一種大長徑比內腔直線度的測量方法

曹天亮 席志成 吳輝 董洪林 徐博文 周虎

摘要：利用激光跟蹤儀以及內腔高度尺寸補償技術，研制了一款內腔直線度檢測裝置。該裝置集激光準直技術、補償技術、計算機技術等多學科為一體，實現了大長徑比內腔直線度的高精度檢測。結合實物內腔直線度測量工程實例，驗證了測量方法的有效性，為工程應用提供了一種解決方案。

關鍵詞：大長徑比;內腔;直線度;激光跟蹤儀、補償技術

0 引言

對某型裝置而言，內腔直線度是其核心指標，但因其內腔狹小、形狀怪異、長徑比大、內腔高度尺寸差異大，內腔直線度測量問題一直是工程應用中的難題。研究表明，大型機械零部件直線度檢測至今仍是機械工業公認的技術難題

隨著自動化和計算機技術的發展，為提高檢測效率和精度，利用現代化信息技術設計先進的DG直線度測量儀在工程應用中應運而生[1]。近年來由于激光跟蹤測量技術有著測量精度高、測量范圍大、可動態測量、實時快速、便攜等優點，在航天系統[2]設備研制、大型設備精密測量[3]等方面進行廣泛應用，極大的促進了工程領域中檢測精度和生產效率。但是目前針對DG直線度測量的研究主要是針對單DG，本文針對工程領域中的大長徑比上下DG構成的內腔直線度測量問題，利用激光跟蹤儀測量下DG直線度，并測量內腔高度尺寸，通過軟件系統計算補償，解決了大長徑比、狹窄內腔的直線度測量問題，并在某型14m裝置內腔上進行了測量驗證。

1 檢測系統檢測原理

1.1 激光跟蹤儀測量原理

某型裝置內腔直線度為內腔實際軸線相對于理論軸線的距離，其內腔結構如圖1所示，實際軸線指內腔各截面上下DG對稱中心的連線，理論軸線為內腔首尾截面上下DG中心的連線。

建立裝置內腔直角坐標系，以其中一端檢測起始點為坐標原點O，以內腔理論軸線作為X軸，建立空間直角坐標系OXYZ，則內腔實際軸線上的點可以通過X、Y、Z坐標來表示。在給定的平面內，實際軸線相對于理論軸線的距離t1即為內腔豎直方向直線度，t2即為內腔水平方向直線度。

內腔的實際軸線為連續的平滑弧線，檢測裝置不可能測量實際軸線上所有點的坐標，只能檢測實際軸線上的離散坐標。那么，要對平滑弧線進行離散采樣，一般要求采樣點的間隔相等并能夠全面的代表實際弧線。顯然，采樣間隔的選擇十分重要。為此，建立直線度弧線的模型重力載荷作用下的撓度曲線來分析直線度，間隔取為S=L/70（間隔200），其模型誤差在4%范圍內。

1.2 高度尺寸補償原理

某型裝置內腔高度尺寸差異較大，而內腔實際軸線位于高度尺寸中心，若要使激光跟蹤儀的靶鏡中心與高度尺寸中心重合，對檢測系統的定位精度以及校準精度要求非常高，這極大的增加了檢測的難度和成本。

裝置內腔由相互對稱的上下DG組成，上下DG表面均為連續的光滑曲面，內腔實際軸線可由下導軸線以及內腔高度尺寸的中心擬合而成，下DG軸線以及內腔高度尺寸可以分別進行測量，而且下DG軸線測量時保證靶鏡中心與DG表面相對位置不變即可，無需保證靶鏡中心與高度尺寸中心重合，對檢測系統的定位精度以及校準精度要求大大降低，適合當前內腔直線度檢測的需要。

測量時由激光跟蹤儀輸出采樣點的坐標值，由量表輸出對應采樣點的高度尺寸，內腔水平方向直線度可根據激光跟蹤儀輸出的采樣點坐標值計算得出;豎直方向直線度需要在計算的采樣點豎直方向坐標值Zx的基礎上，添加采樣點對應的高度尺寸偏差ΔHx/2，得出經內腔高度尺寸補償后的豎直方向軸線坐標值Zx-補償。

2 檢測系統總體設計

根據以上討論，某型裝置內腔直線度檢測系統的總體設計如下：采用激光跟蹤測量和高度尺寸補償技術，將用于固定激光跟蹤儀靶鏡以及內腔高度尺寸檢測的執行機構放置到一端內腔中，尾部安裝行走機構，軟件系統通過光纜控制行走機構實現執行機構采用點的步距以及內腔位置控制，同時收集執行機構檢測的內腔高度數據，激光跟蹤儀放置到執行機構前端，通過光纜與計算機連同，用于傳輸采樣點坐標數據，最后軟件系統根據內腔高度數據和采樣點坐標數據，計算得出內腔直線度數值及對應曲線，從而完成內腔直線度的檢測和結果輸出。

3 試驗結果與分析

使用內腔直線度檢測系統檢測的內腔坐標點數據、高度尺寸，生成的內腔直線度曲線、內腔高度尺寸曲線見圖3、圖4。

根據式（1）編制的軟件計算分析，增加內腔高度尺寸補償后的內腔豎直方向直線度曲線如圖5。

綜上，某型裝置內腔水平方向直線度為0.66mm，豎直方向直線度為0.56mm。

4 結? ? 論

本文針對大長徑比內腔直線度測量問題，設計了一種利用激光跟蹤儀測量下DG直線度并測量內腔高度尺寸，通過軟件系統計算補償的內腔直線度檢測系統。該檢測系統采用光機電一體化設計，實現了無損自動檢測，檢測系統方便、實用，極大地提高了檢測效率，為大長徑比內腔的直線度測量提供了一種解決方案，在實際工程測量中得到了驗證。

參考文獻

[1] 崔宇翔. 大型機床DG直線度測量儀的設計探討[J]. 科技創新與應用， 2016， 000（007）：130-130.

[2] 陳新春， 王燦， 薛春陽. 基于PSD的細長桿直線度測量技術研究[J]. 工程機械， 2018， 49（4）： 27-32.

[3]? 聶海濱. 基于激光跟蹤儀的大型設備精密測量關鍵技術研究[D]. 2017.

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