申请/专利权人：中国计量大学

申请日：2019-03-01

公开（公告）日：2024-04-09

公开（公告）号：CN109696138B

主分类号：G01B11/24

分类号：G01B11/24

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.09#授权;2019.05.28#实质审查的生效;2019.04.30#公开

摘要：本发明公开了圆柱度检测装置及其偏心校准方法。工作台上安装旋转组件和垂直传动组件，旋转组件位于垂直传动组件的正上方，被测圆柱器件放置在垂直传动组件并由垂直传动组件带动上下运动，旋转组件对被测圆柱器件进行检测。三位气缸启动带动三爪卡盘上下升降以调整距离，伺服电机驱动光谱共焦探头绕旋转中心旋转，记录任一旋转角度下距离被测圆柱器件上表面边缘处的第一距离值，将光谱共焦探头旋转180°，测量第二距离值，重复测量得到多组测量值，得到每组测量值对应的旋转半径，提取高斯分布的峰值所对应的旋转半径数值作为最终旋转半径，由此对待检测的圆柱器件的半径进行修正。本发明操作简单，装夹方便，测量精度高。

主权项：1.一种圆柱度检测装置的偏心校准方法，其特征在于：所述的圆柱度检测装置包括工作台1和安装在工作台1上的旋转组件3和垂直传动组件2，旋转组件3位于垂直传动组件2的正上方，被测圆柱器件14放置在垂直传动组件2上并由垂直传动组件2带动上下运动，旋转组件3对被测圆柱器件14进行圆柱度检测；所述的垂直传动组件2包括三爪卡盘17、三位气缸18、连接筒19、抓盘固定块21和升降杆22，三位气缸18的下端通过气缸底板20固定在工作台1，三位气缸18的上端和三爪卡盘17的下端通过连接筒19连接，三爪卡盘17上端的三个固定夹块共同夹持被测圆柱器件14，三爪卡盘17外周面的一侧固定连接有抓盘固定块21，抓盘固定块21套装在垂直固定的升降杆22上，三位气缸18带动三爪卡盘17上下运动，三爪卡盘17通过抓盘固定块21使得三爪卡盘17沿升降杆22垂直上下升降；所述的旋转组件3包括伺服电机23和光谱共焦测量探头24，伺服电机23通过电机底板26固定在垂直传动组件2正上方的工作台1上，伺服电机23的电机轴向下穿过工作台1与光谱共焦探头24连接，光谱共焦探头24的探头端朝向被测圆柱器件14的上表面，伺服电机23带动光谱共焦探头24旋转，使光谱共焦探头24以旋转中心为圆心做旋转运动；所述圆柱度检测装置的偏心校准方法包括以下步骤：步骤a：将被测圆柱器件14放置在三爪卡盘17进行定位夹紧，三位气缸18启动从而带动三爪卡盘17沿升降杆22垂直上下升降以调整光谱共焦探头24的探头端和被测圆柱器件14上表面之间的距离；步骤b：伺服电机23驱动光谱共焦探头24绕旋转中心旋转，记录光谱共焦探头24旋转任一旋转角度下距离被测圆柱器件14上表面边缘处的第一水平距离值m1，将光谱共焦探头24旋转180°，再次测量光谱共焦探头24距离被测圆柱器件14上表面边缘处的第二水平距离值m２，将m1和m作为光谱共焦探头24测量得到的一组测量值；步骤c：光谱共焦探头24旋转完整一周，测量得到多个第一水平距离值，取其中的最大值作为最大距离值l2，然后伺服电机23驱动光谱共焦探头24在取得最大距离值l2所对应的旋转角度的基础上再次旋转180°，测量得到最小距离值l1；步骤d:根据交叉弦定理可知：l1+rl2+r＝r+m1m2+r由此可以得到光谱共焦探头24的旋转半径 光谱共焦探头24的旋转中心距离被测圆柱器件14上表面的圆心的偏心距s的计算公式如下： 步骤e：重复步骤b得到多组测量值，将每组测量值依据步骤d得到每组测量值对应的光谱共焦探头24的旋转半径，所有旋转半径所构成的数值服从高斯分布，提取高斯分布的峰值所对应的旋转半径作为最终确定的光谱共焦探头24的旋转半径r，被测圆柱器件14上表面的圆心与光谱共焦探头24的旋转中心的连线方向即为偏心方向，由此确定偏心距、探头旋转半径和偏心方向，从而完成装置的偏心校准，进入步骤e对待检测的圆柱器件的半径校准；步骤f：将待检测的圆柱器件按照步骤a进行安装和调整，光谱共焦探头24按照步骤b测量偏心方向上的一组测量值，一组测量值中的第一、第二水平距离值分别记作D和d，由此得到待检测的圆柱器件的半径R：

全文数据：圆柱度检测装置及其偏心校准方法技术领域本发明涉及圆柱度测量领域，尤其是涉及了一种圆柱度检测装置及其偏心校准方法。背景技术圆柱度误差的研究是在圆度误差研究的基础上发展起来的。圆柱度误差的测量比圆度误差的测量要复杂一些。圆柱度的测量是通过运用合适的数学模型从多个工件截面测量的数据综合考虑,最后得出工件的圆柱度误差值。近年来,圆柱度误差的测量技术取得了相当大的进展,国内外均有圆柱度仪的生产。目前,国内现有的各种检测工具与方法不能合理而经济地对精密零件进行准确测量。同时,圆柱度测量装置的价格比较昂贵,对环境的要求比较高,而且仪器的校准也有很大的不足，这就影响了产品质量的进一步提高。高精度测量装置对加工工艺的要求非常之高，在现有的加工技术难免会出现一定的偏差，制造所得的装置在测量中，光谱共焦探头所在的圆心与被测期间的圆心未必重合，而且探头在测量不同方向的旋转路径可能是半径为r的圆环而不是定点旋转，测量误差随之出现。因此,研制一种性能价格比高、精确度也比较高的圆柱度检测装置以及校准方法是提高测量精度的有效途径。发明内容为了克服圆柱度测量精度不高的问题，提高测量精度，本发明目的在于提供了一种圆柱度测量装置及其偏心校准方法。本发明所采用的技术方案如下：一、一种圆柱度检测装置本发明的装置包括工作台和安装在工作台上的旋转组件和垂直传动组件，旋转组件位于垂直传动组件的正上方，被测圆柱器件放置在垂直传动组件并由垂直传动组件带动上下运动，旋转组件对被测圆柱器件进行圆柱度检测。所述的垂直传动组件包括三爪卡盘、三位气缸、连接筒、抓盘固定块和升降杆，三位气缸的下端通过气缸底板固定在工作台，气缸底板开有通孔，气缸底板通过装配到通孔中的螺钉、螺母固定在工作台上，三位气缸的上端和三爪卡盘的下端通过连接筒连接，三爪卡盘上端的三个固定夹块共同夹持被测圆柱器件，三爪卡盘外周面的一侧固定连接有抓盘固定块，抓盘固定块套装在垂直固定的升降杆上，三位气缸带动三爪卡盘上下运动，三爪卡盘通过抓盘固定块使得三爪卡盘沿升降杆垂直上下升降，三位气缸用来调整被测圆柱器件的垂直位置。所述的旋转组件包括伺服电机和光谱共焦测量探头，伺服电机通过电机底板固定在垂直传动组件正上方的工作台上，伺服电机的电机轴向下穿过工作台与光谱共焦探头连接，光谱共焦探头的探头端朝向被测圆柱器件的上表面，伺服电机带动光谱共焦探头旋转，使光谱共焦探头以旋转中心为圆心做旋转运动。优选的，伺服电机通过连接槽与光谱共焦探头固定连接，伺服电机的电机轴通过第一固定销固定到连接槽的上部，光谱共焦探头的非探头端通过第二固定销固定到连接槽的下部。优选的，工作台包括工作架、横杠和竖杠，工作架的上表面的中部安装垂直传动组件，垂直传动组件两侧的工作架上分别竖直固定有竖杠，竖杠的下端通过连接板固定在工作架的上表面，两个竖杠的上端通过平行于工作架上表面的横杠连接，横杠的中部开有用于伺服电机的电机轴穿过的通孔，通孔的圆心与三抓卡盘中心在同一圆心轴上。优选的，工作台还设有显示屏、电源键、上升键、下降键和旋转键，显示屏通过连接杆和工作台连接并形成转动副，电源键分别与三位气缸和伺服电机连接用以控制三位气缸和伺服电机的启停，上升键和下降键与三位气缸连接用以控制三位气缸的上下升降，旋转键与伺服电机连接用以控制伺服电机的启停。二、一种针对圆柱度检测装置的偏心校准方法，包括以下步骤：步骤a：将被测圆柱器件放置在三爪卡盘进行定位夹紧，三位气缸启动从而带动三爪卡盘沿升降杆垂直上下升降以调整光谱共焦探头的探头端到被测圆柱器件上表面之间的距离；步骤b：伺服电机驱动光谱共焦探头绕旋转中心旋转，如图4所示，由于偏心距的存在使得光谱共焦探头的旋转中心与被测圆柱器件上表面的圆心并不重合，因此光谱共焦探头的旋转路径不是定点旋转而是以旋转中心为圆心做半径为r的旋转运动，记录光谱共焦探头旋转任一旋转角度下距离被测圆柱器件上表面边缘处的第一水平距离值m1，将光谱共焦探头在当前旋转角度的基础上旋转180°，再次测量光谱共焦探头距离被测圆柱器件上表面边缘处的第二水平距离值m2，由于前后两次测量的角度差为180°，则m1、m2必然位于一条过光谱共焦探头的旋转中心的直线上；将m1和m2作为光谱共焦探头测量得到的一组测量值；如图5所示，步骤c：光谱共焦探头旋转完整一周，测量得到多个第一水平距离值，即不同旋转角度下，光谱共焦探头距离被测圆柱器件上表面边缘处的水平距离值，取其中的最大值作为最大距离值l2，利用加和最长确定，则l2过被测圆柱器件上表面的圆心，然后伺服电机驱动光谱共焦探头在取得最大距离值l2所对应的旋转角度的基础上再次旋转180°，测量得到最小距离值l1，则l1、l2在同一直线上，并且l1、l2的连线为过被测圆柱器件上表面圆心的最长弦直径所在的弦；步骤d：根据交叉弦定理可知：l1+rl2+r＝r+m1m2+r化简得：l1l2+l1+rl2+r2＝m1m2+m1r+m2r+r2由此可以得到光谱共焦探头24的旋转半径r：光谱共焦探头的旋转中心距离被测圆柱器件上表面的圆心的偏心距s的计算公式如下：步骤e：重复步骤b得到多组测量值，将每组测量值依据步骤d得到每组测量值对应的光谱共焦探头的旋转半径，所有旋转半径所构成的数值服从高斯分布，提取高斯分布的峰值所对应的旋转半径作为最终确定的光谱共焦探头的旋转半径r，被测圆柱器件上表面的圆心与光谱共焦探头的旋转中心的连线方向即为偏心方向，由此确定偏心距、探头旋转半径和偏心方向，从而完成装置的偏心校准，进入步骤e对待检测的圆柱器件的半径校准；步骤f：将待检测的圆柱器件按照步骤a进行安装和调整，光谱共焦探头按照步骤b测量偏心方向上的一组测量值，一组测量值中的第一、第二水平距离值分别记作D和d，再通过本方法的计算修正，即可消除制造所得的装置光谱共焦探头所在的圆心与被测期间的圆心未必重合，而且探头在测量不同方向的旋转路径可能是半径为r的圆环而不是定点旋转的问题。由此得到待检测的圆柱器件的半径R：高精度测量装置对加工工艺的要求非常之高，在现有的加工技术难免会出现一定的偏差，制造所得的装置在测量中，光谱共焦探头所在的圆心与被测期间的圆心未必重合，而且探头在测量不同方向的旋转路径可能是半径为r的圆环而不是定点旋转，测量误差随之出现。因此，本发明的测量使用偏心校准方法进行校准，在装置使用前对装置偏心校准，根据偏心校准得到的数据对待检测的圆柱器件进行修正，减小测量误差，实现圆柱度的高精度测量。本发明具有的有益效果：1、本发明采用立式操作台结构，操作、维护和改进容易。2、对于不同尺寸的被测圆柱器件，可以通过三爪卡盘实现对不同内径的被测圆柱器件进行测量。3、装置采用严格的偏心校准方法，测量精度高，可以实现圆柱度的高精度测量。4、装置工作架底安装有防震垫，可以提高装置的平稳性。附图说明图1是本发明的正视图。图2是旋转组件的正视图。图3是垂直传动组件的正视图。图4是本发明装置的误差源示意图。图5是本发明装置的校准示意图。图6是本发明的偏心校准方法流程图。图中：1.工作台，2.垂直传动组件，3.旋转组件，4.竖杠，5.横杠，6.连接板，7.连接杆，8.显示屏，9.工作架，10.电源键，11.上升键，12.下降键，13.旋转键，14.被测圆柱器件，15.螺钉，16.螺母，17.三爪卡盘，18.三位气缸，19.连接筒，20.气缸底板，21.抓盘固定块，22.升降杆，23.伺服电机，24.光谱共焦测量探头，25.连接槽，26.电机底板，27.第一固定销，28.第二固定销，29.防震垫。具体实施方式以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。如图1所示，工作台1上安装有旋转组件3和垂直传动组件2，旋转组件3位于垂直传动组件2的正上方，被测圆柱器件14放置在垂直传动组件2并由垂直传动组件2带动上下运动，旋转组件3对被测圆柱器件14进行圆柱度检测。如图1所示，工作架9的上表面的中部安装垂直传动组件2，垂直传动组件2两侧的工作架9上分别竖直固定有竖杠4，竖杠4的下端通过连接板6固定在工作架9的上表面，两个竖杠4的上端通过平行于工作架9上表面的横杠5连接，横杠5的中部开有用于伺服电机23的电机轴穿过的通孔，通孔的圆心与三抓卡盘17中心在同一圆心轴上。旋转组件3安装在横杠5的中部，伺服电机23的电机轴穿过横杠5的通孔后再通过连接槽25与光谱共焦探头24固定连接。具体实施中，工作台1还设有显示屏8、电源键10、上升键11、下降键12和旋转键13，显示屏8通过连接杆7连接到工作架9的边侧用于显示测量数值，连接杆7包括两个铰接的连杆，连接杆7的一端与显示屏8连接，连接杆7的另一端固定连接工作架9，显示屏8通过连接杆7和工作台连接并形成转动副，从而使得显示屏8相对工作架9的位置可调节。显示屏8通过数据线和计算机连接，从而在计算机上显示测量值。电源键10分别与三位气缸18和伺服电机23连接用以控制三位气缸18和伺服电机23的启停，上升键11和下降键12与三位气缸18连接用以控制三位气缸18的上下升降，旋转键13与伺服电机23连接用以控制伺服电机23的启停。工作架9底部的四角分别安装有防震垫29。如图3所示，三位气缸18、连接筒19和三爪卡盘17沿竖直方向自下而上依次连接，三位气缸18的下端通过气缸底板20固定在工作台1，气缸底板20开有通孔，气缸底板20通过装配到通孔中的螺钉15、螺母16固定在工作台1上，三位气缸18的上端和三爪卡盘17的下端通过连接筒19连接，三爪卡盘17上端的三个固定夹块共同夹持被测圆柱器件14，三爪卡盘17外周面的一侧固定连接有抓盘固定块21，抓盘固定块21套装在垂直固定的升降杆22上，三位气缸18带动三爪卡盘17上下运动，三爪卡盘17通过抓盘固定块21使得三爪卡盘17沿升降杆22垂直上下升降，三位气缸18用来调整被测圆柱器件11的垂直位置。升降杆22垂直固定在三位气缸18的一侧，升降杆22与竖杠4相互平行，升降杆22的上端固定在横杠5上，升降杆22的下端固定在工作架9上。如图2所示，旋转组件3包括伺服电机23和光谱共焦测量探头24，伺服电机23通过电机底板26固定在垂直传动组件2正上方的工作台1上，伺服电机23的电机轴向下穿过工作台1与光谱共焦探头24连接，光谱共焦探头24的探头端朝向被测圆柱器件14的上表面，伺服电机23带动光谱共焦探头24旋转，使光谱共焦探头24以旋转中心为圆心做半径为r的旋转运动，从而使光谱共焦探头24被测圆柱器件14不同方向的值。如图4所示，由于偏心距的存在，光谱共焦探头24的旋转中心与被测圆柱器件14的上表面的圆心并不重合。具体实施中，所述的伺服电机23通过连接槽25与光谱共焦探头24固定连接，伺服电机23的电机轴通过第一固定销27固定到连接槽25的上部，光谱共焦探头24的非探头端通过第二固定销28固定到连接槽25的下部。具体实施中，本发明通过对三位气缸18的气孔输入输出调整三位气缸18的内部气压从而控制三位气缸18的运动轴运动；通过对三爪卡盘17的气孔内气体的输入输出调整内部气压夹紧被测圆柱器件14。如图5所示，本发明通过三位气缸18的带动被测圆柱器件14竖直移动，使被测圆柱器件14移动到最佳测量位置，通过伺服电机23带动光谱共焦测量探头24旋转对被测圆柱器件14进行不同方向上的测量。如图6所示，本发明的具体工作过程如下：首先，将被测圆柱器件14放置在三爪卡盘17上进行夹紧。具体是：通过三爪卡盘17将被测圆柱器件14夹紧固定，通过调整三爪卡盘内的气压使三爪卡盘17上的三个固定夹块同时推进，使得被测圆柱器件14能紧密固定在三爪卡盘17的中心。其次，通过工作台上的按键设置被测圆柱器件14的最佳测量位置。具体是：按下电源键10，使工作台开始工作。通过上升键11和下降键12，使三位气缸18带动被测圆柱器件14上下移动，从而调整被测圆柱器件14的竖直方向位置，当被测圆柱器件移动到最佳测量位置测量位置时松开上升键11或下降键12。按下旋转键14启动伺服电机23，使伺服电机23带动光谱共焦测量探头24旋转，光谱共焦测量探头24旋转过程中测量不同旋转角度下距离被测圆柱器件14上表面各边缘处的长度，即测量光谱共焦测量探头24的不同方位数值，如图5所示，经过修正计算后得到光谱共焦探头24的旋转半径r及偏心距s。然后，将待检测的圆柱器件按照上述工作过程进行安装和调试，光谱共焦探头按照测量偏心方向上的一组测量值，再根据本发明的偏心校准方法进行修正计算后在显示屏8上显示测量结果即修正后的半径R，至此完成对待检测的圆柱器件的检测，测量结束按掉电源键10关闭测量装置。由本发明的实施例可见，本发明实现了对器件圆柱度的测量，装夹方便，测试安全。并且经过以上校准方法对器件圆柱度的测量误差即可大大消除，测量精度高，可以实现圆柱度的高精度测量。

权利要求：1.一种圆柱度检测装置，其特征在于：包括工作台1和安装在工作台1上的旋转组件3和垂直传动组件2，旋转组件3位于垂直传动组件2的正上方，被测圆柱器件14放置在垂直传动组件2上并由垂直传动组件2带动上下运动，旋转组件3对被测圆柱器件14进行圆柱度检测；所述的垂直传动组件2包括三爪卡盘17、三位气缸18、连接筒19、抓盘固定块21和升降杆22，三位气缸18的下端通过气缸底板20固定在工作台1，三位气缸18的上端和三爪卡盘17的下端通过连接筒19连接，三爪卡盘17上端的三个固定夹块共同夹持被测圆柱器件14，三爪卡盘17外周面的一侧固定连接有抓盘固定块21，抓盘固定块21套装在垂直固定的升降杆22上，三位气缸18带动三爪卡盘17上下运动，三爪卡盘17通过抓盘固定块21使得三爪卡盘17沿升降杆22垂直上下升降；所述的旋转组件3包括伺服电机23和光谱共焦测量探头24，伺服电机23通过电机底板26固定在垂直传动组件2正上方的工作台1上，伺服电机23的电机轴向下穿过工作台1与光谱共焦探头24连接，光谱共焦探头24的探头端朝向被测圆柱器件14的上表面，伺服电机23带动光谱共焦探头24旋转，使光谱共焦探头24以旋转中心为圆心做旋转运动。2.根据权利要求1所述的一种圆柱度检测装置，其特征在于：所述的伺服电机23通过连接槽25与光谱共焦探头24固定连接，伺服电机23的电机轴通过第一固定销27固定到连接槽25的上部，光谱共焦探头24的非探头端通过第二固定销28固定到连接槽25的下部。3.根据权利要求2所述的一种圆柱度测量装置，其特征在于：所述的工作台1包括工作架9、横杠5和竖杠4，工作架9的上表面的中部安装垂直传动组件2，垂直传动组件2两侧的工作架9上分别竖直固定有竖杠4，竖杠4的下端通过连接板6固定在工作架9的上表面，两个竖杠4的上端通过平行于工作架9上表面的横杠5连接，横杠5的中部开有用于伺服电机23的电机轴穿过的通孔，通孔的圆心与三抓卡盘17中心在同一圆心轴上。4.根据权利要求1所述的一种圆柱度测量装置，其特征在于：所述的工作台1还设有显示屏8、电源键10、上升键11、下降键12和旋转键13，显示屏8通过连接杆7和工作台1连接并形成转动副，电源键10分别与三位气缸18和伺服电机23连接用以控制三位气缸18和伺服电机23的启停，上升键11和下降键12均与三位气缸18连接用以控制三位气缸18的上下升降，旋转键13与伺服电机23连接用以控制伺服电机23的启停。5.根据权利要求1-4任一所述的一种圆柱度测量装置的偏心校准方法，其特征在于包括以下步骤：步骤a：将被测圆柱器件14放置在三爪卡盘17进行定位夹紧，三位气缸18启动从而带动三爪卡盘17沿升降杆22垂直上下升降以调整光谱共焦探头24的探头端和被测圆柱器件14上表面之间的距离；步骤b：伺服电机23驱动光谱共焦探头24绕旋转中心旋转，记录光谱共焦探头24旋转任一旋转角度下距离被测圆柱器件14上表面边缘处的第一水平距离值m1，将光谱共焦探头24旋转180°，再次测量光谱共焦探头24距离被测圆柱器件14上表面边缘处的第二水平距离值m2，将m1和m2作为光谱共焦探头24测量得到的一组测量值；步骤c：光谱共焦探头24旋转完整一周，测量得到多个第一水平距离值，取其中的最大值作为最大距离值l2，然后伺服电机23驱动光谱共焦探头24在取得最大距离值l2所对应的旋转角度的基础上再次旋转180°，测量得到最小距离值l1；步骤d:根据交叉弦定理可知：l1+rl2+r＝r+m1m2+r由此可以得到光谱共焦探头24的旋转半径光谱共焦探头24的旋转中心距离被测圆柱器件14上表面的圆心的偏心距s的计算公式如下：步骤e：重复步骤b得到多组测量值，将每组测量值依据步骤d得到每组测量值对应的光谱共焦探头24的旋转半径，所有旋转半径所构成的数值服从高斯分布，提取高斯分布的峰值所对应的旋转半径作为最终确定的光谱共焦探头24的旋转半径r，被测圆柱器件14上表面的圆心与光谱共焦探头24的旋转中心的连线方向即为偏心方向，由此确定偏心距、探头旋转半径和偏心方向，从而完成装置的偏心校准，进入步骤e对待检测的圆柱器件的半径校准；步骤f：将待检测的圆柱器件按照步骤a进行安装和调整，光谱共焦探头24按照步骤b测量偏心方向上的一组测量值，一组测量值中的第一、第二水平距离值分别记作D和d，由此得到待检测的圆柱器件的半径R：

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