[发明专利]工件两侧轴孔外端面与轴线垂直偏差的测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种测量大型工件两侧轴孔外端面与轴线垂直偏差的装置与方法，该装置包括变焦光管及两个辅助测量工装，变焦光管具有激光投射聚焦和自准直测量两种模式，辅助测量工装包括旋转轴、定心探测器、平面反射镜、四维调整基座及径跳端跳测微头，辅助测量工装的作用是把轴孔及端面测量元素传递到旋转轴的定心探测器及平面反射镜上，便于实现光学测量，选取两侧轴孔中心连线作为测量基准，用定心探测器接收变焦光管投射激光光斑，把测量基准转移到光管光轴上，最后，通过光学自准直方法同时测量两轴孔端面与基准光轴的垂直偏差。该方法测量基准选取符合轴系实际应用，测量精度高，在位测量，操作方便，效率高。

技术领域

本发明属于大尺寸工件形位误差测量技术领域，具体涉及一种测量大型工件两侧轴孔外端面与轴线垂直偏差的装置与方法。

背景技术

大型精密转台广泛应用在天文成像、航空航天及惯导设备标校等领域，转台的显著特点是有多个正交的回转轴系及较高的系统刚度和回转精度。通过U型框架带动载荷，实现载荷高精度的空间姿态运动。目前，U型框架轴系(图1所示)的跨距已达数米至十几米，为实现大跨距轴系的高回转精度，两侧耳轴上轴承配合圆柱面的同轴度是保证轴系回转精度的关键因素，而耳轴是典型的阶梯轴零件，加工精度较易保证，因此U型框架轴系中间工件两侧轴孔的高精度加工和检测是制约轴系回转精度的主要瓶颈。

从U型框架轴系自身的特点考虑，两侧耳轴与中间工件通过止口定位法兰连接，止口采用过盈配合，配合深度较短，约20-30mm，只起到定心的作用，轴孔端面直径较大，约500-1000mm，轴端法兰通过螺栓固定在轴孔端面上，因此，只有严格保证两侧轴孔端面都垂直于两侧轴孔共同形成的基准轴线，才能实现两侧耳轴安装后轴承配合圆柱面的同轴度，如图2所示。

目前，一般通过数控加工中心的自身精度来保证这种大型工件的轴孔形位公差，加工中心的精度跟主轴移动范围成反比，而加工这种大跨距的外侧轴孔还需要刀具调转方向，导致机床移动自由度较多，范围较大，难以实现高精度。随着结构件尺寸的不断增大，对加工设备的精度要求越来越高，设备选用受到很大限制。加工完毕，可以使用大型三坐标对加工精度进行测量，同样三坐标精度也随着测量范围增加而快速降低。而且三坐标属于离线测量，大型工件的体积重量给加工测量工位之间来回搬运带来诸多不便。

授权专利CN104154881B望远镜四通轴孔端面平行度误差检测方法，公开了一种利用自准直平行光管测量轴孔端面平行度误差的方法，这种方法只是测量两侧轴孔端面之间的平行度，没有约束与两轴孔的位置关系。

授权专利CN111220097B轴孔的同轴度加工误差的光学测量装置及光学检测方法，公开了利用全站仪及光学辅件测量轴孔同轴度的装置和方法，该方法利用过一侧轴孔中心点且与该轴孔端面垂直的线为基准，测量另一侧轴孔中心点与基准线的距离来评价同轴度误差，由于两轴孔间距往往远大于基准轴孔端面的直径，因此这种同轴度误差不确定度是被放大的，如图3所示，若基准端面误差δ为 5um,轴孔间距5m，轴孔端面尺寸500mm，误差被放大十倍，基准面误差导致的同轴度误差为 50um。而且没有约束测量轴孔端面与基准轴线的垂直度。另外全站仪是一个望远光学系统，测量瞄准精度随距离增加而降低。

现有的光学测量方法只是单一的测量了平行度误差或者同轴度误差，测量基准选取非最优，测量基准不稳定导致测量精度较低；三坐标测量方法随着结构尺寸变大而降低，加工测量工位之间来回搬运导致操作不便，效率低，而且大量程高精度三坐标价格昂贵。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明目的是为了解决现有技术的不足，提出一种测量大型工件两侧轴孔外端面与轴线垂直偏差的光学装置和方法，该装置可用于加工现场在位测量，该方法选取两侧轴孔中心连线作为测量基准，基准选取符合轴系实际应用，用探测器接收激光投射光斑建立此轴线基准，通过光学自准直方法同时测量两轴孔端面与基准光轴的垂直偏差，利用测量数据指导机床补偿加工，提高加工精度。采用探测器和图像处理的方法，瞄准精度高，不需要复杂的手动调整，简化流程，提高效率。