CN109211166B - 一种基于壁厚和外型约束的舱体结构件在机快速找正装置及其找正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于壁厚和外型约束的舱体结构件在机快速找正装置及其找正方法，采用平面标准块对传感器进行位置矢量标定，并采用阶梯块对测厚仪进行声速校准和零位校准。调用测量程序，对测点处外型面及壁厚信息进行采集，并计算其内腔型面信息，将激光位移传感器移动到相应测点，使得四爪夹持处内腔型面以回转中心为轴对称，实现舱体类零件的快速找正。本发明可基于数控车床，实现舱体类零件在机快速找正，并可依据加工余量约束条件进行壁厚均匀化处理，找正效率和精度均较高，在舱体结构件找正及壁厚均匀化研究中有着较好的实用价值和应用前景。

Description

一种基于壁厚和外型约束的舱体结构件在机快速找正装置及 其找正方法

技术领域

本发明涉及机械设计与在机测量领域，具体的说，是一种基于壁厚和外型约束的舱体结构件在机快速找正装置及其找正方法。

背景技术

在机械加工中，常会遇到两种典型舱体类零件：一种是直线型回转舱体零件，一种是曲线型回转舱体零件。由于加工零件外圆时要求以内壁为基准来找正，而两种零件内壁不可加工，难以保证壁厚均匀，因此给工件找正带来很大难度。由于毛坯内壁不规则且形状复杂，设计靠模难度很大，精度不易达到要求，因此大部分采用多表找正的方法来解决这个问题。然而，该方法不可避免存在找正过程复杂、效率低及精度一般等缺陷；此外，人工找正很大程度上受操作者经验限制，找正效率和精度均存在很大差别，一致性差，可能造成零件报废等现象，且该方法属于离线找正，在面对小余量加工时其效果并不好，难以适应现代制造自动化智能化的生产要求。因此，本发明提出一种激光位移传感器与超声测厚仪相结合的方式，在机床上快速实现舱体结构件的找正及壁厚均匀化。

激光从1960年发明以来已经有50多年的历史，在此过程中，激光的相关技术层出不穷，应用也越来越广泛；和一般光源相比，激光具有良好的単色性和方向性、高亮度、极好的相干性等优点。在航空航天、汽车工业等领域，对于各种曲面表面轮廓测量的高速度和高精度要求越来越高，由于激光位移传感器具有结构小巧、测量速度快、精度高、非接触式等优点使得其在飞机制造领域、汽车制造领域、工业自动控制领域应用越来越广泛。激光位移传感器是一种非接触式的测量传感器，本发明选用的单点式激光测头基于三角测距原理，根据CCD接收面上的光能质心变化范围计算被测物体与传感器之间的位移量，从而得到被测面形貌信息。超声测厚的基本原理是：超声波在同一介质的传播速度是稳定的，在传播过程中遇到另一个介质时将产生反射脉冲，发射脉冲至接收到反射脉冲时间正比于介质的厚度，根据校准的声速值，计算出试件的厚度。超声测厚仪测量精度高，且可集成在数控车床上，实现自动化测量。

基于上述两种测量方式的优点，本发明在数控车床上集成激光位移传感器和超声测厚仪，通过对测量数据的高效准确处理得到舱体内型面信息，并依此实现舱体类工件的快速找正，且找正精度高，为后续测量—找正—加工一体化的集成式生产模式提供了实践基础。上世纪90年代，基于三坐标测量机的测量技术因其精度高、性能好、通用性强、测量范围大等优点，被称为“测量中心”；然而，作为一种离线测量方式，三坐标测量不仅成本较高、维护困难，还需要二次装夹和重新定位，严重影响整个加工测量效率。随着科学技术的不断发展，在航空航天、汽车、造船及模具等工业领域，生产模式从大批量和单一品种渐渐演变成中小批量和多品种，如发动机中的叶片、缸体和缸盖、变速器壳体以及制动盘等。鉴于这些零部件形状复杂且工艺要求高，一旦出现废品就会造成很大损失，因此如何提升数控机床和加工中心的制造质量意义很大，而在机测量（On Machine Measurement）功能的设置就是一种十分有效的手段。在机测量不同于三坐标测量，它不仅可以实时采集测量数据，避免重复定位和二次装夹的工序，还可以直接将测量结果用于加工误差补偿，实现加工生产和测量检测一体化，对减少辅助时间、提高加工效率以及提升加工精度、减少次品率有重要指导意义。

根据测量方式来分，在机测量可分为接触式、非接触式以及复合式三类。接触式测量虽然精度较高，但测量效率相对低下，而且可能对测量表面产生破坏作用，为此激光在机测量方式因其高效率以及可接受的测量精度在生产中受到越来越多的关注。然而目前的研究多集中于在多轴加工中心上完成复杂零件的型面测量，这是因为加工中心自由度相对较高，可满足激光传感器测量过程中所需要的运动路径规划要求从而完成复杂型面的数据采集。然而，在数控车床上，安装于刀架上的测头只能在x向和z向进行平移运动，无法旋转，且在y向平移也受到限制，难以满足测量需要。因此，对于具有回转结构特征的车削零件，其型面测量的难点就不仅仅在于数据采集是否准确，还在于测量方式选择和测量路径规划是否合理，数据处理算法是否精确有效，以及模型重构是否到位。本发明在数控车床上有效地完成了对回转结构零件测量装置和方法的设计以及数据算法的完善，实现了数控车床零件激光高效精密在机测量过程，为后续生产—测量—加工一体化提供了实践基础。

发明内容

本发明的目的是解决数控车床舱体结构件找正效率低、精度不够以及自动化程度低的问题，进而实现舱体类零件的在机快速准确找正，为找正测量—加工一体化奠定基础。为此，本发明提供了一种基于壁厚和外型约束的舱体结构件在机快速找正的装置与找正方法，设计可调可拆卸式“U”型夹具，组合装夹激光传感器与超声测厚仪，在机测量零件测点处外轮廓距离值及该处壁厚值，编译数据处理算法，计算测点处内腔型面信息，以此作为车床卡盘调整依据，从而达到零件高精度高效率找正及壁厚均匀化的目的。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于壁厚和外型约束的舱体结构件在机快速找正装置，其中：包括夹具、激光位移传感器以及超声测厚仪，激光位移传感器和超声测厚仪分别固定在夹具上，夹具固定在车床刀架上，舱体结构件两端分别通过车床卡盘抓紧固定，激光位移传感器和超声测厚仪的测头对着舱体结构件，激光位移传感器能检测舱体结构件外表面与激光位移传感器之间的距离，超声测厚仪能检测舱体结构件的舱壁厚度，车床刀架能带动夹具移动，车床卡盘能翻转舱体结构件。

上述的夹具为“U”型夹具，夹具包括夹具底座，夹具底座的两端均设置有安装孔，激光位移传感器通过调节螺钉固定在夹具一端，超声测厚仪固定在夹具另一端。

上述的夹具还包括锁紧盖板，锁紧盖板为“Ω”型板，锁紧盖板中部压住超声测厚仪，两端通过螺钉与夹具底座上的安装孔固定。

上述的车床卡盘为四爪卡盘，车床卡盘的四个卡爪等弧度地抓在舱体结构件的端部，且两个车床卡盘的卡爪交错45°。

上述的舱体结构件的两端内腔填充有用于提高舱体结构件端部刚度的蒙头。

一种基于壁厚和外型约束的舱体结构件在机快速找正方法，包括以下步骤：

步骤一、将激光位移传感器和超声测厚仪分别装配在夹具上，随后将夹具以槽边定位方式与车床刀架相连，调整好位置后，将夹具通过螺钉与车床刀架拧紧固定；

步骤二、利用平面校准块对激光位移传感器的光束偏转误差及高度误差进行标定，并利用阶梯块对超声测厚仪进行声速校准和零位校准以确保激光位移传感器测得的检测舱体结构件外表面与激光位移传感器之间的距离以及超声测厚仪测得的舱体结构件的舱壁厚度数据真实可靠；

步骤三、将舱体结构件两端分别装夹在数控车床的车床卡盘上，车床卡盘夹紧舱体结构件且力度适中，在舱体结构件上设置若干个测点，测点分布位置用黑色记号笔标出；

步骤四、调用测量程序，先用激光位移传感器对测点距测头距离值进行测量，再用超声测厚仪对同一位置壁厚进行测量，两者数值相加即可得该位置处内腔型面距测头的距离值，

步骤五、移动车床刀架，使激光位移传感器正对另外一个测点，重复步骤四；以此类推，测得所有测点处内腔型面距测头的距离值；

步骤六、以测点与旋转180°的相对点距测头距离值相等为目标，计算各测点处的理论位移，随后移动激光位移传感器至测点处，以其读数为参考，调整相应卡爪至传感器示数为计算值，从而实现舱体零件的快速找正。

步骤二中标准块对激光传感器光束偏转误差及高度误差进行标定方法如下：假设光束方向与X轴的夹角为α，将测头沿X负方向移动距离Δx，激光三角法中将参考平面顺时针旋转角度α，测头读数变化为ΔL，如图6所示，由三角关系，得：cosα=Δx/ΔL，其中，α即为XOZ平面内偏转误差标定；在数控车床上利用高度尺调整标定块平面，使之垂直光束平面，沿z负向移动刀架，取测量平均值，记为L；随后，将标定块绕回转中心顺时针旋转不同角度，记为βi，测量路径不变，记平均值为Li，不同角度下高度误差记为ΔHi，则

ΔHi=（L-Li）×cosα/tanβi

其中：α为传感器偏转角度

βi为不同旋转角度

取其平均值记为ΔH，此时偏转误差及高度误差标定完成，并在随后测量结果中进行误差补偿，以提高其测量精度从而更准确的找正。

步骤六中计算各测点处的理论位移的方法如下：

假设测点1处激光位移传感器测量的距离值为L1，超声壁厚测量值为T1，其旋转180°的相对点处传感器测量距离值为L3，超声壁厚测量值为T3，因此内腔型面点1和点3处距激光位移传感器距离分别为（L1+T1）、(L3+T3)，找正目标是L1+T1=L3+T3，而实际上两者并不相等，因此其差值的一半即为调整量：

L = 0.5×(L1+T1-L3-T3)

其他测点的调整量计算与此相同。

测点位置分布在距车床卡盘夹持处很近的舱体结构件的舱体型面上。

本发明的基于壁厚和外型约束的舱体结构件在机快速找正的装置与方法，采用可调可拆卸式“U”型夹具，并将其装配体通过槽边定位方式固定于数控车床可旋转刀架上，利用平面标准块对传感器进行位姿标定，同时利用阶梯块对超声测厚仪进行声速校准。随后，对舱体类零件外型面测点处距测头距离值以及该处壁厚值进行测量，计算得到所有测点处内腔型面距测头距离值。结合机床坐标，计算各卡爪理论位移调整量；移动激光位移传感器至测点处，以其读数为参考逐步调整卡爪，实现舱体类零件的在机快速准确找正及壁厚均匀化。本发明实现对舱体结构件在机快速找正，精度高，在回转体零件在机测量及找正等研究领域有较好的实用价值和应用前景。

本发明的创新点是：

1、硬件模块：设计制作可调可拆卸式“U”型夹具，与传感器和测厚仪装配后以槽边定位方式安装于刀架上，螺钉拧紧。舱体类零件依靠两端四爪卡盘均匀分布装夹，且可依后续算法处理所得调整量进行准确调整，该装置定位准确，稳定可靠。

2、软件模块：采用平面标准块对激光传感器位置及矢量方向进行标定，首先移动测头进行偏转误差标定，随后旋转标准块进行高度误差标定。测厚仪主要依靠阶梯块进行声速校准和零位校准。标定完成后调用测量程序对舱体零件外型面信息及壁厚值进行采集，依此计算其测点处内腔信息；以对称点距测头距离值相等为目标，计算各测点处的理论位移，求解卡爪调整量，实现快速找正，该方法计算简单，精度较高。

3、本发明不需要对机床结构进行重大改变，只要两端配有四爪卡盘即可，增加了测量及找正***的适应性；综合考虑找正效率及找正精度，可优化针对舱体类零件在机找正的实施方案。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是夹具的示意图；

图3是锁紧盖板的示意图；

图4是夹具与激光位移传感器以及超声测厚仪装配俯视图；

图5是夹具与激光位移传感器以及超声测厚仪装配主视图；

图6是标准块对激光传感器光束偏转误差标定的示意图；

图7是激光传感器光束照在舱体结构件上的示意图；

图8是标准块对激光传感器光束高度误差标定的示意图。

图9是标准块的结构示意图；

图10是标准块的左视图。

其中附图标记为：夹具1、夹具底座11、锁紧盖板12、激光位移传感器2、超声测厚仪3、蒙头4、舱体结构件5、车床卡盘6。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

本发明基于数控车床，并结合激光传感器与超声测厚仪测量速度快、精度高的特点，再设计配套工装夹具，实现舱体类零件的在机快速找正；此外，编译算法对测量数据进行处理，并准确计算各卡爪的实时调整量，可有效提高在机找正的精度。

本发明的基于壁厚和外型约束的舱体结构件在机快速找正装置，包括夹具1、激光位移传感器2以及超声测厚仪3，激光位移传感器2和超声测厚仪3分别固定在夹具1上，夹具1固定在车床刀架上，舱体结构件5两端分别通过车床卡盘6抓紧固定，激光位移传感器2和超声测厚仪3的测头对着舱体结构件5，激光位移传感器2能检测舱体结构件5外表面与激光位移传感器2之间的距离，超声测厚仪3能检测舱体结构件5的舱壁厚度，车床刀架能带动夹具1移动，车床卡盘6能翻转舱体结构件5。

实施例中，夹具1为“U”型夹具，夹具1包括夹具底座11，夹具底座11的两端均设置有安装孔，激光位移传感器2通过调节螺钉固定在夹具1一端，超声测厚仪3固定在夹具1另一端。

实施例中，夹具1还包括锁紧盖板12，锁紧盖板12为“Ω”型板，锁紧盖板12中部压住超声测厚仪3，两端通过螺钉与夹具底座11上的安装孔固定。

实施例中，车床卡盘6为四爪卡盘，车床卡盘6的四个卡爪等弧度地抓在舱体结构件5的端部，且两个车床卡盘6的卡爪交错45°。

实施例中，舱体结构件5的两端内腔填充有用于提高舱体结构件5端部刚度的蒙头4。

一种基于壁厚和外型约束的舱体结构件在机快速找正方法，包括以下步骤：

步骤一、将激光位移传感器2和超声测厚仪3分别装配在夹具1上，随后将夹具1以槽边定位方式与车床刀架相连，调整好位置后，将夹具1通过螺钉与车床刀架拧紧固定；

步骤二、利用平面校准块对激光位移传感器2的光束偏转误差及高度误差进行标定，并利用阶梯块对超声测厚仪3进行声速校准和零位校准以确保激光位移传感器2测得的检测舱体结构件5外表面与激光位移传感器2之间的距离以及超声测厚仪3测得的舱体结构件5的舱壁厚度数据真实可靠；

步骤三、将舱体结构件5两端分别装夹在数控车床的车床卡盘6上，车床卡盘6夹紧舱体结构件5且力度适中，在舱体结构件5上设置若干个测点，测点分布位置用黑色记号笔标出；

步骤四、调用测量程序，先用激光位移传感器对测点距测头距离值进行测量，再用超声测厚仪对同一位置壁厚进行测量，两者数值相加即可得该位置处内腔型面距测头的距离值，

步骤五、移动车床刀架，使激光位移传感器正对另外一个测点，重复步骤四；以此类推，测得所有测点处内腔型面距测头的距离值；

步骤六、以测点与旋转180°的相对点距测头距离值相等为目标，计算各测点处的理论位移，随后移动激光位移传感器至测点处，以其读数为参考，调整相应卡爪至传感器示数为计算值，从而实现舱体零件的快速找正。

步骤二中标准块对激光传感器光束偏转误差及高度误差进行标定方法如下：假设光束方向与X轴的夹角为α，将测头沿X负方向移动距离Δx，激光三角法中将参考平面顺时针旋转角度α，测头读数变化为ΔL，如图6所示，由三角关系，得：cosα=Δx/ΔL，其中，α即为XOZ平面内偏转误差标定；在数控车床上利用高度尺调整标定块平面，使之垂直光束平面，沿z负向移动刀架，取测量平均值，记为L；随后，将标定块绕回转中心顺时针旋转不同角度，记为βi，测量路径不变，记平均值为Li，不同角度下高度误差记为ΔHi，则

ΔHi=（L-Li）×cosα/tanβi

其中：α为传感器偏转角度

βi为不同旋转角度

取其平均值记为ΔH，此时偏转误差及高度误差标定完成，并在随后测量结果中进行误差补偿，以提高其测量精度从而更准确的找正。

步骤六中计算各测点处的理论位移的方法如下：

假设测点1处激光位移传感器2测量的距离值为L1，超声壁厚测量值为T1，其旋转180°的相对点处传感器测量距离值为L3，超声壁厚测量值为T3，因此内腔型面点1和点3处距激光位移传感器距离分别为（L1+T1）、L3+T3，找正目标是L1+T1=L3+T3，而实际上两者并不相等，因此其差值的一半即为调整量：

L = 0.5×L1+T1-L3-T3

其他测点的调整量计算与此相同。

测点位置分布在距车床卡盘6夹持处很近的舱体结构件5的舱体型面上。

采用上述方案后，本发明在数控车床上采用激光位移传感器和超声测厚仪相结合的方式实现了舱体类零件的在机快速找正，并通过数据处理及算法求解提高了实时找正的精度。本发明提供了一种舱体结构件在机快速找正的模式，使得辅助时间减少，找正效率显著提高。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于壁厚和外型约束的舱体结构件在机快速找正方法，其特征是：基于壁厚和外型约束的舱体结构件在机快速找正装置包括夹具(1)、激光位移传感器(2)以及超声测厚仪(3)，所述的激光位移传感器(2)和超声测厚仪(3)分别固定在夹具(1)上，所述的夹具(1)固定在车床刀架上，舱体结构件(5)两端分别通过车床卡盘(6)抓紧固定，所述的激光位移传感器(2)和超声测厚仪(3)的测头对着舱体结构件(5)，所述的车床刀架能带动夹具(1)移动，所述的车床卡盘(6)能翻转舱体结构件(5)；所述的车床卡盘(6)为四爪卡盘，车床卡盘(6)的四个卡爪等弧度地抓在舱体结构件(5)的端部，且两个车床卡盘(6)的卡爪交错45°；基于壁厚和外型约束的舱体结构件在机快速找正方法包括以下步骤：

步骤一、将激光位移传感器(2)和超声测厚仪(3)分别装配在夹具(1)上，随后将夹具(1)以槽边定位方式与车床刀架相连，调整好位置后，将夹具(1)通过螺钉与车床刀架拧紧固定；

步骤二、利用平面校准块对激光位移传感器(2)的光束偏转误差及高度误差进行标定，并利用阶梯块对超声测厚仪(3)进行声速校准和零位校准以确保激光位移传感器(2)测得的检测舱体结构件(5)外表面与激光位移传感器(2)之间的距离以及超声测厚仪(3)测得的舱体结构件(5)的舱壁厚度数据真实可靠；

步骤三、将舱体结构件(5)两端分别装夹在数控车床的车床卡盘(6)上，车床卡盘(6)夹紧舱体结构件(5)且力度适中，在舱体结构件(5)上设置若干个测点，测点分布位置用黑色记号笔标出；

步骤四、调用测量程序，先用激光位移传感器对测点距测头距离值进行测量，再用超声测厚仪对同一位置壁厚进行测量，两者数值相加即可得该位置处内腔型面距测头的距离值，

步骤五、移动车床刀架，使激光位移传感器正对另外一个测点，重复步骤四；以此类推，测得所有测点处内腔型面距测头的距离值；

步骤六、以测点与旋转180°的相对点距测头距离值相等为目标，计算各测点处的理论位移，随后移动激光位移传感器至测点处，以其读数为参考，调整相应卡爪至激光位移传感器示数为理论位移的计算值，从而实现舱体零件的快速找正。

2.根据权利要求1所述的一种基于壁厚和外型约束的舱体结构件在机快速找正方法，其特征是：所述的夹具(1)为“U”型夹具，所述的夹具(1)包括夹具底座(11)，所述的夹具底座(11)的两端均设置有安装孔，所述的激光位移传感器(2)通过调节螺钉固定在夹具(1)一端，所述的超声测厚仪(3)固定在夹具(1)另一端。

3.根据权利要求2所述的一种基于壁厚和外型约束的舱体结构件在机快速找正方法，其特征是：所述的夹具(1)还包括锁紧盖板(12)，所述的锁紧盖板(12)为“Ω”型板，所述的锁紧盖板(12)中部压住超声测厚仪(3)，两端通过螺钉与夹具底座(11)上的安装孔固定。

4.根据权利要求3所述的一种基于壁厚和外型约束的舱体结构件在机快速找正方法，其特征是：所述的舱体结构件(5)的两端内腔填充有用于提高舱体结构件(5)端部刚度的蒙头(4)。

5.根据权利要求1所述的一种基于壁厚和外型约束的舱体结构件在机快速找正方法，其特征是：步骤二中平面校准块对激光位移传感器光束偏转误差及高度误差进行标定方法如下：假设光束方向与X轴的夹角为α，将测头沿X负方向移动距离Δx，激光三角法中将参考平面顺时针旋转角度α，测头读数变化为ΔL，由三角关系，得：cosα=Δx/ΔL，其中，α即为XOZ平面内偏转误差标定；在数控车床上利用高度尺调整平面校准块平面，使之垂直光束平面，沿z负向移动刀架，取测量平均值，记为L；随后，将平面校准块绕回转中心顺时针旋转不同角度，记为βi，测量路径不变，记平均值为Li，不同角度下高度误差记为ΔHi，则

ΔHi=（L-Li）×cosα/tanβi；

其中：α为传感器偏转角度；

βi为不同旋转角度；

i为序号；

取其平均值记为ΔH，此时偏转误差及高度误差标定完成，并在随后测量结果中进行误差补偿，以提高其测量精度从而更准确的找正。

6.根据权利要求1所述的一种基于壁厚和外型约束的舱体结构件在机快速找正方法，其特征是：步骤六中计算各测点处的理论位移的方法如下：

假设测点1处激光位移传感器(2)测量的距离值为L1，超声壁厚测量值为T1，其旋转180°的相对点点3处传感器测量距离值为L3，超声壁厚测量值为T3，因此点1和点3处对应的内腔型面点距激光位移传感器距离分别为（L1+T1）、(L3+T3)，找正目标是L1+T1=L3+T3，而实际上两者并不相等，因此其差值的一半即为调整量：

L = 0.5×(L1+T1-L3-T3)

其他测点的调整量计算与此相同。

7.根据权利要求6所述的一种基于壁厚和外型约束的舱体结构件在机快速找正方法，其特征是：测点位置分布在距车床卡盘(6)夹持处很近的舱体结构件(5)的舱体型面上。