CN103697837A - 一种单侧膨胀定心的垂直度激光检测系统及其检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单侧膨胀定心的垂直度激光检测系统，待测件的前端面加工有深孔或盲孔；包括：激光发射器、垂直支座、径向膨胀套筒和激光位置检测装置；激光发射器安装于垂直支座内并从待测件的前端面向深孔或盲孔发出垂直于待测件的前端面的准直激光，在待测件的前端面，准直激光与深孔或盲孔同心；径向膨胀套筒，通过密封环与垂直支座、激光位置检测装置相连；径向膨胀套筒紧贴深孔或盲孔的内壁并与之同轴；激光位置检测装置包括激光接收器，激光接收器的物理中心在径向膨胀套筒的轴线上。本发明还涉及一种单侧膨胀定心的垂直度激光检测方法。本发明具有精准、便捷测量、有效保证待测件的质量的优点，属于测量技术领域。

Description

一种单侧膨胀定心的垂直度激光检测系统及其检测方法
技术领域
本发明涉及一种激光测量技术，具体的说，涉及一种利用激光和膨胀定心原理对深孔或盲孔相对于基准面的垂直度进行测量的检测系统及其检测方法。
背景技术
核电蒸汽发生器的管板是核电蒸发器的关键零件，核电设备的安全性给该零件的加工精度提出了更高的要求，如管板的垂直度偏差将直接影响之后支撑板的安装，以及在两万多个矩形排列的管孔内能否准确地穿过长达十几米的U型管束，因此急需快速精准的深孔测量方式。
核电蒸汽发生器的管板大而厚，材料特殊，表面上布置有许多深孔，深孔的精度要求极高，检测难度相当大，是核电设备制造的关键，以60万机组蒸汽发生器为例，9280个直径为Φ19.28mm的深孔，均匀地布置在Φ3477mm，厚度达到585.00mm的高强度低碳合金钢锻件上。
传统的深孔垂直度测量方法是利用芯棒模拟中心轴线，将芯棒插入被测深孔中，以某一侧的端面为基准面，测量中心轴线与端面的角度偏差。但是，若被测深孔的尺寸较小或孔深很大时，测量误差大且芯棒制造困难。此外现有技术中也有利用三坐标进行测量的方法，但是由于设备昂贵且受到场地以及工件大小的限制对于管板零件不适用。
综上所述，现有技术中对深孔的垂直度测量有以下限制和缺陷：1，人为读取记录测量数据，误差较大，测量精度以及测量效率均较低；2，现有技术采用芯棒模拟法，被测深孔的测量长度受到芯棒长度的限制，无法实现方便快捷的测量，且由于芯棒与被测深孔之间为间隙配合，所带来的误差较大。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种能够精准、便捷地测量深孔及盲孔相对于基准面的垂直度的一种单侧膨胀定心的垂直度激光检测系统及其检测方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种单侧膨胀定心的垂直度激光检测系统，待测件的前端面加工有深孔或盲孔；单侧膨胀定心的垂直度激光检测系统包括：激光发射器、垂直支座、径向膨胀套筒和激光位置检测装置；激光发射器安装于垂直支座内并从待测件的前端面向深孔或盲孔发出垂直于待测件的前端面的准直激光，在待测件的前端面，准直激光与深孔或盲孔同心；从待测件的前端面插入深孔或盲孔的径向膨胀套筒，一端通过密封环与垂直支座相连，另一端通过密封环与激光位置检测装置相连；径向膨胀套筒充气后紧贴深孔或盲孔的内壁并与深孔或盲孔同轴；激光位置检测装置包括接收准直激光的、垂直于径向膨胀套筒轴线设置的激光接收器，激光接收器的物理中心在径向膨胀套筒的轴线上。
作为一种优选，激光发射器的前端设有圆台状的发射头，后端设有卡扣板；发射头的前端尺寸小于等于深孔或盲孔孔径的三分之一；激光发射器通过卡扣板与垂直支座卡扣连接。
作为一种优选，垂直支座包括支座座身、支座基准板和孔径定心前端头；支座座身内设置激光发射器的安装腔，支座基准板固定在支座座身的前端，孔径定心前端头固定在安装腔的前端并凸出于支座基准板的前方；检测时，孔径定心前端头插入深孔或盲孔，支座基准板的前端面与待测件的前端面平行。
作为一种优选，垂直支座包括限位板、限位弹簧和弹簧后盖；限位板固定在安装腔内，激光发射器卡扣在限位板上实现周向定位，旋紧于支座座身后端的弹簧后盖通过限位弹簧将激光发射器向前顶紧在限位板上实现轴向定位。
作为一种优选，支座基准板的前端面设有多个环绕孔径定心前端头的钢球；检测时，钢球紧贴待测件的前端面。
作为一种优选，垂直支座设有供单侧膨胀定心的垂直度激光检测系统的电线接出的电气外联接口和供径向膨胀套筒充放气的气压外联接口，电气外联接口与计算机相接，气压外联接口与压缩空气机相接。
作为一种优选，激光位置检测装置包括安装外壳，激光接收器位于安装外壳内；安装外壳通过密封环与径向膨胀套筒相接。
作为一种优选，径向膨胀套筒的壁厚小于0.2mm，未充气时的直径比深孔或盲孔的孔径小1-2mm。
作为一种优选，检测时，所述激光接收器在深孔或盲孔中与待测件的前端面的距离为大于等于深孔或盲孔深度的四分之三。
一种单侧膨胀定心的垂直度激光检测方法，一种单侧膨胀定心的垂直度激光检测系统，包括如下步骤：a.将激光位置检测装置通过密封环与径向膨胀套筒相接，并置入深孔或盲孔的孔深大于等于四分之三处；b.将激光发射器安装在垂直支座中；c.垂直支座通过密封环与径向膨胀套筒相接；d.垂直支座置于待测件的前端面，调整准直激光，使准直激光垂直于待测件的前端面射入深孔或盲孔，且在待测件的前端面，准直激光与深孔或盲孔同心；e.给径向膨胀套筒充气至其完全贴合深孔或盲孔的内壁，径向膨胀套筒与深孔或盲孔同轴，激光接收器的物理中心在径向膨胀套筒的轴线上；f.将激光接收器的物理中心以及激光接收器的准直激光照射点的位置反馈至计算机，由计算机模拟出深孔或盲孔的实际轴线，再计算出深孔或盲孔相对于待测件的前端面的垂直度。
本发明的原理是：孔径定心前端头插入深孔或盲孔后，钢球紧贴待测件的前端面，确保从近似一点发出的准直激光与待测件的前端面垂直，且在待测件的前端面上，准直激光与深孔或盲孔同心；径向膨胀套筒充气后，其轴线即为深孔或盲孔的轴线，通过在轴线上的激光接收器的物理中心的位置，计算机即可模拟出深孔或盲孔的实际轴线；通过激光接收器的准直激光照射点的位置，计算机即可模拟出理论轴线；比较理论轴线和实际轴线，计算机即可计算出深孔或盲孔相对于待测件的前端面的垂直度。
总的说来，本发明具有如下优点：
1.通过使用径向膨胀套筒实现与深孔或盲孔内壁的紧密贴合，可高效精准的还原深孔或盲孔的实际轴线，从而实现高精度的测量深孔或盲孔相对于基准面的垂直度，确保待测件的质量。
2.采用激光检测，为无损检测，并通过计算机处理和显示数据，有效的减少人为误差。
3.本发明为单侧测量，对于盲孔或者大型零件的深孔测量更为便捷。
附图说明
图1为一种单侧膨胀定心的垂直度激光检测系统的结构示意图。
图2为垂直支座的结构示意图。
图3为激光发射器的结构示意图。
其中，1为垂直支座，2为激光发射器，3为激光位置检测装置，4为密封环，5为径向膨胀套筒，6为深孔，7为密封环，8为待测件（实施例中为蒸汽发生器的管板），9为基准面（待测件的前端面），11为气压外联接口，12为支座座身，13为弹簧后盖，14为限位弹簧，15为限位板，16为电气外联接口，17为支座基准板，18为钢球，19为孔径定心前端头，21为发射头，22为卡扣板。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，一种单侧膨胀定心的垂直度激光检测系统包括：垂直支座、激光发射器、激光位置检测装置和径向膨胀套筒。
激光发射器设置在垂直支座的内部且通过垂直支座完成该激光发射器的定心；垂直支座的前端的孔径定心前端头插入蒸汽发生器的管板上的深孔的一端内，使垂直支座与蒸汽发生器的管板上的基准面相接触；径向膨胀套筒设置在深孔的内部，一端通过密封环与垂直支座相连接，另一端通过密封环与激光位置检测装置相连接；激光位置检测装置通过密封环与径向膨胀套筒相接，并由径向膨胀套筒从深孔的一端送入深孔内，包括激光接收器和电源。
激光发射器用于发射从一点（激光束的直径较小，近似一个点）发出的准直激光，该准直激光的轴线与垂直支座的孔径定心前端头的外圆同轴。如图3所示，激光发射器的前端的发射头为圆台状，发射头的前端尺寸为深孔的三分之一；该激光发射器的后端设置有两侧向外突出的卡扣板。
如图2所示，垂直支座的轴截面呈T字形，包含支座座身、支座基准板以及孔径定心前端头。其中，支座座身内设置容纳激光发射器的安装腔，安装腔贯穿整个垂直支座。支座座身的安装腔内靠近支座座身的后端设置有限位板、限位弹簧以及用于固定限位弹簧一端的弹簧后盖。如图1所示，激光发射器设置在垂直支座的安装腔内，卡扣板与限位板相互卡扣以实现激光发射器的周向定位，旋紧弹簧后盖，将限位弹簧顶住激光发射器的卡扣板，使激光发射器向前顶紧限位板，实现激光发射器的轴向定位。
此外，支座基准板的前端面上镶嵌有若干环绕孔径定心前端头的钢球，如图1，当垂直支座的孔径定心前端头插入蒸汽蒸发器的管板上某深孔的一端时，多个钢球同时与基准面紧贴接触，从而确保激光发射器射出的准直激光的轴线垂直于支座基准板上若干钢球组成的平面，即垂直于基准面。
进一步，垂直支座包含两个外联接口，气压外联接口连接压缩空气机，电气外联接口连接计算机，两个外联接口包含气压封闭环可实现密封。
激光位置检测装置包括安装外壳和激光接收器。激光接收器及电源设置在安装外壳内，而该激光接收器的显示端通过垂直支座的电气外联接口与计算机相连接。在安装外壳的外部通过密封环与径向膨胀套筒相连接，激光接收器的物理中心与此位置的径向膨胀套筒的外圆圆心同心。
径向膨胀套筒通过充入压缩空气可使之向径向膨胀，实现径向膨胀套筒与深孔的内壁完全贴合。该径向膨胀套筒在轴向长度不变。径向膨胀套筒的壁厚小于0.2mm，充气前，直径小于深孔孔径的1-2mm，因此使径向膨胀套筒膨胀至贴合深孔的内壁所需压力较小，是两端密封环及其他装置可承受的压力。径向膨胀套筒与激光位置检测装置和垂直支座的孔径定心前端头均通过密封环连接。密封环主要包括法兰装置及密封圈等，不仅能实现密封还具有压紧功能。
激光接收器接收由激光发射器发射出的准直激光，其将入射准直激光与该激光接收器的物理中心的位置反馈到计算机，计算机模拟出该深孔的实际轴线，并依据激光接收器的准直激光照射点的位置得出理论轴线，从而获得深孔相对于基准面的垂直度。本实施例中，激光接收器采用二维2-D PSD探测器，分辨率为1um。
一种利用上述检测系统实现的一种单侧膨胀定心的垂直度激光检测方法，具体包括以下步骤：
步骤a，将激光位置检测装置通过密封环与径向膨胀套筒相连接，并将其深入深孔大于等于孔深的四分之三位置处；
步骤b，将激光发射器安装至垂直支座内，旋紧弹簧后盖以固定该激光发射器；
步骤c，将激光位置检测装置的电线与垂直支座的电气外联接口相连接，并且将垂直支座通过密封环与径向膨胀套筒相连接；
步骤d，将垂直支座的孔径定向前端头插入深孔内，使得垂直支座的支座基准板上的若干钢球均与基准面紧密接触；
步骤e，通入压缩空气，使径向膨胀套筒与深孔的内壁完全紧密贴合，打开激光发射器发射准直激光，该准直激光的轴线与垂直支座的孔径定心前端头的外圆同轴，该准直激光垂直于基准面入射，穿过深孔由激光位置检测装置的激光接收器接收；
步骤f，将该激光接收器的准直激光照射点的位置以及该激光接收器的物理中心反馈到计算机中，计算机模拟出被测深孔的实际轴线和理论轴线，从而测量的得到深孔相对于基准面的垂直度。
本发明仅仅介绍了对于位于核电蒸汽发生器的管板上的深孔的测量，但是本发明不仅适用于各种深孔的测量，更适用于各类盲孔的测量。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单侧膨胀定心的垂直度激光检测系统，待测件的前端面加工有深孔或盲孔，其特征在于：单侧膨胀定心的垂直度激光检测系统包括：激光发射器、垂直支座、径向膨胀套筒和激光位置检测装置；激光发射器安装于垂直支座内并从待测件的前端面向深孔或盲孔发出垂直于待测件的前端面的准直激光，在待测件的前端面，准直激光与深孔或盲孔同心；从待测件的前端面插入深孔或盲孔的径向膨胀套筒，一端通过密封环与垂直支座相连，另一端通过密封环与激光位置检测装置相连；径向膨胀套筒充气后紧贴深孔或盲孔的内壁并与深孔或盲孔同轴；激光位置检测装置包括接收准直激光的、垂直于径向膨胀套筒轴线设置的激光接收器，激光接收器的物理中心在径向膨胀套筒的轴线上。
2.按照权利要求1所述的一种单侧膨胀定心的垂直度激光检测系统，其特征在于：所述激光发射器的前端设有圆台状的发射头，后端设有卡扣板；发射头的前端尺寸小于等于深孔或盲孔孔径的三分之一；激光发射器通过卡扣板与垂直支座卡扣连接。
3.按照权利要求1所述的一种单侧膨胀定心的垂直度激光检测系统，其特征在于：所述垂直支座包括支座座身、支座基准板和孔径定心前端头；支座座身内设置激光发射器的安装腔，支座基准板固定在支座座身的前端，孔径定心前端头固定在安装腔的前端并凸出于支座基准板的前方；检测时，孔径定心前端头插入深孔或盲孔，支座基准板的前端面与待测件的前端面平行。
4.按照权利要求3所述的一种单侧膨胀定心的垂直度激光检测系统，其特征在于：所述垂直支座包括限位板、限位弹簧和弹簧后盖；限位板固定在安装腔内，激光发射器卡扣在限位板上实现周向定位，旋紧于支座座身后端的弹簧后盖通过限位弹簧将激光发射器向前顶紧在限位板上实现轴向定位。
5.按照权利要求3所述的一种单侧膨胀定心的垂直度激光检测系统，其特征在于：所述支座基准板的前端面设有多个环绕孔径定心前端头的钢球；检测时，钢球紧贴待测件的前端面。
6.按照权利要求3所述的一种单侧膨胀定心的垂直度激光检测系统，其特征在于：所述垂直支座设有供单侧膨胀定心的垂直度激光检测系统的电线接出的电气外联接口和供径向膨胀套筒充放气的气压外联接口，电气外联接口与计算机相接，气压外联接口与压缩空气机相接。
7.按照权利要求1所述的一种单侧膨胀定心的垂直度激光检测系统，其特征在于：所述激光位置检测装置包括安装外壳，激光接收器位于安装外壳内；安装外壳通过密封环与径向膨胀套筒相接。
8.按照权利要求1所述的一种单侧膨胀定心的垂直度激光检测系统，其特征在于：所述径向膨胀套筒的壁厚小于0.2mm，未充气时的直径比深孔或盲孔的孔径小1-2mm。
9.按照权利要求1所述的一种单侧膨胀定心的垂直度激光检测系统，其特征在于：检测时，所述激光接收器在深孔或盲孔中与待测件的前端面的距离为大于等于深孔或盲孔深度的四分之三。
10.一种单侧膨胀定心的垂直度激光检测方法，其特征在于：使用权利要求1至9中任一项所述的一种单侧膨胀定心的垂直度激光检测系统，包括如下步骤：
a.将激光位置检测装置通过密封环与径向膨胀套筒相接，并置入深孔或盲孔的孔深大于等于四分之三处；
b.将激光发射器安装在垂直支座中；
c.垂直支座通过密封环与径向膨胀套筒相接；
d.垂直支座置于待测件的前端面，调整准直激光，使准直激光垂直于待测件的前端面射入深孔或盲孔，且在待测件的前端面，准直激光与深孔或盲孔同心；
e.给径向膨胀套筒充气至其完全贴合深孔或盲孔的内壁，径向膨胀套筒与深孔或盲孔同轴，激光接收器的物理中心在径向膨胀套筒的轴线上；
f.将激光接收器的物理中心以及激光接收器的准直激光照射点的位置反馈至计算机，由计算机模拟出深孔或盲孔的实际轴线，再计算出深孔或盲孔相对于待测件的前端面的垂直度。
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