以参考直线为基准的激光扫描长轴直线检测装置及测量方法与流程

本发明涉及以长轴直线度检测装置领域，特别是一种以参考直线为基准的激光扫描长轴直线检测装置及测量方法。

背景技术：

轴套类工件，多是指回转体类零件，其外部有配合零件时作为轴，其内部有配合零件时作为孔，统称为轴套类零件。这类工件的尺寸精度测量，多以直线度、圆度的测量为重点，因为这两个精度指标往往直接能够反映出工件的废品率。故而对轴套类工件测量工步愈为重要。

但是现有技术中，对于长轴工件来说，由于其长度大，难以固定，且本身容易有一定的弯曲，轴套类工件的测量存在测量难度大的问题，同时由于装卡零件的固定台本身的长度也要做够长，这就导致参照基准的精度可能本身也不够高，当参照基准精度低的时候，更加难以保证测量精度。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决现有技术中长轴工件的测量精度低，难以达到要求的问题。

本发明的具体方案是：

包括滑动安装在支架上的底座，所述安装架的两侧固定安装工件卡装机构，所述工件卡装机构包括首端卡装座和尾端卡装座，在首端卡装座和尾端卡装座相对的安装面上分别同轴设置工件安装顶针，工件卡装机构间设置与主轴平行的辅助参照物；在垂直被测工件主轴的方向上安装非接触式测量机构；滑动底座上还安装有带动所述工件沿其中心轴线自转的驱动机构，所述首端卡装座和尾端卡装座上各设有锁定手柄，所述尾端卡装座上设有顶尖位移调节手柄。

具体实施中，所述辅助参照物包括两端分别处于两端的卡装座上的拉线，同时拉线上连接有张力维持机构。

具体实施中，所述张力维持机构包括设置在所述拉线两端的拉线轮，所述拉线轮安装在所述首端卡装座和尾端卡装座的内部，拉线出口向外延伸，所述拉线轮的轮轴上安装有带动轮体复位的卷簧。

具体实施中，所述辅助参照物包括设置在被测工件正下方的一组0级刀口尺。

具体实施中，所述底座包括一字型滑轨，所述首端卡装座固定在所述一字型滑轨上，所述尾端卡装座滑动安装于所述一字型滑轨上，所述驱动机构包括安装在所述首端卡座上的卡装顶针和带动所述卡装顶针转动的驱动电机，所述驱动电机与所述卡盘间连接有传动带。

具体实施中，所述非接触式测量机构包括激扫描器，所述激光扫描器包括处于被测工件两端的发射端盒体和接收端盒体，在所述发射端盒体内设有自转的多面反射镜、透镜组和激光发射器，在所述接收端盒体内设有接收透镜，所述接收透镜的焦点处设置光电管，所述透镜组包括将散射光聚合为平行光的一组凹透镜和凸透镜。

具体实施中，所述尾端卡座上设有调节尾端的卡装针的位置的定位手轮。

具体实施中，所述底座上还设有带动所述非接触式测量机构移动的动力机构，所述动力机构包括移动电机和移动电机带动的移动带，所述非接触式测量机构的底部经由滑块安装在所述移动带上。

一种长轴工件的测量方法，使用上述的测量设备，包括如下步骤：

(1)被测工件安装：将被测量工件卡装在两侧的卡装机构内，保证其稳定卡装的同时还在转动的卡装顶针的辅助下得以转动；

(2)设定辅助参照线：保持对应张力的拉线使其成一直线且与被测工件平行；

(3)测量：非接触式测量机构沿被测量工件移动，同时测量数据传输至后台处理平台进行处理，具体的处理方法如下：

a.激光器发出的细激光束投射到匀速旋转的多面反光镜上，激光束与反光镜面的交点位于f-θ透镜组的焦点上，f-θ透镜组的焦距为f0，当多面反射镜转过θ/2，则反射后的激光束沿f-θ透镜组的轴线偏转角度为θ,激光束经f-θ透镜组后，输出光束与光轴平行、且到光轴距离h为h＝f·θ；

b.多面放光镜以ω/2的角速度逆时针旋转时，从f-θ透镜组输出的激光束以f·ω的速度从窗口下沿到上沿匀速扫过测量区域；

c.设初始时刻为t0，在t0时刻，从f-θ透镜组输出的激光束扫过激光扫描器窗口的下沿；t1时刻扫过细直线的下边；t0至t1时间t1内，激光束未被遮挡，经接收透镜聚焦到光电管上，使光电管输出高电平信号，t2时刻透镜输出的激光束扫过细直线的上边，在t1至t2时间t2内，激光束被细线遮挡，光电管输出低电平信号；同样在t3、t4、t5时刻，透镜输出的激光束分别扫过被测物体的下边和上边以及窗口的上沿，在t2至t3时间t3内光电管输出高电平，在t3至t4时间t4内光电管输出低电平,在t4至t5时间t5内，光电管输出高电平，输出电平图，计算出电平图内各边沿之间的距离，对应的测算出被测工件轴线到基准细直线轴线的距离为：

代入

得出测量直线度，包括如下步骤：

d.激光器沿被测工件的轴向从工件首端位置平滑移动向尾端位置，并记录各个位置基准直线到工件中心的距离，设首端工件轴线距基准直线距离为hs,尾端为he，首尾端间距是l，则工件上沿轴线距首端距离为x处，工件轴线中心到基准直线距离理想值为：

如x处测量值为hx，则x处的直线度误差为：

取x＝0至x＝l之间δ(x)的最大值，得到

f.工件转动，激光扫描器测量长轴的直线度最大值：

使工件绕其轴线旋转一个角度α，重复上述的测量过程，得到该角度的δmax(α)；

取不同角度α时δmax(α)的最大值，即获得工件的直线度误差

步骤(2)中辅助参照物替换为刀口尺，对应的在t0时刻，透镜输出的激光束扫过刀口尺的刃边；t1时刻扫过被测物体的下边；t2时刻扫过被测物体的上边；t3时刻扫过窗口的上沿。在t0至t1时间t1内光电管输出高电平，在t1至t2时间t2内光电管输出低电平,在t2至t3时间t3内，光电管输出高电平。

被测工件轴线到刀口尺刃边距离为：

代入

得出

本发明的有益效果在于：

工件固定坚固，测量准确，可以通过调节相关部件实现对阶梯轴各个数据的测量，同时所测量数据的连续性好；

拉线的设计，保证了有合理的参照物，成本低，结构简单，便于维修，只需要控制拉线的张力保证其本身的直线度，通过测量工件与该参照物的相对距离就可以完成工件直线度的测量，克服了支架本身不平给测量结果带来的误差；

本发明还涉及到对于设备测量误差的评估，评估结果得出后放入设备说明手册，便于检测人员作出合理的参照

附图说明

图1是本发明结构的立体图；

图2是本发明另一实施例的另一角度的立体图；

图3是本发明结构的主视图；

图4是本发明结构的俯视图；

图5是本发明结构的左视图；

图6是本发明结构的右视图；

图7是本发明结构的后视图；

图8是本发明中非接触式测量机构的工作原理示意图；

图9是图7中对应的所测量的光电图；

图10是本发明中另一实施例中非接触式测量机构的工作原理示意图；

图11是图9中对应的所测量的光电图；

图中各部件名称：1.一字型滑轨；2.首端卡装座；3.尾端卡装座；4.被测工件；5.接收透镜；6.非接触式测量机构；7.发射端盒体；8.接收端盒体；9.透镜组；10.光电管；11.刀口尺；12.移动电机；13.移动带；14.顶尖位移调节手柄；15.锁定手柄；16.拉线；17.滑动轨道；18.非接触式测量机构的底部的滑块；19.驱动架；20.传动带；21.定位手轮；22.卡装顶针；23.多面反射镜；24.带动多面反射镜的电机；25.激光器；26.移动电机的支撑装置；27.非接触式测量机构的底部支座；28.安装架。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种以参考直线为基准的激光扫描长轴直线度检测装置，参见图1，图3至图6，安装架的两侧固定安装工件卡装机构，工件卡装机构包括首端卡装座和尾端卡装座，在首端卡装座和尾端卡装座相对的安装面上分别同轴设置工件安装顶针，工件卡装机构间设置与主轴平行的辅助参照物；在垂直被测工件主轴的方向上安装非接触式测量机构；滑动底座上还安装有带动工件沿其中心轴线自转的驱动机构，首端卡装座和尾端卡装座上各设有锁定手柄，尾端卡装座上设有顶尖位移调节手柄。

辅助参照物包括两端分别处于两端的卡装座上的拉线，同时拉线上连接有张力维持机构。

张力维持机构包括设置在拉线两端的拉线轮，拉线轮安装在首端卡装座和尾端卡装座的内部，拉线出口向外延伸，拉线轮的轮轴上安装有带动轮体复位的卷簧。

辅助参照物包括设置在被测工件正下方的一只组0级刀口尺。

底座包括一字型滑轨，首端卡装座固定在一字型滑轨上，尾端卡装座滑动安装于一字型滑轨上，驱动机构包括安装在首端卡座上的卡装顶针和带动卡装顶针转动的驱动电机，驱动电机与卡盘间连接有传动带。

非接触式测量机构包括激光扫描器，激光扫描器包括处于被测工件两端的发射端盒体和接收端盒体，在发射端盒体内设有自转的多面反射镜、透镜组和激光发射器，在接收端盒体内设有接收透镜，接收透镜的焦点处设置光电管，透镜组包括将散射光聚合为平行光的一组凹透镜和凸透镜。

尾端卡座上设有调节尾端的卡装针的位置的定位手轮。

底座上还设有带动非接触式测量机构移动的动力机构，动力机构包括移动电机和移动电机带动的移动带，非接触式测量机构的底部安装在移动带上。

一种长轴工件的测量方法，使用如权利要求上述的测量设备，包括如下步骤：

(1)被测工件安装：将被测量工件卡装在两侧的卡装机构内，保证其稳定卡装的同时还在转动的卡装顶针的辅助下得以转动；

(2)设定辅助参照线：保持对应张力的拉线使其成一直线且与被测工件平行；

(3)测量：非接触式测量机构沿被测量工件移动，同时测量数据传输至后台处理平台进行处理，具体的处理方法如下：

a.激光器发出的细激光束投射到匀速旋转的多面反光镜上，激光束与反光镜面的交点位于f-θ透镜组的焦点上，f-θ透镜组的焦距为f0，当多面反射镜转过θ/2，则反射后的激光束沿f-θ透镜组的轴线偏转角度为θ,激光束经f-θ透镜组后，输出光束与光轴平行、且到光轴距离h为h＝f·θ；

b.多面放光镜以ω/2的角速度逆时针旋转时，从f-θ透镜组输出的激光束以f·ω的速度从窗口下沿到上沿匀速扫过测量区域；

c.设初始时刻为t0，在t0时刻，从f-θ透镜组输出的激光束扫过激光扫描器窗口的下沿；t1时刻扫过细直线的下边；t0至t1时间t1内，激光束未被遮挡，经接收透镜聚焦到光电管上，使光电管输出高电平信号，t2时刻透镜输出的激光束扫过细直线的上边，在t1至t2时间t2内，激光束被细线遮挡，光电管输出低电平信号；同样在t3、t4、t5时刻，透镜输出的激光束分别扫过被测物体的下边和上边以及窗口的上沿，在t2至t3时间t3内光电管输出高电平，在t3至t4时间t4内光电管输出低电平,在t4至t5时间t5内，光电管输出高电平，输出电平图，计算出电平图内各边沿之间的距离，对应的测算出被测工件轴线到基准细直线轴线的距离为：

代入

得出

测量直线度，包括如下步骤：

d.激光器沿被测工件的轴向从工件首端位置平滑移动向尾端位置，并记录各个位置基准直线到工件中心的距离，设首端工件轴线距基准直线距离为hs,尾端为he，首尾端间距是l，则工件上沿轴线距首端距离为x处，工件轴线中心到基准直线距离理想值为：

如x处测量值为hx，则x处的直线度误差为：

取x＝0至x＝l之间δ(x)的最大值，得到

f.工件转动，激光扫描器测量长轴的直线度最大值：

使工件绕其轴线旋转一个角度α，重复上述的测量过程，得到该角度的δmax(α)；

取不同角度α时δmax(α)的最大值，即获得工件的直线度误差

本实施例中，在设备的调试阶段，还包括误差检测步骤：

设激光扫描测量仪的重复性误差为δr，滑动平台由线性导轨产生的行走平行度误差为δp，张紧细直线的圆度误差为δrt，张紧细直线振动产生的误差为δv，整个测量装置的测量总误差为δt。

以下均以10m长度的长轴直线度检测为例估算各种检测方法测量其直线度的误差

无基准直线的测量装置，直线度测量误差主要由激光扫描测量仪的重复性误差δr和滑动平台的行走平行度误差δp决定；

δt≈δr+δp；

激光扫描测量仪的重复性误差δr：可以达到2μm。

滑动平台的行走平行度误差δp：如使用某知名品牌的3只长度为3.5m超精密级线性滑轨，总误差为42μm；

则δt≈2μm+42μm＝44μm；

以张紧细直线为基准的测量装置，直线度测量误差主要由激光扫描测量仪的重复性误差δr、张紧细直线的圆度误差δrt以及张紧细直线振动产生的误差δv决定，而与滑动平台的行走平行度误差δp无关；

δt≈δr+δrt+δv；

张紧细直线的圆度误差δrt：以使用直径为0.5mm的琴钢丝为例，其圆度误差≤4μm。

张紧细直线振动产生的误差δv：经实验长度为10m的张紧细直线，在一般隔振条件下，δv为7μm

则δt≈2μm+4μm+7μm＝13μm

以张紧细直线为基准的测量装置在安装基底振动较小情况下，具有较高测量精度。

实施例2

本实施例原理同实施例1，具体不同之处在于：步骤(2)中辅助参照物替换为一组刀口尺，对应的在t0时刻，透镜输出的激光束扫过刀口尺的刃边；t1时刻扫过被测物体的下边；t2时刻扫过被测物体的上边；t3时刻扫过窗口的上沿。在t0至t1时间t1内光电管输出高电平，在t1至t2时间t2内光电管输出低电平,在t2至t3时间t3内，光电管输出高电平。

被测工件轴线到刀口尺刃边距离为：

代入

得出

本实施例中，对应的误差检测步骤如下:

以刀口尺为基准的测量装置，刀口尺组刀刃的直线度误差为δks，刀口尺组中单个刀口尺的直线度误差为δk，直线度测量误差主要由激光扫描测量仪的重复性误差δr、刀口尺组刀刃的直线度误差δks决定。

在安装刀口尺组时，为保证各个刀口尺刀刃的直线度，仍在刀口上方设置一张紧细直线作为参考基准，用这个参考基准来校正刀口尺组的总直线度。方法是，用激光扫描测量仪测量张紧细直线到各刀口尺两端刀刃的距离(每个端取多次测量的平均值，以消除细直线振动的影响)，调节各刀口尺，使各刀口尺两端刀刃到参考直线的距离均相等，这样刀口尺组刀刃的直线度误差δks为：

δks＝δk+δr+δrt；

其中，δk为单个刀口尺的直线度误差，δr是激光扫描测量仪的重复性误差，δrt是张紧细直线的圆度误差。

用经直线度校准的刀口尺组作为直线参考基准时，测量工件直线度的误差为：

δt≈δks+δr＝δk+2δr+δrt；

对于10m长的工件，需3只长度3.5m刀口尺，某知名品牌该规格0级刀口尺的直线度误差为δk＝16μm，取δr＝2μm，δrt＝4μm，则总的测量误差为：

δt≈16μm+2×2μm+4μm＝24μm；

以刀口尺为基准的测量装置，受安装基底振动影响较小，可以进行快速测量。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。