大型筒柱状工件尺寸和几何误差的测量方法

2015-06-12丁海东冯祝雷

机械制造 2015年8期

□ 丁海东 □ 李明 □ 冯祝雷

上海大学上海市智能制造及机器人重点实验室上海 200072

随着工业技术的迅速发展，特别是在极端制造方面，对大型工件的加工精度和测量精度要求也越来越高［1］。对于体积庞大、结构比较复杂的物体，传统方法已很难满足现代测量的需要，因此需要采用数字化测量技术。在数字化测量过程中，对于大型工件，一次测量很难获取全部信息，需要采用转站测量技术［2］，然而，转站测量一方面会降低测量的精度，另一方面会降低测量的效率。因此，提出一种新型工业测量方法，用于对筒柱状大型工件的坐标测量是一个急需解决的问题。

1 测量对象分析

大型圆柱筒状结构件被广泛用于隧道工程、冶金等行业，如：隧道管节、烧结厂的圆筒混合机筒体等，如图1所示。直径在2～20 m之间的大型筒柱状工件一般由内壁、外壁、上端面和下端面等4个主要被测量部分组成，其中两端面一般包含有较复杂的连接、装配和密封结构。

对于这类筒柱状大型工件，在测量过程中，需要对工件的内表面、外表面、工件两个端面等各个主要被测部位进行尺寸及几何公差的综合测量和评定，测量内容通常包括工件整体尺寸、工件局部尺寸、工件整体尺寸和局部的相互关系。工件的整体尺寸包括工件的内径、外径等；局部尺寸包括工件的壁厚、工件两端面细部结构（如凸沿）的尺寸和形位公差等；整体和局部的相互关系包括工件内外径的同轴度、工件轴线与端面的垂直度、工件两端面的平行度等被测要素。因此，测量和检验这类圆柱筒状工件的尺寸和几何误差存在一定的难度。

▲图1 常见的大型筒柱状工件

2 测量方法分析

在制造和安装过程中，对工件尺寸的测量，其方法归纳起来分为两类：直接测量和间接测量［3］。

根据测量仪器的使用情况，直接测量包括接触或者非接触方法，如机械量具、测球、激光扫描等。对于普通大尺寸工件，目前采用最多的仍然是利用机械量具进行接触式直接测量，一般有游标卡尺、大型千分尺、高度尺、内径千分尺、内径量杆等［4］。而对于直径在2～20 m之间的大型工件，这类计量器具的质量和体积会随着被测工件尺寸的增大而增大，比较笨重，操作不便，同时受力变形也大，受温度影响大，测量精度低，计量器具的制造成本高［5］。

而利用数字化测量技术，采用激光跟踪仪、全站仪等测量仪器进行直接接触或非接触测量时，由于被测对象尺寸较大，被测要素多，现有的测量仪器无论如何摆放，一次测量装夹难以同时完成对以上被测要素的测量。如果增加现有测量仪器的摆放位置，会大大地降低测量精度，增加了测量的复杂程度；如果转站测量，则会降低测量的精度和效率。因此对于这类筒柱状大型工件，现有的坐标测量设备无法实现现场测量。

间接测量作为一种检验工艺，是在直接测量无法实现的情况下使用的一种可靠的检测手段，虽然没有直接测量简单直观，但能解决一些无法直接获得的数据。对于筒柱状大型工件，需要测量工件内表面、外表面、两端等部位各被测要素的几何和形位公差，间接测量是可以实现的。

3 测量方法设计

对于大型圆柱筒状工件尺寸和几何误差的测量，可以通过间接测量的方法，获取工件被测要素的特征点。采用齐次坐标变换方法，通过坐标平移，将获取的特征点统一变换到测量坐标系。采用最小二乘特征拟合算法，由特征点构造出被测要素的拟合要素，对工件尺寸和几何误差进行测量。

3.1 测量方法

由于采用了间接测量方法，而且在工业现场的大尺寸测量场合，单纯依靠一种测量仪器很难实现被测物体完整面型的高精度扫描测量［6］，为了获取工件被测要素的特征点，需要设计专门的检测工装。设计检测工装时，要考虑被测要素的特征以及测量的便利性。在检测工装上设置测量靶标，使测量仪器获取工件整体尺寸，如工件的内外径、同轴度等被测要素的特征点。在检测工装上安装传感器，使测量仪器获取工件局部尺寸，如工件端面倾斜、壁厚等被测要素的特征点。

测量仪器通过对靶标的测量，可以获取靶标在测量坐标系下的坐标值；使用传感器，可以获取被测要素特征点在检测工装辅助坐标系下的坐标值；由于测量靶标与传感器都在检测工装上，可以使检测工装辅助坐标系与测量坐标系相关联。靶标在检测工装辅助坐标系下的坐标值，可以在安装前由更高精度的测量设备通过标定给出参数；传感器获取的相关被测要素特征点在检测工装辅助坐标系下的坐标值，也可以在安装前通过系统标定确定尺寸和位置参数。那么，在测量时就可以采用坐标变换，将获取的相关被测要素的特征点统一到测量坐标系；通过提取的被测要素特征点，拟合出被测要素的特征，通过坐标测量的方法，对工件尺寸和几何误差进行测量。

3.2 具体实施

为了更好地解释上述测量方法，给出一个具体的测量方法，测量对象是某型企口管。

图2是企口管的简化图，根据设计和安装的要求，需要测量的特征见表1。

表1 工件需要测量的特征

测量使用的硬件主要包括测量仪器、检测工装、测量靶标和传感器（数字百分表），图3是本测量方法使用的硬件结构连接示意图。

测量前需按图3所示将测量仪器和检测工装等硬件搭建好，另外，还需准备无线数据传输模块和计算机。测量时，测量仪器的测量数据可以通过数据总线的连接传输到计算机上，同时传感器数据通过无线数据传输模块传输到计算机，最后在计算机上完成计算，得出结果。

▲图2 某型企口管简化图

▲图3 测量硬件结构连接示意图

▲图4 测量方法数学模型图

测量方法的数学模型如图4所示，O-XYZ为测量坐标系，O′-X′Y′Z′为检测工装辅助坐标系。靶标点的读数可以是笛卡尔坐标系，也可以为极坐标系，极坐标系转化为空间直角坐标系的变换方程为：

式中：ρ为测量仪器到靶标距离；β为ρ与XOY平面所成夹角；α为ρ在XOY平面上的投影与X轴所成夹角。

通过测量仪器，获取靶标中心点在测量坐标系下的坐标值；通过传感器获取被测要素特征点在检测工装辅助坐标系下的坐标值；通过标定获取靶标在检测工装辅助坐标系下的坐标值；通过坐标变换的方法，推出被测要素特征点在测量坐标系下的坐标值，然后通过拟合的方法对工件尺寸和几何误差进行测量。

实际测量步骤如下。

（1）测量仪器1放置在筒柱状工件的中央，测量时，测量仪器需要调整水平基准。

（2）检测工装2固定在工件上端面的沿口，检测工装3固定在工件下端面的沿口，由于靶标的设计与相关被测要素关联，即靶标4与基准A和基准B相关联，靶标5与基准C和基准D相关联，通过对靶标的测量，可以获取工件的内径r、外径R、工件内外表面的同轴度、工件长度L等被测要素。基准A、B、C、D为检测工装安装时的基准。

（3）检测工装2上安装传感器（数字百分表）6～9，检测工装3上安装传感器（数字百分表）10～12。传感器设置时与相关基准要素进行关联，建立坐标体系，通过传感器的读数，能推算出工件端面凸沿的形状和位置信息、工件轴线和端面的垂直度、两端面的倾斜度等被测要素，关联方式见表2。

（4）传感器有标准的数据接口，通过无线传输模块把数据传输到手提电脑。

（5）检测工装安装完毕后，通过人工按一定的流程测量各靶标，然后在手提电脑上应用测量软件，完成各测量项目的自动计算和表格生成。需要注意的是，在测量前需要进行系统参数标定，消除各部件安装精度对系统测量精度的影响之后，方可将原始数据转化为笛卡尔坐标进行测量和计算。

4 结论

笔者提出通过间接测量方法获取工件被测要素的特征点，利用检测工装，一次测量安装就可以测量不同部位的全部被测要素，提高了测量精度，节约了测量时间，这种方法还具有良好的通用性，即利用已有的测量设备，不仅可以用在筒状工件的几何要素的测量，而且根据测量工件的不同，可以在不同的位置设置多套检测工装，通过改变检测工装的造型，实现对其它各类大型回转工件的测量。