一种四轴精密测量用调整台的自动调平方法与流程

1.本发明属于工业计量技术领域，具体涉及一种四轴精密测量用调整台的自动调平方法。

背景技术：

2.在工业计量领域中，精密测量用调整台广泛应用于汽车发动机、汽车配件、航空航天发动机等的测量装配过程中，主要负责对零件定位装夹、保证测量前期零部件的水平特性，以便于对零部件表面某一垂直区域进行准确的形貌分析，或者带动零部件绕固定轴线旋转以便于对零部件某一水平区域进行准确的形貌分析。为了消除零件装夹过程中待测区域与测量方向存在垂直的夹角而带入的相对位置误差，提高对测量区域的精准定位以及测量结果的精度，必须对调整台进行调整，调平调整台(调水平/调平)是整个调整过程中的关键步骤。该过程通过对调整台进行水平调整，使得待测区域所在平面同测量方向(检出器所在轴)平行，可以有效消除测量区域同测量方向上的垂直夹角，能够消除装夹过程中的相对位置误差，从而提升测量结果的准确度，从而使得测量结果更具实际参考价值。3.现有技术中通常采用的有采用四轴手动调平方法和三点支撑调整台手动调平方法，其中，四轴手动调平方法即首先对工件进行定位装夹，将千分表或其它小型位移传感器装夹在一选定基准面上，使其测量方向(检出器所在轴)同基准面所在平面垂直，手动旋转调整台使得两个调平轴分别同传感器(检出器)所在位置垂直方向上处于同一平面，观察千分表或位移传感器的跳动变化量，对处于同平面的调平轴进行调整。多次重复上述过程，直到千分表跳动变化量小于某一额定值时，调平工作结束，取下千分表或其它小型位移传感器装置，开始后续的测量工作。4.三点支撑调整台调平方法，即三个轴两两之间夹角为120度，其中一个轴高度固定，此处称为固定轴，两外两个轴可以调节高度，此处称为可调支撑轴。通过调节可调支撑轴的高度实现调平功能。由于两可调支撑轴轴线相交于固定轴支撑点，且可调支撑轴之间的夹角为120度，调整过程中会相互影响。5.三点支撑调整台手动调平方法在调平过程中会在基准端面(即工件顶面)放置一个千分表用来观察径面跳动量，另外选取工件任意两个不同高度的截面作为基准，观察调整过程中截面上的跳动量。根据调平基准的类型，通过几何求解或调试确定转台比例关系；所述调平基准的类型包括端面基准、双径面联合基准两种；所述调整比例关系为当调整台可调支撑轴支撑点的高度变化时基准面各处跳动变化量的定量大小关系。旋转调整台，测量并记录基准面的跳动数据，利用最小二乘法对数据进行拟合，获得基准面的形状误差。根据两可调支撑轴支撑点跳动量的定量大小关系以及基准面的形状误差，计算基准面对于两个可调支撑轴支撑点处跳动的调整量；旋转调整台，使两个可调支撑轴依次与传感器处于同一角度，根据计算的调整量对各个调整轴进行调整；复测基准面的跳动数据，并校验跳动数据是否满足调平要求；若跳动数据满足调平要求，则调平结束；若不满足调平要求，则重复上述步骤的操作，直至复测后跳动数据满足调平要求。6.上述两种方法均存在人工调整过程操作复杂繁琐，调平效率较低，人工调整无法有效保障每次的调整精度，使得测量结果重复性较差，严重影响测量结果的精度，不适于大规模批量化检测的问题。

技术实现要素：

7.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种四轴精密测量用调整台的自动调平方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：8.一种四轴精密测量用调整台的自动调平方法，包括以下步骤：9.步骤100，以任一调平调整轴作为x轴的正向轴和调整台的承载平台的放置面作为基平面xoy建立三维坐标系；10.步骤200，采集待测工件的数据并获取待测工件的至少在两个高度位置对应的至少两个截面上的截面数据；所述待测工件为横截面为圆形的工件；11.步骤300，根据所述截面数据确定所述待测工件的当前中心轴线的空间拟合方程；其中，所述当前中心轴线为所述截面数据进行圆拟合后的两个圆心的拟合坐标确定的轴线ko′；所述轴线ko′与所述基平面xoy的交点为o′(ex,ey,0)；12.步骤400，根据所述轴线ko′确定所述轴线ko′绕y轴旋转的夹角α、所述轴线ko′绕x轴旋转的夹角β和所述轴线ko′与基平面xoy的夹角γ；13.步骤500，若γ＜θ，根据夹角α、夹角β、调整台的承载平台和y向调平轴在yoz坐标面内的投影以及承载平台和x向调平轴在xoz坐标面内的投影，确定y向调平轴的进给量ly和x向调平轴的进给量lx，其中，θ表示所述轴线ko′与基平面xoy的阈值夹角；14.步骤600，控制x向调平轴运动lx，y向调平轴运动ly；15.步骤700，返回执行步骤200-步骤400，若θ≤γ≤90°，结束调整；16.若γ＜θ，执行步骤500。17.在本发明的一个实施例中，所述步骤300的具体步骤包括：18.步骤310，对所述截面数据进行圆拟合，以确定所述至少两个截面的对应的拟合圆心的至少两个拟合坐标；19.步骤320，根据所述至少两个拟合坐标确定的所述当前中心轴线的空间拟合方程。20.在本发明的一个实施例中，所述步骤500中，根据夹角α、夹角β、调整台的承载平台和x向调平轴在xoz坐标面内的投影确定x向调平轴的进给量lx，包括：根据夹角α、承载平台和x向调平轴在xoz坐标面内的投影和公式六确定x向调平轴的进给量lx；[0021][0022]其中，所述轴线ko′在xoz坐标面的投影为oh，承载平台在xoz坐标面中的投影为四边形abcd，x向调平轴前端球头在xoz坐标面中的投影为以u′为圆心半径为r的半圆；pu'表示x向调平轴的中轴在xoz坐标面的投影，通过沿pu'方向的移动带动四边形abcd绕o以om为半径r做圆弧运动，在运动过程中四边形abcd的dc边始终同圆u′相切；m表示oh与dc边中线的交点；f表示oh与ad边的交点；[0023]表示圆心u′与承载平台的切点的连线与pu'延长线之间的夹角；ubeginx表示调整台处于水平时的x向调平轴前端球头在xoz坐标面中的投影的圆心u的坐标；ur′emovex表示圆心u′的横坐标；[0024]若α为正值，沿pu'所在直线运动方向是负向回退；若α为负值，沿pu'所在直线运动方向是正向进给。[0025]在本发明的一个实施例中，所述步骤500中，根据夹角α、夹角β、调整台的承载平台和y向调平轴在yoz坐标面内的投影确定y向调平轴的进给量ly，包括：根据夹角β、承载平台和y向调平轴在yoz坐标面内的投影和公式七确定y向调平轴的进给量ly；[0026][0027]其中，所述轴线ko′在yoz坐标面的投影为oh，承载平台在yoz坐标面中的投影为四边形abcd，y向调平轴前端球头在yoz坐标面中的投影为以u′为圆心半径为r的半圆；pu'表示y向调平轴的中轴在yoz坐标面的投影，通过沿pu'所在直线的移动带动四边形abcd绕o以om为半径r做圆弧运动，在运动过程中四边形abcd的dc边始终同圆u′相切；m表示oh与dc边中线的交点；f表示oh与ad边的交点；[0028]表示圆心u′与承载平台的切点的连线与pu'延长线之间的夹角；ubeginy表示调整台处于水平时的y向调平轴前端球头在yoz坐标面中的投影的圆心u的坐标；ur′emovey表示圆心u′的横坐标；[0029]若β为正值，沿pu'所在直线运动方向是负向回退；若β为负值，沿pu'所在直线运动方向是正向进给。[0030]本发明的有益效果：[0031]本发明通过建立数字化模型自动计算调平调整的调整量，通过电机驱动x向调平轴和y向调平轴根据调整量运动，从而达到自动调平的目的。本发明的调平方法自动化程度高，简化了调平过程，调整过程中无需人为操作，避免了人为误差，显著提高了调整精度以及调整效率，适用于大规模批量流水线检测。[0032]以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。附图说明[0033]图1为本发明实施例提供的一种四轴精密测量用调整台的待测工件装夹后的工件轴线与调整台回转中心轴线的空间关系示意图；[0034]图2为本发明实施例提供的一种四轴精密测量用调整台的自动调平方法的数学模型示意图；[0035]图3为本发明实施例提供的调整台处于理想水平状态时的数学模型示意图；[0036]图4为本发明实施例提供的调整台处于实际工况未调平的数学模型示意图。具体实施方式[0037]下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。[0038]一种四轴精密测量用调整台的自动调平方法，包括以下步骤：[0039]步骤100，以任一调整轴作为x轴的正向轴和调整台的承载平台的表面作为基平面xoy建立三维坐标系，如图2所示。调整台包括承载平台、x向调平轴、y向调平轴；x向调平轴的前端设置有前端球头，y向调平轴的前端设置有前端球头，x向调平轴后端与直线驱动电机固定连接，y向调平轴后端与直线驱动电机固定连接，前端球头可以带动承载平台以三维坐标系的原点进行旋转运动。[0040]如图1所示，调整台具有x向调平轴和y向调平轴，两个调整轴正交形成四轴调整机构，待测工件进行调平后，工件轴线ko′与回转中心轴线(调整台的回转轴)平行。调整台的一侧还设置有至少一个传感器。z轴为回转中心轴线。[0041]步骤200，以两个高度位置为例，采集待测工件的数据并获取待测工件的第一高度z1和第二高度z2对应的第一截面和第二截面上的截面数据；所述待测工件为横截面为圆形的工件。待测工件一般可以为轴类工件，通过传感器可以采集待测工件表面的数据，截面数据采用极坐标表示，两个传感器高度不同，预设一个极坐标下的半径值，并分别获取两个高度的下的传感器的变化量(也即是极坐标下的角度值)。[0042]步骤300，根据所述截面数据确定所述待测工件的当前中心轴线的空间拟合方程；其中，所述当前中心轴线为所述截面数据进行圆拟合后的两个圆心的拟合坐标确定的轴线ko′；所述轴线ko′与所述基平面xoy的交点为o′(ex,ey,0)；所述截面数据包括：第一截面上的第一数据和第二截面上的第二数据，具体地：[0043]步骤310，根据最小二乘法对所述第一数据和第二数据进行圆拟合，计算得到所述第一截面和所述第二截面的对应的拟合圆心的第一拟合坐标c1(x1,y1,z1)和第二拟合坐标c2(x2,y2,z2)；[0044]步骤320，根据所述第一拟合坐标c1(x1,y1,z1)和所述第二拟合坐标c2(x2,y2,z2)确定的所述当前中心轴线的空间拟合方程。[0045]步骤400，根据所述轴线ko′确定所述轴线ko′绕y轴旋转的夹角α、所述轴线ko′绕x轴旋转的夹角β和所述轴线ko′与基平面xoy的夹角γ；[0046]具体地，z1z2与z轴平行，根据所述轴线ko′和公式一确定夹角α：[0047][0048]根据所述轴线ko′和公式二确定夹角β：[0049][0050]根据所述轴线ko′和公式三确定所述轴线ko′与基平面xoy的夹角γ：[0051][0052]步骤500，若γ＜θ，根据夹角α、夹角β、承载平台和y向调平轴在yoz坐标面内的投影以及承载平台和x向调平轴在xoz坐标面内的投影，确定y向调平轴的进给量ly和x向调平轴的进给量lx，其中，θ表示所述轴线ko′与基平面xoy的阈值夹角。阈值夹角θ表示调整精度(阀值/同轴度)，理想状态下，γ为90°时，待测工件完全水平，轴线ko′应该垂直于基平面也即是与回转中心轴线。实际应用中，γ接近90°且小于90°时，可以认为待测工件处于调平状态。因此，阈值夹角θ可以根据需要预设为接近90°且小于90°的角度。承载平台为调整台承载待测工件的部件。[0053]具体地，根据夹角α、夹角β、承载平台和x向调平轴在xoz坐标面内的投影确定x向调平轴的进给量lx，包括：根据夹角α、承载平台和x向调平轴在xoz坐标面内的投影和公式六确定x向调平轴的进给量lx；[0054][0055]其中，所述轴线ko′在xoz坐标面的投影为oh，承载平台在xoz坐标面中的投影为四边形abcd，x向调平轴前端球头在xoz坐标面中的投影为以u′为圆心半径为r的半圆；x向调平轴后端与直线驱动电机固定连接。pu'表示x向调平轴的中轴在xoz坐标面的投影，通过沿pu'所在直线的移动带动四边形abcd绕o以om为半径r做圆弧运动，在运动过程中四边形abcd的dc边始终同圆u′相切。[0056]图3为从y轴正向观察调整台投影到xoz坐标面处于理想水平状态时的二维数学模型。eo为z轴，go为x轴。此时，x向调平轴前端球头在yoz坐标面中的投影为以u为圆心半径为r的半圆；pu表示x向调平轴的中轴在xoz坐标面的投影，m表示oh与dc边中线的交点；f表示oh与ad边的交点，om＝r，om为承载平台的旋转半径。m表示oh与dc边中线的交点；f表示oh与ad边的交点，由于调整台机械结构的各个参数已知，fd、r和r也为已知量。[0057]如图4为从y轴正向观察待测工件的实际工况为未调平的数学模型，本步骤中，为了便于计算，将轴线ko′在xoz坐标面的投影mn进行平移，使得m点与xoz坐标面的原点o重合，oh也即是平移后的mn。四边形abcd和圆u′模拟的是调整台回转轴底端调平的机械结构，∠fol为α。[0058]如图2所示，o′a′是ko′在xoy平面的投影，mn是ko′在xoz平面的投影，c2q垂直于o′m，c2q与sm平行。在调整过程中使得轴线ko′调整到z1z2位置也即是轴线ko′绕y轴旋转以消除α，绕x轴旋转以消除β后同z轴平行，从而实现工件的调平工作。在图4中，由于进行了平移，因此，调整完成后oh与oe重合。[0059]为方便叙述，将理想水平状态时u点的坐标记为ubeginx，将实际工况下u′点的横坐标记为u′removex：[0060]当调整台处于理想水平状态时β＝0，α＝0，根据几何关系可得，此时u点的横坐ubeginx＝fd+r：[0061]当调整台处于实际倾斜工况时：[0062]β≠0，α≠0，如图4所示，根据几何关系可得，此时u′点的横坐标[0063]四边形abcd模拟的是装夹待测工件后调整台在x轴调平方向上的角度偏移情况。圆u和圆u′模拟的是装夹待测工件后调整台在x轴调平方向上的水平位移情况。要想实现自动化的调整，就需要得到pu方向上的进给量和α之间的定量关系。[0064]表示圆心u′与承载平台的切点的连线与pu'延长线之间的夹角；ubeginx表示调整台处于水平时的x向调平轴前端球头在xoz坐标面中的投影的圆心u的坐标；u′removex表示圆心u′的横坐标。[0065]图4模拟的是某一次装夹完成后工件轴线从y轴正向观察投影到xoz平面上的二维示意图，调平轴前端圆心从u移动到了u′，理想工况圆心u和实际工况圆心u′点处于同一条直线上，因此，根据图中几何关系，进给量的计算可以转换成理想工况下u点横坐标和实际工况下u′点横坐标的差值的绝对值。[0066]若α为正值，沿pu'所在直线运动方向是负向回退；若α为负值，沿pu'所在直线运动方向是正向进给。[0067]相应地，计算进给量ly时的几何模型和上述的几何模型完全一致，根据夹角α、夹角β、承载平台和y向调平轴在yoz坐标面内的投影确定y向调平轴的进给量ly，包括：根据夹角β、承载平台和y向调平轴在yoz坐标面内的投影和公式七确定y向调平轴的进给量ly；[0068][0069]步骤600，通过直线驱动电极控制x向调平轴运动lx，y向调平轴运动ly；[0070]步骤700，返回执行步骤200-步骤400，若θ≤γ≤90°，结束调整。完成一次调整后继续采集数据计算夹角γ，若γ＜θ，继续执行步骤500，直至θ≤γ≤90°，结束调整。图4中由于进行了平移，因此，结束调整后oh与oe重合。[0071]在一种可行的实现方式中，上述方法只考虑待测工件的工件轴线与xoy平面的交点o′与回转中心轴线的o点不重合的情况下，也即是未调心的工况。若待测工件的工件轴线与xoy平面的交点o′与回转中心轴线的o点重合的工况下，也即是调心之后，则将令上述方法中的ex＝0，ey＝0进行计算即可。[0072]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。[0073]此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。[0074]在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。[0075]在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。[0076]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。[0077]以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。