本發(fā)明涉及機(jī)械加工及檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種圓柱度在機(jī)檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

圓柱面是機(jī)械零件設(shè)計(jì)與加工中應(yīng)用非常廣泛的一種幾何要素，圓柱度公差是對(duì)這種幾何要素的形狀提出的精度要求，是精密加工中需要進(jìn)行檢測(cè)和控制的主要幾何形狀誤差之一。工件的圓柱度是該圓柱面包容在兩個(gè)同軸的圓柱面內(nèi)的最小距離。生產(chǎn)中一般常用圓柱截面的圓度公差和素線(或軸線)的直線度公差來(lái)控制圓柱度誤差，或用徑向跳動(dòng)公差來(lái)控制圓柱度誤差，這兩種控制方法都不能實(shí)際測(cè)量和計(jì)算出圓柱度誤差的大小。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO/1101和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1958-2004規(guī)定，形狀誤差值用包容實(shí)際被測(cè)要素且具有最小寬度E或最小直徑φE的包容區(qū)域來(lái)表示，并以此為仲裁方法。實(shí)際生產(chǎn)中測(cè)量圓柱度誤差的設(shè)備有圓柱度儀、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等，圓柱度儀測(cè)量精度高，但價(jià)格昂貴，對(duì)測(cè)量環(huán)境要求高而使其應(yīng)用受到一定限制；實(shí)驗(yàn)室、工廠中常用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量圓柱度誤差，使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量圓柱度誤差時(shí)得到的是一系列離散測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值，需要經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理求解圓柱度誤差，但目前的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)只是給出最小二乘擬合的圓柱度誤差，而不能給出最小區(qū)域法的圓柱度誤差，此外目前的圓柱度測(cè)量裝置只能進(jìn)行離線測(cè)量，需要定位，精度差，效率低，反復(fù)裝夾定位又會(huì)引入新的測(cè)量誤差，給測(cè)量帶來(lái)不便。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種在機(jī)檢測(cè)、無(wú)需重復(fù)定位、提高檢測(cè)精度和效率的圓柱度在機(jī)檢測(cè)方法。

為解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明步驟如下：

①利用旋轉(zhuǎn)裝置對(duì)被測(cè)圓柱體進(jìn)行裝夾，并基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)建立工件坐標(biāo)系；

101啟動(dòng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，移動(dòng)設(shè)置在工作臺(tái)上的立柱對(duì)測(cè)頭的半徑進(jìn)行校準(zhǔn)；

102將圓柱體設(shè)置在旋轉(zhuǎn)裝置內(nèi)，所述旋轉(zhuǎn)裝置包括：底座、第一轉(zhuǎn)軸、第二轉(zhuǎn)軸、圓箍、卡扣、第一半環(huán)以及第二半環(huán)；所述第一半環(huán)通過(guò)第一轉(zhuǎn)軸設(shè)置在圓箍上，所述第二半環(huán)通過(guò)卡扣與第一半環(huán)連接，所述圓箍通過(guò)第二轉(zhuǎn)軸設(shè)置在底座上，所述圓箍與第一半環(huán)下端面設(shè)有支腳，所述底座底部設(shè)有固定孔，所述工作臺(tái)上設(shè)有螺紋孔；所述旋轉(zhuǎn)裝置通過(guò)固定孔設(shè)置在工作臺(tái)上；以底座底部的固定孔為基準(zhǔn)確定O-X-Y-Z工件坐標(biāo)；

②確定圓柱體初始位姿，將測(cè)點(diǎn)投影至x-o-y平面，確定其最小二乘擬合圓心；

201確定圓柱體初始位姿，φ_α＝0°，φ_β＝0°，利用測(cè)頭對(duì)圓柱體進(jìn)行接觸式采點(diǎn)得到測(cè)點(diǎn)P_i，其中i＝1,2,...n；

202將測(cè)點(diǎn)投影至x-o-y平面，得到平面上的投影點(diǎn)其中i＝1,2,...n；求出的最小二乘擬合圓圓心坐標(biāo)為O_z1(a,b)，其中

③通過(guò)移動(dòng)圓心O_z1(a,b)確定投影測(cè)點(diǎn)的最小包容圓，求得當(dāng)前位姿下圓柱度值；

301確定所有投影點(diǎn)距最小二乘圓心O_z1的距離，記為r_i，其中i＝1,2,...n；并找出r_i的最大值r_max和最小值r_min，分別記所對(duì)應(yīng)的投影點(diǎn)為H₁、L₁，即為外接觸點(diǎn)和內(nèi)接觸點(diǎn)；

302確定∠H₁O_z1L₁的角度α₁(α₁<π)，及其角平分線O_z1Q₁，確定γ_1i＝∠P_i^zO_z1Q₁，i＝1,2,...n；計(jì)算和求得e_l1i和e_h1i的最小值e₁，以e₁為步長(zhǎng)沿方向移動(dòng)圓心O_z1至O_z2，找出另外一個(gè)內(nèi)接觸點(diǎn)L₂；

303確定∠L₁O_z2L₂的角度α₂(α₂<π)，及其角平分線O_z2Q₂，確定γ_2i＝∠P_i^zO_z2Q₂；計(jì)算和求得e_l2i和e_h2i的最小值e₂，以e₂為步長(zhǎng)，沿方向移動(dòng)圓心O_z2至O_z3，當(dāng)出現(xiàn)內(nèi)接觸點(diǎn)時(shí)，則令其為L(zhǎng)₂，重復(fù)執(zhí)行步驟303；當(dāng)出現(xiàn)外接觸點(diǎn)時(shí)，令其為H₁，繼續(xù)執(zhí)行步驟304；

304記銳角∠L₂O_z3H₁的角度為α₃(α₃<π)，及其角平分線O_z3Q₃，確定γ_3i＝∠P_i^zO_z3Q₃；計(jì)算和求得e_l3i和e_h3i的最小值e3，以e3為步長(zhǎng)，沿方向移動(dòng)圓心O_z3至O_z4，當(dāng)出現(xiàn)內(nèi)接觸點(diǎn)時(shí)，則令其為L(zhǎng)₂，重復(fù)步驟304；當(dāng)出現(xiàn)外接觸點(diǎn)時(shí)，則令其為H₂，繼續(xù)執(zhí)行步驟305；

305判斷線段L₁L₂、H₁H₂是否在被提取輪廓內(nèi)有交點(diǎn)，當(dāng)存在交點(diǎn)時(shí)，繼續(xù)執(zhí)行步驟306；否則，舍去H₁，并令H₂＝H₁，執(zhí)行步驟304；

306在求得最小包容圓心的條件下，確定所有二維投影點(diǎn)P_i^z到最小包容圓心的距離r_i′，其中i＝1,2,...n，計(jì)算圓柱度f(wàn)＝max{r_i′}-min{r_i′},i＝1,2,...,n，即為當(dāng)前位姿狀態(tài)下的圓柱度值；

④變化圓柱體的位姿，確定不同位姿下圓柱度值的最小值；

401確定位姿變換步長(zhǎng)e₀，令φ_α＝φ_α+e₀(i-1)，φ_β＝φ_β+e₀(j-1)，i,j＝0,1,2,...n，利用工件坐標(biāo)系確定圓柱體新的位姿態(tài)，進(jìn)行接觸式采點(diǎn)，執(zhí)行步驟③，并計(jì)算f_i,j；

402當(dāng)f_1,1不是f_i,j的最小值時(shí)，i,j＝0,1,2,...n，找出f_i,j的最小值記為f_i',j'，i′,j′＝0,1,2,...n令φ_α＝φ_α+e₀(i'-1)，φ_β＝φ_β+e₀(j'-1)，并依此轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的位置，確定圓柱體(14)新的位姿態(tài)，進(jìn)行接觸式采點(diǎn)，執(zhí)行步驟③，并計(jì)算f_i,j，重復(fù)執(zhí)行步驟401；當(dāng)f_1,1為f_i,j的最小值時(shí)，停止位姿變化，f_1,1即為圓柱體的圓柱度值。

所述支腳端部截面呈橢圓形，所述支腳下端設(shè)有橡膠墊。

所述位姿角度φ_α、φ_β的變化范圍均為-90°～90°。

所述第一半環(huán)與圓箍同軸設(shè)置，所述支腳的個(gè)數(shù)為5個(gè)或以上。

本發(fā)明的積極效果如下：本發(fā)明通過(guò)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)裝置，利用工件坐標(biāo)系與步長(zhǎng)確定不同的位姿角度，避免了多次裝夾，提高了操作的適應(yīng)性；本發(fā)明利用卡扣連接的第二半環(huán)可以在第一半環(huán)上進(jìn)行伸縮調(diào)節(jié)，極大地?cái)U(kuò)展了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的裝夾范圍，方便了測(cè)量；本發(fā)明通過(guò)第一轉(zhuǎn)軸和第二轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)完成兩個(gè)垂直平面內(nèi)角度的確定，各個(gè)位姿角通過(guò)支腳在底座上滑移確定并通過(guò)橡膠墊最終固定，為后續(xù)測(cè)頭取點(diǎn)奠定基礎(chǔ)；本發(fā)明通過(guò)將三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在圓柱體上采集的三維測(cè)點(diǎn)投影至平面，通過(guò)迭代的方法搜索最小區(qū)域圓的圓心，大大簡(jiǎn)化了搜索的計(jì)算量；本發(fā)明投影后的測(cè)點(diǎn)通過(guò)最小二乘法確定圓心的初始值，使確定姿態(tài)下的搜索過(guò)程更加快捷，通過(guò)選取移心方向和移心步長(zhǎng)，降低了搜索次數(shù)，提高了搜索精度，最終所求圓柱度誤差更為精確。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明支腳結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明底座結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明移動(dòng)最小二乘圓心得最小包容圓心方法的示意圖；

圖5為本發(fā)明判定最小包容圓交叉準(zhǔn)則示意圖；

圖6為本發(fā)明計(jì)算當(dāng)前位姿下測(cè)量點(diǎn)圓柱度方法的流程圖；

圖7為本發(fā)明改變圓柱位姿得最小圓柱度的方法的流程圖；

圖8為本發(fā)明工件坐標(biāo)系示意圖；

在圖中：1底座、2第一轉(zhuǎn)軸、3第二轉(zhuǎn)軸、4圓箍、5卡扣、6第二半環(huán)、7支腳、8第一半環(huán)、9固定孔、10橡膠墊、11工作臺(tái)、12測(cè)頭、13螺紋孔、14圓柱體、15立柱。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1-8所示，本發(fā)明一種圓柱度在機(jī)檢測(cè)方法，采用步驟如下：

①利用旋轉(zhuǎn)裝置對(duì)被測(cè)圓柱體14進(jìn)行裝夾，并基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)建立工件坐標(biāo)系；

101啟動(dòng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，移動(dòng)設(shè)置在工作臺(tái)11上的立柱15對(duì)測(cè)頭12的半徑進(jìn)行校準(zhǔn)；

102將圓柱體14設(shè)置在旋轉(zhuǎn)裝置內(nèi)，所述旋轉(zhuǎn)裝置包括：底座1、第一轉(zhuǎn)軸2、第二轉(zhuǎn)軸3、圓箍4、卡扣5、第一半環(huán)8以及第二半環(huán)6；所述第一半環(huán)8通過(guò)第一轉(zhuǎn)軸2設(shè)置在圓箍4上，所述第二半環(huán)6通過(guò)卡扣5與第一半環(huán)8連接，所述圓箍4通過(guò)第二轉(zhuǎn)軸3設(shè)置在底座1上，所述圓箍4與第一半環(huán)8下端面設(shè)有支腳7，所述底座1底部設(shè)有固定孔9，所述工作臺(tái)11上設(shè)有螺紋孔13；所述旋轉(zhuǎn)裝置通過(guò)固定孔9設(shè)置在工作臺(tái)11上；以底座1底部的固定孔9為基準(zhǔn)確定O-X-Y-Z工件坐標(biāo)；所述支腳7端部截面呈橢圓形，所述支腳7下端設(shè)有橡膠墊10，所述位姿角度φ_α、φ_β的變化范圍均為-90°～90°，所述第一半環(huán)8與圓箍4同軸設(shè)置，所述支腳7的個(gè)數(shù)為5個(gè)或以上，本發(fā)明第二半環(huán)6材質(zhì)為塑料，且在第二半環(huán)6的內(nèi)壁上均布有平行浮點(diǎn)，用于固定被測(cè)圓柱體14，所述每行浮點(diǎn)的個(gè)數(shù)為6～8個(gè)，所述底座1呈半球形，所述支腳7底端與底座1相切，并能在底座1上自由滑動(dòng)，所述支腳7上端鉸接在第一半環(huán)8和圓箍4上；

②確定圓柱體14初始位姿，將測(cè)點(diǎn)投影至x-o-y平面，確定其最小二乘擬合圓心；

201確定圓柱體14初始位姿，通過(guò)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)裝置使φ_α＝0°，φ_β＝0°，并利用支腳7下端的橡膠墊10進(jìn)行固定，然后利用測(cè)頭12對(duì)圓柱體14進(jìn)行接觸式采點(diǎn)得到三維測(cè)點(diǎn)P_i，其中i＝1,2,...n；所述測(cè)點(diǎn)采用分層均勻分布形式，一般沿圓柱體14軸線方向分布3～4層測(cè)點(diǎn)，每層在圓柱體14切面圓周上等距均勻分布5～7個(gè)測(cè)點(diǎn)；

202將測(cè)點(diǎn)投影至機(jī)器坐標(biāo)系X-O-Y平面，得到平面上的二維投影點(diǎn)其中i＝1,2,...n；將二維投影點(diǎn)進(jìn)行最小二乘圓擬合，求出的最小二乘擬合圓圓心坐標(biāo)為O_z1(a,b)，其中

③通過(guò)移動(dòng)最小二乘圓心O_z1(a,b)確定投影測(cè)點(diǎn)的最小包容圓，求得當(dāng)前位姿下圓柱度值；

301確定所有二維投影點(diǎn)距最小二乘圓心O_z1的距離，記為r_i，其中i＝1,2,...n；并找出r_i的最大值r_max和最小值r_min，分別記所對(duì)應(yīng)的投影點(diǎn)為H₁、L₁，即為外接觸點(diǎn)和內(nèi)接觸點(diǎn)；

302確定∠H₁O_z1L₁的角度α₁(α₁<π)，及其角平分線O_z1Q₁，確定γ_1i＝∠P_i^zO_z1Q₁，i＝1,2,...n；計(jì)算和求得e_l1i和e_h1i的最小值e₁，以e₁為步長(zhǎng)沿方向移動(dòng)初始最小二乘圓心O_z1至O_z2，找出另外一個(gè)內(nèi)接觸點(diǎn)L₂；

303確定∠L₁O_z2L₂的角度α₂(α₂<π)，及其角平分線O_z2Q₂，確定γ_2i＝∠P_i^zO_z2Q₂；計(jì)算和求得e_l2i和e_h2i的最小值e₂，以e₂為步長(zhǎng)，沿方向移動(dòng)圓心O_z2至O_z3，當(dāng)出現(xiàn)內(nèi)接觸點(diǎn)時(shí)，則令其為L(zhǎng)₂，重復(fù)執(zhí)行步驟303；當(dāng)出現(xiàn)外接觸點(diǎn)時(shí)，令其為H₁，繼續(xù)執(zhí)行步驟304；

304記銳角∠L₂O_z3H₁的角度為α₃(α₃<π)，及其角平分線O_z3Q₃，確定γ_3i＝∠P_i^zO_z3Q₃；計(jì)算和求得e_l3i和e_h3i的最小值e₃，以e₃為步長(zhǎng)，沿方向移動(dòng)圓心O_z3至O_z4，當(dāng)出現(xiàn)內(nèi)接觸點(diǎn)時(shí)，則令其為L(zhǎng)₂，重復(fù)步驟304；當(dāng)出現(xiàn)外接觸點(diǎn)時(shí)，則令其為H₂，繼續(xù)執(zhí)行步驟305；

305判斷線段L₁L₂、H₁H₂是否在被提取輪廓內(nèi)有交點(diǎn)，當(dāng)存在交點(diǎn)時(shí)，則滿足最小包容圓的交叉準(zhǔn)則，繼續(xù)執(zhí)行步驟306；否則，舍去H₁，并令H₂＝H₁，執(zhí)行步驟304；

306在求得最小包容圓心的條件下，確定所有二維投影點(diǎn)P_i^z到最小包容圓心的距離r_i′，其中i＝1,2,...n，計(jì)算圓柱度f(wàn)＝max{r_i′}-min{r_i′},i＝1,2,...,n，即為圓柱體14當(dāng)前位姿狀態(tài)下的圓柱度值；

④變化圓柱體14的位姿，確定不同位姿下圓柱度值的最小值；

401確定位姿變換步長(zhǎng)e₀，所述步長(zhǎng)e₀值分別取2°與5°進(jìn)行迭代運(yùn)算，為了保證取點(diǎn)精度，保證e₀5°以內(nèi)，而后令φ_α＝φ_α+e₀(i-1)，φ_β＝φ_β+e₀(j-1)，i,j＝0,1,2,...n，利用工件坐標(biāo)系確定圓柱體14新的位姿態(tài)，進(jìn)行接觸式采點(diǎn)，所述測(cè)點(diǎn)采用分層均勻分布形式，一般沿圓柱體14軸線方向分布3～4層測(cè)點(diǎn)，每層在圓柱體14切面圓周上等距均勻分布5～7個(gè)測(cè)點(diǎn)，執(zhí)行步驟③，并計(jì)算各位姿狀態(tài)下圓柱體14的圓柱度值f_i,j；

402當(dāng)f_1,1不是f_i,j的最小值時(shí)，i,j＝0,1,2,...n，找出各位姿狀態(tài)下圓柱度值f_i,j的最小值記為f_i',j'，i′,j′＝0,1,2,...n令φ_α＝φ_α+e₀(i'-1)，φ_β＝φ_β+e₀(j'-1)，并依此轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的位置，確定圓柱體14新的位姿態(tài)，進(jìn)行接觸式采點(diǎn)，所述測(cè)點(diǎn)采用分層均勻分布形式，一般沿圓柱體14軸線方向分布3～4層測(cè)點(diǎn)，每層在圓柱體14切面圓周上等距均勻分布5～7個(gè)測(cè)點(diǎn)，執(zhí)行步驟③，并計(jì)算各位姿狀態(tài)下圓柱體14的圓柱度值f_i,j，重復(fù)執(zhí)行步驟401；當(dāng)f_1,1為f_i,j的最小值時(shí)，停止位姿變化，f_1,1即為圓柱體14的圓柱度值。

以上所述實(shí)施方式僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，而并非本發(fā)明可行實(shí)施的窮舉。對(duì)于本領(lǐng)域一般技術(shù)人員而言，在不背離本發(fā)明原理和精神的前提下對(duì)其所作出的任何顯而易見的改動(dòng)，都應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為包含在本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。