专利名称：非接触式回转零件形状误差精度检测装置和方法
技术领域：
本发明涉及机械制造领域，具体讲是一种非接触式回转零件形状误差精度检测装置和方法。
背景技术：
随着汽车、机床、家电、航空等工业领域制造技术的飞速发展和客户对产品质量要求的日趋提高，产品制造过程中的检测环节变得越来越重要。零件设计过程中公差的合理制定及制造过程中公差的正确检测对产品的质量至关重要。其中，形状和位置误差是评定零件制造质量的一项重要技术指标。尤其是在精密机械、仪器仪表、航空航天和各种高科技设备中，零件的形位误差往往是影响整机工作的关键，它们会影响产品的工作精度、连接强度、运动平稳性、密封性、耐磨性和寿命等。回转零件的圆柱度误差过大会使配合性质不均匀；平面度误差过大会减少互配零件的实际支撑面积，增大单位面积的压力，使接触表面的变形增大；导轨的直线度误差过大会使得运动部件的运动精度受到影响；轴颈或者轴瓦的轮廓度误差过大会导致轴线在运动过程中产生跳动等等。为了保证机械产品的质量，保证零部件的互换性，需确保形状和位置误差在规定的范围之内。形状和位置误差的检测和评定是一项十分重要的工作。现有技术工件形位误差检测过程中，大部分依然采用人工方式，对工件进行旋转来完成各项形位精度检测，劳动强度大，工作效率低，检测结果可靠性差。但是随着计算机技术的飞速发展，检测手段正在发生着质的变化，目前大部分都开始使用三坐标测量机或工具显微镜，但是这类设备价格昂贵，操作复杂，对环境要求高，检测效率低，并且因为这类设备一般属于接触式测量，易于损伤探头或划伤被测实体表面，而且这类设备不适于柔性材质产品表面测量，因为当参透触碰到待测工件表面时，会改变物体表面形状，因此在实际生产中，越来越迫切需要提供相应的专用设备用于工件的形位误差检测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:提供一种价格便宜、操作简单、对环境要求较低且检测效率较高的非接触式回转零件形状误差精度检测装置。本发明所采用的技术方案是:一种非接触式回转零件形状误差精度检测装置，它包括工作台、设置在工作台上用于固定待测工件且带动待测工件延Z方向轴向转动的夹持装置、设置在工作台上能在Y方向以及Z方向调节且用于获取待测工件形状与位置信息的信息获取装置、用于松紧夹持装置的调节装置、控制器以及计算机，所述夹持装置、信息获取装置以及调节装置均与控制器电连接，所述控制器以及信息获取装置还与计算机电连接。所述夹持装置包括固定在工作台上的减速箱、与减速箱输入轴连接的第一动力装置、与减速箱输出轴连接且用于卡住待测工件一端的三爪卡盘以及固定在调节装置上且用于顶住待测工件另一端的顶尖，所述第一动力装置与控制器电连接。
所述调节装置包括底座、分别固定在底座两侧的立柱、可以在两根立柱上Z向移动的移动横梁以及固定在两根立柱顶端的固定横梁，所述两根立柱上均设有垂直固定齿条，所述移动横梁两端分别通过随动齿轮箱以及齿轮减速箱与两根立柱上的垂直固定齿条啮合传动，所述齿轮减速箱上还设有用于提供动力带动移动横梁在Z方向上移动的第二动力装置，所述第二动力装置与控制器电连接。所述信息获取装置包括设置在工作台上且与工作台滑动连接的传感器固定立柱和光源固定立柱，所述光源固定立柱上设有背光源，所述传感器固定立柱上设有可在传感器固定立柱上竖直移动的图像传感器，所述背光源以及图像传感器均朝向被夹持装置固定的待测工件，所述背光源以及图像传感器与计算机电连接。所述传感器固定立柱上设有可在传感器固定立柱上竖直移动的图像传感器是指，所述传感器固定立柱上设有垂直齿条，所述垂直齿条上设有与垂直齿条啮合传动的齿轮箱，所述图像传感器设置在齿轮箱上，且所述齿轮箱上还设有用于提供动力带动图像传感器在竖直方向移动的第三动力装置，所述第三动力装置与控制器电连接。所述工作台为圆形工作台，且所述圆形工作台沿中心呈放射状均匀分布多对用于装配传感器固定立柱以及光源固定立柱的槽。所述图像传感器包括工业电荷耦合元件以及镜头，所述镜头为定心镜头、远心镜头或者变焦镜头，所述背光源为条形光源、环形光源或者球光源。所述顶尖上设有用于手动微调顶尖位置的第一手动调节装置，所述齿轮箱上设有用于手动微调图像传感器竖直方向位置的第二手动调节装置，所述齿轮减速箱上设有用于手动微调移动横梁竖直位置的第三手动调节装置。采用以上结构与现有技术相比，本发明具有以下优点:通过信息获取装置来获取待测工件形状，而并没有使用三坐标测量机或工具显微镜，这样检测成本就较低，操作简单、对环境要求也较低，并且可以通过控制夹持装置来带动待测工件延Z方向轴向转动，通过控制信息获取装置在Y方向以及Z方向调节，即相当于四自由度定位待测工件，且本发明是非接触式的，并不需要接触待测工件，所以可以通过计算机以及控制器来自动获取待测工件的形位信息，这样可以方便的进行调整，能更全面的获取待测工件的信息，使得能更好的达到检测效果。通过三爪卡盘与顶尖来固定待测工件，这样固定效果较好，而且还可以带动待测工件沿轴向转动，使得信息获取装置能更完整的获取待测工件的形状信息。通过调节装置来调节顶尖的的位置，进而控制待测工件的的松紧，控制起来十分方便。通过图像传感器来获取待测工件的信息，通过背光源来给图像传感器提供光源，这样能使得图像传感器能更好获取待测工件的形位信息，并且因为背光源以及图像传感器分别设置在光源固定立柱以及传感器固定立柱上的，而光源固定立柱以及传感器固定立柱均是与工作台滑动配合的，即操作者可以调节光源固定立柱以及传感器固定立柱来调节背光源以及图像传感器与待测工件之间的位置关系，这样能更好的获取待测工件的形状信肩、O图像传感器通过齿轮箱以及垂直齿条能十分方便的在传感器固定立柱上移动，这样能更好的获取待测工件的形状信息。
将工作台设置成圆形的，而且沿中心均匀分布多对槽，这样就相当于可以安装多对图像传感器和背光源，这样就不需要或者少需要待测工件转动来获取待测工件各部位的形状 目息，有利于检测效率的提闻。可以采用多种镜头以及多种光源，这样能使得测量更加精确和方便。在顶尖上设置第一手动调节装置以及在齿轮减速箱上设置第三手动调节装置，这样能更好的松紧待测工件；在齿轮箱上设置第二手动调节装置，这样能好精确的调整图像传感器的位置，使得检测效果更好。本发明所要解决的另一个技术问题是:提供一种非接触式回转零件形状误差精度检测方法，使得检测效果较 高好。本发明所采用的另一个技术方案是:一种非接触式回转零件形状误差精度检测方法，它包括以下步骤:(I)、将待测工件放置在夹持装置上，其中一端由三爪卡盘固定，然后第二动力装置工作带动移动横梁移动，使得检测工装另一端被顶尖顶住，进而使得整个检测工装被夹持装置夹紧；(2)、手动调节光源固定立柱以及传感器固定立柱的位置，然后第三动力装置工作，调节图像传感器的高度，从而将测量头调节到最佳测量位置；(3)、打开背光源，通过图像传感器对待测工件进行截面测量，然后控制第一动力装置带动待测工件旋转，继续对待测工件进行测量，直到完成对工件的三维空间测量；(4)、图像传感器将测量好的图像数据传输给计算机，计算机将测量好的二维图像数据在图像域进行转换生成三维数据，并根据形状误差的不同类型生成参考基准，然后由最优算法计算出图像域形状误差分布；(5)启动图像传感器自标定算法确定出测量空间与图像空间的放大倍数，然后将图像数的形状误差数据转化为实验测量空间数据。(6)、重复步骤(2)、(3)、(4)、(5)，相继完成工件其余特征处的形状误差测量工作。采用以上方法与现有技术相比，本发明具有以下优点:采用本发明方法，先获取待测工件的图像域数据，通过理想几何信息的拟合得出伴随曲线，然后通过误差转换得到线性形状误差分布，通过标定算法得出空间转换放大倍数，结合四自由度定位机构最终得到完整的工件的形位误差数据，这样检测效果较好。作为优选，测完一个工件后，控制第二动力装置工作，并带动夹持装置沿着Z向运动，即带动顶尖竖直方向运动，松开已经测好的待测工件。这样，能够自动松开已经检测好的待测工件，便于对待测工件的更换。
图1为本发明非接触式回转零件形状误差精度检测装置的结构示意图。图2为本发明非接触式回转零件形状误差精度检测装置的俯视图。图3为本发明非接触式回转零件形状误差精度检测方法中向伴随曲线的示意图。图4为本发明非接触式回转零件形状误差精度检测方法中向伴随曲线位置变换的示意中所示:1、工作台；2、待测工件；3、控制器；4、计算机；5、减速箱；6、第一动力装置；7、三爪卡盘；8、顶尖；9、底座；10、立柱；11、移动横梁；12、固定横梁；13、垂直固定齿条；14、随动齿轮箱；15、齿轮减速箱；16、第二动力装置；17、传感器固定立柱；18、光源固定立柱；19、背光源；20、图像传感器；21、垂直齿条；22、齿轮箱；23、第三动力装置；24、槽；25、第一手动调节装置；26、第二手动调节装置；27、第三手动调节装置。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明:如图1、2所示:一种非接触式回转零件形状误差精度检测装置，它包括工作台1、设置在工作台I上用于固定待测工件2且带动待测工件2延Z方向轴向转动的夹持装置、设置在工作台I上能在Y方向以及Z方向调节且用于获取待测工件2形状与位置信息的信息获取装置、用于松紧夹持装置的调节装置、控制器3以及计算机4，所述夹持装置、信息获取装置以及调节装置均与控制器3电连接，所述控制器3以及信息获取装置还与计算机4电连接。所述夹持装置包括固定在工作台I上的减速箱5、与减速箱5输入轴连接的第一动力装置6、与减速箱5输出轴连接且用于卡住待测工件2 —端的三爪卡盘7以及固定在调节装置上且用于顶住待测工件2另一端的顶尖8，所述第一动力装置6与控制器3电连接。所述第一动力装置6为功率为45KW交流电机。所述三爪卡盘7本身是设有一个夹紧装置，可以手动调节三爪的松紧度。所述调节装置包括底座9、分别固定在底座9两侧的立柱10、可以在两根立柱10上Z向移动的移动横梁11以及固定在两根立柱10顶端的固定横梁12，所述两根立柱10上均设有垂直固定齿条13，所述移动横梁11两端分别通过随动齿轮箱14以及齿轮减速箱15与两根立柱10上的垂直固定齿条13啮合传动，所述齿轮减速箱15上还设有用于提供动力带动移动横梁11在Z方向上移动的第二动力装置16，所述第二动力装置16与控制器3电连接。所述减速箱5上部与工作台I固定，所述减速箱5下部与底座9固定,所述工作台I中间设有一个供减速箱5输出轴通过的通孔。所述第二动力装置为功率为15KW的步进电机。所述两根立柱10上的垂直固定齿条13的模数是2mm。所述信息获取装置包括设置在工作台I上且与工作台I滑动连接的传感器固定立柱17和光源固定立柱18，所述光源固定立柱18上设有背光源19，所述传感器固定立柱17上设有可在传感器固定立柱17上竖直移动的图像传感器20，所述背光源19以及图像传感器20均朝向被夹持装置固定的待测工件2，所述背光源19以及图像传感器20与计算机4电连接。所述光源固定立柱18与传感器固定立柱17顶部设有一个导向横梁，且所述光源固定立柱18与传感器固定立柱17均与导向横梁滑动连接，且所述导向横梁与固定横梁12固定连接。所述第三动力装置为功率为5KW的步进电机。所述的图像传感器的测量精度:小于0.0lmm,单次拍摄时间:2秒。所述传感器固定立柱上设有可在传感器固定立柱上竖直移动的图像传感器是指，所述传感器固定立柱17上设有垂直齿条21，所述垂直齿条21上设有与垂直齿条21啮合传动的齿轮箱22，所述图像传感器20设置在齿轮箱22上，且所述齿轮箱22上还设有用于提供动力带动图像传感器20在竖直方向移动的第三动力装置23，所述第三动力装置23与控制器3电连接。所述图像传感器20是设置在传感器固定板上，所述传感器固定板是设置在齿轮箱22上。所述工作台I为圆形工作台，且所述圆形工作台沿中心呈放射状均匀分布多对用于装配传感器固定立柱17以及光源固定立柱18的槽24。所述传感器固定立柱17以及光源固定立柱18设置在槽24内，且分别设置在同一直线上以圆心为中点的两个槽24内，且所述槽内还设有用于卡住传感器固定立柱17以及光源固定立柱18的装置。且所述工作台I是可以更换的，即所述传感器固定立柱17以及光源固定立柱18也需要跟这工作台I更换，这样就可以适应不同大小的待测工件2 了。所述图像传感器20包括工业电荷耦合元件以及镜头，所述镜头为定心镜头、远心镜头或者变焦镜头，所述背光源为条形光源、环形光源或者球光源。所述顶尖8上设有用于手动微调顶尖位置的第一手动调节装置25，所述齿轮箱22上设有用于手动微调图像传感器20竖直方向位置的第二手动调节装置26，所述齿轮减速箱15上设有用于手动微调移动横梁11竖直位置的第三手动调节装置27。所述第一条手动调节装置25、第二条手动调节装置26、第三条手动调节装置27均包括手动进给机构以及手轮。所述整个检测装置为四个自由度运动机构，分别为为传感器固定立柱17和光源固定立柱18可以在工作台I上滑动、图像传感器20可以在传感器固定立柱17上Z向移动、移动横梁11可以在两根立柱10上Z向移动以及三爪卡盘7可以转动。—种非接触式回转零件形状误差精度检测方法，它包括以下步骤:(I)、将待测工件放置在夹持装置上，其中一端由三爪卡盘固定，然后第二动力装置工作带动移动横梁移动，使得检测工装另一端被顶尖顶住，进而使得整个检测工装被夹持装置夹紧；(2)、手动调节光源固定立柱以及传感器固定立柱的位置，然后第三动力装置工作，调节图像传感器的高度，从而将图像传感器调节到最佳测量位置；(3)、打开背光源，通过图像传感器对待测工件进行截面测量，然后控制第一动力装置带动待测工件旋转，继续对待测工件进行测量，直到完成对工件的三维空间测量；(4)、图像传感器将测量好的图像数据传输给计算机，计算机将测量好的二维图像数据在图像域进行转换生成三维数据，并根据形状误差的不同类型生成参考基准，然后由最优算法计算出图像域形状误差分布；(5)启动图像传感器自标定算法确定出测量空间与图像空间的放大倍数，然后将图像数的形状误差数据转化为实验测量空间数据。(6)、重复步骤(2)、(3)、(4)、(5)，相继完成工件其余特征处的形状误差测量工作。如图3、图4所示步骤(4)中经过空间转换的点记为PijUij, Yij, Zij)，下标j表示第j个横截面，下标i表示横截面上的第i个点，其中I < i < 24，I < j < N，N为采集得到的横截面的个数。把零件某一截面实际轮廓和最小二乘法产生的理想圆称为伴随曲线，且这两个曲线是法向映射的，如图3。Etl为理想圆，E为实际圆轮廓，Ptl，P为法向映射点，显然PtlP为法向
误差。在理想圆Etl上设立Frenet标架:，标架矢量均为参数t的函数，即U(t)，以及i=g(/)。其中云为Etl的矢径， 令7为E的矢径，则有:
权利要求
1.一种非接触式回转零件形状误差精度检测装置，其特征在于:它包括工作台(I)、设置在工作台(I)上用于固定待测工件(2)且带动待测工件(2)延Z方向轴向转动的夹持装置、设置在工作台(I)上能在Y方向以及Z方向调节且用于获取待测工件(2 )形状信息的获取装置、用于松紧夹持装置的调节装置、控制器(3)以及计算机(4)，所述夹持装置、信息获取装置以及调节装置均与控制器(3)电连接，所述控制器(3)以及信息获取装置还与计算机(4)电连接。
2.根据权利要求1所述的非接触式回转零件形状误差精度检测装置，其特征在于:所述夹持装置包括固定在工作台(I)上的减速箱(5 )、与减速箱(5 )输入轴连接的第一动力装置(6)、与减速箱(5)输出轴连接且用于卡住待测工件(2) —端的三爪卡盘(7)以及固定在调节装置上且用于顶住待测工件(2)另一端的顶尖(8)，所述第一动力装置(6)与控制器(3)电连接。
3.根据权利要求1或2所述的非接触式回转零件形状误差精度检测装置，其特征在于:所述调节装置包括底座(9 )、分别固定在底座(9 )两侧的立柱(10 )、可以在两根立柱(10 )上Z向移动的移动横梁(11)以及固定在两根立柱(10)顶端的固定横梁(12)，所述两根立柱(10)上均设有垂直固定齿条(13)，所述移 动横梁(11)两端分别通过随动齿轮箱(14)以及齿轮减速箱(15)与两根立柱(10)上的垂直固定齿条(13)啮合传动，所述齿轮减速箱(15)上还设有用于提供动力带动移动横梁(11)在Z方向上移动的第二动力装置(16)，所述第二动力装置(16)与控制器(3)电连接。
4.根据权利要求1所述的非接触式回转零件形状误差精度检测装置，其特征在于:所述信息获取装置包括设置在工作台(I)上且与工作台(I)滑动连接的传感器固定立柱(17)和光源固定立柱(18)，所述光源固定立柱(18)上设有背光源(19)，所述传感器固定立柱(17)上设有可在传感器固定立柱(17)上竖直移动的图像传感器(20)，所述背光源(19)以及图像传感器(20)均朝向被夹持装置固定的待测工件(2)，所述背光源(19)以及图像传感器(20)与计算机(4)电连接。
5.根据权利要求4所述的非接触式回转零件形状误差精度检测装置，其特征在于:所述传感器固定立柱上设有可在传感器固定立柱上竖直移动的图像传感器是指，所述传感器固定立柱(17)上设有垂直齿条(21 )，所述垂直齿条(21)上设有与垂直齿条(21)啮合传动的齿轮箱(22 )，所述图像传感器(20 )设置在齿轮箱(22 )上，且所述齿轮箱(22 )上还设有用于提供动力带动图像传感器(20)在竖直方向移动的第三动力装置(23)，所述第三动力装置(23)与控制器(3)电连接。
6.根据权利要求4或5所述的非接触式回转零件形状误差精度检测装置，其特征在于:所述工作台(I)为圆形工作台，且所述圆形工作台沿中心呈放射状均匀分布多对用于装配传感器固定立柱(17)以及光源固定立柱(18)的槽(24)。
7.根据权利要求4或5所述的非接触式回转零件形状误差精度检测装置，其特征在于:所述图像传感器(20)包括工业电荷f禹合兀件以及镜头，所述镜头为定心镜头、远心镜头或者变焦镜头，所述背光源为条形光源、环形光源或者球光源。
8.根据权利要求2或3或5所述的非接触式回转零件形状误差精度检测装置，其特征在于:所述顶尖(8)上设有用于手动微调顶尖位置的第一手动调节装置(25)，所述齿轮箱(22)上设有用于手动微调图像传感器(20)竖直方向位置的第二手动调节装置(26)，所述齿轮减速箱(15)上设有用于手动微调移动横梁(11)竖直位置的第三手动调节装置(27)。
9.一种非接触式回转零件形状误差精度检测方法，其特征在于:它包括以下步骤: (1)、将待测工件放置在夹持装置上，其中一端由三爪卡盘固定，然后第二动力装置工作带动移动横梁移动，使得检测工装另一端被顶尖顶住，进而使得整个检测工装被夹持装置夹紧； (2)、手动调节光源固定立柱以及传感器固定立柱的位置，然后第三动力装置工作，调节图像传感器的高度，从而将图像传感器调节到最佳测量位置； (3)、打开背光源，通过图像传感器对待测工件进行截面测量，然后控制第一动力装置带动待测工件旋转，继续对待测工件进行测量，直到完成对工件的三维空间测量； (4)、图像传感器将测量好的图像 数据传输给计算机，计算机将平面二维图像数据转化为三维图像数据，并根据形状误差的不同类型生成参考基准，然后由最优算法计算出图像域形状误差分布； (5)启动图像传感器自标定算法确定出测量空间与图像空间的放大倍数，然后将图像数的形状误差数据转化为实验测量空间数据； (6)、重复步骤(2)、(3)、(4)、(5)，相继完成工件其余特征处的形状误差测量工作。
10.根据权利要求9所述的非接触式回转零件形状误差精度检测方法，其特征在于:测完一个工件后，控制第二动力装置工作，并带动夹持装置沿着Z向运动，即带动顶尖竖直方向运动，松开已经测好的待测工件。
全文摘要
本发明涉及机械制造领域，具体讲是一种非接触式回转零件形状误差精度检测装置和方法，它包括工作台(1)、设置在工作台(1)上用于固定待测工件(2)且带动待测工件(2)延Z方向轴向转动的夹持装置、设置在工作台(1)上能在Y方向以及Z方向调节且用于获取待测工件(2)形状信息的获取装置、用于松紧夹持装置的调节装置、控制器(3)以及计算机(4)，所述夹持装置、信息获取装置以及调节装置均与控制器(3)电连接，所述控制器(3)以及信息获取装置还与计算机(4)电连接。这种检测装置价格便宜、操作简单、对环境要求较低且检测效率较高，这种检测方法检测效果较好。
文档编号G01B11/24GK103196386SQ20131007831
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月12日 优先权日2013年3月12日
发明者张学昌, 梁涛, 章少剑, 张雷, 唐艳梅, 汪磊 申请人:浙江大学宁波理工学院