專利名稱：一種孔心定位法的制作方法
技術領域：
本發明涉及機械加工定位領域，特別涉及一種孔心定位法。
背景技術：
在機械設備中，圓孔往往作為一種常見的結構要素和軸、軸承等進行配合，有著廣泛的應用。機械配合級的特殊要求，使得針對任意大小的孔，加工要求都較高。在航海、航空和核電工業等一些涉及到國計民生的大型裝備上，有很聞的精度等級要求，而精確定位孔心是精加工孔時的第一步，直接影響產品質量。例如，孔心同基準的實際距離同圖紙上標稱距離的偏差形成了孔的位置度；單孔內，各圓截面的實際連心線同理想孔軸線的偏差范圍構成了孔的同軸度；另外，孔心的實際連線與工件某一基準還常有垂直度或平行度的要求， 這些參數都是孔的精度設計的組成部分，因而，能否快速、精確定位孔心，意義重大。目前，在機加工行業中，比較通用的孔心定位方法是百分表極值找正法。這種找正方法雖然可在機床坐標系下進行，但只可確定被測孔與作為基準的另一結構要素之間的相對坐標值。簡述原理如下假定基準與被測孔平行，同樣為孔，面向基準孔的截面，將機床坐標系的三個方向分別定為為左右、前后和上下。為了確定孔心同基準在左右方向的相對坐標首先，將百分表以適當角度固定在主軸附件上，主軸上下移動，測量基準孔內壁左側或右側，記錄百分表示數的最小值和此時的機床坐標；其次，保持百分表狀態不變，以同樣的方式測量被測孔，找出百分表示數最小位置后，左右移動主軸，并使百分表示數和上次記錄的最小值數據相等，此時，再次記錄機床坐標。兩次機床左右坐標值之差即為該方向上孔心和基準的相對坐標。同理，測出上下方向上的孔心相對坐標。由此可見，百分表極值找正法的操作比較復雜，對于一個經驗欠缺的操作者而言，有相當的難度；同時，整個過程所占工時較多，對大型設備加工而言，往往需要數個小時，嚴重影響工廠加工效率。另外，還有其他許多優秀的孔心定位方法，比如百分表三點找心法和標記法等。發明人在實現本發明的過程中發現現有技術中至少存在以下的缺點和不足現有技術中由于通過接觸進行孔的定位，會出現外力的干擾，影響定位的精度；通過人工讀數，會存在一定的誤差，以及測量大型工件的過程復雜度較高。

發明內容
本發明提供了一種孔心定位法，本方法實現了無接觸式定位，通過數字顯示避免了人工讀數，并以機床主軸為測量回轉軸，實現工件坐標系與機床坐標系的直接關聯，降低了測量大型工件的復雜度，詳見下文描述一種孔心定位法，所述方法包括以下步驟(I)將激光位移傳感器固定在數控機床的主軸上隨所述主軸旋轉；(2)所述激光位移傳感器沿圓周掃描并沿豎直方向運動，通過所述激光位移傳感器獲取孔內表面和激光出射點之間的距離e，每一周內紀錄一次e的幅值，獲取e在豎直方向最小幅值，所述豎直方向最小幅值對應的點為轉折點，在所述轉折點回轉軸線同孔心距離a最小；(3)所述激光位移傳感器從所述轉折點開始沿圓周掃描并沿水平移動，每一周內紀錄一次e水平方向的幅值，獲取e在水平方向最小幅值，所述水平方向最小幅值對應的回轉軸線和孔心重合，此時，機床的數顯坐標值即為孔心坐標；(4)在所述主軸端，無線發射模塊同所述激光位移傳感器直接相連，實時發送所述激光位移傳感器采集的e的所有值；(5)數據接收端實時接收所述e的所有值，對所述e的所有值進行去噪處理，并將處理后的所述e在每周內的幅值進行顯示。所述獲取孔內表面和激光出射點之間的距離e具體為e =」R2 + a2 xcos(2^) + 2xaxcos(^)x^R2 - a2 sin2(沒)-b2 -yjr2 -b2其中，0是被測圓孔的軸心，O1為激光位移傳感器的旋轉軸軸心，SP為激光位移傳感器的入射光軸，T為O1至光軸的垂足，e為孔內表面和激光出射點之間的距離，Θ為激光位移傳感器的轉動角度，令O1O' O1T' O1Q' O1P和OP為a，b，r、L和R0當主軸旋轉，Θ不斷變化時，一周內e的幅值為emax = ^Jr2 +a2 +2xaxR-b2 -yjr2 -b2式中R、b、r恒定不變，e的幅值取最小,對應的偏心距a為O。一種孔心定位法，所述方法包括以下步驟(I)將激光位移傳感器固定在數控機床的主軸上隨所述主軸旋轉；(2)所述激光位移傳感器沿圓周掃描并沿水平方向運動，通過所述激光位移傳感器獲取孔內表面和激光出射點之間的距離e，每一周內紀錄一次e的水平方向幅值，獲取e 在水平方向最小幅值，所述水平方向最小幅值對應的點為轉折點，在所述轉折點回轉軸線同孔心距離a最小；(3)所述激光位移傳感器從所述轉折點開始沿圓周掃描并沿豎直移動，每一周內紀錄一次e豎直方向的幅值，獲取e在豎直方向最小幅值，所述豎直方向最小幅值對應的回轉軸線和孔心重合，此時，機床的數顯坐標值即為孔心坐標；(4)在所述主軸端，無線發射模塊同所述激光位移傳感器直接相連，實時發送記錄到的e的所有值；(5)數據接收端實時接收所述e的所有值，對所述e的所有值進行去噪處理，并將處理后的e在每周內的幅值進行顯不。本發明提供的技術方案的有益效果是本發明提供了一種孔心定位法，本發明以非接觸式定位替代現有的接觸式定位方法，排除受力干擾；測量結果數字化，從而為自動和半自動定位奠定基礎，避免了人工讀數造成的誤差；該方法與現有“百分表極值找正法”相比具有調整少、讀數快優點，能顯著減少圓心定位的時間；若以機床主軸為測量回轉軸，將實現工件坐標系與機床坐標系的直接關聯，這將為工件調整、及后續加工帶來很大便利性，降低了測量大型工件的復雜度，并且通過較少次數的水平方向逼近和豎直方向逼近，就可以實現孔心的精確定位，減少了操作的復雜度，滿足了實際應用中的需要。


圖I為本發明提供的光軸、旋轉軸和內孔軸線三者位置的示意圖；圖2為本發明提供的激光位移傳感器豎直方向移動完畢狀態的示意圖；圖3為本發明提供的三維數控鏜床上的圓孔定心的示意圖；圖4為本發明提供的測頭裝置模型示意圖；圖5為本發明提供的一種孔心定位法的流程圖；圖6為本發明提供的一種孔心定位法的另一流程圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地詳細描述。實施例I為了實現無接觸式定位，通過數字顯示避免了人工讀數，并以機床主軸為測量回轉軸，實現工件坐標系與機床坐標系的直接關聯，降低了測量大型工件的復雜度，參見圖I、 圖2和圖5，本發明實施例提供了一種孔心定位法，詳見下文描述101 :將激光位移傳感器固定在數控機床的主軸上隨主軸旋轉；其中，激光位移傳感器是一種基于激光三角測量法的位移傳感器，體積小，對較大尺寸的孔測量而言，不受空間約束的影響；同時，它具有一定的工作距離，是一種能進行非接觸測量的位移傳感器；激光位移傳感器的相對測量精度很高，可優于萬分之八，選擇適當的量程，其絕對測量精度可達微米級甚至亞微米級。102:激光位移傳感器沿圓周掃描并沿豎直方向運動，通過激光位移傳感器獲取孔內表面和激光出射點之間的距離e，每一周內紀錄一次e的幅值，獲取e在豎直方向最小幅值，豎直方向最小幅值對應的點為轉折點，在轉折點，回轉軸線同孔心距離a(偏心距)最其中，當孔內表面各點處在激光位移傳感器的工作范圍內時，可測出孔內表面與激光出射點之間的距離。其中，獲取豎直方向最小幅值具體為當記錄的e的幅值從大變小，再從小變到大后，即存在轉折點，表明在豎直方向上，該處有最小偏心距a。其中，激光位移傳感器沿圓周掃描并沿豎直方向運動時，可以沿豎直方向向上運動，或沿豎直方向向下運動，參見圖2，本發明實施例是以豎直方向向下運動為例進行說明， 具體實現時，本發明實施例對此不做限制。當被測圓孔軸線和激光位移傳感器的回轉中心平行時，模型如圖I所示。O是被測圓孔的軸心，O1為激光位移傳感器的旋轉軸軸心，SP為激光位移傳感器的入射光軸，T為O1 至光軸的垂足，e為孔內表面和激光出射點之間的距離，Θ為激光位移傳感器的轉動角坐標，并且，激光位移傳感器可沿水平和垂直方向移動。分別令O1CK O1T, O1Q, O1P和OP為a， b，r、L和R，在三角形O1TP中，有L =養Jr2-b2 +ej +b2 = ^jr2 +e2 +2xex^Jr2-b2(I)由上式可知，如果已知r和b，那么當e在整個圓周上取不同值時，L必然有最大值和最小值，理論上，最大值和最小值之差的一半即為偏心距a。此時，若能建立一個關于Θ 的絕對式角位移系統，就可以立即確定孔心位置Ox = 0lx_aX cos ( Θ ) ;0y = 0ly_aX sin ( Θ )。其中0X、Oy為所求孔心的X、Y軸坐標，Olx, Oly為主軸軸線的X、Y軸坐標(機床在 X和Y軸的數值顯示值)。但建立絕對式角位移系統的不但成本高，而且自身就是新的誤差源。此外，這種方法還需精確標定r和b，增加了定心的難度。由公式(I)還可看出，即使不知道!■和b，只要它們在激光位移傳感器回轉過程中， 保持恒定，那么當e取最大值時，L同樣取最大值。在三角形OO1P2中，由余弦定理可知e = ^R2 + a2 X cos(2^) + 2 x a x cos(^) x R2 - a2 sin2 (0)-b2 - -Jr2 -b2(2)從上式可知，當主軸旋轉，Θ不斷變化時，一周內e的幅值為emax = ^Jr2 +a2 +2xaxR-b2 -yjr2 -b2(3)由式(2)還可知，激光位移傳感器始終保持旋轉狀態，當角速度恒定時，e是一條關于時間的“類正弦”的曲線。如圖2所示，激光位移傳感器沿圓周掃描，并沿豎直方向向下運動時，每一周內紀錄一次e的幅值emax，emax經歷了從大變小，再從小變大的過程。豎直移動激光位移傳感器至emax最小的位置，又因R、r、b始終不變，由式(3)可知，該處有最小偏心距a，到達如圖2所示位置。103:激光位移傳感器從轉折點開始沿圓周掃描并沿水平移動，每一周內紀錄一次 e水平方向的幅值，獲取e在水平方向最小幅值，水平方向最小幅值對應的回轉軸線和孔心重合，此時，機床的數顯坐標值即為孔心坐標；其中，獲取水平方向最小幅值具體為當記錄的e的水平方向幅值比其它任何周期內的水平幅值都小時，獲取e在水平方向最小幅值，說明此時回轉中心到達孔心位置。其中，激光位移傳感器沿圓周掃描并沿水平方向運動時，可以沿水平方向向右運動，或沿水平方向向左運動，參見圖2，本發明實施例是以水平方向向右運動為例進行說明， 具體實現時，本發明實施例對此不做限制。104 :在主軸端，無線發射模塊同激光位移傳感器直接相連,實時發送激光位移傳感器采集的e的所有值；105 :數據接收端實時接收e的所有值，對e的所有值進行去噪處理，并將處理后e 在每周內的幅值進行顯示。其中，具體實現時，可以在操作員操作方便的位置，安放數據接收端，并進行去噪、 求e的幅值、曲線和結果顯示等數據處理。通過上述方法解決了電源線、信號線因傳感器旋轉而繞線的問題，并且由于采用數字顯示減少了人工讀數誤差。實際應用中，此方法同移動方向(水平或豎直)的先后順序無關，參見實施例2，同時，若能將所測數據顯示成關于時間的圖形，為此還將看到“類正弦”曲線被拉直。實施例2為了實現無接觸式定位，通過數字顯示避免了人工讀數，并以機床主軸為測量回轉軸，實現工件坐標系與機床坐標系的直接關聯，降低了測量大型工件的復雜度，參見圖I、 圖2和圖6，本發明實施例提供了一種孔心定位法，詳見下文描述201 :將激光位移傳感器固定在數控機床的主軸上隨主軸旋轉；
其中，激光位移傳感器是一種基于激光三角測量法的位移傳感器，體積小，對較大尺寸的孔測量而言，不受空間約束的影響；同時，它具有一定的工作距離，是一種能進行非接觸測量的位移傳感器；激光位移傳感器的相對測量精度很高，可優于萬分之八，選擇適當的量程，其絕對測量精度可達微米級甚至亞微米級。202:激光位移傳感器沿圓周掃描并沿水平方向運動，通過激光位移傳感器獲取孔內表面和激光出射點之間的距離e，每一周內紀錄一次e的水平方向幅值，獲取e在水平方向最小幅值，水平方向最小幅值對應的點為轉折點，在轉折點回轉軸線同孔心距離a(偏心距)最小；其中，當孔內表面各點處在激光位移傳感器的工作范圍內時，可測出孔內表面與激光出射點之間的距離。其中，激光位移傳感器沿圓周掃描并沿水平方向運動時，可以沿水平方向向右運動，或沿水平方向向左運動，參見圖2，本發明實施例是以水平方向向右運動為例進行說明， 具體實現時，本發明實施例對此不做限制。203:激光位移傳感器從轉折點開始沿圓周掃描并沿豎直移動，每一周內紀錄一次 e豎直方向的幅值，獲取e在豎直方向最小幅值，豎直方向最小幅值對應的回轉軸線和孔心重合，此時，機床的數顯坐標值即為孔心坐標；其中，步驟202和步驟203的執行過程參見實施例1，在此不再贅述。其中，激光位移傳感器沿圓周掃描并沿豎直方向運動時，可以沿豎直方向向上運動，或沿豎直方向向下運動，參見圖2，本發明實施例是以豎直方向向下運動為例進行說明， 具體實現時，本發明實施例對此不做限制。204 :在主軸端，無線發射模塊同激光位移傳感器直接相連，實時發送記錄到的e 的所有值；205 :數據接收端實時接收e的所有值，對e的所有值進行去噪處理，并將處理后e 在每周內的幅值進行顯示。其中，步驟204和步驟205的執行過程參見實施例1，在此不再贅述。下面以一個具體的試驗來驗證本發明實施例提供的一種孔心定位方法的可行性， 詳見下文描述試驗條件為200坐標鏜床、船用發動機缸體、Zigbee無線發送模塊和接受模塊、 德國米銥ILD 1700-10LL激光位移傳感器；測量環境內孔表面粗糙度為6級，溫度為25攝氏度。參見圖3和圖4，以船用發動機缸體的凸輪孔在鏜床上定位為例，單一激光位移傳感器及Zigbee無線發送模塊構成孔心定位專用測頭。以適當方式與鏜削頭主軸固定，可隨主軸回轉。將激光位移傳感器沿徑向調整到進入工作范圍。當主軸旋轉時，以激光位移傳感器連續獲取的數據集合為縱軸，時間為橫軸，若構成“類正弦”曲線，表明主軸回轉中心與孔心軸線不重和。利用數控機床的手搖脈沖發生器，驅動機床沿某一坐標軸移動。隨著主軸的移動，正弦曲線幅值將增大或減小。“減小”表明調整方向正確，否則需反向移動機床。 當移動至曲線幅值達到最小時，表明坐標軸方向上鏜頭主軸已經與孔心線重合。同樣方法調整與之正交的另一軸。最終，正弦曲線蛻化為直線，表明鏜頭主軸已經與孔心線完全重合。通過本發明實施例提供的定位方法，激光位移傳感器先豎直方向向下移動，再水平方向向右移動為例進行說明，執行一次豎直方向逼近和一次水平方向逼近就能精確定位孔心， 操作簡單方便；而回轉軸線和孔心軸線的平行度有偏差較小時，該方法依然適用。經理論計算，在定位直徑為75的圓心，兩軸線夾角為5'時，最多只需進行四次水平方向逼近和四次豎直方向逼近就能實現精確定位，定位誤差不超過2微米。并且定位后，孔心軸線和機床主軸重合，如果機床主軸具有坐標信息(數控機床)，還能直接建立起工件坐標和機床坐標的聯系。值得說明的是，本方法的定心精度與激光位移傳感器的測量精度、數據處理的精度和機床主軸的回轉精度有關。綜上所述，本發明實施例提供了一種孔心定位法，本發明實施例以非接觸式定位替代現有的接觸式定位方法，排除受力干擾；測量結果數字化，從而為自動和半自動定位奠定基礎，避免了人工讀數造成的誤差；該方法與現有“百分表極值找正法”相比具有調整少、 讀數快優點，能顯著減少圓心定位的時間；若以機床主軸為測量回轉軸，將實現工件坐標系與機床坐標系的直接關聯，這將為工件調整、及后續加工帶來很大便利性，降低了測量大型工件的復雜度，并且通過較少次數的水平方向逼近和豎直方向逼近，就可以實現孔心的精確定位，減少了計算得復雜度，滿足了實際應用中的需要。本領域技術人員可以理解附圖只是一個優選實施例的示意圖，上述本發明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優劣。以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種孔心定位法，其特征在于，所述方法包括以下步驟(1)將激光位移傳感器固定在數控機床的主軸上隨所述主軸旋轉；(2)所述激光位移傳感器沿圓周掃描并沿豎直方向運動，通過所述激光位移傳感器獲取孔內表面和激光出射點之間的距離e，每一周內紀錄一次e的幅值，獲取e在豎直方向最小幅值，所述豎直方向最小幅值對應的點為轉折點，在所述轉折點，回轉軸線同孔心距離a 最小；(3)所述激光位移傳感器從所述轉折點開始沿圓周掃描并沿水平移動，每一周內紀錄一次e水平方向的幅值，獲取e在水平方向最小幅值，所述水平方向最小幅值對應的回轉軸線和孔心重合，此時，機床的數顯坐標值即為孔心坐標；(4)在所述主軸端，無線發射模塊同所述激光位移傳感器直接相連，實時發送所述激光位移傳感器采集的e的所有值；(5)數據接收端實時接收所述e的所有值，對所述e的所有值進行去噪處理，并將處理后的所述e在每周內的幅值進行顯示。
2.根據權利要求I所述的一種孔心定位法，其特征在于，所述獲取孔內表面和激光出射點之間的距離e具體為
3.—種孔心定位法，其特征在于，所述方法包括以下步驟(1)將激光位移傳感器固定在數控機床的主軸上隨所述主軸旋轉；(2)所述激光位移傳感器沿圓周掃描并沿水平方向運動，通過所述激光位移傳感器獲取孔內表面和激光出射點之間的距離e，每一周內紀錄一次e的水平方向幅值，獲取e在水平方向最小幅值，所述水平方向最小幅值對應的點為轉折點，在所述轉折點回轉軸線同孔心距離a最小；(3)所述激光位移傳感器從所述轉折點開始沿圓周掃描并沿豎直移動，每一周內紀錄一次e豎直方向的幅值，獲取e在豎直方向最小幅值，所述豎直方向最小幅值對應的回轉軸線和孔心重合，此時，機床的數顯坐標值即為孔心坐標；(4)在所述主軸端，無線發射模塊同所述激光位移傳感器直接相連，實時發送記錄到的 e的所有值；(5)數據接收端實時接收所述e的所有值，對所述e的所有值進行去噪處理，并將處理后的e在每周內的幅值進行顯示。
全文摘要
本發明公開了一種孔心定位法，激光位移傳感器沿圓周掃描并沿豎直方向運動，獲取孔內表面和激光出射點之間的距離e，每一周內紀錄一次在豎直方向上e的幅值，該幅值不斷變化，以幅值最小時對應的位置為轉折點；從轉折點開始沿圓周掃描并沿水平移動，到達e在水平方向有最小幅值的位置，此時傳感器的回轉軸線和孔心重合，獲取數控機床或其它數顯運動臺顯示的位置坐標，即為孔心坐標；無線發射模塊同激光位移傳感器直接相連，實時發送傳感器測量的e的所有值；數據接收端實時接收e的所有值，對其進行去噪處理，并將處理后每周內的e的幅值進行顯示。本方法通過較少次數的水平方向逼近和豎直方向逼近，實現了孔心的精確定位，減少了操作的復雜度。
文檔編號B23Q17/20GK102581702SQ201210005308
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月9日 優先權日2012年1月9日
發明者劉新波, 栗琳, 王仲, 蘇野, 邾繼貴 申請人:天津大學