基于激光位移传感器的轴径测量装置及其测量方法

摘要

本发明公开了一种基于激光位移传感器的轴径测量装置，包括基座、装卡装置和计算机，基座上安装有X向一维导轨和XY二维平移台；基座上固定有第一测量架，第一测量架上安装有第一激光位移传感器；导轨上装配有第二测量架，第二测量架上安装有第二激光位移传感器；第一、二激光位移传感器的射线同轴共线；装卡装置包括轴承座、旋转臂和锁紧套，被测轴可锁紧在旋转臂上，旋转臂与轴承座铰接，可绕X轴在yOZ平面内旋转；第一、二激光位移传感器与计算机通讯连接。其测量方法是：利用对径的双传感器测量轴径；被测轴径垂直通过激光光束；利用比较测量法提高传感器的测量范围。本发明测量范围大、通用性强、测量精度高，并能够给出具体测量值。

权利要求

1.一种基于激光位移传感器的轴径测量方法，所用的基于激光位移传感器的轴径测量装置的结构，包括基座、装卡装置和计算机，所述基座上安装有X向一维导轨(5)和XY二维平移台(10)；所述基座上固定有第一测量架(3)，所述第一测量架(3)上安装有第一激光位移传感器(1)；所述X向一维导轨(5)上装配有可沿X向移动的第二测量架(4)，所述第二测量架(4)上安装有第二激光位移传感器(2)；所述第一激光位移传感器(1)和所述第二激光位移传感器(2)的测量射线同轴共线；所述装卡装置包括轴承座(9)、旋转臂(7)和锁紧套(8)，所述轴承座设置在所述XY二维平移台(10)上，所述旋转臂(7)的一端与所述轴承座(9)球铰接，所述旋转臂(7)由所述轴承座(9)支撑，所述旋转臂在YOZ平面内可绕X轴旋转，被测轴通过所述锁紧套(8)固定在所述旋转臂(7)的另一端；所述装卡装置可以沿X轴、Y轴平移；所述第一激光位移传感器(1)和所述第二激光位移传感器(2)与计算机通讯连接；轴径测量方法包括以下步骤：步骤一、调整传感器和被测轴的位置：

在第一激光位移传感器(1)和第二激光位移传感器(2)所发出的激光射线间设置一半透明靶板，使用CCD相机提取两光束在靶板上的像点的中心点坐标，进而提取双光束的偏斜误差，通过调整第一测量架(3)和第二测量架(4)使第一激光位移传感器(1)和所述第二激光位移传感器(2)的测量射线同轴共线；将被测轴件通过装卡装置安装在旋转臂(7)的自由端，通过调节X向一维导轨(5)和XY二维平移台(10)的位置确定被测轴的位置，并使第一激光位移传感器(1)和第二激光位移传感器(2)均处于量程范围内，锁紧X向一维导轨(5)和XY二维平移台；

步骤二、标定阶段：选用与轴径D匹配的标准量块，所述标准量块的长度为L，│D-L│＜δ，δ是传感器的量程；将所述标准量块置于测量位置，使第一激光位移传感器(1)和第二激光位移传感器(2)发出的激光射线打在标准量块的工作面上；多自由度地晃动标准量块，计算机自动拾取第一激光位移传感器(1)和第二激光位移传感器(2)的测量值之和的最大值l1+l2，此时，l1是第一激光位移传感器(1)发出的激光到标准量块入射点之间的距离，l2是第二激光位移传感器(2)发出的激光到标准量块入射点之间的距离，标准量块上两个反射点之间的距离值即为标准量块的长度L；

步骤三、测量阶段：摆动旋转臂(7)使被测轴的轴径位置通过第一激光位移传感器(1)和第二激光位移传感器(2)发出的激光射线，通过计算机计算完成轴径D的测量，并在计算机的显示屏上显示；

D＝L+(l1-l'1)+(l2-l'2)，其中，l'1是第一激光位移传感器(1)发出的激光到被测轴入射点之间的最小值，l'2是第二激光位移传感器(2)发出的激光到被测轴入射点之间的最小值。

说明书

基于激光位移传感器的轴径测量装置及其测量方法

技术领域

[0001] 本发明属于轴类零件的测量方法与测量装置，特别涉及一种用于工业测量的非接触式轴径测量装置。

背景技术

[0002] 轴类零件是机械加工中最为常见的零件之一，如何快速、精确、高效的完成测量任务，同时又能胜任不同规格轴的检测，是一个亟待解决的问题。目前，在实际生产过程中，普遍用于轴径检测的测量仪器有：游标卡尺、通止规、气动量仪等。

[0003] 通常，一个轴类零件的加工往往是一个反复测量，反复调节进刀量的过程，游标卡尺则以其测量方便、快捷，成为生产过程中最为普遍的轴径测量工具。然而，游标卡尺是人工测量手段,难免会导致外径尺寸测量数据的不精确。此外，游标卡尺受测量效率的制约，在大批次检测中很难胜任。

[0004] 通止规检测是一种在大批量产品检测中十分方便、有效的检测手段，测量效率高，准确性好。但通止规对应零件公差带的上下限，专用性强，大批次检测时固然不错，然而对于小批量的零件加工，如果采用通止规检测，无疑加大了成产成本，得不偿失。而且，通止规只能给出被检零件是否处于公差范围内，不能给出零件尺寸的确切值。对于大批量产品，也不能给出尺寸的分布状态。此外，通止规检测是接触式测量，既存在划伤工件的风险，也会因为长期工作的磨损，不可恢复而失去原有的作用。

[0005] 气动量仪则是一种非接触式的检测手段，通过测量气压的大小来感知被测工件相对于标准件的差距，测量精度高。但是在实际测量中，测量标准件需要与被测件尺寸相近，即使是一种非接触式测量，在调校过程中，也不可避免的产生碰撞，影响测量效果。此外，气动量仪测量范围小，通用性较差。

发明内容

[0006] 针对现有技术测量仪器的缺点，本发明提供一种可以实现测量范围大、通用性强、能够给出具体测量值的高精度的基于激光位移传感器的轴径测量装置及其测量方法，从而克服现有的电子卡尺、通止规、气动量仪等存在的问题，方便工业测量使用。

[0007] 为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于激光位移传感器的轴径测量装置包括基座、装卡装置和计算机，所述基座上安装有X向一维导轨和XY二维平移台；所述基座上固定有第一测量架，所述第一测量架上安装有第一激光位移传感器；所述X向一维导轨上装配有可沿X向移动的第二测量架，所述第二测量架上安装有第二激光位移传感器；所述第一激光位移传感器和所述第二激光位移传感器的测量射线同轴共线；所述装卡装置包括轴承座、旋转臂和锁紧套，所述轴承座设置在所述XY二维平移台上，所述旋转臂的一端与所述轴承座球铰接，所述旋转臂由所述轴承座支撑，所述旋转轴在YOZ平面内可绕X轴旋转，被测轴通过所述锁紧套固定在所述旋转臂的另一端；所述装卡装置可以沿X轴、Y轴平移；所述第一激光位移传感器和所述第二激光位移传感器与计算机通讯连接。

[0008] 本发明一种基于激光位移传感器的轴径测量方法，采用上述基于激光位移传感器的轴径测量装置，并包括以下步骤：

[0009] 步骤一、调整传感器和被测轴的位置：在第一激光位移传感器和第二激光位移传感器所发出的激光射线间设置一半透明靶板，使用CCD相机提取两光束在靶板上的像点的中心点坐标，进而提取双光束的偏斜误差，通过调整第一测量架和第二测量架使第一激光位移传感器和所述第二激光位移传感器的测量射线同轴共线；将被测轴件通过装卡装置安装在旋转臂的自由端，通过调节X向一维导轨和XY二维平移台的位置确定被测轴的位置，并使第一激光位移传感器和第二激光位移传感器均处于量程范围内，锁紧X向一维导轨和XY二维平移台；

[0010] 步骤二、标定阶段：选用与轴径D匹配的标准量块，所述标准量块的长度为L，│D-L│＜δ，δ是传感器的量程；将所述标准量块置于测量位置，使第一激光位移传感器和第二激光位移传感器发出的激光射线打在标准量块的工作面上；多自由度地晃动标准量块，计算机自动拾取第一激光位移传感器和第二激光位移传感器的测量值之和的最大值l1+l2，此时，l1是第一激光位移传感器发出的激光到标准量块入射点之间的距离，l2是第二激光位移传感器发出的激光到标准量块入射点之间的距离，标准量块上两个反射点之间的距离值即为标准量块的长度L；

[0011] 步骤三、测量阶段：摆动旋转臂使被测轴的轴径位置通过第一激光位移传感器和第二激光位移传感器发出的激光射线，通过计算机计算完成轴径D的测量，并在计算机的显示屏上显示；D＝L+(l1-l'1)+(l2-l'2)，其中，l'1是第一激光位移传感器发出的激光到被测轴入射点之间的最小值，l'2是第二激光位移传感器发出的激光到被测轴入射点之间的最小值。

[0012] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0013] (1)测量的通用性：相较于通止规检测的专用性、气动量仪较小的测量范围，本发明轴经测量装置可以应对不同轴径、不同长短的轴的测量，通用性强、测量范围大，不需要应对不同的轴而定制不同的测量仪器。

[0014] (2)测量的安全性：本发明采用的是非接触式测量，通过激光位移传感器的测量射线提取被测轴径的测量信息。相对于游标卡尺、通止规检测，不存在划伤工件的问题，也不会因不同测量人员的测量力不同而产生随机误差。

[0015] (3)测量的精确性：采用高精度(微米级)的激光位移传感器作为测量器件，相较于工业测量领域的测量水平(0.01毫米级)，本测量装置能够快速、精确地给出被测轴的轴径。

[0016] (4)操作的便捷性：将被测轴装卡到旋转臂上，调节测量位置，摆动被测轴，使被测轴扫过测量射线，即可完成轴径的测量，并在显示器上显示轴径信息，方便快捷。

附图说明

[0017] 图1是激光三角法位移传感器的测量示意图；

[0018] 图2-1是标定阶段的原理示意图；

[0019] 图2-2是测量阶段的原理示意图；

[0020] 图3是本发明测量装置结构示意图。

[0021] 图中：1-第一激光位移传感器、2-第二激光位移传感器，3-第一测量架、4-第二测量架，5-X向一维导轨，6-锁紧螺钉，7-旋转臂，8-锁紧装置，9-轴承座，10-XY二维平移台，11-被测轴件。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

[0023] 图1是激光三角法位移传感器的测量示意图。如图所示，传感器垂直出射一束测量射线，测量射线经被测物面反射后，返回传感器，便可输出由被测物到传感器出射面的距离信息。但该测量射线存在一个测量近点与一个测量远点，即传感器与被测物之间的距离只有在近点距lmin与远点距lmax之间时，传感器才会输出正确的距离信息。因此，传感器的量程δ严重制约着轴径的测量能力。为此，增大测量范围可以适应不同轴径的测量。这就需要布置两个激光出射方向相对的激光位移传感器1和传感器2。整个测量过程由标定阶段和测量阶段组成。如图2-1所示，标定阶段：将长度为L的标准量块置于激光射线间，传感器1和传感器2的两束测量射线分别打在量块的两个工作面上，在不考虑量块位置精度的前提下，可以认为激光垂直入射，两个反射点之间的距离即为量块的长度L。此时，可以得到传感器1和传感器2的距离测量值l1和l2。如图2-2所示，测量阶段：保持传感器1和传感器2位置不动，使被测轴垂直扫过激光光束，传感器1和传感器2的示值会同时由大变小，再由小变大，继而可以得到两个最小值l'1、l'2。在取得最小值时，两个激光反射点之间的距离即为轴径，从而轴径D有：D＝L+(l1-l'1)+(l2-l'2)，其中，L为标准量块的长度，l1是传感器1发出的激光到标准量块入射点之间的距离，l2是传感器2发出的激光到标准量块入射点之间的距离；l'1是传感器1发出的激光到被测轴入射点之间的最小值，l'2是传感器2发出的激光到被测轴入射点之间的最小值。

[0024] 基于上述激光位移传感测量原理，本发明提出的一种基于激光位移传感器的轴径测量装置，其结构如图3所示，包括基座、装卡装置和计算机，所述基座上安装有X向一维导轨5和XY二维平移台10。所述基座上还固定有第一测量架3，所述第一测量架3上安装有第一激光位移传感器1；所述X向一维导轨5上装配有可沿X向移动的第二测量架4，以此适应不同轴径的测量；所述第二测量架4上安装有第二激光位移传感器2；所述第一激光位移传感器1和所述第二激光位移传感器2的测量射线同轴共线，所述第一激光位移传感器1和所述第二激光位移传感器2与计算机通讯连接。

[0025] 所述装卡装置包括轴承座9、旋转臂7和锁紧套8，所述轴承座设置在所述XY二维平移台10上，所述旋转臂7的一端与所述轴承座9球铰接，所述旋转臂7由所述轴承座9支撑，所述旋转轴在YOZ平面内可绕X轴旋转，以保证被测轴在扫掠时垂直于激光光束。本发明中，旋转臂7及轴承座9通过高精度的机械加工与调校，以保证测量过程中被测轴的轴线垂直通过同轴共线的所述第一激光位移传感器1和所述第二激光位移传感器2发出的测量激光射线。

[0026] 测量时，将被测轴通过所述锁紧套8锁紧固定在所述旋转臂7的另一端，摆动旋转臂7，使被测轴径位置通过激光光束，即可完成轴径的测量。由于装夹有被测轴的整个装卡装置(包括旋转轴7、锁紧装置8和轴承座9)是固定在二维平移台10上，因此，可以沿X轴、Y轴平移，以适应不同轴径、不同长短的轴的测量。

[0027] 使用本发明基于激光位移传感器的轴径测量装置进行轴径测量包括以下步骤：

[0028] 在第一激光位移传感器1和第二激光位移传感器2所发出的激光射线间设置一半透明靶板，使用CCD相机提取两光束在靶板上的像点的中心点坐标，进而提取双光束的偏斜误差，通过调整第一测量架3和第二测量架4可以保证第一激光位移传感器1和所述第二激光位移传感器2的测量射线同轴共线。

[0029] 由于激光位移传感器的量程有限，为了适应不同轴径的测量，测量之前，通过调节X向一维导轨5和XY二维平移台10的位置，将被测轴置于合适位置处，使第一激光位移传感器1和第二激光位移传感器2均处于量程范围内，此时，利用锁紧螺钉6锁紧X向一维导轨5；然后开始测量；

[0030] 轴径测量的过程包括标定阶段和测量阶段。其中：

[0031] 标定阶段：选用与轴径D匹配的标准量块，所述标准量块的长度为L，│D-L│＜δ，δ是传感器的量程；将所述标准量块置于测量位置，使第一激光位移传感器1和第二激光位移传感器2发出的激光射线打在标准量块的工作面上，多自由度地晃动标准量块，计算机会自动拾取第一激光位移传感器1和第二激光位移传感器2的测量值之和的最大值l1+l2，此时，l1是第一激光位移传感器1发出的激光到标准量块入射点之间的距离，l2是第二激光位移传感器2发出的激光到标准量块入射点之间的距离，标准量块上两个反射点之间的距离值即为标准量块的长度L；

[0032] 测量阶段：将被测轴件通过装卡装置固定在旋转臂7的自由端，摆动旋转臂7使被测轴的轴径位置通过第一激光位移传感器1和第二激光位移传感器2发出的激光射线，通过计算机计算完成轴径D的测量，并在计算机的显示屏上显示；轴径D＝L+(l1-l'1)+(l2-l'2)，其中，l'1是第一激光位移传感器1发出的激光到被测轴入射点之间的最小值，l'2是第二激光位移传感器2发出的激光到被测轴入射点之间的最小值。

[0033] 尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。