基于双传感器误差分离的细长内孔直径与圆柱度测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于双传感器误差分离的细长内孔直径与圆柱度测量方法。以标准环规作为校准件套装于双传感器测头，采用消一次谐波逼近法校准双传感器测头，将被测工件内孔套装于双传感器测头，沿内孔轴向和周向进行逐截面整周扫描测量，通过分别对两个传感器在每个截面的距离测量数据求取平均值并作差，实现对各截面处直线进给误差的计算与分离，再结合各截面的偏心误差分离，将最终处理后的测量数据转换到直角坐标系下，并在各截面的数据点中叠加入对应截面的偏心误差，从而还原出被测内孔的轮廓，采用最小二乘法求取内孔轮廓的直径，并利用圆柱度评价方法进行圆柱度计算。本发明专利技术能够实现单向电子测头的校准，并且有效地分离导轨直线进给误差和工件内孔各截面的偏心误差，大幅度提高细长内孔直径与圆柱度的检测精度。

【技术实现步骤摘要】
基于双传感器误差分离的细长内孔直径与圆柱度测量方法
本专利技术属于在线测量
，特别是一种基于双传感器误差分离的细长内孔直径与圆柱度测量方法。
技术介绍
在对细长内孔的珩磨加工中，内孔直径与圆柱度误差是珩磨工艺的重要性能指标，为保证珩磨质量，需要对内孔进行圆柱度误差在线检测。细长内孔由于孔径小，常规的检测仪器无法伸入内孔，因此在工程界一直是一项技术难题。目前对细长内孔的圆柱度检测大都采用圆柱度仪或气动量仪。然而圆柱度仪常用于实验室的圆柱度检测，无法实现生产线上的在线检测；而气动量仪虽能满足在线检测的要求，但是其测量方法以近似测量为主，其圆柱度评定方法不符合国家标准。因此需要研制一种高精度的细长内孔直径与圆柱度在线测量方法，实现对细长内孔直径与圆柱度的方便快速测量，同时确保精度要求。基于误差分离的圆柱度在线测量方法近年来越来越受到广大研究者的关注。在细长内孔圆柱度在线检测过程中，检测仪器的主轴回转误差、导轨的直线进给误差以及工件内孔的偏心误差是圆柱度检测过程中的三大误差源。国防科技大学的王世民(超精密加工在线检测与误差补偿的理论与方法.国防科技大学学报[J].1994,12(2):8～14)提出结合两点法直线度误差分离技术和三点法圆度误差分离技术来实现圆柱度误差的在线测量，两点法直线度误差分离技术通过轴向分布的两个传感器结合离散傅里叶变换来实现母线直线度误差的分离，该方法虽然同时考虑了被测工件的截面圆度误差和母线直线度误差，但其认为圆柱度误差就是截面圆度误差与母线直线度误差之和，缺乏相应的理论依据。有的内孔圆柱度误差测量是在测头沿轴向分布的三个横截面内均对称布置了两个电子位移传感器，通过采用两点法分离回转误差的同时避免了因轴向进给而引入的导轨直线运动误差，但是由于截面数较少，一定程度上影响了测量精度，且无法适应各种不同长度的内孔。还有的内孔圆柱度误差测量利用两个相互垂直的光电传感器检测准直激光光斑位置的偏移，分离出由导轨直线度误差和运动误差引起的双测头平移和倾斜量，进而对测得的内孔轮廓数据进行修正，该测量方法基于光电检测技术，通过误差补偿可达到较高的测量精度，但由于测量的实现原理和装置较为复杂，仅适用于有较大容纳空间的大尺寸内孔测量。随着回转台精度的提高，部分回转台的回转误差已远小于被测对象的公差，选取高精度的回转工作台可以将回转误差予以忽略。因此，测量系统的测量误差主要来源归结到导轨直线进给误差和工件内孔的偏心误差。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供一种基于双传感器误差分离的细长内孔直径与圆柱度测量方法。本专利技术通过两个接触式电子位移传感器采集内孔数据，实时计算并分离导轨直线进给误差和工件内孔的偏心误差，从而提高测量精度。本专利技术创造的具体技术方案如下：所述方法采用双传感器测头，双传感器测头安装在可沿导轨运动的竖直升降机构上，方法包括以下步骤：(1)以标准环规作为校准件套装于双传感器测头，采用消一次谐波逼近法校准双传感器测头；(2)将被测工件内孔套装于双传感器测头，沿内孔轴向和周向进行逐截面整周扫描测量：选定被测工件内孔沿轴向的m个不同截面，每个截面测量时旋转工件一周，通过测头两侧对称的双传感器进行整周扫描测量，采集n对距离测量值作为测量数据，双传感器各自的距离测量值分别为S1i(θj)、S2i(θj),i＝1,2,...,m,j＝1,2,...,n，i表示截面的序数，j表示每个截面下距离测量值的序数，θj表示每个截面下第j个距离测量值对应的角度，S1i(θj)表示第一个传感器第i个截面下第j个距离测量值，S2i(θj)表示第二个传感器第i个截面下第j个距离测量值；(3)将步骤(2)获得的距离测量数据进行处理，分离出导轨直线进给误差；(4)分离工件内孔各截面的偏心误差：选取经步骤(3)分离后的单个传感器的距离测量数据，通过消一次谐波法计算各截面的偏心误差，再对其进行分离；(5)还原被测内孔轮廓：将分离了导轨直线进给误差和工件内孔各截面偏心误差后的测量数据转换到直角坐标系下，并将步骤(4)分离出的各截面偏心误差叠加入各对应截面的测量数据中，使得各截面各自平移，从而还原出被测内孔的轮廓；(6)求取内孔直径与圆柱度误差：采用最小二乘法求取内孔轮廓的直径，并利用圆柱度评价方法进行圆柱度计算。所述的圆柱度评价方法采用最小区域法或者最小二乘法。本专利技术的标准环规和被测工件的内孔与测头上的双传感器之间均是紧贴接触，双传感器在测头上均是弹性安装，能够沿径向方向弹性自由伸缩。所述测头上的双传感器对称布置安装，双传感器连线方向和导轨的敏感方向一致，导轨的敏感方向为导轨跳动偏移最大的方向。所述步骤(1)具体为：(1.1)首先将测头放置在回转台上，将测头中心和回转台中心重合，再选取圆度误差小于所要求检测精度的标准环规安装在回转台上，将测头伸入标准环规中；(1.2)测头保持固定不动，标准环规随着回转台旋转一周，通过双传感器采集距离测量数据；(1.3)用消一次谐波法对距离测量数据进行计算求出标准环规的圆心相对于回转台中心的偏心误差，然后根据偏心误差调整标准环规在回转台上的位置，使得标准环规的圆心和回转台中心更接近重合；(1.4)重复步骤(1.2)再次进行测量，通过双传感器采集距离测量数据，判断各传感器在扫描一周中测量的读数变动量是否小于距离变动阈值，若是则完成校准，并以标准环规的标准直径之半作为各传感器的标定半径值，若否则重复步骤(1.3)再次调整。所述的距离测量值为传感器读取到径向的半径值，具体是从测头的中心轴线到传感器和内孔壁间接触点的径向距离。所述步骤(3)具体是通过双传感器的距离测量值计算求取测头在每个截面处敏感方向上的偏移量，并以偏移量作为每个截面处的导轨直线进给误差，再从传感器测量数据中分离出导轨直线进给误差，得到分离后的距离测量值为S1′i(θj)、S2′i(θj)。所述步骤(3)具体是：(3.1)采用以下公式分别求取每个截面上两个传感器的距离测量值的平均值(3.2)采用以下公式求取测头在每个截面处沿导轨的敏感方向上的偏移量xci，作为截面处的导轨直线进给误差：(3.3)采用以下公式将导轨直线进给误差从距离测量值中分离：S′1i(θj)＝S1i(θj)-xciS′2i(θj)＝S2i(θj)+xci其中，S′1i(θj)、S′2i(θj)分别表示两个传感器分离出导轨直线进给误差后的距离测量值。所述步骤(4)具体是针对分离出导轨直线进给误差后的传感器的距离测量值S′1i(θj)、S′2i(θj)，采用消一次谐波法分离出各截面偏心误差，得到分离后的数据S″1i(θj)、S″2i(θj)。所述步骤(4)具体是：利用消一次谐波法分离各截面的偏心误差，选取一个传感器的数据进行被测内孔偏心误差的分离，以S′1i(θj)为例：(4.1)通过下式计算求取各截面的偏心量Xi和Yi：其中，Xi表示沿截面x方向的偏心量，Yi表示沿截面y方向的偏心量，x方向和y方向分别为在截面所在平面的两个相垂直的方向；S′1i(θj)表示其中一个传感器分离出导轨直线进给误差后的距离测量值，θj表示每个截面下第j个距离测量值对应的角度；(4.2)再通过下式将偏心误差从距离测量值中分离：S″1i(θj)＝S′1i(θj)-Xicosθj+Yi本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双传感器误差分离的细长内孔直径与圆柱度测量方法，所述方法采用双传感器测头，双传感器测头安装在沿导轨运动的竖直升降机构上，其特征在于方法包括以下步骤：(1)以标准环规作为校准件套装于双传感器测头，采用消一次谐波逼近法校准双传感器测头；(2)将被测工件内孔套装于双传感器测头，沿内孔轴向和周向进行逐截面整周扫描测量：选定被测工件内孔沿轴向的m个不同截面，每个截面测量时旋转工件一周，通过测头两侧对称的双传感器进行整周扫描测量，采集n对距离测量值作为测量数据，双传感器各自的距离测量值分别为S1i(θj)、S2i(θj),i＝1,2,...,m,j＝1,2,...,n，i表示截面的序数，j表示每个截面下距离测量值的序数，θj表示每个截面下第j个距离测量值对应的角度，S1i(θj)表示第一个传感器第i个截面下第j个距离测量值，S2i(θj)表示第二个传感器第i个截面下第j个距离测量值；(3)将步骤(2)获得的距离测量数据进行处理，分离出导轨直线进给误差；(4)分离工件内孔各截面的偏心误差：选取经步骤(3)分离后的单个传感器的距离测量数据，通过消一次谐波法计算各截面的偏心误差，再分离出工件内孔各截面偏心误差；(5)还原被测内孔轮廓：将分离了导轨直线进给误差和工件内孔各截面偏心误差后的测量数据转换到直角坐标系下，并将步骤(4)分离出的各截面偏心误差叠加入各对应截面的测量数据中，从而还原出被测内孔的轮廓；(6)求取内孔直径与圆柱度误差：采用最小二乘法求取内孔轮廓的直径，并利用圆柱度评价方法进行圆柱度计算。...

【技术特征摘要】
1.一种基于双传感器误差分离的细长内孔直径与圆柱度测量方法，所述方法采用双传感器测头，双传感器测头安装在沿导轨运动的竖直升降机构上，其特征在于方法包括以下步骤：(1)以标准环规作为校准件套装于双传感器测头，采用消一次谐波逼近法校准双传感器测头；(2)将被测工件内孔套装于双传感器测头，沿内孔轴向和周向进行逐截面整周扫描测量：选定被测工件内孔沿轴向的m个不同截面，每个截面测量时旋转工件一周，通过测头两侧对称的双传感器进行整周扫描测量，采集n对距离测量值作为测量数据，双传感器各自的距离测量值分别为S1i(θj)、S2i(θj),i＝1,2,...,m,j＝1,2,...,n，i表示截面的序数，j表示每个截面下距离测量值的序数，θj表示每个截面下第j个距离测量值对应的角度，S1i(θj)表示第一个传感器第i个截面下第j个距离测量值，S2i(θj)表示第二个传感器第i个截面下第j个距离测量值；(3)将步骤(2)获得的距离测量数据进行处理，分离出导轨直线进给误差；(4)分离工件内孔各截面的偏心误差：选取经步骤(3)分离后的单个传感器的距离测量数据，通过消一次谐波法计算各截面的偏心误差，再分离出工件内孔各截面偏心误差；(5)还原被测内孔轮廓：将分离了导轨直线进给误差和工件内孔各截面偏心误差后的测量数据转换到直角坐标系下，并将步骤(4)分离出的各截面偏心误差叠加入各对应截面的测量数据中，从而还原出被测内孔的轮廓；(6)求取内孔直径与圆柱度误差：采用最小二乘法求取内孔轮廓的直径，并利用圆柱度评价方法进行圆柱度计算。2.根据权利要求1所述的一种基于双传感器误差分离的细长内孔直径与圆柱度测量方法，其特征在于：所述测头上的双传感器对称布置安装，双传感器连线方向和导轨的敏感方向一致，导轨的敏感方向为导轨跳动偏移最大的方向。3.根据权利要求1所述的一种基于双传感器误差分离的细长内孔直径与圆柱度测量方法，其特征在于：所述步骤(1)具体为：(1.1)首先将测头放置在回转台上，将测头中心和回转台中心重合，再选取圆度误差小于所要求检测精度的标准环规安装在回转台上，将测头伸入标准环规中；(1.2)测头保持固定不动，标准环规随着回转台旋转一周，通过双传感器采集距离测量数据；(1.3)用消一次谐波法对距离测量数据进行计算求出标准环规的圆心相对于回转台中心的偏心误差，然后根据偏心误差调整标准环规在回转台上的位置，使得标准环规的圆心和回转台中心更接近重合；(1.4)重复步骤(1.2)再次进行测量，通过双传感器采集距离测量数据，判断各传感器在扫描一周中测量的读数变动量是否小于距离变动阈值，若是则完成校准，并以标准环规的标...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘振宇，王科，刘达新，马腾，谭建荣，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33