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直线度测量是几何量计量领域里一个最基本的
项目,它是平面度,平行度,同轴度等几何测量的基
础,是与尺寸精度,圆度和表面粗糙度同称为影响产
品质量的四大要素,在生产实践中受到高度重视,出
现了很多种直线度的测量方法和装置.
直线度误差是指实际直线对理想直线的变化
量,反映了被测直线的不直程度.根据ISO推荐的
标准和国家标准,直线度误差可分为给定平面内的
直线的误差,给定方向的直线度误差和任意方向内
的直线度误差.通常,给定平面内的直线度误差和给
定方向内的直线度误差被称为平面直线度误差,任
意方向内的直线度误差被称为空间直线度误差.
深孔表面为回转体表面,深孔直线度公差带根
据要素的特征及其使用要求,分为限制圆柱面直母
线形状误差的两平行直线和限制圆柱体轴线形状误
差的圆柱体两种.深孔直线度检测是精密深孔零件
加工过程中的重要组成部分,是对深孔零件进行质
量控制和管理的重要手段,是贯彻质量标准的技术
保证,有着极其重要的意义.
1国内外深孔直线度测量技术的研究现状
深孔直线度测量技术的研究主要有两个方面.
1.1深孔直线度测量方法的研究
1.1.1直线度综合量规
先利用一个长度较短的极限塞规测量合格后,
再用直线度综合塞规测量,由塞规通过与否判断孔
轴线直线度合格与否.其特点是:测量精度高,效率
高,只能判断合格与否,不能得出数据大小.缺点是
同一尺寸有时需要几个综合塞规,以满足一个公差
段内几组尺寸的要求,适用于小孔测量.
1.1.2感应式应变片测量法[D
在刀杆的适当部位粘贴上X,Y方向的应变片,
感应电流经放大器放大,通过记录及数据处理,即可
确定出加工时所产生的偏移及直线度误差.
1.1. 3超声波测量法
超声波在同一种介质中传播时的声速为一常
数,当遇到不同介质界面时有反射特性,利用这一特
性对已加工孔的壁厚进行测量,从而计算出孔轴线
的直线度误差.其优点为:操作简单,实用性强.其
测量精度主要与测厚仪显示值的分辨率有关,同时
要求零件的外圆有较好的已加工表面.
1.1.4气动量仪测量内孔不直度[E 2 1
气动量仪测量是将被测孔径尺寸的变化转化成
气体流动压力的变化或流量的变化.其特点是:测量
精度高,一般可高达士(0.3^-1) rim;可进行非接触
测量,测量力特别小,对易变形薄壁零件的测量特别
有利;适用于大批量生产测量;量仪结构简单,对环
境要求低;可实现自动检测;但尚需改善其动态特
性,扩大示值范围及测量气隙.
L1.5圆度法
圆度法是逐次测量每一径向固定间距截面的外
圆柱面或内圆柱面的圆度,经数据处理得到该截面
的圆心位置,再进行评定.
1.1. 6杠杆法[3]
测量时,孔管在工作台上移动,测量元件感知被
测截面圆心位置的变化,并通过杠杆反映给千分表
进行读数.该方法属近似测量,每次测量的都是某一
轴向截面内的直线度,因此,测量轴线直线度时要多
次旋转孔管.其测量精度不高,测量设备笨重.
1.1.7校正望远镜测量法
该方法只能测量已加工好的大孔.测量时,在孔
内安放与孔大小相适应的测标,调整望远镜位置使
其光轴通过首尾两孔的测标,建立测量基准线.然
后,移动孔内的测标到相应位置,借助望远镜瞄准测
标并测出孔心的偏移量.其优点为:结构简单,操作
方便,成本低廉,应用范围广,瞄准精度高.
1.1.8测量机测量法
三坐标测量机是近20年发展起来的一种以精
密机械为基础,结合光栅与激光干涉技术,计算机技
术,电子技术等先进技术的测量设备.其特点是精度
36.
作者: satan888 发布日期: 2006-5-02
《新技术新工艺》.机械加工与自动化2004年第n期
万方数据
高,测量速度快.
1. 1. 9准直光管法
准直光管以"节距法"分段测量斜率变化,再通
过数据处理求得实际表面的直线度误差,最后按规
定条件评定直线度误差的数值.这种方法的特点是:
测量精度高,可进行数字化处理,提高了测量效率和
减少了人为误差;可测较长内孔和不同孔径的内径
孔;不适用于小孔径测量.
l. 1. 1.激光准直法
该方法是利用激光准直仪发出平行的,能量分
布中心对称的激光光束微准直测量的基准线.激光
器发出的激光经过准直后射向可以在深孔中移动的
测量元件,测量元件感知深孔被测截面实际中心位
置的变化,其上装有的CCD,可实时得到相应的图
像,图像经处理后,可获得各被测截面实际的圆心位
置,再经直线度评定,即可获得深孔的轴线直线度.
该方法具有瞄准方便,测量效率高,测量精度较
高和容易实现自动化等优点.由于激光的能量强,方
向性和相干性好,因此,该方法可用于长距离测量.
但该方法的准直精度受激光光束本身特性的限制
(如光束漂移,随机抖动等),如要求高精度,则需选
用高稳定性,任意截面光强分布稳定的激光束.
1.1.11双频激光干涉法
利用双频激光干涉仪,以激光束为基准直线,采
用干涉原理进行读数.其特点是:分辨率和测量精度
高;测量原理和光学系统不受激光束漂移的影响;各
采样点误差值之间彼此不相关,测量误差不累加;使
用方便,性能稳定.
1. 1. 12基于图像处理的激光反射法测量[3]
基于图像处理的激光反射法的测量原理如图1
所示.测量时,激光器发出的激光经准直后射向分光
镜,一部分反射后射向测量元件,测量元件在齿轮齿
条机构的驱动下在孔管内移动,其步进量由光栅测
量.测量元件感知孔管实际轴线位置的变化,其上安
装一个反光镜,激光经过反射后透射过分光镜到达
光靶上,CCD摄像机即可摄得光靶上包含被测信息
的图像.再经过图像处理及数据处理后,得出对应于
每一个被测截面的图像中激光光束的中心,按照角
度积累的公式计算出空间直线度误差.
敏度比普通的激光准直法大大提高.同时,此法突破
了普通激光准直法对于被测对象孔径的限制,可以
测量很小的深孔.另外,基于图像处理的方法使得测
量过程的自动化程度大大提高,从而提高了测量速
度.该方法具有灵敏度高,测量速度快,对被测对象
尺寸要求较低,适合在工厂内使用等优点.
1. 1. 13臂杆法Csl
臂杆法测量
深孔直线度的原
理如图2所示.在
本体M上装有后
支承点A和前支
承点B,在A和B
移动方向
的连线延长处(AB
图2臂杆法测量深孔
直线度原理图
=BC =L)安装有高精度位移
光栅驱动齿轮测量元件激光器
电机
摄像机
图1基于图像处理的激光反射法测量原理图
此方法由于采用了光学反射放大的原理,其灵
传感器C.为消除直径和圆度误差对直线度的影响,
在前支承点的B对面安装位移传感器D.测量时,将
此装置放置在被测孔内,即可进行测量:每移动1个
L的距离,读取1次读数.移动时,前一次的测量点
/21,再以此值为数据,即可计算出被测深孔的直
线度.
从臂杆法测量原理可知,采用的是分段测量的
方法.所以,直线度的测量误差,是单次测量误差的
综合,而影响这些误差的主要因素有:位移传感器本
身的误差,读数误差,直线度测头在被测表面上的定
位误差和分段数测量影响的误差.一般,其测量精度
可达0. 043 mm.
1.1.14误差分离法[[a . 61
误差分离法即EST法,该方法是从测量结果中
将标准量的误差和被测量的误差分离开来,从而提
高测量精度和测量效率,按照信息获得的途径,可分
为反向法,错位法和多测头法.
EST的测量基准即是传感器的移动轨迹,在经
过数据处理之后,测量误差可与基准误差分离开,因
此不要求有高精度的实际基准(如机床导轨等所
以,当采用零件表面本身作为测量基准时,采用
EST的测量原理未受到任何影响.基于这个原理,
采用如图3所示的测量机构.3个位移传感器A, B,
C垂直并列装在移动支架上,且两两间距为L.测量
前,将3个传感器的零点调在同一条基准线上.测量
时,支架由步进电机驱动,沿深孔的轴线方向移动,
每移动1个传感器间距L,进行1次采样,得到Ak,
Bk,Ck 3个测量值.此时的传感器移动轨迹(即测量
《新技术新工艺》 机械加工与自动化2004年第11期 37
万方数据
基准)由支架的2个支点决定.
误差分离法采用被测
零件的表面作为测量基准,
避免了选用导轨作为基准
时所带来的种种困难和弊
端.用3点法进行直线度评
定时的不确定度随着采样
点数的增加而迅速增大.这
图3深孔母线直线度
测量原理图
也是由EST的原理造成的固有弊端.因此,当被测
零件较长时,可适当地增大传感器的间距,以减少总
采样点数来满足测量精度的要求,但这时可能会使
一些短周期误差未被发现.
1.2深孔直线度评定方法的研究
在直线度测量中,每个采样点由读数装置读取
的示值称为采样点的读数值.采样点的读数值经归
一化处理后的值称为该采样点的偏差值.根据直线
度测量方法的不同,采样点的读数值和采样点的偏
差值之间的关系也有所不同.一般来说,评定的方法
有:最小包容区域法(最小条件法),最小二乘法,两
端点连线法.其中最小包容区域法是国家标准规定
的方法,当要求严格确定直线度误差的大小时,必须
按最小包容区域法进行评定或仲裁.
2存在的问题
尽管深孔直线度的测量技术在国内外科研人员
的努力下已经取得了很大的进展,但在生产实际应
用中还存在着以下问题.
2.1测f方法的适用性和局限性
深孔直线度检测的准确度依赖于检测器具的精
密性和检测方法的准确性,而每种检测方法都有其
适用性和局限性:如校正望远镜法只适用测量已加
工好的大孔;杠杆法只能近似测量;圆度法对被测对
象要求高且精度较低;测量机测量法虽精度高,速度
快,能测各种孔径,但不能测量较长的内孔,且仪器
价格较贵,不适用于一般厂矿企业的检测;超声波测
量法操作简单,实用性强,但其测量精度有限.
2. 2测f数据的获取及处理
许多测量方法获取数据都是人工读数,因此,在
此过程中存在着人为的操作误差与认知误差.同时,
由于测量点个数可能过少,使得获取的数据无法准
确真实反映出深孔的直线性.为了快速方便地计算
直线度,人们一般采用两端点连线法或最小二乘法
的近似算法,这使得最终精度受到影响.因此,建议
一般采用最小区域法进行数据处理.
具有模拟人眼的功能,更重要的是它能够完成人眼
所不能胜任的工作.所以,计算机视觉作为当今高新
技术,在电子,光学,图像处理与模式识别以及计算
机等技术不断成熟和完善的基础上得到了突飞猛进
的发展.机器视觉的重要任务之一就是设法在一般
的二维灰度图像中采用距离和深度测量方法求得第
三维坐标,从而形成三维视觉.由于实现思想和条件
的不同,就产生了相应的诸多视觉方法.其中,结构
光三维视觉以其大量程,大视场,较高精度,图像信
息提取简单,实时性强及主动受控等特点,近年来在
工业中得到了越来越广泛的应用.
同时,随着激光技术的发展,可采取措施提高激
光能量的稳定性,克服激光光束本身的缺点如:光束
漂移,光束弯曲,随机扰动等,得到高稳定性,任意截
面光强分布稳定的激光束,并以光电元件直接接收
激光束和能量中心的位置来作激光准直法直线度测
量.近年来,半导体激光器(LD)的出现,克服了双频
激光器价格昂贵,需要稳频的缺点,再加上新兴光电
位置传感器(PSD),电荷藕合器件((CCD),四象限光
电池等传感器性能的提高,使得一批新型激光准直
直线度测量仪器渐渐被研制出来.它们分辨率较高,
响应速度快,大多可以实现动态在线非接触直线度
测量.
由于图像处理技术和计算机的迅猛发展,越来
越多的手工生产和手工分析检验过程已经逐步地被
计算机所代替,图像处理技术领域的进展及图像采
集系统的多功能化,多媒体化,为现代分析监测实现
高效,高质量的自动分析提供了可能.特别是近20
年技术的高速发展,使得图像处理技术已经基本摆
脱了各种限制,从研究的阶段走向了实际应用.这一
切为深孔直线度测量的理论与试验研究提供了理论
方法和技术手段.
总之,集光,机,电,计算机等新技术于一体的新
型激光准直测量仪器,可以对深孔零件进行实时快
速非接触测量,是精密深孔直线度测量技术的发展
方向.综上所述,各种检测深孔直线度的方法都有其
优缺点.目前,使用简便,稳定可靠,精度高的测量装
置与测量方法还处于探索阶段.因此,将其同当代的
前沿学科相结合,借鉴和引人相关学科的新思维和
新方法,在生产实际现场中逐步提高深孔直线度检
测水平,是这一领域专家和学者共同的任务. |
figo781003
发表于 2006-7-15 15:34:59
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