CN103443581A - 自定心孔测量单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种孔测量单元，其具有带有第一与第二端的纵长主体。第一调整机构设置在所述第一端附近，第二调整机构设置在所述第二端附近。所述调整机构通过三角臂而扩张或收缩至相对直径，从而当所述单元插入中空孔时其可定心于孔中。所述单元的测量部测量孔的内直径。所述测量单元包括至少一个传感器，并且优选的是在每个插入距离获取三个以上的读数，以表示出内孔直径的最佳拟合圆。

Description

自定心孔测量单元

技术领域

本发明涉及中空构件内的孔径的测量。具体而言，本发明针对的是一种自定心孔测量单元。

背景技术

众所周知，中空构件的精确的孔测量提供了分析构件及它们作为部分所形成的设备的重要数据。该数据在发电机转子孔、涡轮机轴孔等的制造与维护中是非常可取的。例如，初始孔径的读数可以用来确定孔是否已经构造成适当的规格。此外，通过在使用过程中定期进行孔测量测试可以发现孔蠕变或高应力区域。

然而，用于测量孔径的公知技术具有局限性。

发明内容

目前的孔测量装置受限于若干种方式。作为一个示例，它们不能测量具有某些几何形状的孔的整个长度。因此，它们可能受限于测量不包括瓶颈或横截面直径变化的孔。它们还可能受限于小于某些总长度的孔。目前的孔测量装置还不能精确地测量这样的孔，即，所述孔在孔本身之内包括不规则的表面，比如在例行缺陷修正步骤过程中所造成的凹痕。

此外，常规的孔测量单元被限制于在孔内特定的线性位置围绕孔径的三个测量点。虽然要认识到的是，三个点是生成一个圆所需的最少数量的点，但是加入更多的数据点进行分析将会产生实际孔径的更精确的“最佳拟合”读数。

最后，常规的孔测量单元还必须特意布置成用于单一的孔径。这些单元不能动态地适应不同直径的孔，更不用说具有可变直径的单一孔了。

鉴于此，本发明提供了一种自定心孔测量单元，其能够对各种几何形状和状况的孔执行精确的孔测量。

在一实施例中，一种孔测量单元可以包括：纵长主体，具有第一端和第二端；第一调整机构，设置在所述第一端附近，所述第一调整机构扩张或收缩至相对直径；第二调整机构，设置在所述第二端附近，所述第二调整机构扩张或收缩至相对直径；以及测量部，与所述主体相关联，所述测量部适于测量中空构件的孔的内直径。当所述纵长主体插入中空构件的孔中时，所述第一与第二调整机构可扩张以将所述纵长主体大致定心于所述孔内，使得所述测量部可以测量所述孔的内直径。

所述第一调整机构可以包括绕着所述纵长主体固定定位的固定轴环、构造成绕着所述纵长主体为滑动关系的滑动轴环以及将所述第一固定轴环连接至所述第一滑动轴环的三个臂，所述臂各自铰接成集体地构成三角形以形成相对直径。所述滑动轴环朝向所述固定轴环的滑动可以增加所述第一调整机构的相对直径，而所述滑动轴环远离所述固定轴环的滑动可以减小所述第一调整机构的相对直径。在其他布置中，这可以是相反的。

所述第一调整机构还可以包括与每个铰接臂相关联的轮，所述轮以相对直径定位在所述臂的铰链处。

所述孔测量单元还可以包括线性致动器，其将所述第一调整机构的滑动轴环联接至所述纵长主体，使得所述线性致动器使所述滑动轴环相对于所述纵长主体移动。所述线性致动器可以是气动操作的磁耦合无杆缸(magnetically coupled rodless cylinder)，或者其他类型的致动器，比如螺杆驱动的致动器。

所述第一调整机构和所述第二调整机构可以是可分立调整的，所述调整机构能够形成两个不同的相对直径，使得所述纵长构件保持定心于具有可变直径的孔中。在这种情况下，可以有两个线性致动器。

所述测量部可以包括至少一个光电距离传感器，其旋转约360°周期以感测与所述中空构件的内孔直径相关的距离。所述光电距离传感器可在每个周期中为了总共至少四个距离读数而获取至少四个读数。所述孔测量单元还可以包括带有显示器的数据收集与处理计算机，其中，所述至少四个距离读数被收集并被拟合成最佳拟合圆，最佳拟合圆的尺寸显示在所述显示器上。

所述测量部可以包括两个光电距离传感器，所述光电距离传感器分别旋转至少180°周期，每个光电距离传感器在每个周期中获取至少两个距离读数。

所述测量部可以测量中空构件的孔径至约1/1000”的公差范围内。

在本发明的另一实施例中，一种测量中空轴的内孔直径的方法可以包括：将包括第一调整机构、第二调整机构以及测量部的纵长测量装置插入到内孔中，所述调整构件可调整至相对直径；调整所述第一调整机构与第二调整机构的相对直径，使得所述调整机构分别以它们的相对直径抵接着内孔，以便将所述纵长测量装置大致定心于孔内；以及启动所述测量部，以在邻近测量部的区域中获取所述内孔的多个测量读数。

所述方法还可以包括使所述纵长测量装置沿着内孔长度移动，以及启动所述测量部以在邻近测量部的区域中获取所述内孔的第二多个测量读数。

所述移动步骤可以包括调整所述调整机构中至少一个的相对直径。

所述插入步骤可以通过采用有刻度的测杆在孔中推动所述纵长测量装置而实现。在这种情况下，所述方法还可以包括识别所述测量部穿入内孔中的深度，以及使所述纵长测量装置沿着内孔的长度移动预定的距离。然后，所述方法可以包括启动所述测量部，以在邻近测量部的区域中获取所述内孔的第二多个测量读数。

所述启动测量部的步骤可在邻近测量部的区域中获取所述内孔的至少三个读数。所述读数可以被传送到数据收集与处理计算机，并存储在数据收集与处理计算机中。

所述测量部可以包括两个传感器，每个传感器适于获取测量读数。

在本发明的另一实施例中，一种用于测量具有带纵向轴线的孔的中空构件的内直径的孔测量单元可以包括：纵长主体，具有纵向轴线；与所述主体相关联的两个调整机构，所述调整机构各自呈三角形，以在所述纵长主体插入孔中时沿着孔的纵向轴线扩张和定位所述纵长主体的纵向轴线；以及旋转传感器，所述旋转传感器获取中空构件的内直径的多个读数。

附图说明

结合附图，参照自定心孔测量单元的下面详细描述，将更加充分地理解上述说明以及本发明的进一步目的、特征和优点，其中：

图1示出了根据本发明一实施例的孔测量单元的示意图；

图2示出了图1的孔测量单元的第一调整机构的详细示意图；

图3示出了图1的孔测量单元的局部剖视图；

图4A和4B示出了分别带有一个传感器和两个传感器的图1孔测量单元的测量部的详细视图；以及

图5示出了在中空构件的孔内使用图1的孔测量单元。

具体实施方式

在描述所示出的及将参照附图所要描述的主题的优选实施例中，为了清楚起见，将采用特定的术语。然而，本发明并非旨在限定于这样选择的特定术语，要理解的是，每个特定术语包括以类似方式操作以实现类似目的的所有技术等同物。

本文描述了本发明自定心孔测量单元的实施例。所述孔测量单元被设计成测量中空构件的内孔直径，比如发电机转子孔、涡轮机轴孔等。可以预想到的是，所述孔测量单元能测量内直径范围在约4”

至12”

的孔，并且精确到约0.001”(或约25.4微米)内。理想情况下，孔测量单元能测量至少小至4.25”

的孔径。此外，孔测量单元可以测量长度超过50英尺或以上的中空构件内的孔。可以在启用中空构件前进行测量，或者在使用过程中定期测量，例如每年一次。

图1示出了根据本发明一实施例的孔测量单元100的示意图。如图1所示，孔测量单元包括具有第一端104与第二端106的纵长柱形主体102。第一端104包括测量部108，测量部适于检测对其内插有孔测量单元的中空构件的内部孔径的测量。在孔测量单元100的第一端104与第二端106之间，并且优选地分别在所述第一端与第二端附近，以第一调整机构110与第二调整机构112的形式的调整机构相互隔开。如将要所述的那样，调整机构110、112改变孔测量单元100的总直径，并将主体102保持在平行于中空构件的内部孔的方向且定心于其内。

转到图2，示出了孔测量单元100的第一调整机构110的详细示意图。该机构由若干个部分组成，包括固定轴环114和滑动轴环116，二者形状通常是环形。

正如其名称所暗示的那样，固定轴环114固定地连接至主体102，例如通过焊接、化学粘合或机械固定。固定轴环114包括三个耳部118a、118b、118c，优选的是围绕该固定轴环以120°的间隔隔开，这些耳部面向滑动轴环116。每个耳部都包括孔(附图中不可见)，销120a、120b、120c可被驱动通过该孔，以形成枢轴。

滑动轴环116与固定轴环114类似地布置，并且还包括耳部122a、122b、122c，优选的是围绕该滑动轴环以120°的间隔隔开，或至少以对应于固定轴环的耳部118a、118b、118c的间隔隔开。耳部122a、122b、122c面向固定轴环114，并且包括孔(附图中不可见)，销124a、124b、124c可被驱动通过该孔，以形成枢轴。与固定轴环114不同，滑动轴环116相对于主体102沿纵向是不固定的。

连接相应耳部(即耳部118a至耳部122a、耳部118b至耳部122b、以及耳部118c至耳部122c)的是三对臂部126a、126b、126c。每个臂部绕着在第一臂段130a、130b、130c与第二臂段132a、132b、132c之间的交界处形成的接头128a、128b、128c活动连接。要理解的是，第一臂段130a、130b、130c和第二臂段132a、132b、132c的长度可以相等或者长度可以不同。然而，优选的是，至少所有第一臂段130a、130b、130c的长度相等且所有第二臂段132a、132b、132c的长度也相等，即使与所述第一臂段的长度不同也如此。此外，臂部126a、126b、126c的总长优选地应该是相等的。

接头128a、128b、128c由第一臂段130a、130b、130c与第二臂段132a、132b、132c的相应孔(附图中不可见)形成，第一臂段和第二臂段的相应孔由销134a、134b、134c栓接在一起。轮136a、136b、136c夹在每个接头128a、128b、128c内，这些轮布置成沿着主体102的纵向轴线自由滚动，例如通过围绕相应的销134a、134b、134c旋转。优选地，所述轮是非损坏的并且包括相对容易的滚动轴承。

虽然没有在本文中详细描述，但要理解的是，第二调整构件112以与第一调整构件110大致相同的方式构造。

再次参照图1，示出的主体102带有成对的纵向排列的槽，每个槽与调整构件110、112之一相关。使用第一调整构件110作为示例，示出的是槽138a从固定轴环114与滑动轴环116之间的一点延伸至滑动轴环116外的一点。图1中未示出的是围绕主体102与所示的两个槽呈180°的额外的槽。呈此180°关系的槽在图3中示出为138a、138b。

图3示出了图1的孔测量单元100的局部剖视图。在孔测量单元100的内部，并且与第一调整机构110相关联，示出了成对间隔开的致动器支撑部140a、140b。致动器支撑部140a、140b可以是带有中空中心区142a、142b和多个切口144a、144b、144c、144d的大致圆形体。支撑部140a、140b支撑线性致动器，优选的是磁耦合无杆缸146的形式，其跨越在两个支撑部之间。磁耦合无杆缸146通过中空中心区142a、142b被定位，并且可以在相应支撑部的外部通过机械硬件比如螺栓149a、149b保持到位。致动器支撑部140a、140b的切口144a、144b、144c、144d为导线及空气供给提供行进路径。如将要所述的那样，导线用于电源及电子设备比如电机和传感器发信号，空气供给用于气动元件的操作。

要理解的是，磁耦合无杆缸146包括支架(mount)148，其以常规方式在空气压力或真空的影响下沿所述缸行进。因此，设置在磁耦合无杆缸146上的空气栓150连接至空气软管152，如图3所示。空气软管依次连接至空气供给，空气供给提供范围为约90psi的标准“车间空气”以使调整机构110、112扩张。一旦去除“车间空气”，调整机构110、112就被允许返回至将孔测量单元100置于其最小直径构造中的收缩状态。例如在将孔测量单元100从孔中取出时，这是有利的，如将要所述的那样。适于此应用的磁耦合无杆缸包括由SMC公司所提供的作为NCY3B系列的那些。

成对的致动器附件154a、154b连接至支架148。致动器附件154a、154b连接至支架148，并且每个包括延伸部156a、156b，其尺寸分别做成并构造成牢固装配在槽138a、138b内且在这些槽中行进。当空气通过空气栓150被提供或从磁耦合无杆缸146中去除时，支架148沿着该磁耦合无杆缸且因而沿着主体102滑动，只受到槽138a、138b的限制。此运动促使第一调整机构110的腿126a、126b、126c扩张或收缩，从而改变孔测量单元100的总直径。

适于测量在其内插有孔测量单元100的中空构件的内孔直径的组件位于所述孔测量设备的第一端104，并且形成测量部108。为此，测量部108包括定位在主体102内的电机编码器158。电机编码器158是电动马达，其使轴160旋转同时将该轴的角位置转换成可由计算机处理器读取的模拟或数字代码，比如所将要描述的那样。此外，该轴还可以包括接近传感器(未示出)，以便也读取角度开始/停止位置。轴160包括在主体102之内的部分160a和在该主体之外的部分160b。轴160通过形成主体102端部的滑环162保持到位于，该滑环允许所述轴转动，而传感器的电线不是障碍物。传感器支撑部164在轴160的外部160b连接至轴160，在图3的情况下传感器支撑部是双传感器支撑部。传感器支撑部164将一个或多个传感器166a、166b牢固地保持到位，同时轴160使整个传感器支撑件与传感器组合旋转。重要的是，所述传感器支撑件牢固地保持传感器166，使得在使用过程中，传感器166不会移位，传感器移位可能会产生距离读数的误差。

优选地，传感器166是以激光传感器的方式对表面光洁度不敏感的光电距离传感器，尽管它们还可以构造为其他类型的传感器，比如激光传感器。优选地，传感器166是由Baumer Electronic公司制造的类型，比如OADM12型。

在图3所示的实施例中，传感器166a、166b沿径向彼此相对，使得整个360°内直径读数可从180°的电机扫描中获取。然而，空间考虑因素可能需要利用单个传感器166a。在这种情况下，对于每个内直径读数，传感器166可扫描通过完整的360°旋转。图4A和4B分别示出了单个传感器166a测量部108与双传感器166a、166b测量部的放大视图。当然，还可以利用两个以上的传感器。

图5示出了插在中空构件(M)的孔内的孔测量单元100。如图5所示，完整的孔测量单元100还包括数据收集与处理计算机，或连接至所述单元电子装置(包括电机编码器158和一个或多个传感器166)的计算机处理器(P)。优选地，所述计算机处理器(P)包括表示先前读数与其他信息的显示器。

为了插入孔测量单元100，操作者将要把该单元置于其最小直径构造，调整机构110、112完全收缩或几乎完全收缩。然后可将单元100置于中空构件(M)的孔内。然后空气可被缓慢地引入到每个调整机构110、112的磁耦合无杆缸146中，这可通过共同的头部或独立地完成，取决于物理布置及操作者的需要。例如，复杂的内孔直径可能需要独立的调整。空气使支架148在槽138内移动，从而扩张调整机构110、112。这种扩张促使轮136抵接着中空构件(M)的内直径，同时使孔测量单元100沿着中空构件(M)与孔测量单元100的共同纵向中心线(CL)定心。

杆(R)可用于将孔测量单元100推到中空构件中。优选地，所述杆(R)被标以指数，从而可以以固定的间隔获取内直径读数。可以实现手动插入，在这种情况下，操作者可以使指数与固定位置对齐，比如孔测量单元100的极限第二端106，或者与电子位移机构对齐。可以调整磁耦合无杆缸146中的空气压力，以在孔测量单元100前进入孔中时考虑中空构件(M)的不同直径。通过增加杆(R)的长度，例如通过增加旋拧区段，可测量超过50英尺或以上的孔。

读数的固定间隔可以是约1/4”至若干英寸，通常是约隔一英寸。因此，以隔一英寸(或其他的固定间隔)插入，获取中空构件(M)的内孔直径的最佳拟合圆，并由所述计算机处理器记录。在手动插入操作中，操作者可以输入按键到所述计算机处理器(P)中，以建议应获取新的读数。在这种情况下，可手动输入孔测量单元100在中空构件(M)中的移动量。自动插入孔测量单元100时，则可自动进行该操作。

在每个间隔可获取最少三个孔径读数，三个孔径表示要完成最佳拟合圆所需读数的最小数目。优选地，可以读取更多的直径，例如每度旋转读取一个。当在每个间隔获取更多的直径读数时，更强的计算能力与存储能力是必要的。因此，制造商可决定系统要求与灵敏度之间的适当平衡。优选地，所述系统设置成对于360°直径的每一度获取至少一个读数。可利用接近传感器(未示出)来确保传感器实现旋转的全扫描，也就是对于单个传感器来说是360°或对于双传感器设置来说是180°。

一旦读取整个中空构件的孔径，或任何所期望部分的孔径，即可移除孔测量单元100。这通过手动操作收回杆(R)或反向操作自动插入操作器而实现。同样，空气压力可根据需要定期调整。

虽然本文中已参照特定实施例对本发明进行了描述，但要理解的是，这些实施例仅是说明本发明的原理及应用。因此，要理解的是，在不脱离如由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可对说明性实施例进行许多修改，并且可以设计出其他布置。

Claims (20)

1.一种孔测量单元，包括：

纵长主体，具有第一端和第二端；

第一调整机构，设置在所述第一端附近，所述第一调整机构扩张或收缩至相对直径；

第二调整机构，设置在所述第二端附近，所述第二调整机构扩张或收缩至相对直径；

测量部，与所述主体相关联，所述测量部适于测量中空构件的孔的内直径；

其中，当所述纵长主体插入中空构件的孔中时，所述第一与第二调整机构扩张以将所述纵长主体大致定心于所述孔内，使得所述测量部可以测量所述孔的内直径。

2.根据权利要求1所述的孔测量单元，其中，所述第一调整机构包括绕所述纵长主体固定定位的固定轴环、构造成绕所述纵长主体为滑动关系的滑动轴环以及将所述第一固定轴环连接至所述第一滑动轴环的三个臂，所述臂均铰接成集体地构成三角形以形成相对直径，其中，所述滑动轴环朝向所述固定轴环的滑动会增加所述第一调整机构的相对直径，所述滑动轴环远离所述固定轴环的滑动会减小所述第一调整机构的相对直径。

3.根据权利要求2所述的孔测量单元，其中，所述第一调整机构还包括与每个铰接臂相关联的轮，所述轮以相对直径定位在所述臂的铰链处。

4.根据权利要求2所述的孔测量单元，还包括线性致动器，将所述第一调整机构的所述滑动轴环联接至所述纵长主体，使得所述线性致动器使所述滑动轴环相对于所述纵长主体移动。

5.根据权利要求4所述的孔测量单元，其中，所述线性致动器是气动操作的磁耦合无杆缸。

6.根据权利要求1所述的孔测量单元，其中，所述第一调整机构和所述第二调整机构是可分立地调整的，所述调整机构能够形成两个不同的相对直径，使得所述纵长构件保持定心于具有可变直径的孔中。

7.根据权利要求1所述的孔测量单元，其中，所述测量部包括至少一个光电距离传感器，所述光电距离传感器旋转约360°周期以感测与所述中空构件的内孔直径相关的距离。

8.根据权利要求7所述的孔测量单元，其中，所述光电距离传感器在每个周期期间为了总共至少四个距离读数而获取至少四个读数。

9.根据权利要求8所述的孔测量单元，还包括带有显示器的数据收集与处理计算机，其中，所述至少四个距离读数被收集并拟合成最佳拟合圆，所述最佳拟合圆的尺寸显示在所述显示器上。

10.根据权利要求8所述的孔测量单元，其中，所述测量部包括两个光电距离传感器，所述光电距离传感器分别旋转至少180°周期，每个光电距离传感器在每个周期中获取至少两个距离读数。

11.根据权利要求1所述的孔测量单元，其中，所述测量部测量中空构件的孔径至约1/1000”的公差范围内。

12.一种测量中空轴的内孔直径的方法，所述方法包括：

将包括第一调整机构、第二调整机构以及测量部的纵长测量装置插入到内孔中，所述调整构件可以调整至相对直径；

调整所述第一调整机构与第二调整机构的相对直径，使得所述调整机构分别以它们的相对直径抵接着内孔，以便将所述纵长测量装置大致定心于孔内；

启动所述测量部，以在邻近测量部的区域中获取所述内孔的多个测量读数。

13.根据权利要求12所述的测量方法，还包括：

使所述纵长测量装置沿着内孔长度移动；

启动所述测量部，以在邻近测量部的区域中获取所述内孔的第二多个测量读数。

14.根据权利要求13所述的测量方法，其中，所述移动步骤包括调整所述调整机构中至少一个的相对直径。

15.根据权利要求12所述的测量方法，其中，所述插入步骤是通过采用有刻度的测杆在孔中推动所述纵长测量装置而实现的。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括：

确认所述测量部穿入内孔中的深度；

使所述纵长测量装置沿着内孔的长度移动预定距离；

启动所述测量部，以在邻近测量部的区域中获取所述内孔的第二多个测量读数。

17.根据权利要求12所述的方法，其中，所述启动测量部的步骤在邻近测量部的区域中获取所述内孔的至少三个读数。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述读数被传送到数据收集与处理计算机，并存储在数据收集与处理计算机中。

19.根据权利要求12所述的方法，其中，所述测量部包括两个传感器，每个传感器适于获取测量读数。

20.一种用于测量具有带有纵向轴线的孔的中空构件的内直径的孔测量单元，所述孔测量单元包括：

纵长主体，具有纵向轴线；

与所述主体相关联的两个调整机构，所述调整机构各自呈三角形，以在所述纵长主体插入孔中时沿着孔的纵向轴线扩张和定位所述纵长主体的纵向轴线；

旋转传感器，所述旋转传感器获取中空构件的内直径的多个读数。

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