CN102042811A - 实现高精度多参数内径自动测量机构和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现高精度多参数内径自动测量机构和方法。由自动运载机构、高精度内径同轴自动定位机构、传感器自动扫描机构、辅助导向机构、系统测量装置、系统控制装置、光学倾斜测角机构组成。自动定位机构为测量机构提供高精度的测量基准及稳定支撑，通过内径同轴自动定位机构的轴线复现内径加工基准轴线。辅助导向机构为自动运载机构的行走提供辅助导向并防止机构倾倒与爬行。光学倾斜测角机构为剔除因机构倾斜而造成的误差提供了依据。本发明实现了对大型轴孔的直径，圆柱度、圆度、锥度等参数的自动测量，测量范围在500-1000毫米，测量分辨力达5微米。设计新颖、精度高、使用范围广、效率高。

Description

实现高精度多参数内径自动测量机构和方法

技术领域

本发明涉及大孔径的尺寸测量方法，特别是涉及一种实现高精度多参数内径自动测量系统和方法。

背景技术

随着大型机械设备向着复杂化、精密化方向发展，对于这些设备所需要的大尺寸工件的加工质量的检测要求也不断提高，其测量范围为几米至几十米，测量精度为10^-5～10^-6量级，而且绝大部分都要在制造现场进行测量，如火车轮、水轮机和汽轮机的主轴、大型发电机组、大型轴承圈、各种工作辊等，都需要对其直径进行高精度测量，以满足在加工过程中对直径尺寸的控制。

目前国内外大多数内径测量仪器仍采用大型螺旋测微器、大型千分尺、钢带尺等接触式测量仪器，但这些量具复杂笨重、测量效率低、易受操作人员及测量环境影响。当然采用多普勒效应法、滚轮法、标记法、激光干涉仪、激光杠杆法等非接触式测量也可以获得很高的测量精度。但考虑到滚轮法、标记法需要转动工件，不适合大型工件；激光干涉仪、多普勒效应法需要导轨，现场使用不方便；光杠杆法测量范围小等，不适合大型工件等存在的现场测量的弱点。正是由于在国内大型工件、管道等大直径高精度的测量问题至今未能得到妥善解决，以致在大型工件轴孔配合、管道接口装配时，往往因为其内外径尺寸不符合公差配合要求而返工，甚至报废。所以研制一种测量精度能够满足工艺要求，结构简单，能够实现现场测量大型工件内径测量技术和装置非常重要和具有现实应用价值。

高精度测量过程中，测量与制造的基准必须统一，这样能减少测量定位时可能带来的基准不重合误差，提高测量精度。如圆型轴孔镗孔过程中是以镗杆轴线为制造基准，加工后轴孔的轴线与其吻合，因此，测量时就应尽量选用该轴孔的轴线作为基准，这样测量基准与制造基准吻合，不会产生基准变换误差，相应的提高了测量精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现高精度多参数内径自动测量机构和方法，利用高精度测量与制造轴线吻合的定位机构，实现全自动化的大尺寸内径测量，测量范围在500-1000毫米，测量分辨力达5微米。该机构设计新颖、测量精度高、使用范围广、效率高，对于工业大尺寸内径在线测量具有重要意义。

本发明提供的实现高精度多参数内径自动测量机构包括：自动运载机构、辅助导向机构、高精度内径同轴自动定位机构、传感器自动扫描机构、系统测量装置、系统控制装置与光学倾斜测角机构。

所述的自动运载机构是系统的载体，包括机构本体、运载驱动电机、定位支撑臂及行走轮。机构本体为自动运载机构起着固定、支撑其他功能单元的作用，四个行走轮分别装在机构本体底部的四个定位支撑臂上，通过螺纹及导向槽固定，行走轮在定位支撑臂上的位置可调，其中后两个行走轮为主动轮，由运载驱动电机提供动力驱动机构本体运动；前两个行走轮为从动轮。

所述的辅助导向机构可以为自动运载机构的行走提供辅助导向，包括辅助导向轮、辅助支撑臂及弹簧。在本体上增加了辅助导向机构，辅助支撑臂固定于机构本体中心轴，辅助导向轮在弹簧弹力的作用下保持与管道内壁接触，防止测量机构在轴向行走过程中的倾倒与爬行。

所述的高精度内径同轴自动定位机构为测量机构在测量过程中，提供高精度的测量基准及可靠稳定的支撑，通过高精度内径同轴自动定位机构的轴线复现管道内壁的加工基准轴线。包括前、后两个高精度定位圆锥体，精密定位中心轴，前、后定位支撑臂，定位支撑臂套，弹性机构、精密丝杠、高精度定位滚轮及定位驱动电机。前高精度定位圆锥体套在精密定位中心轴上，可在轴上滑动，通过弹性机构与精密定位中心轴中部的轴颈相连；后高精度定位圆锥体固定于精密定位中心轴上。前、后两个定位面的六个定位支撑臂位于定位支撑臂套内并通过高精度定位滚轮与前、后高精度定位圆锥体连接。定位驱动电机通过精密丝杠驱动测量机构精密定位。当测量机构行走到位后，定位驱动电机动作，推动精密定位中心轴前进，由于弹性机构提供的预紧力，使得三个前定位支撑臂先于后定位面接触管道内壁，定位驱动电机继续推进，三个后定位支撑臂接触到管道内壁，最终完成高精度定位。

所述的传感器自动扫描机构负责带动两个激光位移传感器进行同步圆周180°对称扫描。包括扫描驱动电机、扫描驱动电机输出齿轮副、前侧传动轴、后侧传动轴、传动轴输出齿轮副、测量支撑臂及测量支撑臂固定滑套。测量支撑臂通过测量支撑臂固定滑套固定于机构本体中心轴上并可绕本体中心轴轴线圆周转动。扫描驱动电机输出齿轮副由三个模数相同的齿轮组成，包括一个扫描机构主动齿轮及两个扫描机构从动齿轮。其中扫描机构主动齿轮与扫描驱动电机相连，两个扫描机构从动齿轮安装于前、后传动轴的首端并同时与扫描机构主动齿轮啮合，以传递扫描驱动电机的运动。传动轴输出齿轮副由传动轴输出齿轮及滑套上的环齿组成，传递来自扫描驱动电机的运动进而带动激光位移传感器进行同步圆周对称扫描。

所述的系统测量装置是测量机构的核心测量部件，包括两个激光位移传感器和一个激光位移传感器控制器。激光位移传感器通过安装螺栓固定在测量支臂顶部的固定板上，负责对管道内径的参数进行测量；激光位移传感器控制器安装于控制箱内与系统的微控制器相连，负责驱动并控制激光位移传感器的测量与数据采集。

所述的系统控制装置是测量机构的运动控制部件，包括：两个运载驱动电机、一个定位驱动电机、一个扫描驱动电机、便携式电源、在线测量控制模块。其中两个运载驱动电机通过安装螺钉固定在两个后行走轮上，负责驱动机构本体在轴向行进；定位驱动电机与精密丝杠相连，推动精密定位中心轴运动实现双截面先后定位；扫描驱动电机与扫描机构主动齿轮相连，通过扫描机构从动齿轮传递扫描驱动电机的运动，带动两个激光位移传感器实现同步圆周对称测量；便携式电源固定在控制机箱内部，采用锂电池组合技术和高精度稳压技术为在线测量控制模块、电机以及激光位移传感器提供持续及稳定的能量；在线测量控制模块固定在控制机箱内部，负责控制并协调运载电机、定位驱动电机以及传感器扫描电机的运行，并同时控制激光位移传感器测量数据的采集与后续处理。

所述的光学倾斜测角机构为剔除因机构倾斜而造成的误差提供了依据。包括激光发射装置、激光束接收装置。其中激光发射装置由半导体激光器、激光器固定装置组成，激光接收装置由位置敏感器件PSD、透镜组以及激光接收器固定装置组成。半导体激光器通过激光器固定装置固定于测量机构中心轴的前端面中心，以激光器发出的准直光束表征机构测量臂旋转扫描的轴线。位置敏感器件PSD及透镜组由激光接收器固定装置固定于管道外侧端面，通过激光器发出的准直光束与激光接收装置轴线的夹角表征测量机构的在管道内的倾斜。

本发明提供的高精度多参数内径测量机构的测量方法包括以下步骤：

1)测量开始后，两个运载驱动电机开始工作，其带动两个主动轮进行旋转，从而使得测量机构在被测管道内前进和后退。辅助支撑臂固定于机构本体中心轴，辅助导向轮在弹簧弹力的作用下保持与管道内壁接触，防止机构倾倒与爬行。

2)当测量机构行走到位后，定位驱动电机动作，推动精密定位中心轴前进，由于弹性机构提供的预紧力，使得三个前定位支撑臂先于后定位面接触管道内壁，定位驱动电机继续推进，三个后定位支撑臂接触到管道内壁，最终完成测量机构在被测管道内的高精度定位。

3)当测量机构完成定位后，扫描驱动电机动作，扫描驱动电机输出齿轮副由三个模数相同的齿轮组成，包括一个扫描机构主动齿轮及两个扫描机构从动齿轮。其中扫描机构主动齿轮与扫描驱动电机相连，两个扫描机构从动齿轮安装于前、后传动轴的首端并同时与扫描机构主动齿轮啮合，以传递扫描驱动电机的运动。传动轴输出齿轮副由传动轴输出齿轮及滑套上的环齿组成，传递来自扫描驱动电机的运动进而带动激光位移传感器进行圆周对称扫描。测量支撑臂通过测量支撑臂固定滑套固定于机构本体中心轴上并可绕本体中心轴轴线对被测管道进行圆周360°扫描，并将采集到的数据传输至上位机进行数据处理，可得到管道的内径、圆度误差等参数。

4)当测量机构完成测量后，光学倾斜测角机构的激光器开始工作，由位置敏感器件PSD及透镜组接收激光器发出的准直光束，其与激光接收装置轴线的夹角即可表征测量机构的在管道内的倾斜。

5)当测量机构完成倾角测量后，定位驱动电机再次开始动作，其通过反转使得精密定位中心轴后退，从而三个后定位支撑臂先于前定位面脱离管道内壁，定位驱动电机继续反转，三个前定位支撑臂也将脱离管道内壁，此时整个单次测量过程结束。

本发明的优点在于：实验装置结构简单、机构设计新颖、现场操作方便、测量效率高、精度高、抗干扰能力强，且为非接触测量，特别适合工业大尺寸多参数内径在线测量。

附图说明：

图1为本发明测量机构的组成示意图。

图2为本发明测量机构高精度同轴自动定位机构示意图。

图3为本发明测量机构传感器自动扫描机构的示意图。

图4为本发明测量机构辅助导向机构的示意图。

图5为本发明测量机构的光学倾斜测角机构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作详细说明：

如图所示，1-自动运载机构、2-高精度内径同轴自动定位机构、3-传感器自动扫描机构、4-辅助导向机构、5-系统测量装置、6-系统控制装置(控制机箱)、7-光学倾斜测角机构、8-机构本体、9-运载驱动电机、10-定位支撑臂、11-行走轮、12-辅助支撑臂、13-辅助导向轮、14-前高精度定位圆锥体、15-后高精度定位圆锥体、16-精密定位中心轴、17-定位支撑臂套、18-弹性机构、19-精密丝杠、20-高精度定位滚轮、21-定位驱动电机、22-激光位移传感器、23-扫描驱动电机、24-扫描驱动电机输出齿轮副、25-前侧传动轴、26-后侧传动轴、27-传动轴输出齿轮副、28-测量支撑臂、29-测量支撑臂固定滑套、30-扫描机构主动齿轮及、31，32-扫描机构从动齿轮、33-传动轴输出齿轮、34-弹簧、35-半导体激光器、36-激光器固定装置、37-位置敏感器件PSD、38-透镜组、39-激光接收器固定装置。

如图1所示，本发明提供的实现高精度多参数内径自动测量机构包括：自动运载机构1、高精度内径同轴自动定位机构2、传感器自动扫描机构3、辅助导向机构4、系统测量装置5、系统控制装置(控制机箱)6、光学倾斜测角机构7。

如图1所示，所述的自动运载机构1是系统的载体，包括机构本体8、运载驱动电机9、定位支撑臂10及行走轮11。机构本体8为自动运载机构的基础，起着固定、支撑其他功能单元的作用，四个行走轮11分别装在机构本体底部的四个定位支撑臂10上，通过螺纹及导向槽固定，并且可以根据待检测管道内径的大小调整行走轮在定位支撑臂上的位置，以适应不同内径测量的应用，后两个行走轮为主动轮，运载驱动电机9通过安装螺钉固定在后面两个行走轮上，提供动力驱动机构本体运动，前两个行走轮为从动轮，在轴向行走的过程中为防止机构倾倒与爬行，增加辅助导向机构4，由本体的辅助支撑臂12上安装的辅助导向轮13接触管道内壁，参与从动。

如图2所示，高精度内径同轴自动定位机构2为测量机构在测量过程中，提供高精度的测量基准及可靠稳定的支撑，通过高精度内径同轴自动定位机构的轴线复现管道内壁的加工基准轴线，包括前、后两个高精度定位圆锥体14，15，精密定位中心轴16，定位支撑臂10，定位支撑臂套17、弹性机构18、精密丝杠19、高精度定位滚轮20及定位驱动电机21。其中前高精度定位圆锥体14套在精密定位中心轴16上，可在轴上滑动，通过弹性机构18与精密定位中心轴16中部的轴颈相连，后高精度定位圆锥体15固定于精密定位中心轴16上，前、后两个定位面的六个定位支撑臂10位于定位支撑臂套17内并通过高精度定位滚轮20与前、后高精度定位圆锥体14，15连接，定位驱动电机21通过精密丝杠19驱动测量机构定位，当测量机构行走到位后，定位驱动电机动作，推动精密定位中心轴16前进，由于弹性机构18提供的预紧力，使得三个前定位支撑臂先于后定位面接触管道内壁，定位驱动电机继续推进，进而实现三个后定位支撑臂接触管道内壁，最终完成定位。

如图3所示，传感器自动扫描机构3是带动两个激光位移传感器23进行同步圆周180°对称扫描的核心部件，包括扫描驱动电机23、扫描驱动电机输出齿轮副24、前侧传动轴25、后侧传动轴26、传动轴输出齿轮副27、测量支撑臂28及测量支撑臂固定滑套29。其中测量支撑臂28通过测量支撑臂固定滑套29固定于机构本体8上并可绕本体中心轴轴线圆周转动，扫描驱动电机输出齿轮副24由三个模数相同的齿轮组成，包括一个扫描机构主动齿轮30及两个扫描机构从动齿轮31，32，扫描机构主动齿轮30与扫描驱动电机23相连，两个扫描机构从动齿轮31，32安装于前、后传动轴25，26的首端并同时与扫描机构主动齿轮30啮合，以传递扫描驱动电机的运动，传动轴输出齿轮副27由传动轴输出齿轮33及滑套上的环齿组成，传递来自扫描驱动电机23的运动进而带动激光位移传感器进行同步圆周对称扫描。

如图4所示，辅助导向机构4可以为自动运载机构1的行走提供辅助导向，该机构由辅助导向轮13、辅助支撑臂12，弹簧34等组成，其中辅助支撑臂12固定于机构本体8上，辅助导向轮13在弹簧34弹力的作用下保持与管道内壁接触，防止机构倾倒与爬行。

如图5所示，所述的光学倾斜测角机构7为剔除因机构倾斜而造成的误差提供了依据，该机构由激光发射装置与激光束接收装置组成，其中激光发射装置由半导体激光器35、激光器固定装置36组成，激光接收装置由位置敏感器件PSD37、透镜组38以及激光接收器固定装置39组成，半导体激光器35通过激光器固定装置36固定于测量机构本体8的前端面中心，以激光器发出的准直光束表征机构测量臂旋转扫描的轴线，位置敏感器件PSD 37及透镜组38由激光接收器固定装置39固定于管道外侧端面，通过激光器发出的准直光束与激光接收装置轴线的夹角表征测量机构的在管道内的倾斜。

在测量之前首先调整四个行走轮11的径向伸缩量，保证其稳定接触管壁，然后将测量机构放入被测管道，同时调整辅助导向轮，使之接触内壁。待机械结构调整完毕后打开电源，待激光位移传感器预热完成以后，测量机构本体在微控制器的控制下驱动自动运载机构，带动测量装置沿轴向行走，直至系统运动到目标截面。

装置行走到位后，自动运载机构停止工作，微控制器控制定位驱动电机动作，推动精密定位中心轴16前进，定位支撑臂10在精密定位中心轴16的带动下径向向外伸出。由于弹性机构18提供的预紧力，使得三个前定位支撑臂先于后定位面接触管道内壁，定位驱动电机继续推进，进而实现三个后定位支撑臂接触管道内壁，支撑起测试机构本体，顶紧管道内壁，完成定位。

定位完成后，扫描驱动电机带动扫描驱动电机输出齿轮副运动，该运动由前、后传动轴传递给传动轴输出齿轮副，并通过滑套的环齿带动测量支撑臂及激光位移传感器转动。其中测量支撑臂28通过测量支撑臂固定滑套29固定于机构本体8上并可绕本体中心轴轴线圆周转动，扫描驱动电机输出齿轮副24由三个模数相同的齿轮组成，包括一个扫描机构主动齿轮及30两个扫描机构从动齿轮31，32，扫描机构主动齿轮30与扫描驱动电机24相连，两个扫描机构从动齿轮31，32安装于前、后传动轴25，26的首端并同时与扫描机构主动齿轮30啮合，以传递扫描驱动电机的运动，传动轴输出齿轮副27由传动轴输出齿轮33及滑套上的环齿组成，传递来自扫描驱动电机23的运动进而带动传感器进行圆周对称扫描，得到内径尺寸参数。在测量的过程中，光学倾斜测角系统测出的倾斜角度值将用于后续的误差剔除及修正。

测量动作完成后，定位支撑臂在定位驱动电机的带动下径向回收，机构重新又自动运载机构支撑，运载驱动电机控制行走轮转动，进而带动测量机构本体前往下一个检测截面。

应用实施例：

如图1所示，将测量机构置于内径582mm的环规中，打开测量机构控制系统的电源，激光位移传感器工作在最佳距离30mm。由两个运载驱动电机带动测量机构在环规中行走到待测位置后，定位驱动电机正转直至测量机构在环规中精密定位，此时扫描驱动电机工作，其带动前、后两个激光位移传感器对两个不同截面进行同步圆周测量，用最小二乘法原理求解出环规内径，其测量结果为581.9953mm，再用最小区域法求解出圆度误差为0.033mm，满足测量系统精度要求。

Claims (9)

1.一种实现高精度多参数内径自动测量系统，其特征在于它包括：自动运载机构、高精度内径同轴自动定位机构、传感器自动扫描机构、系统测量装置、系统控制装置与光学倾斜测角机构。

2.按照权利要求1所述的内径自动测量机构，其特征在于所述的自动运载机构包括机构本体、运载驱动电机、定位支撑臂及行走轮；机构本体为自动运载机构起着固定、支撑其他功能单元的作用，四个行走轮分别装在机构本体底部的四个定位支撑臂上，通过螺纹及导向槽固定，行走轮在定位支撑臂上的位置可调，其中后两个行走轮为主动轮，由运载驱动电机提供动力驱动机构本体运动；前两个行走轮为从动轮。

3.按照权利要求1所述的内径自动测量机构，其特征在于所述的辅助导向机构包括辅助导向轮、辅助支撑臂及弹簧。辅助支撑臂固定于机构本体中心轴，辅助导向轮在弹簧弹力的作用下保持与测量管道内壁接触，防止机构倾倒与爬行。

4.按照权利要求1所述的内径自动测量机构，其特征在于所述的高精度内径同轴自动定位机构包括前、后两个高精度定位圆锥体，精密定位中心轴，前、后定位支撑臂，定位支撑臂套，弹性机构、精密丝杠、高精度定位滚轮及定位驱动电机；前高精度定位圆锥体套在精密定位中心轴上，可在轴上滑动，通过弹性机构与精密定位中心轴中部的轴颈相连；后定位圆锥体固定于精密定位中心轴上，前、后两个定位面的六个定位支撑臂位于定位支撑臂套内并通过高精度定位滚轮与前、后高精度定位圆锥体连接；定位驱动电机通过精密丝杠驱动机构定位。

5.按照权利要求1所述的内径自动测量机构，其特征在于所述的传感器自动扫描机构包括扫描驱动电机、扫描驱动电机输出齿轮副、前侧传动轴、后侧传动轴、传动轴输出齿轮副、测量支撑臂及测量支撑臂固定滑套；测量支撑臂通过测量支撑臂固定滑套固定于机构本体中心轴上并可绕本体中心轴轴线圆周转动；扫描驱动电机输出齿轮副由三个模数相同的齿轮组成，包括一个扫描机构主动齿轮及两个扫描机构从动齿轮，其中扫描机构主动齿轮与扫描驱动电机相连，两个扫描机构从动齿轮安装于前、后传动轴的首端并同时与扫描机构主动齿轮啮合，以传递扫描驱动电机的运动，传动轴输出齿轮副由传动轴输出齿轮及滑套上的环齿组成，传递来自扫描驱动电机的运动进而带动传感器进行圆周对称扫描。

6.按照权利要求1所述的内径自动测量机构，其特征在于所述的系统测量装置包括两个激光位移传感器和一个激光位移传感器控制器，激光位移传感器通过安装螺栓固定在测量支臂顶部的固定板上，激光位移传感器控制器则装于控制机箱内与系统的微控制器相连。

7.按照权利要求1所述的内径自动测量机构，其特征在于所述的系统控制装置包括：两个运载驱动电机、一个扫描驱动电机、一个定位驱动电机、便携式电源、在线测量控制模块，其中两个运载驱动电机通过安装螺钉固定在后面两个行走轮上，负责驱动机构本体在轴向行进；定位驱动电机与精密丝杠相连，推动精密定位中心轴运动实现双截面先后定位；扫描驱动电机与扫描机构主动齿轮相连，通过扫描机构从动齿轮传递扫描驱动电机的运动，带动两个激光位移传感器实现同步对称测量；便携式电源固定在控制机箱内部，采用锂电池组合技术和高精度稳压技术为在线测量控制模块、电机以及传感器提供持续及稳定的能量；在线测量控制模块固定在控制机箱内部，负责控制并协调运载电机、定位驱动电机及扫描驱动电机的运行，并同时控制激光位移传感器测量数据的采集与后续处理。

8.按照权利要求1所述的内径自动测量机构，其特征在于所述的光学倾斜测角机构包括激光发射装置、激光束接收装置，其中激光发射装置由半导体激光器、激光器固定装置组成，激光接收装置由位置敏感器件PSD、透镜组以及激光接收器固定装置组成，半导体激光器通过激光器固定装置固定于测量机构中心轴的前端面中心，以激光器发出的准直光束表征机构测量臂旋转扫描的轴线，位置敏感器件PSD及透镜组由激光接收器固定装置固定于管道外侧端面，通过激光器发出的准直光束与激光接收装置轴线的夹角表征测量机构的在管道内的倾斜。

9.一种内径自动测量系统的测量方法，其特征在于包括以下步骤：

1)测量开始后，运载驱动电机开始工作，其带动行走轮进行旋转，使得测量机构在被测管道内前进和后退；

2)当测量机构行走到位后，定位驱动电机动作，推动精密定位中心轴前进，使得前定位支撑臂先于后定位面接触管道内壁，定位驱动电机继续推进，后定位支撑臂接触到管道内壁，最终完成测量机构在被测管道内的高精度定位；

3)当测量机构完成定位后，扫描驱动电机动作，带动激光位移传感器进行圆周对称扫描，并将采集到的数据传输至上位机进行数据处理，可得到管道的内径、圆度误差参数；

4)当测量机构完成测量后，光学倾斜测角机构的激光器开始工作，由位置敏感器件PSD及透镜组接收激光器发出的准直光束，其与激光接收装置轴线的夹角即可表征测量机构的在管道内的倾斜；

5)当测量机构完成倾角测量后，定位驱动电机再次开始动作，其通过反转使得前、后定位支撑臂全部脱离管道内壁，此时整个单次测量过程结束。

Images