CN103196396B - 基于数学手段的深孔直线度激光检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于数学手段的深孔直线度激光检测方法，所采用的检测装置由T型拉杆、套筒、弹簧、楔形件、位置敏感探测器、激光发射器、A/D转换器和计算机等部件构成，其步骤为：首先通过位置敏感探测器检测光斑的变化，再将光斑位置变化和装置竖直方向位移变化信息输入计算机，得到空间离散点，然后选取离散点的各个极值点，求极值点的中间点或形心，依次得到连续的点，将其连线视为深孔轴线，最后求出深孔轴线直线度；还可将离散点连接成曲线，依据采样与滤波原理将该曲线分解为频率不同的两条曲线，最后求出深孔轴线直线度。本发明可全程动态检测孔的实际轴线的横向变动量，并且能精确求出深孔轴线直线度，进而使检测手段高精化。

Description

基于数学手段的深孔直线度激光检测方法

技术领域

本发明涉及一种孔类零件直线度检测方法，特别涉及一种立式深孔直线度激光检测方法。

背景技术

深孔加工复杂且特殊，难以观察加工部位和刀具状况，加工过程受诸如刀杆变形、系统颤振、工件材质、钻头参数、切削参数、油液压力、排屑困难等多方面因素的影响，深孔零件常出现轴线偏斜的现象，一旦偏斜到某种程度，深孔零件轴线的直线度误差将产生急剧变化，造成钻头损坏、工件报废、产品精度低、质量不合格等不良后果。由于深孔加工服务于装备制造行业，深孔工件的质量直接影响装备制造业的发展，也限制了深孔向其他领域拓展的空间。

直线度检测贯穿于整个深孔加工过程中，是深孔领域控制产品质量的重要手段，直线度好的零件也可以使自身在与其他零件配合使用时发挥出最大的性能，提高总装精度。直线度是深孔加工必须考虑的一项基本指标，对于孔类零件，通常所说的直线度是指零件实际轴线相对于理论轴线的偏差。

国内外在深孔直线度检测与纠偏技术方面的研究不断加深，但是相对其他计量项目而言，直线度检测技术显得落后，尤其表现在对大长工件孔轴线直线度检测方面，到目前为止，尚没有用于检测深孔轴线直线度偏差的成熟产品。实际中，工人师傅经常通过用卡尺在孔的两端沿不同径向方向测量壁厚的方法判定直线度好坏，这种方法不能测得深孔内部轴线偏差，也即不能实现对深孔零件直线度的全程连续动态检测，很不精准，容易陷入以点概面的误区。而一些高精度直线度检测仪器的价格又比较昂贵，难以接受。

发明内容

本发明的目的旨在克服上述缺点，提供一种利用激光技术和位置敏感探测器全程动态检测并且由计算机系统处理的基于数学手段的深孔直线度激光检测方法。

该方法通过检测装置检测，该检测装置通过位置敏感探测器上光斑的变化和装置竖直方向位移变化，得到空间离散点，经由计算机系统处理即可得到深孔轴线的直线度。

为达到上述目的，本发明采用如下解决方案：一种基于数学手段的深孔直线度激光检测方法，包括立式深孔直线度激光检测装置，其特征在于：所述检测装置包括T型拉杆，T型拉杆穿过上楔形体和下楔形体的中间孔安装在封闭的套筒内，上楔形体和下楔形体与套筒的内壁接触，T型拉杆的杆头穿过套筒上端面设有的与上楔形体和下楔形体的中间孔一致的中间孔伸出套筒外，T型拉杆的杆头连接拉绳，拉绳通过定滑轮连接在与电机相连的滚筒上；在T型拉杆上设有上弹簧、中弹簧和下弹簧，上弹簧、中弹簧和下弹簧分别位于套筒上端面与上楔形体、上楔形体与下楔形体、下楔形体与T型拉杆的T型台阶之间；在套筒的筒壁上设有上楔形件和下楔形件，上楔形件的一端与深孔零件的孔壁接触，另一端与上楔形体倾斜接触，下楔形件的一端与深孔零件的孔壁接触，另一端与下楔形体倾斜接触；在套筒下端面的中心处拴有吊绳，吊绳下端安装有重块，重块下端面安装激光发射器，重块下方设有支架，在支架上安装位置敏感探测器，位置敏感探测器接收激光发射器发出的光线，位置敏感探测器通过A/D转换器与计算机系统相连；其检测方法的步骤如下：第一步，由位置敏感探测器检测光斑的变化；第二步，将光斑位置变化信息和装置竖直方向位移变化信息输入计算机系统；第三步，由计算机系统根据光斑位置变化信息和装置竖直方向位移变化信息，得到空间离散点，空间离散点依次连接形成一条曲线，从中依次找出极值点M₁(x₁,y₁,z₁)、M₂(x₂,y₂,z₂)……M_i(x_i,y_i,z_i)……，其中M₁为空间曲线第一个峰值，即重块发生单摆式振动测得的第一个振幅最大点，M₂为曲线上第一个使线段M₂M₁的水平投影长度最大的点，M₃为曲线上第一个使线段M₃M₂的水平投影长度最大的点，依次类推，同样的方法得到M_i；第四步，求点M₁和M₂的中点M₂₁，同样求出点M₂和M₃的中点M₃₂，M_i和M_i-1的中点M_i，i-1，依次类推，将M₂₁、M₃₂……M_i，i-1……的连线视为深孔轴线；第五步，根据上述连线利用形状和位置公差原理求深孔轴线直线度。

上述的基于数学手段的深孔直线度激光检测方法，其特征在于：所述的检测方法步骤如下：第一步，由位置敏感探测器检测光斑的变化；第二步，将光斑位置变化信息和装置竖直方向位移变化信息输入计算机系统；第三步，由计算机系统根据光斑位置变化信息和装置竖直方向位移变化信息，得到空间离散点，空间离散点依次连接形成一条曲线，从中依次找出极值点M₁(x₁,y₁,z₁)、M₂(x₂,y₂,z₂)……M_i(x_i,y_i,z_i)……，其中M₁为空间曲线第一个峰值，即重块发生单摆式振动测得的第一个振幅最大点，M₂为曲线上第一个使线段M₂M₁的水平投影长度最大的点，M₃为曲线上第一个使线段M₃M₂的水平投影长度最大的点，依次类推，同样的方法得到M_i；第四步，求M₁、M₂、M₃的形心C₁,求M₂、M₃、M₄的形心C₂，依次类推，将C₁、C₂……C_i……的连线视为深孔轴线；第五步，根据上述连线利用形状和位置公差原理求深孔轴线直线度。

上述的基于数学手段的深孔直线度激光检测方法，其特征在于：所述的检测方法步骤如下：第一步，由位置敏感探测器检测光斑的变化；第二步，将光斑位置变化信息和装置竖直方向位移变化信息输入计算机系统；第三步，由计算机系统根据光斑位置变化信息和装置竖直方向位移变化信息，得到空间离散点；第四步，将空间离散点连接成曲线；第五步，依据邸继征所著《小波分析原理》中的采样与滤波原理，参考《计量技术》期刊论文“小波变换在电梯导轨接缝形位诊断中的应用”，将该曲线分解为频率不同的两条曲线，一条与重块晃动的频率相对应，另一条与深孔轴线直线度变化的频率相对应，或采用其它滤波分析技术进行处理；第六步，求出深孔轴线直线度。

上述的基于数学手段的深孔直线度激光检测方法，其特征在于：所述T型拉杆的杆头上设有连接拉绳的拉钉。

上述的基于数学手段的深孔直线度激光检测方法，其特征在于：所述上楔形件和下楔形件与深孔零件的孔壁接触的一端设有可绕自身轴转动的上滚轮和下滚轮，数量均为三个或三个以上。

上述的基于数学手段的深孔直线度激光检测方法，其特征在于：所述上楔形件和下楔形件与上楔形体和下楔形体倾斜接触的斜角为10°-80°。

上述的基于数学手段的深孔直线度激光检测方法，其特征在于：所述上楔形件和下楔形件在靠近套筒内壁处设置销钉。

上述的基于数学手段的深孔直线度激光检测方法，其特征在于：所述定滑轮为左滑轮和右滑轮。

本发明所述的T型拉杆在拉绳的作用下，做垂直向上运动，使上弹簧、中弹簧和下弹簧处于压缩状态，弹簧推动楔形体，顶起楔形件，从而确保上滚轮和下滚轮与深孔零件的孔内壁始终接触。

本发明所述的位置敏感探测器接收激光发射器发出的光线，可检测零件孔的实际轴线相对于理论轴线的横向变动量。

本发明所述的A/D转换器与计算机系统相连，实现对位置敏感探测器所得数据进行转换。

本发明所述的上滚轮和下滚轮可绕自身轴转动，使装置工作时，两个滚轮与深孔零件的孔内壁之间为滚动摩擦，有利于减小摩擦阻力，提高检测精度。

本发明所述的销钉可确保楔形件不会从套筒中脱落。

本发明所述的拉绳绕过左滑轮和右滑轮连接在拉钉上，从而将电机的动力传递给T型拉杆，滑轮改变拉绳传动方向，使电机安装适应性更强。

本发明与现有深孔轴线直线度检测方法相比，具有以下有益效果：

本发明通过位置敏感探测器上光斑的变化和装置竖直方向位移变化信息，经由计算机系统处理得到空间离散点，再利用数学方法拟合出深孔轴线，进而依据形状和位置公差原理求出深孔轴线直线度。

本发明集机、电、光于一体，采用激光技术和位置敏感探测器，利用计算机技术排除了重块晃动的干扰，而采用现有的机械方法难以做到这点。本方法可以实现全程动态检测深孔实际轴线相对于理论轴线的横向微位移变化，并且能精确求出深孔轴线直线度，使对深孔零件进行直线度检测的手段趋于高精化，是深孔检测技术上的重要突破。

附图说明

图1、本发明所采用的立式深孔直线度激光检测装置结构示意图。

图中：1-深孔零件 2-套筒 3-上楔形体 5-T型拉杆 6-中弹簧 7-下楔形体 8-重块 9-下弹簧 10-面板 11-激光发射器 12-吊绳 13-下楔形件 14-下滚轮 15-上楔形件 16-上滚轮 17-销钉 18-上弹簧 19-拉钉 20-电机 21-卷轴 22-左滑轮 23-滚筒 24-位置敏感探测器 25-支架 26-计算机系统 27-光线 28-右滑轮 30-A/D转换器 31-拉绳。

具体实施方式

结合附图对本发明的实施方式作进一步描述，本实施例是用来说明本发明的，而不是对本发明做任何限制。

如图1所示，本发明采用的立式深孔直线度激光检测装置，包括T型拉杆5、上弹簧18、中弹簧6、下弹簧9、上楔形体3、下楔形体7、上楔形件15、下楔形件13、面板10、吊绳12、重块8、激光发射器11和位置敏感探测器24，T型拉杆5穿过上楔形体3和下楔形体7的中间孔安装在封闭的套筒2内，上弹簧18、中弹簧6和下弹簧9套在T型拉杆5上，且被上楔形体3和下楔形体7隔开，上楔形件15与上楔形体3之间倾斜接触，斜角控制在10°-80°之间，下楔形件13与下楔形体7之间倾斜接触，斜角控制在10°-80°之间；下端面10的中心处拴有吊绳12，吊绳12下端安装有重块8，激光发射器11固定在重块8下端面正中心，位置敏感探测器24固定安装在支架25上，位置敏感探测器24位于激光发射器11下方，激光发射器11发出的光线27照射在位置敏感探测器24的工作范围内，位置敏感探测器24通过A/D转换器30与计算机系统26相连。上滚轮16和下滚轮14均与深孔零件1的孔壁接触，可绕自身轴转动，数量均为三个或三个以上。

上楔形体3与上楔形件15之间的接触形式可以是面接触，也可以是线接触；下楔形体7与下楔形件13之间也采用相同的接触形式。

销钉17安装于上楔形件15，确保楔形件不会从套筒2中脱落，销钉可以是普通销钉，也可以是弹簧销钉。

套筒2的下端面10可以是快换式面板，也可以是紧固式面板。

利用上述检测装置，其检测方法有以下三种：

第一种方法的步骤如下：第一步，由位置敏感探测器检测光斑的变化；第二步，将光斑位置变化信息和装置竖直方向位移变化信息输入计算机系统；第三步，由计算机系统根据光斑位置变化信息和装置竖直方向位移变化信息，得到空间离散点，空间离散点依次连接形成一条曲线，从中依次找出极值点M₁(x₁,y₁,z₁)、M₂(x₂,y₂,z₂)……M_i(x_i,y_i,z_i)……，其中M₁为空间曲线第一个峰值，即重块发生单摆式振动测得的第一个振幅最大点，M₂为曲线上第一个使线段M₂M₁的水平投影长度最大的点，M₃为曲线上第一个使线段M₃M₂的水平投影长度最大的点，依次类推，同样的方法得到M_i；第四步，求点M₁和M₂的中点M₂₁，同样求出点M₂和M₃的中点M₃₂，M_i和M_i-1的中点M_i，i-1，依次类推，将M₂₁、M₃₂……M_i，i-1……的连线视为深孔轴线；第五步，根据上述连线利用形状和位置公差原理求深孔轴线直线度。

第二种方法的步骤如下：第一步，由位置敏感探测器检测光斑的变化；第二步，将光斑位置变化信息和装置竖直方向位移变化信息输入计算机系统；第三步，由计算机系统根据光斑位置变化信息和装置竖直方向位移变化信息，得到空间离散点，空间离散点依次连接形成一条曲线，从中依次找出极值点M₁(x₁,y₁,z₁)、M₂(x₂,y₂,z₂)……M_i(x_i,y_i,z_i)……，其中M₁为空间曲线第一个峰值，即重块发生单摆式振动测得的第一个振幅最大点，M₂为曲线上第一个使线段M₂M₁的水平投影长度最大的点，M₃为曲线上第一个使线段M₃M₂的水平投影长度最大的点，依次类推，同样的方法得到M_i；第四步，求M₁、M₂、M₃的形心C₁,求M₂、M₃、M₄的形心C₂，依次类推，将C₁、C₂……C_i……的连线视为深孔轴线；第五步，根据上述连线利用形状和位置公差原理求深孔轴线直线度。

第三种方法的步骤如下：第一步，由位置敏感探测器检测光斑的变化；第二步，将光斑位置变化信息和装置竖直方向位移变化信息输入计算机系统；第三步，由计算机系统根据光斑位置变化信息和装置竖直方向位移变化信息，得到空间离散点；第四步，将空间离散点连接成曲线；第五步，依据邸继征所著《小波分析原理》中的采样与滤波原理，参考《计量技术》期刊论文“小波变换在电梯导轨接缝形位诊断中的应用”，将该曲线分解为频率不同的两条曲线，一条与重块晃动的频率相对应，另一条与深孔轴线直线度变化的频率相对应，或采用其它滤波分析技术进行处理；第六步，求出深孔轴线直线度。

本方法所采用的检测装置的工作过程如下：

本发明工作开始时，在拉绳31的作用下，通过T型拉杆5使三个弹簧处于压缩状态，推动楔形体移动，顶起楔形件，将上滚轮16和下滚轮14压紧在深孔零件1的内孔壁上，从而保证工作过程的良好接触。工作过程中，当孔径变大时，楔形体使得滚轮向外移动，适应于孔径的增加；当孔径变小时，深孔孔壁迫使滚轮向内移动，由于楔形角避开自锁角度，楔形体向下运动，由于轴向布置有弹簧，这种轴向运动是可以实现的。检测时，位置敏感探测器24探测到的光斑变化量经A/D转换器30后，获得深孔实际轴线相对于理论轴线每点处的横向微位移变化，计算机系统26对该变化和装置竖直方向位移变量进行处理运算，得到样点在空间离散特征，并拟合出一条直线度空间曲线，得到每点处孔轴线直线度误差值，最终以三维图像和数据表的形式呈现在显示屏上，方便人工读出。

Claims (7)

1.一种基于数学手段的深孔直线度激光检测方法，包括立式深孔直线度激光检测装置，其特征在于：所述检测装置包括T型拉杆，T型拉杆穿过上楔形体和下楔形体的中间孔安装在封闭的套筒内，上楔形体和下楔形体与套筒的内壁接触，T型拉杆的杆头穿过套筒上端面设有的与上楔形体和下楔形体的中间孔一致的中间孔伸出套筒外，T型拉杆的杆头连接拉绳，拉绳通过定滑轮连接在与电机相连的滚筒上；在T型拉杆上设有上弹簧、中弹簧和下弹簧，上弹簧、中弹簧和下弹簧分别位于套筒上端面与上楔形体、上楔形体与下楔形体、下楔形体与T型拉杆的T型台阶之间；在套筒的筒壁上设有上楔形件和下楔形件，上楔形件的一端与深孔零件的孔壁接触，另一端与上楔形体倾斜接触，下楔形件的一端与深孔零件的孔壁接触，另一端与下楔形体倾斜接触；在套筒下端面的中心处拴有吊绳，吊绳下端安装有重块，重块下端面安装激光发射器，重块下方设有支架，在支架上安装位置敏感探测器，位置敏感探测器接收激光发射器发出的光线，位置敏感探测器通过A/D转换器与计算机系统相连；其检测方法的步骤如下：第一步，由位置敏感探测器检测光斑的变化；第二步，将光斑位置变化信息和装置竖直方向位移变化信息输入计算机系统；第三步，由计算机系统根据光斑位置变化信息和装置竖直方向位移变化信息，得到空间离散点，空间离散点依次连接形成一条曲线，从中依次找出极值点M₁(x₁,y₁,z₁)、M₂(x₂,y₂,z₂)……M_i(x_i,y_i,z_i)……，其中M₁为空间曲线第一个峰值，即重块发生单摆式振动测得的第一个振幅最大点，M₂为曲线上第一个使线段M₂M₁的水平投影长度最大的点,M₃为曲线上第一个使线段M₃M₂的水平投影长度最大的点，依次类推，同样的方法得到M_i；第四步，求点M₁和M₂的中点M₂₁，同样求出点M₂和M₃的中点M₃₂，M_i和M_i-1的中点M_i，i-1，依次类推，将M₂₁、M₃₂……M_i，i-1……的连线视为深孔轴线；第五步，根据上述连线利用形状和位置公差原理求深孔轴线直线度。

2.根据权利要求1所述的基于数学手段的深孔直线度激光检测方法，其特征在于：所述的检测方法步骤如下：第一步，由位置敏感探测器检测光斑的变化；第二步，将光斑位置变化信息和装置竖直方向位移变化信息输入计算机系统；第三步，由计算机系统根据光斑位置变化信息和装置竖直方向位移变化信息，得到空间离散点，空间离散点依次连接形成一条曲线，从中依次找出极值点M₁(x₁,y₁,z₁)、M₂(x₂,y₂,z₂)……M_i(x_i,y_i,z_i)……，其中M₁为空间曲线第一个峰值，即重块发生单摆式振动测得的第一个振幅最大点，M₂为曲线上第一个使线段M₂M₁的水平投影长度最大的点，M₃为曲线上第一个使线段M₃M₂的水平投影长度最大的点，依次类推，同样的方法得到M_i；第四步，求M₁、M₂、M₃的形心C₁,求M₂、M₃、M₄的形心C₂，依次类推，将C₁、C₂……C_i……的连线视为深孔轴线；第五步，根据上述连线利用形状和位置公差原理求深孔轴线直线度。

3.根据权利要求1所述的基于数学手段的深孔直线度激光检测方法，其特征在于：所述T型拉杆的杆头上设有连接拉绳的拉钉。

4.根据权利要求1所述的基于数学手段的深孔直线度激光检测方法，其特征在于：所述上楔形件和下楔形件与深孔零件的孔壁接触的一端设有可绕自身轴转动的上滚轮和下滚轮，数量均为三个或三个以上。

5.根据权利要求1所述的基于数学手段的深孔直线度激光检测方法，其特征在于：所述上楔形件和下楔形件与上楔形体和下楔形体倾斜接触的斜角为10°-80°。

6.根据权利要求1所述的基于数学手段的深孔直线度激光检测方法，其特征在于：所述上楔形件和下楔形件在靠近套筒内壁处设置销钉。

7.根据权利要求1所述的基于数学手段的深孔直线度激光检测方法，其特征在于：所述定滑轮为左滑轮和右滑轮。