基于时间飞行法的轴线直线度误差测量

　　0 引言

　　轴线直线度误差大小对机械构件的性能有很大影响[1]，准确而快速地求得轴类零件的直线度误差能够给零件制造提供及时的加工信息，同时可以避免加工误差过大而影响成品率。常用直线度测量方法有直尺法、准直法、重力法和直线法等。其中直尺法是用平尺、直尺等以光隙法和指示表法等进行测量; 光学准直法利用光学准直望远系统测量直线度误差; 重力法利用液体自动保持水平或重物自动保持铅直的自然现象测量直线度; 直线法利用钢丝和激光束等测量直线度。上面的各种方式基本都是适用于测量物体表面的直线度，对于轴类零件的轴线直线度无法测量。在直线度误差测量方面，东北大学的张镭等做了很多理论研究，但未见相关具体实验与测量系统。现介绍一种基于时间飞行法的轴类零件轴线直线度实际可行的测量方案[2-3]。飞行时间法又称为脉冲激光法[4-5]，原理是激光器发射激光脉冲，脉冲遇到被测物体反射回来被测距传感器光电二极管接收到，根据光在均匀空气中传播速度为常数的特点，以及从发射激光到探测到反射回的激光之间的时间便可得到测量距离。实际的测距传感器是多次测量取均值，提高精度和准确性。该方法的优点是: 激光测距传感器扫描头每旋转一圈即可获取回转截面内物体的极坐标值，能够快速测得相关数据; 同时测量精度高，计算方便;对测量物体性质要求不高，可在极冷或极热，如大锻件锻压现场进行测量。鉴于以上优点，故采用时间飞行法测量轴线直线度。

　　1 测量系统介绍

　　测量系统通过x -z 二自由度直角坐标运动机构配合基于飞行时间法的激光扫描测距仪实现远距离非接触式测量，x，z 轴运动由电动机驱动，行星减速器减速以及齿轮传动实现，其系统模型如图1 所示。x 坐标可根据x 轴方向的电动机编码器转动角度和行星减速器减速比以及齿轮传动比计算获得。激光测距传感器扫描头旋转一圈，可获回转面内对应物体截面的极坐标值，经坐标转换可得y，z 坐标值，由此即可得到物体一个截面上前半部分点的三维坐标。随着x 轴的不断运动，便可获得整个物体各个截面前半部分的三维坐标。然后对获得的数据进行数据处理、截面圆拟合、轴线直线度误差计算。

　　2 测量系统坐标系的建立及坐标获取

　　在测量系统中，x，z 轴运动执行单元上均设置有零限位，零限位处有限位开关，当x，z 轴均处于零位时，此时系统处于零位。如图在系统零位处建立固定坐标系o0x0y0z0，其中x0平行于 x 轴方向导轨，z0平行于z 轴方向导轨，y0方向由右手螺旋法则确定。在第i 个测量截面处建立截面坐标系oixiyizi，其oi为激光传感器的回转中心，xi平行于传感器的旋转轴，zi平行于z 轴方向导轨，yi由右手螺旋法则确定。激光传感器获取的数据为旋转截面内物体各测量点到回转中心的距离值以及旋转角度，也即传感器获取的是截面坐标系中yioizi平面的极坐标值。所以要获取整个轴类零件表面的坐标信息，只需要将各个截面坐标通过坐标变换，全部代换到固定坐标o0x0y0z0中即可。