一种回转体突变截面轴向尺寸测量方法

摘要

本发明属于测量仪器制造及测量技术领域，特别是一种回转体突变截面轴向尺寸高精度自动测量方法。其原理是利用高精度线阵CCD光学成像技术和高精密运动控制技术，通过对回转体纵截面轮廓线的快速测量得到回转体的轮廓数据，计算回转体轮廓线的曲率变化，求取轮廓线上曲率变化的局部极值点，得到突变截面的轴向位置，从而计算出突变截面的轴向尺寸。该方法适用于对各种复杂回转体零件中沟槽、台阶及锥台等轴向尺寸的快速测量，尤其适用于具有小间距的沟槽以及采用接触法不容易测量的回转体零件。

权利要求

1.一种回转体突变截面轴向尺寸高精度自动测量方法，其特征在于：采用高精度线阵CCD光学成像技术和高精密运动控制技术，测量回转体纵截面的二维轮廓曲线，通过计算轮廓数据的离散曲率，求取回转体轮廓沿轴向方向的曲率特征点，得到突变截面的轴向位置，测得突变截面的轴向尺寸，其具体步骤是：①.采用高精度线阵CCD光学成像技术和高精密运动控制技术，依次测量回转体沿轴向位置的轮廓径向尺寸，得到两条截面轮廓曲线；

②.求取两条截面轮廓曲线的中心线，也就确定了回转体轮廓的轴向方向；以该中心线为坐标轴，选择其上的一点为原点，建立新的直角坐标系，将与高精度线阵CCD传感器移动方向平行的坐标系下的测量数据进行坐标转换，得到新直角坐标系下的轮廓数据；

③.计算回转体轮廓曲线各点的离散曲率；

④.计算轴向方向上曲率变化大于规定阈值的特征点，该特征点就是回转体突变截面的轴向位置；

⑤.计算各个特征点的相对距离，求出突变截面的轴向尺寸。

2.如权利要求1所述的回转体突变截面轴向尺寸高精度自动测量方法，其特征在于：回转体轮廓曲线轴向方向是同时测量回转体同一个纵截面获得的。

说明书

一种回转体突变截面轴向尺寸测量方法

技术领域

[0001] 本发明提出一种通用的回转体突变截面轴向尺寸的测量方法，主要用于回转体上沟槽、台阶及锥台等轴向尺寸的快速测量。

背景技术

[0002] 回转体是常见的零件形状，其轴向尺寸往往影响零件的装配性能或者使用性能。所述的回转体上具有多个沟槽、台阶、以及圆锥台等，需要测量多个轴向尺寸。对于这样复杂的回转体，快速、准确地测量沟槽、台阶以及锥台的轴向尺寸一直是一个比较难以解决的问题。现有的测量方法大致分为几种：

[0003] 1.接触式直接测量法：采用千分尺、游标卡尺或者高度仪等测量工具或仪器对沟槽、台阶等直接测量。该方法能够测量具有平行平面的沟槽或者台阶，但是无法测量锥台的轴向尺寸。而且该方法受操作人员的影响，测量精度低、效率也不高，不容易实现自动测量。

[0004] 2.影像法：利用光学系统投影仪器将被测零件的实际轮廓投影到影屏上，通过镜头上的刻度，读出各个台阶、沟槽或锥台的轴向尺寸。该方法要求回转体被测截面和刻线平行，否则对测量结果有很大的影响。该方法效率低，易受操作人员的影响。

[0005] 综上所述，已经存在的长度尺寸测量方法和仪器，对于多沟槽、台阶以及锥台的回转体轴向尺寸测量，存在着一定的局限性，无法满足回转体突变截面轴向尺寸的快速准确自动测量要求。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提出一种通用的回转体突变截面轴向尺寸测量方法，是利用非接触传感器实现复杂截面测量，通过数据处理，解决复杂回转体突变截面轴向尺寸的测量问题。具体地说，就是采用高精度线阵CCD成像技术和高精度运动控制技术，测量回转体纵横截面的轮廓线，通过计算回转体轮廓线数据点的曲率，识别回转体轮廓截面突变的位置，从而判断突变截面的轴向距离。

[0007] 为了达到上述发明的目的，下面详细阐述本发明的原理。一般来说，回转体形状是由相交或者相切的直线和曲线绕回转中心旋转而成的。当平行光线照射在回转体上时，回转体会遮挡一部分光线。只有超出回转体轮廓的光线才能到达回转体的背面。将高精度线阵CCD传感器和光源发射装置相对回转体对称放置，则回转体轮廓会在CCD上投射一个图形。通过图像处理技术，可以得到该处回转体的径向尺寸变化值。由于线阵CCD的宽度很窄，可以认为CCD传感器输出的就是一个轮廓点的数据。当CCD传感器和光源沿回转体轴向移动，就可以采集到回转体的整个轮廓数据。

[0008] 上述采集的回转体轮廓数据，是在平面直角坐标系下的坐标点。由于回转体轴向和传感器的移动方向可能不一致，上述坐标轴可能和回转体轴线不平行。为此，根据取得的轮廓数据，求得两条轮廓线的中心对称线，然后选择轴线上一点为原点，以中心轴线为x轴，建立新的直角坐标系，并将原来的测量数据转换为新坐标系下的数据。这样的数据转换只是对原来的图形进行了平移和旋转，不会改变图形的形状。

[0009] 直线或者圆弧曲线上各点的曲率是不变的，直线的曲率为零，圆弧的曲率为半径的倒数，而在直线和直线、直线和圆弧曲线的交点处，曲率会有很大的变化，这正是求取交点的理论基础。为了能够求取突变截面的轴向尺寸，计算回转体轮廓数据沿x轴方向(也就是轴向方向)上的曲率变化图。由于测量误差的存在，直线的曲率可能会是小的数值。因此，设定一个阈值δ，对于曲率值的绝对值大于δ的数据点，可以认为是轮廓上不同线段的交点，也就是回转体轮廓截面突变的地方。计算两相邻交点的轴向坐标差值，就可以求得沟槽、台阶或者锥台的轴向尺寸。

[0010] 本发明方法的要点及步骤是：

[0011] ①.采用高精度线阵CCD成像技术和精密运动控制技术，依次测量回转体沿轴向位置的轮廓径向尺寸，得到两条轮廓曲线。

[0012] ②.计算两条轮廓曲线的中心对称线，并以该中心线为坐标轴，选择其上的一点为原点，建立直角坐标系，对测量数据进行坐标转换，得到新的轮廓数据。

[0013] ③.计算回转体轮廓线上各点沿中心线方向的离散曲率；

[0014] ④.依次搜索轴向方向上曲率变化大于规定阈值的特征点，这些点就是回转体截面突变的位置。

[0015] ⑤.计算两相邻特征点之间的相对距离，求出突变截面的轴向尺寸。

[0016] 有益效果

[0017] 本发明与现有其它轴向尺寸测量方法相比具有以下优点：

[0018] 1.由于对回转体的纵截面测量只需要测量回转体的两条轮廓线数据，对工件的定位精度要求不高。本测量方法的测量精度主要取决于CCD传感器的测量精度，与定位精度无关；

[0019] 2.本测量方法每次测量回转体工件，可一次测量多个沟槽或台阶的轴向尺寸，测量速度快，测量程序简单，实施方便。

[0020] 3.本测量方法采集的是回转体纵截面轮廓点的坐标，易于进行数据处理，通过编制计算机算法，和设计规范相比较，可以实现自动测量。

[0021] 4.适用于在线测量的通用轴向尺寸测量方法。

[0022] 本发明适合于各种回转体零件轴向尺寸的测量。

附图说明

[0023] 图1为本发明实施例中被测回转体的设计图。

[0024] 图2为本发明实施例中被测回转体的一个实测纵截面轮廓图。

[0025] 图3为本发明实施例中求取两条实测轮廓线中心线后的图形

[0026] 图4为本发明实施例中将轮廓以中心线为x轴，选定坐标原点后建立直角坐标系的图形。

[0027] 图5为本发明实施例中沿轴向方向轮廓数据点的曲率图形

[0028] 图中：1-被测回转体实施例：

[0029] 用本发明的方法测量如图1所示的被测回转体，需要测量各个突变截面的轴向尺寸，其实现步骤为：

[0030] 1.将高精度线阵CCD传感器和平行光发射器位于回转体的对称两侧，回转体的轮廓在CCD上成像，利用光学图像处理技术，输出该点处回转体径向上的两个测量值，当CCD传感器沿轴向位置依次移动，就得到了两条回转体轮廓线，构成一个回转体的纵截面。由于回转体的安装误差，测量得到的回转体形状存在一定的倾斜，如图2所示。

[0031] 2.根据测量得到的纵截面轮廓数据，求取两条母线的对称轴线，如图3所示。

[0032] 3.以中心线和选定的点构造直角坐标系，将原来测量数据在新坐标系下的进行数据转换，如图4所示。

[0033] 4.对图4中的轮廓线根据离散曲率公式计算各点的离散曲率，得到如图5所示的曲率变化图。可以看出，在回转体截面突变的地方，该点处的曲率会有一个较大的脉冲波形。

[0034] 5.指定阈值δ，求取轮廓曲率线上曲率大于阈值的特征点，这些点就是回转体截面轮廓突变的点。计算相邻特征点之间的轴向差值，就可以计算出突变截面的轴向尺寸。