CN106289145B - 一种圆柱度在机检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械加工及检测领域，具体涉及一种圆柱度在机检测方法，本发明包括底座、第一转轴、第二转轴、圆箍、卡扣、第一半环以及第二半环；所述第一半环通过第一转轴设置在圆箍上，所述第二半环通过卡扣与第一半环连接，所述圆箍通过第二转轴设置在底座上，所述圆箍与第一半环下端面设有支脚，本发明通过将三坐标测量机在圆柱体上采集的三维测点投影至平面，通过迭代的方法搜索最小区域圆的圆心，大大简化了搜索的计算量；本发明投影后的测点通过最小二乘法确定圆心的初始值，使确定姿态下的搜索过程更加快捷，通过选取移心方向和移心步长，降低了搜索次数，提高了搜索精度。

Description

一种圆柱度在机检测方法

技术领域

本发明涉及机械加工及检测领域，具体涉及一种圆柱度在机检测方法。

背景技术

圆柱面是机械零件设计与加工中应用非常广泛的一种几何要素，圆柱度公差是对这种几何要素的形状提出的精度要求，是精密加工中需要进行检测和控制的主要几何形状误差之一。工件的圆柱度是该圆柱面包容在两个同轴的圆柱面内的最小距离。生产中一般常用圆柱截面的圆度公差和素线(或轴线)的直线度公差来控制圆柱度误差，或用径向跳动公差来控制圆柱度误差，这两种控制方法都不能实际测量和计算出圆柱度误差的大小。国际标准ISO/1101和国家标准GB/T1958-2004规定，形状误差值用包容实际被测要素且具有最小宽度E或最小直径的包容区域来表示，并以此为仲裁方法。实际生产中测量圆柱度误差的设备有圆柱度仪、三坐标测量机等，圆柱度仪测量精度高，但价格昂贵，对测量环境要求高而使其应用受到一定限制；实验室、工厂中常用三坐标测量机测量圆柱度误差，使用三坐标测量机测量圆柱度误差时得到的是一系列离散测点的坐标值，需要经过数据处理求解圆柱度误差，但目前的三坐标测量机只是给出最小二乘拟合的圆柱度误差，而不能给出最小区域法的圆柱度误差，此外目前的圆柱度测量装置只能进行离线测量，需要定位，精度差，效率低，反复装夹定位又会引入新的测量误差，给测量带来不便。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在机检测、无需重复定位、提高检测精度和效率的圆柱度在机检测方法。

为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明步骤如下：

①利用旋转装置对被测圆柱体进行装夹，并基于三坐标测量机建立工件坐标系；

101启动三坐标测量机，移动设置在工作台上的立柱对测头的半径进行校准；

102将圆柱体设置在旋转装置内，所述旋转装置包括：底座、第一转轴、第二转轴、圆箍、卡扣、第一半环以及第二半环；所述第一半环通过第一转轴设置在圆箍上，所述第二半环通过卡扣与第一半环连接，所述圆箍通过第二转轴设置在底座上，所述圆箍与第一半环下端面设有支脚，所述底座底部设有固定孔，所述工作台上设有螺纹孔；所述旋转装置通过固定孔设置在工作台上；以底座底部的固定孔为基准确定O-X-Y-Z工件坐标；

②确定圆柱体初始位姿，将测点投影至x-o-y平面，确定其最小二乘拟合圆心；

201确定圆柱体初始位姿，φ_α＝0°，φ_β＝0°，利用测头对圆柱体进行接触式采点得到测点P_i，其中i＝1,2,...n；

202将测点投影至x-o-y平面，得到平面上的投影点其中i＝1,2,...n；求出的最小二乘拟合圆圆心坐标为O_z1(a,b)，其中

③通过移动圆心O_z1(a,b)确定投影测点的最小包容圆，求得当前位姿下圆柱度值；

301确定所有投影点距最小二乘圆心O_z1的距离，记为r_i，其中i＝1,2,...n；并找出r_i的最大值r_max和最小值r_min，分别记所对应的投影点为H₁、L₁，即为外接触点和内接触点；

302确定∠H₁O_z1L₁的角度α₁，及其角平分线O_z1Q₁，确定γ_1i＝∠P_i ^zO_z1Q₁，i＝1,2,...n；计算和求得e_l1i和e_h1i的最小值e₁，以e₁为步长沿方向移动圆心O_z1至O_z2，找出另外一个内接触点L₂；

303确定∠L₁ O_z2L的角度α₂，及其角平分线O_z2Q₂，确定γ_2i＝∠P_i ^zO_z2Q₂；计算和求得e_l2i和e_h2i的最小值e₂，以e₂为步长，沿方向移动圆心O_z2至O_z3，当出现内接触点时，则令其为L₂，重复执行步骤303；当出现外接触点时，令其为H₁，继续执行步骤304；

304记锐角∠L₂O_z3H₁的角度为α₃，及其角平分线O_z3Q₃，确定计算和求得e_l3i和e_h3i的最小值e₃，以e₃为步长，沿方向移动圆心O_z3至O_z4，当出现内接触点时，则令其为L₂，重复步骤304；当出现外接触点时，则令其为H₂，继续执行步骤305；

305判断线段L₁L₂、H₁H₂是否在被提取轮廓内有交点，当存在交点时，继续执行步骤306；否则，舍去H₁，并令H₂＝H₁，执行步骤304；

306求得在新圆心条件下，确定所有投影点P_i ^z到新圆心的距离r_i′，其中i＝1,2,...n，计算圆柱度f＝max{r_i′}-min{r_i′},i＝1,2,...,n，即为当前位姿状态下的圆柱度值；

④变化圆柱体的位姿，确定不同位姿下圆柱度值的最小值；

401确定位姿变换步长e₀，令φ_α＝φ_α+e₀(i-1)，φ_β＝φ_β+e₀(j-1)，i,j＝0,1,2,...n，利用工件坐标系确定圆柱体新的位姿态，进行接触式采点，执行步骤③，并计算f_i,j；

402当f_1,1不是f_i,j的最小值时，i,j＝0,1,2,...n，找出f_i,j的最小值记为f_i',j'，i′,j′＝0,1,2,...n令φ_α＝φ_α+e₀(i'-1)，φ_β＝φ_β+e₀(j'-1)，并依此转动旋转机构的位置，确定圆柱体(14)新的位姿态，进行接触式采点，执行步骤③，并计算f_i,j，重复执行步骤401；当f_1,1为f_i,j的最小值时，停止位姿变化，f_1,1即为圆柱体的圆柱度值。

所述支脚端部截面呈椭圆形，所述支脚下端设有橡胶垫。

所述位姿角度φ_α、φ_β的变化范围均为-90°～90°。

所述第一半环与圆箍同轴设置，所述支脚的个数为5个以上。

本发明的积极效果如下：本发明通过调节旋转装置，利用工件坐标系与步长确定不同的位姿角度，避免了多次装夹，提高了操作的适应性；本发明利用卡扣连接的第二半环可以在第一半环上进行伸缩调节，极大地扩展了旋转机构的装夹范围，方便了测量；本发明通过第一转轴和第二转轴的转动完成两个垂直平面内角度的确定，各个位姿角通过支脚在底座上滑移确定并通过橡胶垫最终固定，为后续测头取点奠定基础；本发明通过将三坐标测量机在圆柱体上采集的三维测点投影至平面，通过迭代的方法搜索最小区域圆的圆心，大大简化了搜索的计算量；本发明投影后的测点通过最小二乘法确定圆心的初始值，使确定姿态下的搜索过程更加快捷，通过选取移心方向和移心步长，降低了搜索次数，提高了搜索精度，最终所求圆柱度误差更为精确。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明支脚结构示意图；

图3为本发明底座结构示意图；

图4为本发明移动最小二乘圆心得最小包容圆心方法的示意图；

图5为本发明判定最小包容圆交叉准则示意图；

图6为本发明计算当前位姿下测量点圆柱度方法的流程图；

图7为本发明改变圆柱位姿得最小圆柱度的方法的流程图；

图8为本发明工件坐标系示意图；

在图中：1底座、2第一转轴、3第二转轴、4圆箍、5卡扣、6第二半环、7支脚、8第一半环、9固定孔、10橡胶垫、11工作台、12测头、13螺纹孔、14圆柱体、15立柱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明进行详细说明。

如图1、2、3、4、5、6、7、8所示，

①利用旋转装置对被测圆柱体14进行装夹，并基于三坐标测量机建立工件坐标系；

101启动三坐标测量机，移动设置在工作台11上的立柱15对测头12的半径进行校准；

102将圆柱体14设置在旋转装置内，所述旋转装置包括：底座1、第一转轴2、第二转轴3、圆箍4、卡扣5、第一半环8以及第二半环6；所述第一半环8通过第一转轴2设置在圆箍4上，所述第二半环6通过卡扣5与第一半环8连接，所述圆箍4通过第二转轴3设置在底座1上，所述圆箍4与第一半环8下端面设有支脚7，所述底座1底部设有固定孔9，所述工作台11上设有螺纹孔13；所述旋转装置通过固定孔9设置在工作台11上；以底座1底部的固定孔9为基准确定O-X-Y-Z工件坐标；所述支脚7端部截面呈椭圆形，所述支脚7下端设有橡胶垫10，所述位姿角度φ_α、φ_β的变化范围均为-90°～90°，所述第一半环8与圆箍4同轴设置，所述支脚7的个数为5个以上，本发明第二半环6材质为塑料，且在第二半环6的内壁上均布有平行浮点，用于固定被测圆柱体14，所述每行浮点的个数为6～8个，所述底座1呈半球形，所述支脚7底端与底座1相切，并能在底座1上自由滑动，所述支脚7上端铰接在第一半环8和圆箍4上；

②确定圆柱体14初始位姿，将测点投影至x-o-y平面，确定其最小二乘拟合圆心；

201确定圆柱体14初始位姿，通过调节旋转装置使φ_α＝0°，φ_β＝0°，并利用支脚7下端的橡胶垫10进行固定，然后利用测头12对圆柱体14进行接触式采点得到三维测点P_i，其中i＝1,2,...n；所述测点采用分层均匀分布形式，一般沿圆柱体14轴线方向分布3～4层测点，每层在圆柱体14切面圆周上等距均匀分布5～7个测点；

202将测点投影至机器坐标系X-O-Y平面，得到平面上的二维投影点其中i＝1,2,...n；将二维投影点进行最小二乘圆拟合，求出的最小二乘拟合圆圆心坐标为O_z1(a,b)，其中

③通过移动最小二乘圆心O_z1(a,b)确定投影测点的最小包容圆，求得当前位姿下圆柱度值；

301确定所有二维投影点距最小二乘圆心O_z1的距离，记为r_i，其中i＝1,2,...n；并找出r_i的最大值r_max和最小值r_min，分别记所对应的投影点为H₁、L₁，即为外接触点和内接触点；

302确定∠H₁O_z1L₁的角度α₁，及其角平分线O_z1Q₁，确定γ_1i＝∠P_i ^zO_z1Q₁，i＝1,2,...n；计算和求得e_l1i和e_h1i的最小值e₁，以e₁为步长沿方向移动初始最小二乘圆心O_z1至O_z2，找出另外一个内接触点L₂；

303确定∠L₁O_{z 2}L的角度α₂，及其角平分线O_z2Q₂，确定γ_2i＝∠P_i ^zO_z2Q₂；计算和求得e_l2i和e_h2i的最小值e₂，以e₂为步长，沿方向移动圆心O_z2至O_z3，当出现内接触点时，则令其为L₂，重复执行步骤303；当出现外接触点时，令其为H₁，继续执行步骤304；

304记锐角∠L₂O_z3H₁的角度为α₃，及其角平分线O_z3Q₃，确定计算和求得e_l3i和e_h3i的最小值e₃，以e₃为步长，沿方向移动圆心O_z3至O_z4，当出现内接触点时，则令其为L₂，重复步骤304；当出现外接触点时，则令其为H₂，继续执行步骤305；

305判断线段L₁L₂、H₁H₂是否在被提取轮廓内有交点，当存在交点时，则满足最小包容圆的交叉准则，继续执行步骤306；否则，舍去H₁，并令H₂＝H₁，执行步骤304；

306在求得最小包容圆心的条件下，确定所有二维投影点P_i ^z到最小包容圆心的距离r_i′，其中i＝1,2,...n，计算圆柱度f＝max{r_i′}-min{r_i′},i＝1,2,...,n，即为圆柱体14当前位姿状态下的圆柱度值；

④变化圆柱体14的位姿，确定不同位姿下圆柱度值的最小值；

401确定位姿变换步长e₀，所述步长e₀值分别取2°与5°进行迭代运算，为了保证取点精度，保证e₀5°以内，而后令φ_α＝φ_α+e₀(i-1)，φ_β＝φ_β+e₀(j-1)，i,j＝0,1,2,...n，利用工件坐标系确定圆柱体14新的位姿态，进行接触式采点，所述测点采用分层均匀分布形式，一般沿圆柱体14轴线方向分布3～4层测点，每层在圆柱体14切面圆周上等距均匀分布5～7个测点，执行步骤③，并计算各位姿状态下圆柱体14的圆柱度值f_i,j；

402当f_1,1不是f_i,j的最小值时，i,j＝0,1,2,...n，找出各位姿状态下圆柱度值f_i,j的最小值记为f_i',j'，i′,j′＝0,1,2,...n令φ_α＝φ_α+e₀(i'-1)，φ_β＝φ_β+e₀(j'-1)，并依此转动旋转机构的位置，确定圆柱体14新的位姿态，进行接触式采点，所述测点采用分层均匀分布形式，一般沿圆柱体14轴线方向分布3～4层测点，每层在圆柱体14切面圆周上等距均匀分布5～7个测点，执行步骤③，并计算各位姿状态下圆柱体14的圆柱度值f_i,j，重复执行步骤401；当f_1,1为f_i,j的最小值时，停止位姿变化，f_1,1即为圆柱体14的圆柱度值。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种圆柱度在机检测方法，其特征在于步骤如下：

①利用旋转装置对被测圆柱体(14)进行装夹，并基于三坐标测量机建立工件坐标系；

101 启动三坐标测量机，移动设置在工作台(11)上的立柱(15)对测头(12)的半径进行校准；

102 将圆柱体(14)设置在旋转装置内，所述旋转装置包括：底座(1)、第一转轴(2)、第二转轴(3)、圆箍(4)、卡扣(5)、第一半环(8)以及第二半环(6)；所述第一半环(8)通过第一转轴(2)设置在圆箍(4)上，所述第二半环(6)通过卡扣(5)与第一半环(8)连接，所述圆箍(4)通过第二转轴(3)设置在底座(1)上，所述圆箍(4)与第一半环(8)下端面设有支脚(7)，所述底座(1)底部设有固定孔(9)，所述工作台(11)上设有螺纹孔(13)；所述旋转装置通过固定孔(9)设置在工作台(11)上；以底座(1)底部的固定孔(9)为基准确定O-X-Y-Z工件坐标；

②确定圆柱体(14)初始位姿，将测点投影至x-o-y平面，确定其最小二乘拟合圆心；

201 确定圆柱体(14)初始位姿，φ_α＝0°，φ_β＝0°，利用测头(12)对圆柱体(14)进行接触式采点得到测点P_i，其中i＝1,2,...n；

202 将测点投影至x-o-y平面，得到平面上的投影点其中i＝1,2,...n；求出的最小二乘拟合圆圆心坐标为O_z1(a,b)，其中

③通过移动圆心O_z1(a,b)确定投影测点的最小包容圆，求得当前位姿下圆柱度值；

301 确定所有投影点距最小二乘圆心O_z1的距离，记为r_i，其中i＝1,2,...n；并找出r_i的最大值r_max和最小值r_min，分别记所对应的投影点为H₁、L₁，即为外接触点和内接触点；

302 确定∠H₁O_z1L₁的角度α₁，及其角平分线O_z1Q₁，确定γ_1i＝∠P_i ^zO_z1Q₁，i＝1,2,...n；计算和求得e_l1i和e_h1i的最小值e₁，以e₁为步长沿方向移动圆心O_z1至O_z2，找出另外一个内接触点L₂；

303 确定∠L₁O_z2L₂的角度α₂，及其角平分线O_z2Q₂，确定γ_2i＝∠P_i ^zO_z2Q₂；计算和求得e_l2i和e_h2i的最小值e₂，以e₂为步长，沿方向移动圆心O_z2至O_z3，当出现内接触点时，则令其为L₂，重复执行步骤303；当出现外接触点时，令其为H₁，继续执行步骤304；

304 记锐角∠L₂O_z3H₁的角度为α₃，及其角平分线O_z3Q₃，确定计算和求得e_l3i和e_h3i的最小值e₃，以e₃为步长，沿方向移动圆心O_z3至O_z4，当出现内接触点时，则令其为L₂，重复步骤304；当出现外接触点时，则令其为H₂，继续执行步骤305；

305 判断线段L₁L₂、H₁H₂是否在被提取轮廓内有交点，当存在交点时，继续执行步骤306；否则，舍去H₁，并令H₂＝H₁，执行步骤304；

306 求得在新圆心条件下，确定所有投影点P_i ^z到新圆心的距离r_i′，其中i＝1,2,...n，计算圆柱度f＝max{r_i′}-min{r_i′},i＝1,2,...,n，即为当前位姿状态下的圆柱度值；

④变化圆柱体(14)的位姿，确定不同位姿下圆柱度值的最小值；

401 确定位姿变换步长e₀，令φ_α＝φ_α+e₀(i-1)，φ_β＝φ_β+e₀(j-1)，i,j＝0,1,2,...n，利用工件坐标系确定圆柱体(14)新的位姿态，进行接触式采点，执行步骤③，并计算f_i,j；

402 当f_1,1不是f_i,j的最小值时，i,j＝0,1,2,...n，找出f_i,j的最小值记为f_i',j'，i′,j′＝0,1,2,...n令φ_α＝φ_α+e₀(i'-1)，φ_β＝φ_β+e₀(j'-1)，并依此转动旋转机构的位置，确定圆柱体(14)新的位姿态，进行接触式采点，执行步骤③，并计算f_i,j，重复执行步骤401；当f_1,1为f_i,j的最小值时，停止位姿变化，f_1,1即为圆柱体(14)的圆柱度值。

2.根据权利要求1所述的一种圆柱度在机检测方法，其特征在于：所述支脚(7)端部截面呈椭圆形，所述支脚(7)下端设有橡胶垫(10)。

3.根据权利要求1或2所述的一种圆柱度在机检测方法，其特征在于：所述位姿角度φ_α、φ_β的变化范围均为-90°～90°。

4.根据权利要求3所述的一种圆柱度在机检测方法，其特征在于：所述第一半环(8)与圆箍(4)同轴设置，所述支脚(7)的个数为5个以上。