孔形自适应的内孔圆柱度气动复合检测装置及测量方法与流程

本发明涉及一种内孔精密检测装置及测量方法，特别是针对精密配合内孔的现场检测的一种孔形自适应的内孔圆柱度气动复合检测装置及测量方法。
背景技术：
：精密配合内孔的加工精度是决定某些零部件性能的关键因素。内孔圆柱度误差是保证配合精度的重要性能指标。设计人员对精密配合孔的圆柱度误差要求往往只有几微米，而内孔又多为细长形，因此内孔圆柱度检测变得愈加困难。目前，市场上对产品内孔圆柱度的检测主要有传统气动量仪检测法、圆度仪法、三坐标测量机法。传统的气动检测通过检测内孔的某个单一形状误差，例如直线度或者锥度用来替代圆柱度，显然这种测量方法难以适应不同孔形，其评价结果和真实圆柱度误差很大，难以满足测量要求。此外，这种方法通过单一形状误差代替圆柱度，包含内孔信息少，代表性差。刘慧建等在专利“一种转向机齿条精度值的综合检测装置及测试方法(201610025563.5)”中，运用所测细长杆件的直径极差、跳动极差及直线度数值计算圆柱度。该装置中利用导轨测量直线度，会引入很大误差，当精度达到微米级时，难以准确测量。此外，文中并没有详细的圆柱度计算公式。圆度仪法、三坐标测量机法检测内孔圆柱度最为准确，但需在专门的计量室中检测，检测步骤复杂、周期长、成本高，不适应大批量产品的检测，也无法在生产现场检测。尤其是检测需反复修正的内孔时，检测周期长导致生产效率很低。技术实现要素：本发明的目的是克服现有技术的不足，提供了一种孔形自适应的内孔圆柱度气动复合检测装置及测量方法，具有孔形自适应特性，能高精度检测细长内孔圆柱度误差，并实现生产现场检测，提高生产效率。本发明所采用的技术方案是：一、一种孔形自适应的内孔圆柱度气动复合检测装置：包括气动测量组件及其配套的校准规。气动测量组件包括气管保护套、弹簧、螺母、手柄、限位挡板和气动测量头；气动测量头尾端经限位挡板与手柄头端连接，限位挡板用于连接到孔端面进行定位，手柄为中空结构，气管保护套以及弹簧通过螺母固定连接在手柄尾端螺母。气动测量头上开有四组锥度气动喷嘴和四个直线度气动喷嘴，其中：四组锥度气动喷嘴以两个为一组，每组的两个锥度气动喷嘴对称布置在气动测量头同一横截面的两侧，不同组的锥度气动喷嘴布置在气动测量头不同横截面上，所有锥度气动喷嘴均布置在气动测量头同一轴向截面上，每组的锥度气动喷嘴经各自的气管后与各自的气动量仪连接，气管穿过手柄和气管保护套后连接气动量仪，从而四组锥度气动喷嘴形成沿轴向间隔布置的四路锥度气动检测；四个直线度气动喷嘴中，其中两个直线度气动喷嘴布置在气动测量头中部的同一侧，另外两个直线度气动喷嘴分别布置在气动测量头两端部的另一侧，四个直线度气动喷嘴均布置在气动测量头同一轴向截面上，且直线度气动喷嘴所在的轴向截面与锥度气动喷嘴所在的轴向截面相垂直，所有直线度气动喷嘴通过同一根气管后与同一气动量仪连接，气管穿过手柄和气管保护套后连接气动量仪，从而四个直线度气动喷嘴形成一路锥度气动检测。所述配套的校准规包括直线度上限校准规、直线度下限校准规、辅助校准规、直径上限校准规和直径下限校准规，五个校准规均为套环结构。所述的气动测量头外侧壁设有多个沿轴向的导流槽，导流槽设置在沿轴向一排气动喷嘴旁边并与所述气动喷嘴环槽相通。所述直线度气动喷嘴与所述锥度气动喷嘴同时设置于气动测量头上，并同时测量出内孔各种形状误差用以获得圆柱度。二、一种孔形自适应的内孔圆柱度气动复合测量方法，采用以下步骤：1)气动喷嘴校准：分别校准气动测量头上的直线度测量喷嘴和锥度测量喷嘴，使用直线度上限校准规、直线度下限校准规和辅助校准规校准直线度测量喷嘴，使用直径上限校准规、直径下限校准规校准锥度测量喷嘴；2)同步测量直线度误差、圆度误差和锥度误差：将所述复合测量装置放入被测孔中，限位挡板与内孔外端面接触，使得气动测量头和被测孔的轴向相重叠定位，然后旋转气动测量头一周360度，通过五个气动量仪采用以下方式测量，记录获得直线度、圆度和锥度的测量数据，具体为内孔轴线直线度δA、四组锥度气动喷嘴所在横截面的内孔圆度δB、δC、δD、δE以及内孔锥度δF；本发明利用气动喷嘴在气动量仪测量得到的数据是气动喷嘴所在处的直径数据。3)第一次合格性判断：采用以下公式找到所有测量数据中的最大值并将最大值与圆柱度公差要求Δ进行比较，若则认为不符合公差要求，工件内孔加工不合格；若则继续下一步骤；4)测量获得内孔四处横截面的平均直径，并通过四处横截面的平均直径获得内孔的孔形；5)采用主次区分方式进行自适应圆柱度计算，获得圆柱度误差值δ；6)第二次合格性判断：用圆柱度误差值δ和圆柱度公差要求Δ再次进行比较，当δ≤Δ时，则认为工件内孔加工合格；当δ>Δ时，则认为工件内孔加工不合格。所述步骤2)具体为：Ⅰ)直线度：气动测量头旋转一周过程中，实时记录直线度气动喷嘴所连接的气动量仪所采集到的直径数据，用采集到的最大值减最小值并取相减后差值的二分之一作为内孔轴线直线度δA；Ⅱ)圆度：气动测量头旋转一周过程中，分别记录四组锥度气动喷嘴所各自连接的气动量仪所采集到的直径数据，将同一个锥度气动喷嘴的直径数据中的最大值减去最小值的差值作为内孔圆度，由此分别得到四组锥度气动喷嘴所在横截面的内孔圆度δB、δC、δD、δE；Ⅲ)锥度：将气动测量头在固定旋转角度时四组锥度气动喷嘴的直径数据中的最大值减去最小值，并取二分之一获得差值，然后将气动测量头旋转一周过程进行测量，取所有旋转角度位置中的差值的最大值作为内孔锥度δF。所述步骤4)具体为：4.1)测量并计算内孔四处横截面的平均直径：针对气动测量头的四组锥度气动喷嘴，均用各自的气动量仪采集到在气动测量头旋转一周中的所有直径数据，取平均值作为该锥度气动喷嘴所在横截面的内孔平均直径，从而依次获得四处横截面的平均直径dP0、dP1、dP2和dP3，并计算出四处横截面平均直径的平均值dP＝(dP0+dP1+dP2+dP3)/4；4.2)基于孔径大小关系的孔形判断：Ⅰ)若|(dP0、dP1、dP2、dP3)-dP|≤ε(即四处横截面的平均直径与dP的偏差均不大于设定的阈值ε)，则为等径弯孔，否则做后续判断；Ⅱ)若满足dP0<(dP1、dP2)<dP3或者dP0>(dP1、dP2)>dP3，则内孔一端大，一端小，呈现锥形，为锥形孔；Ⅲ)若满足dP0<(dP1、dP2)且dP3<(dP1、dP2)或者满足dP0>(dP1、dP2)且dP3>(dP1、dP2)，则内孔中间大两边小呈现凸形，或者中间小两端大呈现凹形，为凹凸孔；Ⅳ)若均不符合上述Ⅰ、Ⅱ或者Ⅲ情形的，则为其他形孔。所述步骤5)具体为采用以下方式分别针对等径弯孔、锥形孔、凹凸孔和其他形孔计算获得圆柱度误差值：Ⅰ)等径弯孔采用以下公式计算获得圆柱度误差值δ，轴向截面内的轴线直线度误差是等径弯孔圆柱度误差的主要组成部分，横截面内的圆度误差为次要组成部分，圆柱度误差为轴线直线度误差与圆度误差的综合：Ⅱ)锥形孔采用以下公式计算获得圆柱度误差值δ，轴向截面内的锥度误差是锥形孔圆柱度误差的主要组成部分，横截面内的圆度误差为次要组成部分，圆柱度误差为锥度误差与圆度误差的综合：Ⅲ)凹凸孔采用以下公式计算获得圆柱度误差值δ，轴向截面内的锥度误差是凹凸形孔圆柱度误差的主要组成部分，横截面内的圆度误差为次要组成部分，圆柱度误差为锥度误差与圆度误差的综合：Ⅳ)其他形孔采用以下公式计算获得圆柱度误差值δ，所有圆度误差值、锥度误差值、直线度误差值中的最大值加上非该最大值所在截面内上述数值中的最大值之半作为圆柱度误差值，组成圆柱度误差值的这两个数值分别取自横截面内和轴向截面的两种截面内的误差值；圆度误差值为最大时：圆度误差值不为最大时：其中，δA表示内孔轴线直线度，δB、δC、δD、δE分别四组锥度气动喷嘴所在横截面的内孔圆度，δF表示内孔锥度。本发明所涉及的截面包括平行于轴向的轴向截面和垂直于轴向的横截面。本发明在气动检测装置测量完成时，需根据孔形自适应判断的结果，综合所测直线度误差、圆度误差和锥度误差来计算圆柱度误差。本发明具有以下优点：1)装置为具有孔形自适应特性的高精度、复合式细长内孔圆柱度气动检测装置。传统的气动测量组件，只能测量出单一的圆度误差值、直线度误差值等用以代替圆柱度。而本发明装置利用同时测得的直线度误差值、圆度误差值、锥度误差值计算出圆柱度误差，能够更好的逼近理论上的圆柱度，大大提高测量准确性。2)传统气动测量组件只测一种形状误差代替圆柱度误差时，只能测量特定孔形，无法准确测量其他形孔。例如测量锥形孔的测头，难以准确测量凸形孔，因为前者误差主要存在于横截面，而后者误差主要存在于轴剖面。类似的只测圆度误差，也会面临部分孔形无法测量的问题，导致测量误差很大。而本发明公开的复合式测头，能够同时测出直线度误差，圆度误差、锥度误差，并且用基于主、次区分方式的自适应圆柱度算法计算圆柱度，使得本发明对孔形具有自适应特性，很好的解决了一种测头只能测出部分特殊孔的问题。3)传统的气动测量组件通过锥度近似替代圆柱度误差值时，测量头单层分步测量，提拉时不能保证各测量位置测头轴线重合，从而导致误差。而本发明为一体式测量头，能够同时测得四个截面直径值，因各个测量特征同时在一个基准上测得，测量结果可靠，该气动测量头做成细长形，能够高精度的测量细长内孔。4)本发明测量方法适用测量范围广，可在线在位检测，无需将工件放入计量室，大大提高测量效率，方法操作简单、易行，对工人技术要求低。附图说明图1为本发明装置的结构示意图；图2为本发明装置测量方法的流程图；图3为本发明装置直线度喷嘴校准示意图；图4为本发明装置锥度喷嘴上限环规校准示意图；图5为本发明装置锥度喷嘴下限环规校准示意图；图6为本发明装置检测实例示意图；图7为本发明装置测量等径弯孔示意图；图8为本发明装置测量锥形孔示意图；图9为本发明装置测量凹形孔示意图。图中，气管保护套1、弹簧2、螺母3、手柄4、限位挡板5、气动测量头6、锥度气动喷嘴60、61、62、63，直线度气动喷嘴64、65、66、67，导流槽7、直线度上限校准规8、直线度下限校准规9、辅助校准规10、直径上限校准规11、直径下限校准规12、被测孔13。具体实施方式以下是发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。本发明装置包括气动测量组件及其配套的校准规。如图1所示，气动测量组件包括气管保护套1、弹簧2、螺母3、手柄4、限位挡板5和气动测量头6；气动测量头6尾端经限位挡板5与手柄4头端连接，手柄4为中空结构，气管保护套1以及弹簧2通过螺母3固定连接在手柄4尾端。如图1所示，气动测量头6上开有四组锥度气动喷嘴和四个直线度气动喷嘴64、65、66、67，四组锥度气动喷嘴以两个为一组，从头端到尾端的四组锥度气动喷嘴依次为60、61、62、63，每组的两个锥度气动喷嘴对称布置在气动测量头6同一横截面的两侧，不同组的锥度气动喷嘴布置在气动测量头6不同横截面上，所有锥度气动喷嘴均布置在气动测量头6同一轴向截面上，每组的锥度气动喷嘴经各自的气管后与各自的气动量仪连接，气管穿过手柄4和气管保护套1后连接气动量仪，从而四组锥度气动喷嘴形成沿轴向间隔布置的四路锥度气动检测。四个直线度气动喷嘴64、65、66、67中，其中两个直线度气动喷嘴64、65布置在气动测量头6中部的同一侧，另外两个直线度气动喷嘴66、67分别布置在气动测量头6两端部的另一侧，四个直线度气动喷嘴均布置在气动测量头6同一轴向截面上，且直线度气动喷嘴所在的轴向截面与锥度气动喷嘴所在的轴向截面相垂直，所有直线度气动喷嘴通过同一根气管后与同一气动量仪连接，气管穿过手柄4和气管保护套1后连接气动量仪，从而四个直线度气动喷嘴形成一路锥度气动检测。气动测量头6外侧壁设有多个沿轴向的导流槽7，导流槽7设置在沿轴向一排气动喷嘴旁边并与气动喷嘴环槽相通。配套的校准规包括直线度上限校准规8、直线度下限校准规9、辅助校准规10、直径上限校准规11和直径下限校准规12，五个校准规均为套环结构，如图3～5所示。以负载敏感多路阀工作联阀体的阀芯孔圆柱度为检测对象，圆柱度公差要求为Δ＝3μm。在完成加工的一批阀体中选取三块阀体a、b、c，按本发明方法分别进行检测，其流程如图2所示。本发明的实施例及其实施过程如下：1)先进行气动喷嘴校准：将气动测量组件与气动量仪连接，调节气动量仪的倍率和零点。如图3所示，进行校准直线度测量喷嘴：将测量头6固定，将上限校准规8、下限校准规9和辅助校准规10套在测头上，此时上限校准规8盖住气动喷嘴67，辅助校准规10盖住气动喷嘴66，下限校准规9同时盖住气动喷嘴64、65，将气动量仪浮标调到刻度尺的下限位置；然后将上、下限校准规对换套在测头上，此时上限校准规8同时盖住气动喷嘴64、65，将气动量仪浮标调到刻度尺的上限位置。如图4、图5所示，进行校准锥度测量喷嘴：将测量头6固定，将上限校准规11套在测头上，盖住气动喷嘴63，将气动量仪浮标调到刻度尺的上限位置；取下上限校准规11，将下限校准规12套在测量头6上，将气动量仪浮标调到刻度尺的下限位置；按照上述相同方法校准气动喷嘴60、61、62。2)复合式测量头同步测量直线度误差、圆度误差和锥度误差：如图6所示将复合测量装置缓缓放入被测孔13中，限位挡板5与内孔13外端面接触，使得气动测量头6和被测孔13的轴向相重叠定位，然后旋转气动测量头6一周360度，通过五个气动量仪采用以下方式测量，记录获得直线度、圆度和锥度的测量数据，具体为内孔轴线直线度δA、四组锥度气动喷嘴所在横截面的内孔圆度δB、δC、δD、δE以及内孔锥度δF。Ⅰ)记录直线度气动喷嘴64、65、66、67所连接的气动量仪在气动测量头6旋转一周中的直径数据，最大值减最小值，取其二分之一得到内孔轴线直线度δA。阀体a、b、c的阀芯孔轴线直线度测量结果如表1所示。表1阀芯孔轴线直线度测量结果阀体a阀体b阀体c阀芯孔轴线直线度δA/μm1.20.40.3Ⅱ)分别记录四个锥度气动喷嘴60、61、62、63所各自连接的气动量仪在旋转一周中的直径数据，将同一个锥度气动喷嘴所有直径数据中的最大值减去最小值，分别得到四个喷嘴所在横截面的内孔圆度δB、δC、δD、δE。按照图7～9所示的测量方式，分别测量阀体a、b、c阀芯孔中的四个截面1-1、2-2、3-3、4-4的圆度δB、δC、δD、δE，测量结果如表2所示。表2阀芯孔不同截面的圆度测量结果Ⅲ)将四个锥度气动喷嘴60、61、62、63在同一旋转角度时所记录测量数据的最大值减去最小值，并取二分之一获得差值，依次取不同旋转角度下的测量数据做相同差值，旋转一周后取差值的最大值，得到内孔锥度δF。按此测量方式，分别对阀体a、b、c阀芯孔的锥度进行测量，获取0-180°、45-225°、90-270°、135-315°四组直径测量数据(成对的两个角度为对称布置的两个锥度气动喷嘴分别所在的旋转角度)，通过计算得到阀芯孔的锥度，测量结果如表3～5所示。表3阀体a的阀芯孔锥度测量数据与结果表4阀体b的阀芯孔锥度测量数据与结果表5阀体c的阀芯孔锥度测量数据与结果3)基于单项最大误差的第一次合格性判断：圆柱度误差可以由被测圆柱面横截面和轴向截面内的形状误差的综合来替代，前者用圆度误差表示，后者用轴线直线度或素线锥度表示；首先找到所有测量值中的最大值设计人员规定的圆柱度公差要求为Δ，若认为不符合公差要求，判定工件加工不合格；若则作进一步判断。根据测量结果计算得到，阀体a阀芯孔的单项最大误差阀体b阀芯孔的单项最大误差阀体c阀芯孔的单项最大误差均小于圆柱度公差要求Δ＝3μm，因此均需要进行下一步判断。4)内孔四处横截面的平均直径计算：记录测量杆最近端锥度气动喷嘴60所连接的气动量仪在旋转一周中的数据，得到n个直径值dP0-1，dP0-2，，，dP0-n(n表示旋转一周中测量次数)，进而计算出喷嘴所在横截面的内孔平均直径dP0；类似得，依次记录其余三组锥度气动喷嘴61、62和63所连接的气动量仪在旋转一周中的数据，并得到平均直径dP1、dP2、dP3。按此测量方式，分别测量阀体a、b、c阀芯孔中的四个截面1-1、2-2、3-3、4-4(如图7～9所示)的平均直径dP0、dP1、dP2、dP3，并计算得到四处横截面平均直径的平均值dP，测量结果如表6所示。表6阀芯孔不同截面的平均直径测量结果5)基于孔径大小关系的孔形自动判别：Ⅰ)若|(dP0、dP1、dP2、dP3)-dP|≤ε(即四处横截面的平均直径与dP的偏差均不大于设定的阈值ε)，内孔为等径弯孔(见图7)，否则做后续判断；Ⅱ)当dP0<(dP1、dP2)<dP3或者dP0>(dP1、dP2)>dP3时，内孔一端大，一端小，呈现锥形(见图8)，则为锥形孔；Ⅲ)当dP0<(dP1、dP2)且dP3<(dP1、dP2)或者dP0>(dP1、dP2)且dP3>(dP1、dP2)时，内孔中间大两边小，呈现凸形，或者中间小两端大，呈现凹形(见图9)，则为凹凸孔；Ⅳ)若均不符合上述Ⅰ、Ⅱ或者Ⅲ情形的，则为其他形孔。实施例中，ε取0.2μm。阀体a的阀芯孔截面平均直径结果均不符合上述Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ情形，属于情形Ⅳ，判定为其他形孔；阀体b的阀芯孔截面平均直径结果满足dP0>(dP1、dP2)且dP3>(dP1、dP2)，属于情形Ⅲ，判定为凹形孔；阀体c的阀芯孔截面平均直径结果满足dP0>(dP1、dP2)>dP3，属于情形Ⅱ，判定为锥形孔。6)基于主、次区分方式的自适应圆柱度误差值计算：Ⅰ)针对图7的等径弯孔：Ⅱ)针对图8的锥形孔：Ⅲ)针对图9的凹凸孔：Ⅳ)其他形孔：圆度误差值为最大时：圆度误差值不为最大时：实施例中，阀体a的阀芯孔属于情形Ⅳ的其他形孔，且单项误差最大的为轴线直线度误差δA＝1.2μm，而非圆度误差，因此阀体a的阀芯孔圆柱度误差为：阀体b的阀芯孔属于情形Ⅲ的凹形孔，其圆柱度误差为：阀体c的阀芯孔属于情形Ⅱ的锥形孔，其圆柱度误差为：7)基于测得圆柱度误差的第二次合格性判断：用得到的圆柱度误差值δ和圆柱度公差要求Δ比较：当δ≤Δ时，判定工件加工合格；当δ>Δ时，判定工件加工不合格。实施例中，阀体a、b、c阀芯孔的圆柱度误差均小于圆柱度公差要求Δ＝3μm，因此选取的三块阀体a、b、c的阀芯孔均判定为圆柱度合格。本实施例具体为测量三个直径15mm、圆柱度公差3μm的细长阀芯孔，同时将测量结果与采用锥度近似的测量方法和采用圆柱度仪的测量方法的结果进行对比，测量结果的对比如表7所示。在实施例中本发明与圆柱度仪测量结果的最大差值为1.75-1.69＝0.06μm，而传统的锥度近似测量与圆柱度仪测量结果的最小差值为1.60-1.15＝0.45μm，对比可见本发明的测量结果与真实圆柱度逼近程度更高，测量精度相对于传统的采用锥度近似的测量方法提高了一个数量级，测量结果更加准确。表7不同圆柱度测量方法的测量结果准确性对比由此可见，本发明能够有效判别各种内孔孔形，精度高结果可靠，适用工况范围广，并能大幅度提高测量效率。上述实施例不应视为对本发明的限制，但任何基于本发明的精神所做的改进，都应在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3