的aK就是富里哀变换的一次分量实部的2/N倍，bK就是富里哀变换的一次分量虚部的2/N倍。
确定了最小二乘圆心后，计算同轴度误差的公式如下O1′(a1，b1，Z1)、O7′(a7，b7，Z7)连线的直线方程为(x-a1)/(am-a1) = (y-b1)/(bm-b1) = (z-z1)/(zm-z1)直线的方向数为
于是空间点到直线的距离为
同轴度误差为
φfi＝2hi式中i＝2，3，4，5，6。
在本发明中由于采用了以快速递归富里哀变换所得到的公式确定被测孔最小二乘圆心坐标的方法;每个被测孔以各自对应的，具有平均效应的电涡流传感器测量;测量曲轴孔的所有传感器与测量凸轮轴孔的所有传感器分别安装在各自转轴的同一轴截面内;转轴定位支承于被测的曲轴孔、凸轮轴孔上下两端孔内;转轴带着传感器旋转对各孔实际轮廓进行扫描测量一周到位自动停止;整个测量过程由计算机实施控制、数据采集、计算各孔的最小二乘圆心及被测孔相对基准孔的同轴度误差等先进技术措施，保证了本发明的高效率、高精度测量，使得本发明只须一次安装缸体便可在3分钟测出曲轴孔、凸轮轴孔的同轴度误差，测量不确定度达到≤2μm的水平，显示装置和打印机随着测量过程的进行，显示和打印被测孔中心相对于基准的坐标值、坐标示意图形和同轴度误差值，为加工中调整机床和工厂质量管理提供了可靠的依据。
本发明除具有上述优点外，还具有被测缸体安装精度要求低的优点。由于本发明的装置为立式结构，转轴的下端部为圆锥面，整个测量部件通过可两个方向转动的铰链和端面浮动轴承悬挂在滑动支架上，因此只要转轴端部锥体进入被测孔，整个转轴就可插入被测孔中，进行高精度的测量。
本发明具有自动化程度高、测量精度高、检测速度快，操作方便，运行可靠，技术先进的特点，是测量多孔同轴度误差的圆满技术，解决了内燃发动机制造行业长期渴望解决而未解决的问题，为他们提供了检测缸体曲轴孔、凸轮孔同轴度误差的有力手段。
本发明的测量方法不限于只适用本发明的测量装置，亦可用于其它类似装置，测量多孔的同轴度误差。
本发明的测量装置，也不限于附图所描述的实施例。
权利要求
1.一种多孔同轴度误差的测量方法，测量过程由计算机自动控制，其特征在于测量步骤如下(1)将被测工件按规定方向安置在可移动的工作台上，移送到测量位置锁紧固定；(2)装有测量传感器的转轴自动插入被测工件的被测孔中并定位；(3)使转轴转动，计算机控制测量各孔的传感器等角度采样，同时在屏幕上分别依次显示各孔轮廓每次采样的测量值；(4)计算机按最小二乘圆法计算出各传感器扫描的截面最小二乘圆心；(5)以上述(4)所计算出的两端被测孔的最小二乘圆心连线作为测量其它各被测孔的基准，计算出各被测孔的最小二乘圆心到基准的距离，该距离的2倍即为被测孔的同轴度误差；(6)测量结束。屏幕显示被测孔最小二乘圆心相对于基准的偏心方向示意图，X，y坐标值和同轴度误差值，打印测量结果。
2.根据权利要求1所述的多孔同轴度误差的测量方法，其特征在于(1)最小二乘圆的圆心按下述公式计算确定ak-jbk=2N∑N-1n=0△rkn(cosθn-jSinθn)=2NΣN-1n=0Δrkne-j2πNn]]>=2N∑N-1n=0Δrkewn=2Nxk(1)]]>aK＝ 2/(N) XKR(1) bK＝ 2/(N) XKI(1)k＝1，2，……，m，m是被测孔的个数。ak是富里变换的一次分量实部的2/N倍，bk是富里哀变换的一次分量虚部的2/N倍;(2)作为被测孔基准的直线方程为(x-a1)/(am-a1) = (y-b1)/(bm-b1) = (z-z1)/(zm-z1)该直线的方向数为
(3)被测孔轮廓的最小二乘圆心到基准直线的距离按下面的公式计算
(4)同轴度误差按下面的公式计算Φfi＝2hi式中i＝2，3，4……，m-1。
3.根据权利要求1或2所述的多孔同轴度误差测量方法，其特征在于，当被测孔的长径比≤0.5时，测量计算被测孔一个截面的最小二乘圆心，以该圆心到基准的距离评价同轴度误差;当被测孔的长径比＞0.5时，测量计算被测孔二个截面的最小二乘圆心和圆心到基准的距离，以两个截面中误差大的一个评价同轴度误差。
4.根据权利要求3所述的多孔同轴度误差的测量方法，其特征在于测量各孔的传感器每10°采样一次，每个孔的轮廓共采样36点。
5.按照权利要求1所述的多孔同轴度误差测量方法而设计的一种多孔同轴度误差测量装置，包括自动控制测量过程的计算机、显示装置、打印装置，其特征在于还包括装有传感器(20)的转轴(10)(11)、驱动转轴轴向移动的驱动装置(3)、驱动转轴转动的电机(14)、可移动的工作台(13)和测量角度的角度发讯盘(19)和光电传感器(18)，被测工件(12)安置在可移动的工作台(13)上，被测孔向对着转轴(10)(11)，每个被测孔由安装在转轴上的相应传感器(20)测量，电机通过x，y双向弹性联轴器(15)带动转轴转动，角度发讯盘安置在与转轴同步转动的部位，光电传感器安置在相对转轴静止的壳体(9)上，转轴、电机和壳体联结成一体，在驱动装置(3)的驱动下沿导轨(8)移动。
6.根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于被测工件的每个被测孔由一个或两个传感器扫描测量，全部传感器设置在转轴的同一轴截面内，安装有计算机CPU板和传感器电路板(16)的支架(17)与转轴固定安装在一起，位于转轴与电机之间。
7.根据权利要求5或6所述的测量装置，其特征在于测量装置为立式结构，装配联结成一体的电机(14)、支架(17)和转轴(10)、(11)，通过端面浮动轴承(7)悬挂在沿导轨(8)可滑动的滑架(6)上，悬挂体的重量由链轮(5)支承着的链条(4)悬挂的平衡重锤(2)平衡。
8.根据权利要求7所述的测量装置，其特征在于转轴下端为锥面，转轴为两端支承，上端通过轴承套的外圆锥面(21)定位支承在被测工件最上端孔的孔端，下端通过轴承(22)径向定位，其结构是由滑套带动定位钢球移动使外圆为锥面的下轴承套胀紧于下端被测孔内。
9.根据权利要求7所述的测量装置，其特征在于驱动转轴作轴向移动的驱动装置为气缸活塞结构，安装在转轴上的传感器为带触头的电涡流式传感器。
10.根据权利要求8所述的测量装置，其特征在于驱动转轴作轴向移动的驱动装置为气缸活塞结构，安装在转轴上的传感器为带触头的电涡流式传感器。
全文摘要
本发明是测量多孔同轴度误差的方法及装置。测量在计算机控制下进行、每个被测孔由对应的传感器测量，测量同一同轴度误差的所有传感器安装在转轴的同一轴截面内，转轴旋转一周，传感器对被测孔实际轮廓进行扫描测量，计算机根据传感器获得的数据，计算被测孔最小二乘圆心，及各孔关于基准的距离，从而求得被测孔相对基准孔的同轴度误差。本发明具有自动化程度高、测量精度高、检测速度快、运行可靠、操作方便、技术先进的特点。
文档编号G01B21/24GK1069570SQ91107268
公开日1993年3月3日 申请日期1991年8月13日 优先权日1991年8月13日
发明者胥尚焜, 陈文章, 吴瑞, 田贵云, 黄凤翔 申请人:成都科技大学