本發(fā)明屬于在線測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于雙傳感器誤差分離的細長內(nèi)孔直徑與圓柱度測量方法。

背景技術(shù)：

在對細長內(nèi)孔的珩磨加工中，內(nèi)孔直徑與圓柱度誤差是珩磨工藝的重要性能指標(biāo)，為保證珩磨質(zhì)量，需要對內(nèi)孔進行圓柱度誤差在線檢測。細長內(nèi)孔由于孔徑小，常規(guī)的檢測儀器無法伸入內(nèi)孔，因此在工程界一直是一項技術(shù)難題。

目前對細長內(nèi)孔的圓柱度檢測大都采用圓柱度儀或氣動量儀。然而圓柱度儀常用于實驗室的圓柱度檢測，無法實現(xiàn)生產(chǎn)線上的在線檢測；而氣動量儀雖能滿足在線檢測的要求，但是其測量方法以近似測量為主，其圓柱度評定方法不符合國家標(biāo)準。因此需要研制一種高精度的細長內(nèi)孔直徑與圓柱度在線測量方法，實現(xiàn)對細長內(nèi)孔直徑與圓柱度的方便快速測量，同時確保精度要求。

基于誤差分離的圓柱度在線測量方法近年來越來越受到廣大研究者的關(guān)注。在細長內(nèi)孔圓柱度在線檢測過程中，檢測儀器的主軸回轉(zhuǎn)誤差、導(dǎo)軌的直線進給誤差以及工件內(nèi)孔的偏心誤差是圓柱度檢測過程中的三大誤差源。國防科技大學(xué)的王世民(超精密加工在線檢測與誤差補償?shù)睦碚撆c方法.國防科技大學(xué)學(xué)報[j].1994,12(2):8～14)提出結(jié)合兩點法直線度誤差分離技術(shù)和三點法圓度誤差分離技術(shù)來實現(xiàn)圓柱度誤差的在線測量，兩點法直線度誤差分離技術(shù)通過軸向分布的兩個傳感器結(jié)合離散傅里葉變換來實現(xiàn)母線直線度誤差的分離，該方法雖然同時考慮了被測工件的截面圓度誤差和母線直線度誤差，但其認為圓柱度誤差就是截面圓度誤差與母線直線度誤差之和，缺乏相應(yīng)的理論依據(jù)。

有的內(nèi)孔圓柱度誤差測量是在測頭沿軸向分布的三個橫截面內(nèi)均對稱布置了兩個電子位移傳感器，通過采用兩點法分離回轉(zhuǎn)誤差的同時避免了因軸向進給而引入的導(dǎo)軌直線運動誤差，但是由于截面數(shù)較少，一定程度上影響了測量精度，且無法適應(yīng)各種不同長度的內(nèi)孔。

還有的內(nèi)孔圓柱度誤差測量利用兩個相互垂直的光電傳感器檢測準直激光光斑位置的偏移，分離出由導(dǎo)軌直線度誤差和運動誤差引起的雙測頭平移和傾斜量，進而對測得的內(nèi)孔輪廓數(shù)據(jù)進行修正，該測量方法基于光電檢測技術(shù)，通過誤差補償可達到較高的測量精度，但由于測量的實現(xiàn)原理和裝置較為復(fù)雜，僅適用于有較大容納空間的大尺寸內(nèi)孔測量。

隨著回轉(zhuǎn)臺精度的提高，部分回轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)誤差已遠小于被測對象的公差，選取高精度的回轉(zhuǎn)工作臺可以將回轉(zhuǎn)誤差予以忽略。因此，測量系統(tǒng)的測量誤差主要來源歸結(jié)到導(dǎo)軌直線進給誤差和工件內(nèi)孔的偏心誤差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種基于雙傳感器誤差分離的細長內(nèi)孔直徑與圓柱度測量方法。本發(fā)明通過兩個接觸式電子位移傳感器采集內(nèi)孔數(shù)據(jù)，實時計算并分離導(dǎo)軌直線進給誤差和工件內(nèi)孔的偏心誤差，從而提高測量精度。

本發(fā)明創(chuàng)造的具體技術(shù)方案如下：

所述方法采用雙傳感器測頭，雙傳感器測頭安裝在可沿導(dǎo)軌運動的豎直升降機構(gòu)上，方法包括以下步驟：

(1)以標(biāo)準環(huán)規(guī)作為校準件套裝于雙傳感器測頭，采用消一次諧波逼近法校準雙傳感器測頭；

(2)將被測工件內(nèi)孔套裝于雙傳感器測頭，沿內(nèi)孔軸向和周向進行逐截面整周掃描測量：選定被測工件內(nèi)孔沿軸向的m個不同截面，每個截面測量時旋轉(zhuǎn)工件一周，通過測頭兩側(cè)對稱的雙傳感器進行整周掃描測量，采集n對距離測量值作為測量數(shù)據(jù)，雙傳感器各自的距離測量值分別為s1i(θj)、s2i(θj),i＝1,2,...,m,j＝1,2,...,n，i表示截面的序數(shù)，j表示每個截面下距離測量值的序數(shù)，θj表示每個截面下第j個距離測量值對應(yīng)的角度，s1i(θj)表示第一個傳感器第i個截面下第j個距離測量值，s2i(θj)表示第二個傳感器第i個截面下第j個距離測量值；

(3)將步驟(2)獲得的距離測量數(shù)據(jù)進行處理，分離出導(dǎo)軌直線進給誤差；

(4)分離工件內(nèi)孔各截面的偏心誤差：選取經(jīng)步驟(3)分離后的單個傳感器的距離測量數(shù)據(jù)，通過消一次諧波法計算各截面的偏心誤差，再對其進行分離；

(5)還原被測內(nèi)孔輪廓：將分離了導(dǎo)軌直線進給誤差和工件內(nèi)孔各截面偏心誤差后的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到直角坐標(biāo)系下，并將步驟(4)分離出的各截面偏心誤差疊加入各對應(yīng)截面的測量數(shù)據(jù)中，使得各截面各自平移，從而還原出被測內(nèi)孔的輪廓；

(6)求取內(nèi)孔直徑與圓柱度誤差：采用最小二乘法求取內(nèi)孔輪廓的直徑，并利用圓柱度評價方法進行圓柱度計算。

所述的圓柱度評價方法采用最小區(qū)域法或者最小二乘法。

本發(fā)明的標(biāo)準環(huán)規(guī)和被測工件的內(nèi)孔與測頭上的雙傳感器之間均是緊貼接觸，雙傳感器在測頭上均是彈性安裝，能夠沿徑向方向彈性自由伸縮。

所述測頭上的雙傳感器對稱布置安裝，雙傳感器連線方向和導(dǎo)軌的敏感方向一致，導(dǎo)軌的敏感方向為導(dǎo)軌跳動偏移最大的方向。

所述步驟(1)具體為：

(1.1)首先將測頭放置在回轉(zhuǎn)臺上，將測頭中心和回轉(zhuǎn)臺中心重合，再選取圓度誤差小于所要求檢測精度的標(biāo)準環(huán)規(guī)安裝在回轉(zhuǎn)臺上，將測頭伸入標(biāo)準環(huán)規(guī)中；

(1.2)測頭保持固定不動，標(biāo)準環(huán)規(guī)隨著回轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)一周，通過雙傳感器采集距離測量數(shù)據(jù)；

(1.3)用消一次諧波法對距離測量數(shù)據(jù)進行計算求出標(biāo)準環(huán)規(guī)的圓心相對于回轉(zhuǎn)臺中心的偏心誤差，然后根據(jù)偏心誤差調(diào)整標(biāo)準環(huán)規(guī)在回轉(zhuǎn)臺上的位置，使得標(biāo)準環(huán)規(guī)的圓心和回轉(zhuǎn)臺中心更接近重合；

(1.4)重復(fù)步驟(1.2)再次進行測量，通過雙傳感器采集距離測量數(shù)據(jù)，判斷各傳感器在掃描一周中測量的讀數(shù)變動量是否小于距離變動閾值，若是則完成校準，并以標(biāo)準環(huán)規(guī)的標(biāo)準直徑之半作為各傳感器的標(biāo)定半徑值，若否則重復(fù)步驟(1.3)再次調(diào)整。

所述的距離測量值為傳感器讀取到徑向的半徑值，具體是從測頭的中心軸線到傳感器和內(nèi)孔壁間接觸點的徑向距離。

所述步驟(3)具體是通過雙傳感器的距離測量值計算求取測頭在每個截面處敏感方向上的偏移量，并以偏移量作為每個截面處的導(dǎo)軌直線進給誤差，再從傳感器測量數(shù)據(jù)中分離出導(dǎo)軌直線進給誤差，得到分離后的距離測量值為s1′i(θj)、s2′i(θj)。

所述步驟(3)具體是：

(3.1)采用以下公式分別求取每個截面上兩個傳感器的距離測量值的平均值

(3.2)采用以下公式求取測頭在每個截面處沿導(dǎo)軌的敏感方向上的偏移量xci，作為截面處的導(dǎo)軌直線進給誤差：

(3.3)采用以下公式將導(dǎo)軌直線進給誤差從距離測量值中分離：

s′1i(θj)＝s1i(θj)-xci

s′2i(θj)＝s2i(θj)+xci

其中，s′1i(θj)、s′2i(θj)分別表示兩個傳感器分離出導(dǎo)軌直線進給誤差后的距離測量值。

所述步驟(4)具體是針對分離出導(dǎo)軌直線進給誤差后的傳感器的距離測量值s′1i(θj)、s′2i(θj)，采用消一次諧波法分離出各截面偏心誤差，得到分離后的數(shù)據(jù)s″1i(θj)、s″2i(θj)。

所述步驟(4)具體是：

利用消一次諧波法分離各截面的偏心誤差，選取一個傳感器的數(shù)據(jù)進行被測內(nèi)孔偏心誤差的分離，以s′1i(θj)為例：

(4.1)通過下式計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方向分別為在截面所在平面的兩個相垂直的方向；s′1i(θj)表示其中一個傳感器分離出導(dǎo)軌直線進給誤差后的距離測量值，θj表示每個截面下第j個距離測量值對應(yīng)的角度；

(4.2)再通過下式將偏心誤差從距離測量值中分離：

s″1i(θj)＝s′1i(θj)-xicosθj+yisinθj

s″2i(θj)＝s′2i(θj)-xicos(θj+π)+yisin(θj+π)

其中，s″1i(θj)、s″2i(θj)分別表示兩個傳感器分離出偏心誤差后的距離測量值。

本發(fā)明方法通過對標(biāo)準環(huán)規(guī)的測量和偏心量分離，能在有限次操作內(nèi)將標(biāo)準環(huán)規(guī)圓心逐步逼近回轉(zhuǎn)臺中心，并實現(xiàn)對兩個傳感器的同時校準。

本發(fā)明方法根據(jù)直線進給時導(dǎo)軌的敏感方向來確定測頭兩個傳感器的測量方向，進而通過計算該方向上的偏移量便可得到導(dǎo)軌直線進給誤差。

在本發(fā)明基于誤差分離的細長內(nèi)孔直徑與圓柱度測量中，首要是在分離內(nèi)孔偏心誤差之前實現(xiàn)對導(dǎo)軌直線進給誤差的快速分離，再對分離誤差后的測量數(shù)據(jù)進行重構(gòu)得到真實內(nèi)孔輪廓信息，最后求取圓柱輪廓的最小二乘直徑，并通過圓柱度評價方法計算內(nèi)孔的圓柱度誤差。

本發(fā)明的有益效果在于：

(1)本發(fā)明采用消一次諧波逼近法僅需利用標(biāo)準環(huán)規(guī)，便能在有限次操作內(nèi)對測頭的兩個傳感器同時完成校準，降低操作復(fù)雜度，提高校準效率，并能實現(xiàn)對內(nèi)孔直徑和圓柱度的復(fù)合測量；

(2)結(jié)合一對互為180度的電子位移傳感器與本發(fā)明的測頭敏感方向偏移量計算方法，實現(xiàn)導(dǎo)軌直線進給誤差的快速分離，避免了復(fù)雜的運算過程，提高了計算效率；

(3)本發(fā)明的雙傳感器測頭結(jié)合多截面的測量方式對不同深度的內(nèi)孔具有較強的適應(yīng)性和靈活性，特別適合細長內(nèi)孔的測量；

(4)由于在分離導(dǎo)軌直線進給誤差的過程中采用求平均再作差的計算方式，在一定程度上有抵抗白噪聲的能力，因此具有在線檢測的使用推廣價值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的細長內(nèi)孔直徑與圓柱度測量裝置示意圖；

圖2是本發(fā)明的測量方法流程圖；

圖3是本發(fā)明的雙傳感器測頭校準示意圖；

圖4是本發(fā)明的測頭校準流程圖；

圖5是本發(fā)明的測頭測量過程軸截面示意圖；

圖6是工件內(nèi)孔某截面偏心誤差分離示意圖。

圖中：豎直升降機構(gòu)1、雙傳感器測頭2、電子位移傳感器3和7、被測工件4、x向?qū)к?、z向?qū)к?、回轉(zhuǎn)臺8、底座9。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明：

如圖1所示，本發(fā)明具體實施的裝置包括豎直升降機構(gòu)1、雙傳感器測頭2、電子位移傳感器3和7、被測工件4、x向?qū)к?、z向?qū)к?、回轉(zhuǎn)臺8和底座9。z向?qū)к?固定安裝在底座9上，豎直升降機構(gòu)1嵌裝在z向?qū)к?上，并沿z向?qū)к?上下移動，豎直升降機構(gòu)1的下端安裝有雙傳感器測頭2，雙傳感器測頭2下端部兩側(cè)對稱安裝有電子位移傳感器3和7，電子位移傳感器3和7對稱布置；底座9上本身設(shè)置有一個y向?qū)к墸瑇向?qū)к?嵌裝在y向?qū)к壣?，x向?qū)к?的上方設(shè)有回轉(zhuǎn)臺8，回轉(zhuǎn)臺安裝有角度編碼器，角度編碼器可以實時讀取回轉(zhuǎn)臺的角度信息。

被測工件4則卡裝在回轉(zhuǎn)臺8上，并使得被測細長內(nèi)孔的軸線與測頭軸線平行，測頭伸入到被測工件4的內(nèi)孔中。本發(fā)明的z向平行于被測工件內(nèi)孔和測頭的軸向，x向和y向分別沿垂直于被測工件內(nèi)孔和測頭的軸向的兩個相垂直方向。

本發(fā)明的實施例及其實施過程如下，文中出現(xiàn)未標(biāo)明單位的試驗數(shù)據(jù)，其單位均為mm，測量方法流程圖如圖2所示。

(1)消一次諧波逼近法校準雙傳感器測頭：如圖3所示，首先將測頭中心和回轉(zhuǎn)臺中心重合，再取一個圓度誤差小于0.0005mm的標(biāo)準環(huán)規(guī)10，認定為標(biāo)準圓。將測頭2伸入標(biāo)準環(huán)規(guī)中，標(biāo)準環(huán)規(guī)10隨著工作臺旋轉(zhuǎn)一圈，根據(jù)傳感器3回轉(zhuǎn)一周的數(shù)據(jù)結(jié)合消一次諧波法求出標(biāo)準環(huán)規(guī)相對于回轉(zhuǎn)臺中心的偏心誤差，再根據(jù)所求的偏心誤差對標(biāo)準環(huán)規(guī)在回轉(zhuǎn)臺上的位置進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，直至傳感器的讀數(shù)變動量小于設(shè)定的閾值。此時，該標(biāo)準環(huán)規(guī)的標(biāo)準直徑之半即為該傳感器的標(biāo)定半徑值，測頭校準流程如圖4所示。

(2)內(nèi)孔逐截面雙傳感器掃描測量：選定被測內(nèi)孔的m＝9個截面，利用標(biāo)定好的測頭沿內(nèi)孔軸向進行逐截面整周掃描測量，測頭測量如圖5所示。測量每個截面時，測頭不動，工件隨回轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)一周，雙傳感器每隔一定角度采集一對數(shù)據(jù)，用θj表示當(dāng)前第j個角度值，一周共采集n＝3600對數(shù)據(jù)，兩個傳感器在該截面的測量值分別為s1i(θj)、s2i(θj),i＝1,2,...,9,j＝1,2,...,3600。為驗證本發(fā)明方法對測量數(shù)據(jù)進行誤差分離和圓柱度評估的正確性和準確性，在此采用基于標(biāo)準圓柱內(nèi)孔的數(shù)值試驗方式實現(xiàn)對數(shù)據(jù)處理效果的直觀辨別。為此，給定一個半徑為7.5mm，長度為150mm的標(biāo)準圓柱內(nèi)孔(圓柱度為0)，假定各截面的偏心誤差相同且均在回轉(zhuǎn)臺中心附近[-0.1,0.1]的正方形區(qū)域內(nèi)隨機變動，并在[-0.1,0.1]范圍內(nèi)產(chǎn)生9個隨機數(shù)作為導(dǎo)軌直線進給誤差，隨機生成的偏心誤差和導(dǎo)軌直線進給誤差數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表1隨機生成的偏心誤差數(shù)據(jù)表

表2隨機生成的導(dǎo)軌直線進給誤差數(shù)據(jù)表

(3)基于雙傳感器測量差值的導(dǎo)軌直線進給誤差分離：分別求取各個截面上兩個傳感器的平均值其試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3各截面?zhèn)鞲衅髌骄翟囼灁?shù)據(jù)表

對各個截面上傳感器的平均值作差后并除以2，即為測頭在每個截面處敏感方向(即傳感器所連直線)上的偏移量xci，將該偏移量作為此截面處的導(dǎo)軌直線進給誤差。

分離得到的導(dǎo)軌直線進給誤差如表4所示。

表4分離得到的導(dǎo)軌直線進給誤差試驗數(shù)據(jù)表

計算得到導(dǎo)軌的直線進給誤差后，將其從兩個傳感器的測量值中分別進行分離，得到分離導(dǎo)軌直線進給誤差后的傳感器測量值s′1i(θj)、s′2i(θj)。

(4)消一次諧波法分離工件內(nèi)孔各截面的偏心誤差：利用消一次諧波法分離各截面的偏心誤差。選取一個傳感器的數(shù)據(jù)進行被測內(nèi)孔各截面偏心誤差的分離，以s′1i(θj)為例：通過下式計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方向分別為在截面所在平面的兩個相垂直的方向；

由于本實施例假定各截面的偏心誤差相同，內(nèi)孔又是標(biāo)準圓柱，因此分離出的各截面偏心誤差基本相同，試驗分離得到的工件內(nèi)孔偏心誤差如表5所示，偏心誤差分離的效果示意圖如圖6所示。

表5分離得到的偏心誤差數(shù)據(jù)表

計算得到偏心誤差后，再通過下式將偏心誤差從距離測量值中分離，得到分離后的傳感器測量值分別為s″1i(θj)、s″2i(θj)：

s″1i(θj)＝s′1i(θj)-xicosθj+yisinθj

s″2i(θj)＝s′2i(θj)-xicos(θj+π)+yisin(θj+π)

其中，s″1i(θj)、s″2i(θj)分別表示兩個傳感器分離出各截面偏心誤差后的距離測量值。

(5)還原被測內(nèi)孔輪廓：將分離了導(dǎo)軌直線進給誤差和工件內(nèi)孔各截面偏心誤差后的測量數(shù)據(jù)s″1i(θj)或s″2i(θj)轉(zhuǎn)換到直角坐標(biāo)系下，并在各截面的測量數(shù)據(jù)中疊加入對應(yīng)截面的偏心誤差xi和yi，從而還原出被測內(nèi)孔的輪廓。

(6)求取內(nèi)孔直徑與圓柱度誤差：利用最小二乘法計算內(nèi)孔輪廓的直徑，并基于改進遺傳算法進行最小區(qū)域圓柱度評價，計算出被測內(nèi)孔的圓柱度，其計算結(jié)果如表6所示。

表6內(nèi)孔直徑與圓柱度誤差計算結(jié)果數(shù)據(jù)表

通過對比表1和表5以及表2和表4的數(shù)據(jù)，在數(shù)值試驗條件下，當(dāng)偏心誤差和導(dǎo)軌直線進給誤差均在0.1mm以下時，通過本發(fā)明分離的偏心誤差和導(dǎo)軌直線進給誤差精度在0.0001mm左右，計算精度較高。

通過對比表6中誤差分離前后的直徑和圓柱度計算結(jié)果可得，本發(fā)明的計算方法雖然存在著一定的方法誤差，但是它能夠有效地分離檢測過程中的工件內(nèi)孔偏心誤差和導(dǎo)軌直線進給誤差，大幅度提高直徑與圓柱度的檢測精度；另外，再結(jié)合表1和表6的數(shù)據(jù)，第五次試驗時的偏心誤差比先前幾次均較小，因此分離誤差后計算得到的直徑與圓柱度誤差更接近真實值。因此可以得出偏心誤差越小，通過本發(fā)明計算得到的直徑與圓柱度越接近真實值，在實際應(yīng)用中對控制偏心誤差的大小具有一定的指導(dǎo)意義。

以上結(jié)合附圖詳細闡述了本發(fā)明的基本原理和主要特征，采用上述發(fā)明，可以有效地分離工件內(nèi)孔各截面的偏心誤差以及導(dǎo)軌直線進給誤差，提高對細長內(nèi)孔直徑與圓柱度在線測量的檢測精度。但是這些說明不能被理解為限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護范圍由隨附的權(quán)利要求書限定，任何在本發(fā)明權(quán)利要求基礎(chǔ)上進行的改動都是本發(fā)明的保護范圍。