大型回轉(zhuǎn)類工件形位誤差的激光在線測量研究*

羅小燕 姜志宏 王 蕓 邢聰文

（①江西理工大學(xué)機電工程學(xué)院，江西贛州 341000；②江西理工大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)，江西贛州 341000）

大型回轉(zhuǎn)類工件形位誤差的激光在線測量研究*

羅小燕①姜志宏①王 蕓②邢聰文②

（①江西理工大學(xué)機電工程學(xué)院，江西贛州 341000；②江西理工大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)，江西贛州 341000）

回轉(zhuǎn)類工件的形位誤差測量是檢驗該類工件加工質(zhì)量的重要指標(biāo)，針對大型回轉(zhuǎn)類工件的加工環(huán)境，給出了大型回轉(zhuǎn)類工件的在線測量方案，以被測大型工件的已加工面作為定位基準面和夾緊面，使測量裝置安裝在被測工件上，應(yīng)用激光脈沖測距技術(shù)和伺服控制技術(shù)實現(xiàn)對大型回轉(zhuǎn)類工件形位誤差的測量。

大型回轉(zhuǎn)類工件 在線測量 定位 激光測距

在機械產(chǎn)品中，回轉(zhuǎn)類工件（如軸、盤、蓋、孔等）是一種很重要的基本工件，回轉(zhuǎn)體工件的形位誤差測量是檢驗該類工件加工質(zhì)量的重要指標(biāo)之一［1］。我國大部分機械加工企業(yè)的形位誤差檢測設(shè)備和檢測方法明顯落后于加工技術(shù)的發(fā)展，嚴重制約了我國機械工業(yè)的發(fā)展［2］。國外在形位誤差的測量方面常用儀器有三坐標(biāo)測量機、圓度儀和形狀測量儀（系統(tǒng)）等，僅限于中小尺寸的工件，且檢測項目較為單一，不能用于大尺寸工件的形狀誤差和位置誤差的測量，更不能在安裝現(xiàn)場對大型零部件的安裝誤差進行測量。因此，研制一種性價比高、精確度高、適用于工作現(xiàn)場的大型回轉(zhuǎn)類工件測量系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 傳統(tǒng)形位誤差的檢測方法

回轉(zhuǎn)類工件傳統(tǒng)的形位誤差測量方法普遍采用轉(zhuǎn)軸式或轉(zhuǎn)臺式［1］，這種測量方式的主要缺陷有：對轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)精度要求很高；被測工件的質(zhì)量、體積受到限制；被測工件轉(zhuǎn)動時定心困難；工件安裝誤差無法控制等。轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)式測量原理如圖1所示。

2 在線測量的設(shè)計思路

針對傳統(tǒng)形位誤差測量時存在的問題，本系統(tǒng)采用一種被測工件加工完成后保持不動，由測量裝置（測頭）圍繞被測工件旋轉(zhuǎn)的在線測量方法。設(shè)計思路如圖2所示。

在工作現(xiàn)場，為了有效地對大型回轉(zhuǎn)類工件的形位誤差進行測量，首先要根據(jù)被測工件的特征設(shè)計一個定位與夾緊裝置，然后以被測工件的已加工面作為定位基準面和夾緊面，采用非接觸式檢測原理將測量儀器安裝到被測工件上。三維結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

測量步驟為：首先將測量裝置的徑向定位裝置和端面定位塊分別貼合在被測工件的端面上進行找正，使測量基準與被測工件的設(shè)計基準重合；然后通過鎖緊螺母使徑向定位裝置夾緊被測工件，從而使測量裝置固定在被測工件的定位面上；最后由安裝在定位支架上的驅(qū)動電動機帶動傳感器支架圍繞被測工件做旋轉(zhuǎn)運動，使傳感器能夠按照給定的采樣點數(shù)進行數(shù)據(jù)采集，完成測距。

3 在線測量系統(tǒng)的組成和工作原理

在線測量系統(tǒng)由定位與夾緊裝置、激光傳感器、驅(qū)動電動機和單片機四部分組成。測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

（1）傳感器的選擇與工作原理

為達到高精度的測量需求，本系統(tǒng)采用非接觸式測量距離，測距傳感器選用瑞士產(chǎn)的DLS－B（H）激光傳感器。該傳感器具有精度高、抗干擾強、體積小、質(zhì)量輕便等特點。

由激光傳感器對被測目標(biāo)發(fā)射一個光脈沖信號，然后接收從目標(biāo)反射回來的回波光信號，通過測量光信號往返的時間，可計算出傳感器與目標(biāo)之間的距離。激光傳感器的測距原理如圖5所示。

設(shè)傳感器與目標(biāo)之間的距離為L，光信號往返所走過的距離為2L，則 t=2L/c，即 L=ct/2。式中：c為光在空氣中傳播速度，c≈3.0×108m/s；t為光脈沖信號往返所經(jīng)過的時間；L為傳感器與目標(biāo)之間的距離。

若假設(shè)系統(tǒng)的時鐘脈沖振蕩周期為T，計數(shù)器示數(shù)為n，則光脈沖信號往返所經(jīng)過的時間為：t=nT，代入測距公式，有：L=cnT/2=nd。式中 d=cT/2，就是在時間間隔T內(nèi)激光往返所走的一個單位距離。所以只需先選定一個d值，記下計數(shù)系統(tǒng)的脈沖數(shù)目n，就可以測出待測距離L。

（2）驅(qū)動電動機與單片機的選擇

驅(qū)動電動機的作用是帶動傳感器圍繞被測工件做旋轉(zhuǎn)運動，需要實現(xiàn)低速、平滑旋轉(zhuǎn)，因此選用四通公司56BYG250C－0241型混合式步進電動機。

電動機和傳感器的工作都需要由單片機控制，本系統(tǒng)選用ATMEL89系列單片機。AT89C51中的4KB程序存儲器可用于存儲步進電動機控制程序和激光傳感器的控制程序。另外擴展32KB數(shù)據(jù)存儲器62256，用來暫存測量的距離數(shù)據(jù)。

（3）基于單片機的測距系統(tǒng)工作原理

將被測工件定位后，首先設(shè)定采樣點數(shù)（由被測工件的直徑確定）和采樣截面數(shù)（由被測工件的高度確定），然后由單片機控制傳感器對被測工件的某個目標(biāo)進行測距，即一次定位后測量一個截面的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)假設(shè)對該大型回轉(zhuǎn)類工件一共采樣5個截面，每個截面采樣36個點，即傳感器圍繞被測工件每旋轉(zhuǎn)一圈采樣36個數(shù)據(jù)。該采樣點數(shù)一般取能夠被360整除的數(shù)，如36，72，144等，在每個采樣點上又檢測五個數(shù)據(jù)，然后求其平均值作為該次測量的有效數(shù)據(jù)存入單片機，同時單片機發(fā)出信號控制驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)過一定角度，然后對下一個點進行測量，依次測量完36個點，即一個截面的數(shù)據(jù)，保證步進電動機旋轉(zhuǎn)一周正好采樣36個數(shù)據(jù)。在完成該采樣截面的測量后，電動機停止轉(zhuǎn)動，使位移傳感器上下移動，再重新啟動驅(qū)動電動機，實現(xiàn)對其它采樣截面的測量，直到所有截面采樣完成為止。

4 誤差分離的設(shè)計思路

存放在單片機中的距離參數(shù)可以通過串口發(fā)送到上位機（PC機）中，由上位機中的評定模型對數(shù)據(jù)進行分析和處理，得出被測大型回轉(zhuǎn)類工件的誤差評定結(jié)論。

5 結(jié)語

根據(jù)大型回轉(zhuǎn)類工件在線測量的需要，設(shè)計了專門的定位與夾緊裝置；采用被測工件不動、由檢測儀器旋轉(zhuǎn)的測量方法，突破了傳統(tǒng)檢測方法引起的受被測工件質(zhì)量、體積和高度的限制；選用高精度的激光脈沖測距傳感器，實現(xiàn)了非接觸式測量的高精度要求。因此這是一種較為理想的針對大型回轉(zhuǎn)類工件的在線測量方法。

1 劉偉，張明.大中型軸類工件形位誤差測量機的設(shè)計.組合機床與自動化加工技術(shù)，2006（4）

2 鄭育軍，黃富貴.國內(nèi)外形位誤差研究進展.工具技術(shù)，2006（11）

如果您想發(fā)表對本文的看法，請將文章編號填入讀者意見調(diào)查表中的相應(yīng)位置。

Study of On－line Measurement Using Laser Technology on Form and Position Errors of Large－scale Rotary Parts

LUO Xiaoyan①，JIANG Zhihong①，WANG Yun②，XING Congwen②
（ School of Mechanical and Electrical Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，CHN；②Professional of Measurement and Control Technology&Equipment，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，CHN）

The measurement of form and position errors of large － scale rotary parts is an important indicator to test their processing quality.Aiming at the processing environment of large－scale rotary parts，an on－line measuring method based on laser technology has been proposed in this paper.Firstly，the machined surface of large－scale rotary parts was treated as base level for localizing and clamped level，and then the measuring equipment was mounted on the part to be tested.At last the ranging technology with laser pulse and servo control technology were applied to realize the measurement of form and position errors of large－scale rotary parts.

Large － scale Rotary Parts；On － line Measure；Mapping；Laser Ranging

* 江西省大學(xué)生創(chuàng)新實驗項目（項目編號：09313）

羅小燕，女，1967年生，副教授，主要研究方向測控技術(shù)與儀器，機械電子，已發(fā)表論文15篇。

（編輯 余 捷） （

2009－07－21）

10128