一种滚柱圆柱度的抗干扰检测装置及检测方法

本发明涉及机床装备零部件精密测量，具体涉及一种滚柱圆柱度的抗干扰检测装置及检测方法。

背景技术：

1、滚滑复合导轨是精密机床和自动化设备中的核心传动部件，其运动精度直接决定了设备的加工精度；滚柱作为导轨的核心承载元件，其圆柱度是影响导轨传动平稳性的关键指标；如果滚柱圆柱度超出允许的公差范围，不仅会导致导轨在运行过程中产生振动和噪声，还会因摩擦加剧而显著增加设备的热量积累，进而诱导机床产生热误差，严重影响最终的加工质量；因此，对滚柱的圆柱度进行快速且精准的检测，对于保障机床设备的整体性能具有极其重要的意义。

2、目前，工业上对滚柱圆柱度的检测主要依赖于三坐标测量机法或激光扫描法；三坐标测量机虽然检测精度高，但其测量过程耗时极长，无法满足生产线上大批量滚柱的快速在线检测需求；而激光扫描法虽然在一定程度上提升了检测速度，但其测量精度通常受限于光学系统的分辨率，且易受车间环境光照和粉尘的影响，导致检测结果不够稳定；此外，在现实的车间生产环境中，受到周围其他机床设备高速运转、搬运机构启停等多种振动源的干扰，测量装置与待测滚柱之间极易产生微小的相对位移；同时，输送滚轴自身的制造及安装误差也会引起滚柱在转动过程中的基准跳动，这两种因素(环境振动和基准跳动)均会显著叠加到最终的轮廓数据中，造成圆柱度评估结果的严重失准。

3、针对上述现有技术存在的缺陷，即传统检测方法精度与效率难以兼顾，且在面对环境振动和基准跳动等非理想工况时鲁棒性差的问题，有必要研发一种能够有效隔离环境振动和基准跳动误差，实现滚柱圆柱度高精度、快速在线测量的检测方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种滚柱圆柱度的抗干扰检测装置及检测方法。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本技术提供了一种滚柱圆柱度的抗干扰检测方法，包括以下步骤：

4、s1：选取待测滚柱的多个横截面，利用第一传感器和第二传感器同时获取各横截面的多段部分圆周轮廓点云；其中，所述第一传感器和所述第二传感器分别设置于所述待测滚柱径向相对的两侧；

5、s2：在所述第一传感器和所述第二传感器采样的同时，同步采集所述第一传感器和所述第二传感器的安装位置处的实时振动加速度信号，并基于所述实时振动加速度信号对所述多段部分圆周轮廓点云进行振动位移补偿，以剔除环境振动引起的轮廓误差；

6、s3：获取任意测量时刻下所述第一传感器和所述第二传感器测量得到的相对径向测量值，基于所述相对径向测量值计算所述待测滚柱的瞬时偏心误差，并从所述多段部分圆周轮廓点云中分离并剔除所述瞬时偏心误差，以消除由滚柱基准跳动引起的测量误差；

7、s4：将经过s2和s3处理后的各横截面的多段部分圆周轮廓点云，采用基于法向-曲率约束的迭代最近点算法进行配准拼接，获得所述待测滚柱所有横截面的完整真实轮廓点云，并基于所述完整真实轮廓点云进行圆柱度评定。

8、进一步的，所述第一传感器为安装于线共焦传感器夹具上的线共焦传感器，所述第二传感器为安装于辅助点共焦传感器夹具上的辅助点共焦传感器，所述线共焦传感器和所述辅助点共焦传感器分别位于所述待测滚柱的正上方和正下方；

9、所述实时振动加速度信号由安装于所述线共焦传感器夹具和所述辅助点共焦传感器夹具之上的三轴振动加速度传感器采集，且所述线共焦传感器、所述辅助点共焦传感器和所述三轴振动加速度传感器保持同步采样以获取具有统一时间戳的数据。

10、进一步的，s1中通过滚轴式输送机的滚轴带动所述待测滚柱转动，每转过一个固定角度，由安装于从动滚轴端部的高精度增量式旋转编码器发送触发脉冲，以触发所述第一传感器和所述第二传感器进行下一次采样，使得相邻两次采样获得的圆弧轮廓点云在周向上具有设定的重叠区域；

11、所述设定的重叠区域的面积占所述圆弧轮廓点云总面积的15%至20%。

12、进一步的，s2中所述基于所述实时振动加速度信号进行振动位移补偿，具体包括：

13、将所述三轴振动加速度传感器采集的x轴、y轴、z轴的加速度信号分别记为ax(t)、ay(t)、az(t)；对加速度信号进行两次时间积分以获得实时振动位移d(t)，积分过程如下：

14、首先对加速度积分获得实时速度数据：

15、

16、然后对求得的速度再次进行时间积分获得实时振动位移：

17、

18、其中，为加速度信号，为实时速度，为实时振动位移，为初始速度，为初始位移。

19、进一步的，s2中所述对多段部分圆周轮廓点云进行振动位移补偿，具体包括：

20、根据测量结果的时间戳，获得任意时刻ti下在x轴和y轴方向的实时振动位移(dx(ti),dy(ti))；

21、将所述第一传感器或所述第二传感器测量获得的原始轮廓坐标(xi,yi)减去对应时刻在x轴和y轴方向的振动位移(dx(ti),dy(ti))，得到振动补偿后的轮廓点坐标，计算公式为：

22、。

23、进一步的，s3中所述计算瞬时偏心误差，具体包括：

24、在任意测量时刻下，获取所述第一传感器测量的轮廓点云中心方向处的振动补偿后数值s(0)，以及所述第二传感器测量得到的对侧方向的读数值s(180)；

25、根据所述s(0)和所述s(180)计算所述待测滚柱轮廓点云中心的真实值：s(0)真实，以及由滚轴跳动引起的瞬时偏心误差x误差，计算公式如下：

26、s(0)真实=(s(0)+s(180))/2

27、x误差=(s(0)-s(180))/2。

28、进一步的，s3中所述分离并剔除所述瞬时偏心误差，具体包括：

29、将所述瞬时偏心误差x误差从对应轮廓线上所有采样点的测量数值中减去，获得仅包含滚柱自身轮廓信息的纯净轮廓数据s(纯净轮廓数据)，计算公式为：s(纯净轮廓数据)=s(包含基准跳动误差)-x误差；

30、其中，s(包含基准跳动误差)为包含滚轴基准跳动误差的原始轮廓测量数值。

31、进一步的，s4中所述采用基于法向-曲率约束的迭代最近点(nicp)算法进行配准拼接，具体包括：

32、将第i次采集的圆弧轮廓点云作为目标点云，将第i+1次采集的圆弧轮廓点云作为源点云；

33、针对所述目标点云和所述源点云中的每个点，取局部邻域点构建协方差矩阵，经奇异值分解(svd)计算得到每个点的法向量和曲率值，将每个点的特征扩展为包含位置、法向量和曲率的多维特征向量。

34、进一步的，s4中所述进行配准拼接还包括：

35、构建多约束目标函数，以欧氏距离、法线夹角和曲率差异三者共同作为配准优化的约束条件；其中，所述法线夹角限定为小于15°，所述曲率差异限定为小于预设的曲率阈值；

36、采用lm算法求解所述目标函数，求解出旋转矩阵r和平移向量t，并将所述旋转矩阵r和所述平移向量t作用于所述源点云，多次迭代求解直至误差变化小于收敛阈值，从而实现相邻圆弧点云的无缝拼接，获得所述待测滚柱所有横截面的完整真实轮廓点云。

37、一种用于执行上述的滚柱圆柱度的抗干扰检测方法的检测装置，包括：

38、滚轴式输送机，所述滚轴式输送机具有多个用于支撑并带动待测滚柱转动的输送机滚轴；

39、链条传动机构，所述链条传动机构包括设置于各输送机滚轴端部的链轮以及依次啮合连接各链轮的链条，所述链条传动机构用于带动所有输送机滚轴以相同转速和相同方向同步转动；

40、固定支架，包括第一固定支架和第二固定支架；

41、丝杠传动机构，包括用于安装并驱动所述第一固定支架和所述第二固定支架沿x轴方向移动的第一丝杠传动机构、用于安装并驱动线共焦传感器沿y轴方向移动的第二丝杠传动机构、以及用于安装并驱动辅助点共焦传感器沿y轴方向移动的第三丝杠传动机构；

42、线共焦传感器，安装于所述第二丝杠传动机构上，用于获取所述待测滚柱横截面的圆弧轮廓点云；

43、辅助点共焦传感器，安装于所述第三丝杠传动机构上，且与所述线共焦传感器相对设置于所述待测滚柱的下方，用于获取所述圆弧轮廓点云的对侧点数据；

44、三轴振动加速度传感器，安装于所述线共焦传感器和所述辅助点共焦传感器的夹具上，用于实时获取测量装置的绝对振动信息；

45、高精度增量式旋转编码器，安装于所述滚轴式输送机的从动滚轴端部，用于在所述从动滚轴每转过固定角度时发送触发信号，以触发所述线共焦传感器和所述辅助点共焦传感器对所述待测滚柱的所有横截面进行下一次采样；具体而言：线共焦传感器和辅助点共焦传感器一次采样一共检测6个截面，然后输送机转动带动滚柱转动，编码器发送触发信号，进行下一次6个截面的采样。

46、以及控制单元，用于接收所述线共焦传感器、辅助点共焦传感器、三轴振动加速度传感器和高精度增量式旋转编码器的信号，并执行上述的检测方法。

47、与现有技术相比，本技术具有以下有益效果：

48、本发明提出一种滚柱圆柱度的抗干扰检测装置及检测方法，通过采用高分辨率线共焦传感器并结合机械结构和算法的创新，实现了滚柱圆柱度的快速精准测量。其有益效果在于：通过滚轴式输送机和链条传动机构实现了多工位滚柱的连续传动，配合高精度编码器进行脉冲触发，使装置能够同时兼顾在线快速检测与高精度采样；通过在测量装置的传感器夹具上集成三轴振动加速度传感器，并结合两次时间积分运算，有效滤除了周边设备运行引入的实时振动噪声；同时，利用位于滚柱对径方向的辅助点共焦传感器，实时计算并补偿了由机械基准(滚轴)跳动引起的瞬时偏心误差，使最终提取的轮廓点云完全剔除外部干扰，真实反映滚柱自身的空间姿态；配合基于法向-曲率约束的nicp算法，在保证相邻圆弧段重叠率达15%~20%的情况下，利用多维特征约束实现点云的无缝高精度拼接，从而显著提升最终圆柱度评定的准确性和可靠性。