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基于投影成像的轴形位公差测量仪的制作专利

来源:未知 编辑:晚一步 时间:2018-06-12

本发明属于形位公差测量仪器相关领域,更具体地,涉及一种基于投影成像的轴形位公差测量仪。



背景技术:

随着工业的不断进步,社会需要越来越多的新设备,这些设备尤其是特种设备而言,需要在加工后对其构成零件几何特征的点、线、面的实际形状或相互位置与理想几何体规定的形状和相互位置之间进行差异测量,也即形位公差测量。要保证装备的加工质量和使用寿命,都必须提高整个机械装备的装配精度。装配精度不只依赖于零件的加工精度,另一方面还要依靠装配的方法。甚至有很多情况下,装配精度成为决定整个装备工作性能和使用寿命的最重要因素。由于形位公差测量直接影响到设备工件的性能要求、配合性质、互换性及使用寿命等,因此其测量结果的精确度属于工业制造领域重点关注的关键指标之一。

目前的装配过程中对轴类零件进行安装是十分常见的,具体包括对有垂直度要求的轴类零件进行安装,以及对有平行度要求的轴类零件进行安装。然而,在实际操作时,相关测量仪器通常只有平行度和垂直度数据的简单反馈,没有对应对如何改善平行度和垂直度的反馈数据,而且测量精度尚有不足,只有通过反复的试凑实现满足相应形位公差。这种装配方式有着很大的随机性,往往与装配工人的经验有着直接的关系。本领域亟需对此作出进一步的改进,以便更好地满足实际生产制造中的各类需求。



技术实现要素:

针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种基于投影成像的轴形位公差测量仪,其中对其整体结构组成及构造布局重新进行了设计,并重点针对一些关键组件如光源发生装置、成像检测装置等的具体组成结构、设置方式及工作原理等多个方面进行改进,相应不仅可便捷、高效地测量待测轴类零件的垂直度误差或者平行度误差,而且能够结合轴类零件投影图中数据信息有指向性地改善垂直度误差和平行度误差,测试表明可显著提高最终的装配精度。

为实现上述目的,按照本发明,提供了一种基于投影成像的轴形位公差测量仪,其特征在于,它包括底座、旋转支架、光源发生装置和成像检测装置,其中:

所述底座放置在水平的基准底面上,并可通过螺钉组件调节自身的水平度来实现该基准底面与所述旋转支架之间相对位置的微调;此外,以该底座为基准点构建空间XYZ坐标系,其中沿着水平方向横向延伸的方向定义为Y轴,沿着水平方向纵向延伸的方向定义为X轴,竖直方向定义为Z轴;

所述旋转支架沿着Z轴方向设置在所述底座上,并在其下端和上端各自承载有所述光源发生装置和所述成像检测装置;该旋转支架自身具有Z轴自由度和绕着Z轴旋转的W自由度,由此根据待测量辊轴的高度来调节在Z轴方向上的位置、以及在旋转时带动所述光源发生装置和成像检测装置执行同步转动;

所述光源发生装置包括杆状本体、以及设置在该杆状本体上的限位孔、平行光源和测距组件,其中该杆状本体沿着垂直于所述旋转支架的方向具有水平伸长自由度r,该限位孔用于确保待测量辊轴的轴线与此限位孔的轴线处于同轴或平行状态,该平行光源用于朝向待测量辊轴投射可产生投影的平行光束;此外,该测距组件的数量为多个,它们被划分为设置在所述杆状本体下表面的第一组传感器和设置在所述杆状本体上表面的第二组传感器,并用于测量整个光源发生装置处于不同位置状态时至指定目标之间的各自距离;

所述成像检测装置包括安装件、以及设置在该安装件上的相机和投影板,其中该安装体同样沿着垂直于所述旋转支架的方向具有水平拉伸自由度q,且其保持与所述水平伸长自由度r相平行;该投影板用于显示所述平行光源对所述待测量辊轴所形成的投影图像,该相机则对投影图像进行拍摄采集。

优选地,所述测距组件优选为光电位移传感器,并且设置在所述杆状本体下表面的第一组传感器的数量优选为四个,设置在所述杆状本体上表面的第二组传感器的数量同样优选为四个。

优选地,上述测量仪优选按照以下方式执行测量前的标定操作:首先,采用设置在所述杆状本体下表面的第一组传感器对整个光源发生装置与所述基准底面之间的距离进行感测,并通过调节所述底座使得该第一组传感器中的所有传感器均显示为相同的距离值,由此实现光源发生装置与基准底面之间的相互平行;接着,采用设置在所述杆状本体上表面的第二组传感器对整个光源发生装置与所述投影板之间的距离进行感测,并通过调节所述成像检测装置使得该第二组传感器中的所有传感器均显示为相同的距离值,由此实现光源发生装置与所述投影板之间的相互平行。

优选地,上述测量仪优选按照以下方式来确定待测量辊轴的倾斜方向:首先,在完成测量仪自身标定后,通过调整所述旋转支架绕着Z轴旋转的W自由度以及所述光源发生装置的水平伸长自由度r,确保待测量辊轴的轴处于所述限位孔之内;接着,采用设置在所述杆状本体上表面的第二组传感器对整个光源发生装置与待测量辊轴不同位置之间的距离值进行感测,并获得对应的一组距离值;最后,找到距离值最小的所述传感器在所述杆状本体上的位置,并获知所述限位孔到此传感器之间的方向趋势,同时对所述投影板上所获得的投影图像取其弧线的重点A和B,以此方式结合以上方向趋势和投影图像,由此可确定辊轴的倾斜方向

优选地,上述测量仪优选按照以下公式来计算两个待测量辊轴在其投影平面上的旋转夹角fθ:

其中,m1,m2分别表示两个待测量辊轴各自的编号;表示在辊轴m1于所述投影板所形成的投影图像中,其弧线中点连线与所述X轴之间的夹角且表示在辊轴m2于所述投影板所形成的投影图像中,其弧线中点连线与所述X轴之间的夹角且此外,上述弧线中点连线的方向均是待测量辊轴的倾斜方向的反方向。

优选地,上述测量仪优选按照以下公式来计算两个待测量辊轴彼此之间的平行度误差fl:

其中,m1,m2分别表示两个待测量辊轴各自的编号;分别表示两个辊轴于所述投影板所形成的投影图像中,其各自具备的最小包络圆的直径。

优选地,上述测量仪优选按照以下公式来计算待测量辊轴的轴与所述基准底面之间的垂直度误差fv:

fv=2*l*sinβ

其中,l与d分别为待测量辊轴自身的长度和直径;A与B分别表示待测量辊轴于所述投影板上的投影图像中,其弧线的两个中点;lAB为A到B的长度;β表示待测量辊轴的轴与所述基准底面之间的夹角。

总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,主要具备以下的技术优点:

1、其中通过对该测量仪的整体构造组成进行设计,不仅可便捷性地、快速地测量待测轴类零件的垂直度误差或者平行度误差,而且能够结合轴类零件投影图中数据信息有指向性的减小垂直度误差和平行度误差以满足形位公差要求,提高装配精度;

2、本发明还重点针对一些关键组件如光源发生装置、成像检测装置等的具体组成结构、设置方式及工作原理等多个方面进行改进;相应设计的轴类零件平行度和垂直度计算公式,较多的测试表明,能够在得到轴类零件投影信息之后,更为快速、精确地得到平行度误差和垂直度误差;

3、此外,本发明还给出了提高装配精度的中间参数计算公式,可以根据得到的参数指导装配,进一步减小轴类零件装配过程的平行度误差和垂直度误差。例如,通过减小β,可以减小轴类零件与底面的垂直度误差;当两个轴类零件的β相等时,减小fθ,可以减小两个轴类零件的平行度误差。

附图说明

图1是按照本发明所构建的基于投影成像的轴形位公差测量仪的整体构造示意图;

图2是按照本发明的一个优选实施方式、用于对基准底面与光源发生装置之间执行平行标定的示意图;

图3是按照本发明的一个优选实施方式、用于对光源发生装置与成像检测装置之间执行平行标定的示意图;

图4是按照本发明的一个优选实施方式、用于确定辊轴倾斜方向的示意图;

图5是用于示范性说明按照本发明通过成像检测装置所采集的投影图像的示意图;

图6是用于示范性说明按照本发明的两个辊轴的空间布置示意图;

图7是用于解释说明按照本发明的整个测量流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明所构建的基于投影成像的轴形位公差测量仪的整体构造示意图。如图1所示,该轴形位公差测量仪主要包括底座1、旋转支架2、光源发生装置3和成像检测装置4等功能组件,下面将对其逐一进行解释说明。

底座1放置在水平的基准底面5上,并可通过螺钉组件调节自身的水平度来实现该基准底面5与旋转支架2之间相对位置的微调;此外,为了清晰说明,如图1中所示地,可以以该底座为基准点构建空间XYZ坐标系,其中沿着水平方向横向延伸的方向定义为Y轴,沿着水平方向纵向延伸的方向定义为X轴,竖直方向定义为Z轴;

旋转支架2沿着Z轴方向设置在底座1上,并譬如在其下端和上端各自承载有光源发生装置3和成像检测装置4。该旋转支架2自身具有Z轴自由度和绕着Z轴旋转的W自由度,由此根据待测量辊轴6的高度来调节在Z轴方向上的位置、以及在旋转时带动光源发生装置3和成像检测装置4执行同步转动。更具体地,可根据待测量辊轴6的高度,调节旋转支架2在Z方向的高度,确保待测轴类零件处于光源发生装置3和成像检测装置4高度之间;然后,旋转支架2在W方向旋转,为后续轴形位公差测量仪自身标定和投影图像的采集作好准备。

光源发生装置3包括杆状本体、以及设置在该杆状本体上的限位孔7、平行光源8和测距组件9,其中该杆状本体沿着垂直于所述旋转支架2的方向具有水平伸长自由度r,该限位孔7用于确保待测量辊轴(6)的轴线与此限位孔的轴线处于同轴或平行状态,进而确保待测量辊轴6处于测量仪的工作区域内;该平行光源8用于朝向待测量辊轴6投射可产生投影的平行光束;此外,该测距组件9的数量为多个,它们在本发明中被划分为设置在所述杆状本体下表面的第一组传感器和设置在所述杆状本体上表面的第二组传感器,并用于测量整个光源发生装置处于不同位置状态时至指定目标之间的各自距离。更具体地,所述测距组件优选为光电位移传感器,并且设置在所述杆状本体下表面的第一组传感器的数量优选为四个,设置在所述杆状本体上表面的第二组传感器的数量同样优选为四个。

成像检测装置4包括同样譬如成杆状的安装件、以及设置在该安装件上的相机10和投影板11,其中该安装体同样沿着垂直于所述旋转支架2的方向具有水平拉伸自由度q,且其保持与所述水平伸长自由度r相平行;该投影板11用于显示所述平行光源8对所述待测量辊轴6所形成的投影图像,该相机10则对投影图像进行拍摄采集。

如图2和图3所示,按照本发明的一个优选实施方式,在对辊轴6进行测量之前,需要对轴形位公差测量仪本身进行标定,保证基准底面5、光源发生装置3以及投影板11两两平行。其过程优选设计如下:首先,光源发生装置3下表面的测距组件9测量光源发生装置3与底面5不同位置的一组距离值da1,da2,da3,da4,旋钮底面5的调节螺钉,调节光源发生装置3与底面5的距离,使得da1=da2=da3=da4,实现光源发生装置3与底面5的平行;同理,光源发生装置3上表面的测距组件9测量光源发生装置3与投影板11不同位置的一组距离值db1,db2,db3,db4,旋钮成像检测装置4的调节螺钉,调节光源发生装置3与投影板11的距离,使得db1=db2=db3=db4,实现光源发生装置3与投影板11的平行。

如图4所示,当所述成像检测装置4已经采集了辊轴6投影之后,由于投影是轴对称的,仅仅依靠投影分析得到的结果会有二值性,需要从三维实体中再确定一个倾斜方向保证结果唯一性。按照本发明的一个优选实施方式,当轴形位公差测量仪已经完成自身标定,可通过调整旋转支架2在W方向的旋转角度和光源发生装置3在r方向的距离,保证辊轴6的轴在限位孔7的范围内;使用上表面测距组件9测量光源发生装置3与辊轴6不同位置的一组距离值dc1,dc2,dc3,dc4,由于辊轴6的倾斜,dc1,dc2,dc3,dc4并不完全相同。找到测量MIN(dc1,dc2,dc3,dc4对应的传感器在所述杆状本体上表面的位置,从限位孔7到测量所得距离值数值最小的传感器的方向趋势,同时结合投影,可以得到辊轴的倾斜方向其中,A和B分别表示辊轴6于投影板的投影图像中,其弧线的两个中点。

如图6所示,按照本发明的另一优选实施方式,上述测量仪优选按照以下公式来计算两个待测量辊轴在其投影平面上的旋转夹角fθ:

其中,m1,m2分别表示两个待测量辊轴各自的编号;表示在辊轴m1于所述投影板所形成的投影图像中,其弧线中点连线与所述X轴之间的夹角且此外当且仅当辊轴m1在投影平面内投影是一个圆时等号成立;表示在辊轴m2于所述投影板所形成的投影图像中,其弧线中点连线与所述X轴之间的夹角且此外当且仅当辊轴m2在投影平面内投影是一个圆时等号成立。弧线中点连线的方向均是待测量辊轴的倾斜方向的反方向。

按照本发明的又一优选实施方式,当所述成像检测装置4已经采集了辊轴6投影之后,以垂直于底面5的轴为基准轴,定义以下公式计算两个辊轴的平行度误差:

其中,fl是平行度误差;分别是辊轴投影图中两个投影的最小包络圆的直径;两个辊轴的轴只能在平行于假设基准轴的圆柱面内的区域,圆柱直径为fl。

此外,参看图6,按照本发明的又一优选实施方式,当所述成像检测装置4已经采集了辊轴6投影之后,根据辊轴6投影成像的特点,当且仅当投影为一个圆,辊轴6才会与底面5垂直。设β为辊轴6的轴与底面5的夹角,则β的计算式如下:

其中,A与B分别是辊轴6在投影图中弧线中点,是辊轴倾斜方向;lAB为A到B的长度;l与d分别为辊轴6的高度和直径。

相应地,按照本发明的又一优选实施方式,当所述成像检测装置4已经采集了辊轴6投影之后,以底面5为基准面,辊轴6轴与底面5的垂直度误差计算公式为:

fv=2*l*sinβ

其中,fv为垂直度误差;l为辊轴6的高度;β为辊轴6的轴与底面5的夹角;辊轴6的轴只能在垂直于假设基准面5的圆柱面内的区域,圆柱直径为fv。

下面将结合图7来具体解释按照本发明的上述测量仪的工作过程。

首先,根据待测轴类零件位置和数目,将测量仪放在合适位置。调节旋转支架2的高度和旋转角度,保证待测轴类零件处于测量仪的工作区域。

接着,根据底面5与光源发生装置3的距离,调节底座1调节螺钉的松紧程度,实现底面5与光源发生装置3的平行标定;根据光源发生装置3与成像检测装置4的距离,调节成像检测装置4的调节螺钉,实现光源发生装置3与成像检测装置4的平行标定;根据辊轴6与光源发生装置3的距离,按照距离大小,判断轴类零件的倾斜方向其中,A和B是辊轴投影图中弧线中点。

接着,平行光源8向成像检测装置4发射一束平行光。成像检测装置4对待测轴类零件的投影进行采集。分别根据优选实施方式下的公式计算出参数fθ和β,同时根据优选实施方式下的公式计算出轴类零件的形位公差:平行度误差fl和垂直度误差fv。

接着,根据实际需求减小轴类零件的垂直度误差。在装配过程中,按照方向旋转轴类零件,减小β,从而减小垂直度误差fv。

接着,根据实际需求减小轴类零件的平行度误差。先计算得到两个轴类零件的β,通过上述方法,调节β的大小,让两个轴类零件的β值相等;在上述基础上,在投影平面内旋转轴类零件,减小fθ的值到零。

综上,本发明提供了一种基于投影成像的轴形位公差测量仪,其中通过对该测量仪的整体构造组成进行设计,不仅可便捷性地、快速地测量待测轴类零件的垂直度误差或者平行度误差,而且能够结合轴类零件投影图中数据信息有指向性的减小垂直度误差和平行度误差以满足形位公差要求,提高装配精度;此外,本发明还分别给出了平行度误差和垂直度误差的计算公式,可以根据投影信息快速得到相应误差,同时给出了相应的提高装配精度的参数的计算公式,用以指导装配过程中减小平行度误差和垂直度误差。

本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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