基于非接触光学的金刚石滚轮石墨型腔测量方法.pdf
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1、 仪器仪表/检测/监控现代制造工程()年第 期基于非接触光学的金刚石滚轮石墨型腔测量方法曹朋来张瑞朱振伟段玥晨(郑州大学机械与动力工程学院郑州)摘要:为了实现对金刚石滚轮石墨型腔的高精度测量建立了基于激光同轴位移传感器的型腔轮廓测量系统介绍了系统组成与测量原理、系统坐标系建立及参数标定方法并提出型腔径向圆跳动与轴向圆弧轮廓度参数的测量计算方法试验结果表明径向圆跳动的测量标准差为.轴向圆弧半径测量值最大偏差为.圆弧轮廓度测量值最大偏差为.测量精度高关键词:非接触测量金刚石滚轮石墨型腔径向圆跳动轮廓度中图分类号:文献标志码:文章编号:():./.():.:引言由于石墨具有许多优良的性能如:耐高温、
2、易加工等常用于制造金刚石滚轮的过渡基体 使用时将石墨加工出与所需滚轮形状相反的且具有较高精度的内轮廓面将金刚石按一定方式固结在内轮廓面上最终得到的金刚石滚轮外形为石墨模具的内轮廓面 只要能保证石墨模具内轮廓面的尺寸精度基本能得到与其相当精度的金刚石滚轮 然而石墨模具在加工时必然存在加工误差且内轮廓加工精度并无直接检测手段因此研究准确、有效的检测方法具有重要的实际意义金刚石滚轮石墨模具是具有复杂内轮廓的回转体工件 目前根据测量原理的不同对于回转体工件内轮廓的测量技术可分为接触式测量和非接触式测量 接触式测量方法主要有百分表测量、三坐标测量机测量和接触式位移传感器测量接触式测量有着测量精度高和可靠
3、性高的优点但也存在测量速度缓慢、无法测量复杂型面的缺点 非接触式测量又可分为基于光学原理的测量和非光学原理的测量基于非光学原理的测量方法主要有超声法、电磁法和涡流法 其中超声法主要用于工件内部缺陷检测无法检测几何参数 由于石墨材料的特殊性利用材料电磁特性的电磁法与涡流法并不适用于此 基于光学原理的测量方法由于其测量效率高、灵活可调等优点近年来被广泛使用 光学原理的测量方法主要有环形光切法、光纤测量法和激光三角法 其中环形光切法主要适用于管道内壁测量光纤测量法主要适用于孔径测量激光三角法检测效率高、精度好且应用场景广泛但激光三角传感器尺寸较大由于石墨型腔的内径限制导致设置测量头困难本文提出基于激
4、光同轴位移传感器的非接触测曹朋来等:基于非接触光学的金刚石滚轮石墨型腔测量方法 年第 期量方法相比激光三角传感器其尺寸更小测量头设置灵活 并设计检测系统的机械结构和内轮廓几何参数的检测方法以期实现石墨模具内轮廓的准确测量为提高其加工质量提供实际指导意义 测量系统设计金刚石滚轮石墨型腔是由母线绕轴线旋转一周形成的回转曲面母线是由直线、圆弧及其组合构成石墨型腔结构示意如图 所示 加工后石墨型腔的径向圆跳动参数及轴向截面中的圆弧轮廓度参数是重要的检测对象因此对石墨型腔的检测就是对其径向及轴向截面参数的检测图 石墨型腔结构示意.激光同轴检测方案设计图 所示为激光同轴传感器测量原理示意图 激光同轴传感器
5、测量原理示意由图)所示激光同轴位移传感器测量原理可知由激光器发出的光源经物镜与分光镜到达被测件表面形成光斑漫反射光线沿原路径返回并被光电转换器接收将物镜焦点对被测表面的偏移量变成位移量 本文激光同轴检测方案采用 系列传感器 由于石墨型腔待测表面为内表面受到内径尺寸的限制无法直接使用传感器进行测量 为此可以将传感器与反射镜组合(见图)在不改变测量原理的情况下实现工件内表面的测量.测量系统构成与原理图 所示为本文测量系统结构组成示意 本文测量系统主要由机械系统、数据采集系统、运动控制系统与数据处理系统构成图 本文测量系统结构组成示意测量径向截面时激光传感器在轴向运动导轨的带动下进入型腔测量区域内回
6、转机构带动工件做整周回转运动以获取该截面的整周测量数据随后传感器在轴向运动导轨的带动下沿轴线方向运动一定距离即可进行下一个径向截面的测量 测量轴向截面时激光传感器在轴向运动导轨的带动下沿工件轴线方向运动以获取工件轴向截面数据回转机构带动工件做旋转运动以获取不同角度的轴向截面数据.测量坐标系建立为了让激光同轴位移传感器得到的距离值转变成三维坐标需要建立测量系统坐标系 以旋转台所在平面为三维坐标系 面以旋转台中心点 为三维坐标系原点以垂直于 面且向上的方向为 轴正向根据笛卡尔右手准则建立本文测量系统的坐标系如图 所示图 本文测量系统的坐标系 测量系统标定在实际测量时由于存在安装误差工件的设计中心与
7、转台的回转中心 并不重合而激光同轴位移 年第 期现代制造工程()传感器的测量值为被测表面到激光零点的距离 为了获得激光零点至回转中心 的距离 需要在测量之前对测量系统进行标定系统标定示意如图 所示图 系统标定示意用已知内径为 的标准环规标定测量系统 在环规整周旋转过程中传感器得到一系列采样值 记采样值中的最大值为 最小值为 则有:()由式()可得激光零点到回转中心的距离 为:()()利用上述方法即可完成标定 完成标定后再对待测件进行测量 根据激光同轴位移传感器测得的一系列距离值再结合测量点与起始点的角度即可得到该点的坐标信息 石墨型腔测量流程完成测量系统标定后即可进行石墨型腔的测量试验下面介绍
8、石墨型腔的测量流程.径向圆跳动测量流程由径向圆跳动定义可知径向圆跳动测量的关键在于建立回转面的基准轴线 本文石墨型腔基准轴线建立采用最小区域法 通过该算法首先获取型腔多个径向截面轮廓的最小区域圆心坐标接着对各径向截面圆心进行最小区域基准轴线拟合以获取基准轴线方程然后将各径向截面测量点进行坐标变换使测量轴线与基准轴线重合后再评定径向圆跳动.基准轴线建立设被测径向截面轮廓上的采样点坐标为()满足最小区域的包容圆圆心为()各采样点到某一圆心()的距离为:()()()最小区域圆心的目标函数()应为:()()()由式()可知最小区域圆心的求解过程属于非线性函数的优化过程通过优化算法即可求解最小区域的圆心
9、设基准轴线过 平面上的点()其方向向量为 则基准轴线的方程为:()式中:()为基准轴线上任一点的坐标则各采样径向截面的圆心()()到基准轴线的距离 为:()式中:为所测径向截面数量由式()可知各径向截面圆心到基准轴线的距离 是关于变量()的函数因此最小区域基准轴线需满足的目标函数()应为:()()()故求最小区域基准轴线的问题就是以式()为目标函数的非线性优化问题求出式()的最优解即可得到基准轴线方程本文使用智能优化算法中的人工蜂群()算法求解基准轴线的优化问题 相比于遗传算法、粒子群算法 算法具有鲁棒性强、复杂度低等优点 算法流程如图 所示.坐标变换与径向圆跳动评定评定径向圆跳动误差需要在垂
10、直于基准轴线的径向截面内进行 本文测量坐标系是以工件回转轴线为 轴而建立的因此需要将测量坐标系的 轴通过坐标变换使其与基准轴线重合由本文第.节可以得到基准轴线的方程为:()式()可进一步写为:()曹朋来等:基于非接触光学的金刚石滚轮石墨型腔测量方法 年第 期图 算法流程由式()可以看出基准轴线可看作 个分别垂直于二维平面 和 的平面的交线 为了推导出坐标变换公式可以利用该特征得到坐标系的变换路径图 所示为本文坐标变换示意图 本文坐标变换示意本文坐标变换的具体步骤如下)将原测量坐标系沿 轴正向平移使原点 与点(点 为基准轴线在 面的投影直线 与 轴的交点)重合可得到新坐标系(见图)在平面 内绕
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