一種電渦流傳感器球面位移測量的標定方法
【專利摘要】本發(fā)明一種電渦流傳感器球面位移測量的標定方法屬于精密測量領域，涉及利用電渦流傳感器測量球面零件到傳感器探頭端面距離的標定方法。該方法針對多組不同曲率球面的位移進行測量標定，基于標定數據建立電渦流傳感器球面位移測量的校準曲面。首先將電渦流位移傳感器夾持固定在機床主軸上，將用于校準的半球形標定件裝夾在機床工作臺上，對多組不同曲率的半球形標定件進行傳感器探頭的對中處理，機床主軸帶動電渦流位移傳感器探頭移動，完成在其量程范圍內的位移標定，采用最小二乘法建立電渦流傳感器球面位移測量的校準曲面。本發(fā)明實現(xiàn)了對任意曲率球面位移測量的輸出標定，提高曲面位移測量精度，準確性高，實用性強。
【專利說明】一種電渦流傳感器球面位移測量的標定方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于精密測量領域，涉及利用電渦流傳感器測量球面零件到傳感器探頭端 面距離的標定方法。
【背景技術】
[0002] 航空航天及核工業(yè)中存在大批量具有復雜曲面特征的高精度關鍵零部件，其數字 化加工中由于金屬基面（即軟質涂層等厚度加工基準）的實際面形不能用原始設計表示， 需在機測量獲得。電渦流檢測因具有對非金屬材料透射好、測量范圍寬、靈敏度高、分辨率 高、響應速度快、抗干擾力強、不受油污等介質的影響等優(yōu)點，為不可視狀態(tài)下的金屬基面 測量提供了有效途徑。目前電渦流位移傳感器的工作原理是基于線圈與平板間的互感效 應，只在測量平面可以保證結果精度。因此，研究電渦流傳感器對不同曲率曲面的測量誤差 對提高曲面的測量精度十分必要。
[0003] 電渦流位移傳感器在實際工程應用中，當被測導體表面非平面而具有曲面特征 時，以曲率參數表示曲面特征。雖然目標測點與電渦流位移傳感器之間的距離沒有發(fā)生變 化，但由于被測零件中產生的渦流呈一定區(qū)域分布，電渦流場的空間分布將發(fā)生變化，從而 導致探頭線圈的阻抗較測量相同的平面位移相比發(fā)生變化，使得電渦流位移傳感器測量電 路的輸出電壓發(fā)生改變。即此時電渦流位移傳感器的測量結果已經不能代表目標測點的 實際距離，存在曲率誤差。經實驗驗證，當被測表面為球面，曲率半徑為20mm時，曲率誤差 將為電渦流位移傳感器測量誤差可達〇. 〇5_，不能滿足測量的精度要求。而實際測量過程 中，被測零件普遍存在大量的曲面特征，尤其在復雜曲面的精密測量過程中，曲率誤差成為 制約高精密測量的關鍵因素之一，嚴重限制電渦流位移傳感器的測量精度與使用范圍。因 此，曲面零件位移的測量校準技術顯得尤為重要。
[0004] 2005年，清華大學賈永平、丁天懷等在《傳感技術學報》發(fā)表的論文《曲面體間隙 電渦流檢測的有限元分析》中提出利用與被測曲面形狀一致的異形線圈的電渦流效應進行 曲面零件的位移測量，但此方法制造成本較高，而且線圈的普遍適用性差。2013年，中北大 學信息工程學院胡鵬在碩士學位論文《基于平板標定法的曲面涂層測厚精度分析》中介紹 了一種球形金屬零件非金屬涂層厚度的測量方法，即按照電渦流傳感器測量平面時的標定 結果直接測量曲面涂層的厚度。該方法嚴重限制了被測零件的曲率范圍，而且測量精度不 能保證。國內外學者和機構的研究尚未提及保證利用電渦流位移傳感器測量任意曲面零件 距離的測量精度方法與技術。
【發(fā)明內容】
[0005] 本發(fā)明主要解決的技術問題是克服上述曲面測量方法的不足，針對電渦流傳感器 測量曲面零件位移時測量精度難以保證問題，發(fā)明了一種適用于電渦流位移傳感器球面位 移測量的標定方法。該方法基于傳感器對多組不同曲率球面的位移測量標定數據，建立球 面零件位移測量的曲率誤差校準曲面，實用價值高，應用范圍廣。傳感器可在一次裝夾下 完成對不同曲率球面零件位移的多次標定測量，保證標定過程的快速高效；并且該標定方 法對球面零件的曲率限制少，使用范圍廣；此外傳感器的對中處理作為本方法的重要環(huán)節(jié)， 將球面中沿主軸方向最高點作為目標測量點，以目標測點的位移作為球面的位移保證標 定結果的準確性；采用最小二乘法擬合電渦流傳感器測量不同曲率半球形零件位移的"位 移-曲率-輸出"校準曲面，保證了標定結果精度，實現(xiàn)對任意曲率球面的位移測量誤差的 補償。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術方案是一種電渦流傳感器球面位移測量的標定方法，該方法 針對多組不同曲率球面的位移進行測量標定，基于標定數據建立電渦流傳感器球面位移測 量的校準曲面。首先將電渦流位移傳感器夾持固定在機床主軸上，將用于校準的半球形標 定件裝夾在機床帶T形槽的回轉工作臺上，然后對多組不同曲率的半球形標定件進行傳感 器探頭的對中處理，保證傳感器的測量初始位置處于被測曲面上目標測點的正上方，并且 傳感器的軸線沿實驗被測表面的法線方向，機床主軸帶動電渦流位移傳感器探頭移動，完 成在其量程范圍內的位移標定，采用最小二乘法建立電渦流傳感器球面位移測量的校準曲 面，電渦流傳感器半球面位移測量標定方法的具體步驟如下：
[0007] 第一步電渦流傳感器安裝
[0008] 將電渦流傳感器探頭6通過其自身的螺紋和2個傳感器探頭連接螺母12固定在 平板4中間，平板4通過4個螺栓3和螺母5與轉接裝置2連接，最后將轉接裝置2通過脹 套直接夾持在機床主軸1上，完成傳感器的安裝；
[0009] 第二步半球形標定件的裝夾
[0010] 將半球形標定件7放置在帶T形槽的回轉工作臺11上并通過兩個專用夾具10夾 緊，通過螺栓的壓板9壓緊夾具10,完成標定件的裝夾；
[0011] 第三步傳感器的對中處理
[0012] 首先，移動機床主軸1沿X軸負向、Y軸負向，Z軸正向離開半球形標定件7,然后， 使傳感器探頭6以一定進給速度Vi垂直接近帶T形槽的回轉工作臺11表面，探頭端面與 帶T形槽的回轉工作臺11表面接觸時,停止機床主軸1的進給,記錄下機床此時主軸z軸 的坐標值 Ζ(ι，將主軸1沿z軸正向抬高至Zl = Z(l+H+0. 02, Η為被測半球形標定件7的高度， 保證傳感器對中時測量到的位移在其測量范圍內。粗對中過程中手動控制機床主軸1帶動 傳感器探頭6通過目測接近半球形標定件7球面的中心點，停止時，記錄此時傳感器對中的 起始坐標位置為（χ〇, ％，Zl)，鎖住機床主軸在Ζ軸與Υ軸方向不動，機床主軸1沿X軸正向 以一定速度v2移動距離1:，同時以采樣頻率f采集此期間內傳感器反饋電壓值，待機床主 軸1停止后，尋找反饋值最小值的時間坐標t x，計算半球形零標定件的X軸方向的中點&為 X(l+tx X v2 ;同理尋找半球形標定件的Y軸方向的中點時，反饋電壓值最小值的時間坐標ty， 半球形標定件的Y軸方向的中點yi為y〇+t yXv2 ;
[0013] 第四步不同曲率半球形標定件位移標定測量
[0014] 將機床主軸1移動到坐標系下（Xi，yp Zi)點處，初始的測量位移為0. 02mm。使傳 感器探頭6在量程范圍內沿Z軸以特定步進量程不斷提升，探頭與試件表面的間隙不斷增 大，在每一個步進完成后，記錄一定曲率半徑r下η組不同測量距離t傳感器的輸出信號值 yi。半球形標定件的曲率半徑^范圍為電渦流傳感器可測的最小球面半徑到受曲率半徑影 響最大球面半徑，并以等半徑差的方式選擇多組校準的半球形標定件進行測量，測量過程 重復上述實驗步驟第二、三、四步；
[0015] 第五步建立曲率誤差校準曲面
[0016] 基于標定過程中獲得的不同曲率半徑的球面標定件的"位移-曲率-輸出"數據 點（ti， ri，yi) i = 1，2, . . .，N，共N組，建立電渦流傳感器測量不同曲率半徑的半球形標定件 位移的校準曲面，曲面方程為：
[0017]
【權利要求】
1. 一種電渦流傳感器球面位移測量的標定方法，其特征在于，該方法針對多組不同曲 率球面的位移進行測量標定，基于標定數據建立電渦流傳感器球面位移測量的校準曲面； 首先將電渦流位移傳感器夾持固定在機床主軸上，將用于校準的半球形標定件裝夾在機床 帶T形槽的回轉工作臺上，然后對多組不同曲率的半球形標定件進行傳感器探頭的對中處 理，保證傳感器的測量初始位置處于被測曲面上目標測點的正上方，并且傳感器的軸線沿 實驗被測表面的法線方向，機床主軸帶動電渦流位移傳感器探頭移動，完成在其量程范圍 內的位移標定，采用最小二乘法建立電渦流傳感器球面位移測量的校準曲面，電渦流傳感 器球面位移測量標定方法具體步驟如下： 第一步電渦流傳感器安裝 將電渦流傳感器探頭（6)通過其自身的螺紋和2個傳感器探頭連接螺母（12)固定在 平板（4)中間，平板（4)通過4個螺栓（3)和螺母（5)與轉接裝置（2)連接，最后，將轉接 裝置（2)通過脹套直接夾持在機床主軸1上，完成傳感器的安裝； 第二步半球形標定件的裝夾 將半球形標定件（7)放置在帶T形槽的回轉工作臺（11)上并通過兩個專用夾具（10) 夾緊，通過螺栓的壓板（9)壓緊夾具（10)，完成標定件的裝夾； 第三步傳感器的對中處理 首先移動機床主軸沿X軸負向、Y軸負向，Z軸正向離開半球形標定件（7)，然后，使傳 感器探頭￠)以一定進給速度^垂直接近帶T形槽的回轉工作臺（11)表面，探頭端面與 帶T形槽的回轉工作臺（11)表面接觸時,停止機床主軸（1)的進給,記錄下機床此時主軸 z軸的坐標值Z(l，然后，將機床主軸（1)沿z軸正向抬高至Zl = Z(l+H+0. 02,其中，Η為被測 半球形標定件（7)的高度，保證傳感器對中時測量到的位移在其測量范圍內；粗對中過程 中手動控制機床主軸（1)帶動傳感器探頭（6)通過目測接近半球形標定件（7)球面的中心 點，停止時，記錄此時傳感器對中的起始坐標位置為（χ〇, ％，Zl)，鎖住機床主軸在Ζ軸與Υ軸 方向不動，機床主軸（1)沿X軸正向以一定速度？2移動距離h，同時以采樣頻率f采集此 期間內傳感器反饋電壓值，待機床主軸停止后，尋找反饋值最小值的時間坐標t x，計算半球 形零標定件的X軸方向的中點Xi為Xd+kXvs ;同理，尋找半球形標定件的Y軸方向的中點 時，反饋電壓值最小值的時間坐標ty，半球形標定件的Y軸方向的中點 yi為y(l+tyXv2 ; 第四步不同曲率半球形標定件位移標定測量 將機床主軸移動到坐標系下（XpypZi)點處，初始的測量位移為0.02mm;使傳感器探 頭（6)在量程范圍內沿Z軸以特定步進量程不斷提升，探頭與試件表面的間隙不斷增大，在 每一個步進完成后，記錄一定曲率半徑r下η組不同測量距離^傳感器的輸出信號值 yi ; 半球形標定件的曲率半徑^范圍為電渦流傳感器可測的最小球面半徑到受曲率半徑影響 最大球面半徑，并以等半徑差的方式選擇多組校準的半球形標定件進行測量，測量過程重 復上述實驗步驟第二、三、四步； 第五步建立曲率誤差校準曲面 基于標定過程中獲得的不同曲率半徑的球面標定件的"位移-曲率-輸出"數據點 (% ri，yi) i = 1，2,. . .，N，共N組，建立電渦流傳感器測量不同曲率半徑的半球形標定件位 移的校準曲面，曲面方程為： n m ^=Z(Zw，w,,/) (η 其中，t為測量位移，r為球面半徑，y為輸出電壓，c表示曲面方程的多項式系數，m為 t的最尚階數，η為r的最尚階數； 采用最小二乘法建立校準曲面y，擬合曲面結果的總誤差Q為： =t [>，/.- ? (lx')]2 (2) 左=1 j=Q i=j 令總誤差Q最小，歸結為多元函數的極值問題，即cj;i_j應滿足： ^- = 〇 (3) dcu-j 首先將數據點& yi) i = 1，2,. . .，N，代入公式（2)得Q的數學表達式，接著將Q代 入公式（3)中組成多元方程組，由方程組可解得系數的值，代入式（1)即可得擬合的 校準曲面數學表達式。
【文檔編號】G01B7/28GK104279946SQ201410473255
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年9月16日 優(yōu)先權日:2014年9月16日
【發(fā)明者】王永青, 廉盟, 劉海波, 盛賢君, 賈振元, 王鳳彪, 郭東明, 康仁科 申請人:大連理工大學
專業(yè)數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
