CN103822588B - 基于非接触式仿形法舱体截面周长测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于非接触式仿形法进行舱体截面周长测量装置以及测量方法，属于制造及精密测量技术领域。其包括待测件系统、基准坐标电机系统、随动摇杆系统、数据采集分析处理系统；随动摇杆系统包括位移传感器、摇杆臂、滚珠丝杠、滑块、随动伺服电机、配重；数据采集分析处理系统包括信号变送器、模数转换器、运动控制器、数模转换器。电机带动摇杆臂系统进行转动一周，位移传感器采用非接触式的方法记录下每一个待测点的坐标位置，并仿形出待测件的形状，对其进行周长计算。本发明可以实现更高的测量精度，并且不会对待测件产生任何划痕。

Description

基于非接触式仿形法舱体截面周长测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及大型凸面结构的周长测量，采用非接触式仿形法，可以对工件进行高精度的周长测量，并且不会对工件造成损伤，特别适用于大型舱段等结构的周长测量，属于制造及精密测量技术领域。

背景技术

随着工业的发展，小型舱体类结构已经不能满足当今的生产要求。在实际工程应用中，由于其结构的复杂性、不确定性以及制造误差的存在，要求较精确地测量舱体等大型凸面结构的实际周长是比较困难的；对于一些比较精密的部件，在进行测量时，需要避免在其上产生划痕，这些要求对于传统的接触式测量方案是难以实现的。

目前，工程应用中没有针对这类问题的解决方案。传统的测量圆周长的方法采用绳子捆绕法，即将一个相对无弹性的刚性绳子绕被测圆周长一周，使其紧紧贴在被测圆周表面，将绳子的长度近似看做圆周长，由于绳子本身存在弹性，并且操作过程中很难保证绳子所围成的圆周与待测圆周长的圆心处在同一平面上，这些问题的存在导致测量结果精度只能达到毫米级，不能满足对高精度工件的测量要求；另一种比较常用的方法是接触式测量法，此方法基于齿轮啮合的方法，并且忽略测量小轮与待测工件之间的相对滑动，即将测量小轮在待测表面滚动，测量小轮半径已知，通过计算小轮所转过的圈数，即可得到待测工件的周长，此测量方法由于采用接触式方法，会在待测工件表面产生划痕，不能用于高精密件的测量，测量小轮与工件之间不可能做到无相对滑动，所以会产生测量误差。

因此，找到一种能够精确地、无划痕的测量凸面结构周长的装置是非常有意义的。

发明内容

本装置采用非接触式位移传感器测量大直径舱段的截面周长，待测量的截面可以是舱段内的任意截面，也可以是两舱段配合部分法兰的圆面。由于采用非接触式传感器，整个测量过程当中，对被测工件没有任何接触式的划伤；并将测量结果放在已知坐标系中进行定量处理，精度比传统测量方法高一个数量级，其具有良好的工程实用性。

本装置技术内容如下：

基于非接触式仿形法舱体截面周长测量装置，其特征在于：其包括运行装置和数据采集分析处理装置；所述的运行装置由待测件系统、基准坐标电机系统、随动摇杆系统组成；

待测件系统中的待测件机架起到稳固放置待测件的作用，待测件机架上部采用能够与待测件配合的半圆形结构；

基准坐标电机系统为随动摇杆系统提供动力支持，并且提供位置基准；基准电机带动随动摇杆系统绕待测件周向转动，同时给随动摇杆系统提供已知的测量坐标系；机座起到稳固基准电机的作用，在机座的中部位置设有加强肋板，机座与待测件机架的位置通过激光跟踪仪进行标定，使二者基准坐标相一致，以保证测量系统坐标的精度；

所述的随动摇杆系统主要包括位移传感器、摇杆臂、滚珠丝杠、滑块、随动伺服电机、配重；

所述的随动摇杆系统中的位移传感器是此测量装置的直接检测元件，其安装在摇杆臂的顶部，直接检测待测件的位置，并且设定位移传感器与待测件保持恒定的距离，通过随动摇杆系统中摇杆臂的转动，实现对待测件圆周上每一点的坐标采集；

所述随动摇杆系统的摇杆臂是随动摇杆系统的支撑骨架，其呈“Z”形，与基准电机的输出轴直接相连，基准电机带动摇杆臂转动，位移传感器、滚珠丝杠、随动伺服电机、配重均置于摇杆臂上；在“Z”形的两端分别布置有位移传感器和配重，在“Z”形中间布置有竖向的滚珠丝杠和随动伺服电机，随动伺服电机驱动滚珠丝杠，使得滑块沿着滚珠丝杠在竖直方向移动，位移传感器安装在滑块上；

所述随动摇杆系统的滚珠丝杠是实现位移传感器的随动功能元件，位移传感器与待测件之间保持恒定的距离，位移传感器安装方向与摇杆臂的法向速度方向相同；

所述的随动伺服电机是保证位移传感器与待测件保持恒定距离的动力元件；其安装在滚珠丝杠的顶端，与滚珠丝杠的方向保持一致；

数据采集分析处理系统包括信号变送器、模数转换器、运动控制器、数模转换器；

其中，位移传感器与待测件之间的距离固定，将位移传感器检测到的信号传送至信号变送器，经过放大、去噪处理，将此模拟信号传送至模数转换器，将信号的模拟量转换为数字量，传送到运动控制器，运动控制器根据预先设定值进行比对，发出的运动信号传送至数模转换器，将数字信号转换成模拟信号，传送至随动伺服电机，随动伺服电机根据接到的信号做出动作驱动滑块运动，采集到待测圆周上一个点的位置坐标，摇杆臂绕待测件的轴向转动，位移传感器移动到待测件上的另外一点，同样的方式，采集到待测圆周上每一点的位置坐标，将采集的点的坐标进行拟合周长、补偿偏置，可计算出被测件周长。

所述的基于非接触式仿形法舱体截面周长测量装置，其特征在于：基准电机置于机座之上，通过螺栓与机座固定，此处选用具有低转速、大转矩性能的电机。

所述的基于非接触式仿形法舱体截面周长测量装置，其特征在于：配重置于摇杆臂上与位移传感器相对的一侧，配重重量大于位移传感器与随动伺服电机的重量之和，配重产生的转动惯量能抵消摇杆臂系统产生的偏心转动惯量。

所述的基于非接触式仿形法舱体截面周长测量装置进行非接触式仿形法舱体截面周长测量方法，其特征在于：其包括以下步骤：

step1.测量时，首先将待测件稳固在待测件机架上，并对其整体进行与地面的固定；发送指令，将滑块运行到远离配重一端，将整个测量装置移近待测件，使位移传感器正好处于待测件的待测截面圆周上；对基准坐标电机系统进行稳固，使之与待测件不会产生相对移动；打开控制系统，分别对基准电机以及随动伺服电机发出指令，同时，等待随动伺服电机动作，保证位移传感器与待测件保持距离；

step2.实际间距经位移传感器的感测被转换成与间距值成一比例关系的电量，然后被传送至信号变送器；

step3.信号变送器将接收到的信号转换成与其成一比列关系的模拟信号，然后将模拟信号传送至模数转换器；模数转换器将接收到的模拟信号转换成一数字信号，然后将其传送至运动控制器；

step4.根据位移传感器和待测件的相关技术参数，运动控制器将接收到的数字信号还原成实际的极板间距值或是极板间距变化量，并依照位置控制方案或是误差控制方案将其与标定极板间距之间进行比较，然后再将两者之间的差值或是一待校正量传送至数模转换器；

step5.数模转换器将接收到的数字信号转换成一模拟信号，并将其传送至随动伺服电机；

step6.随动伺服电机依据接收到的模拟信号运转，以使位移传感器达到与待测件的距离保持恒定；

step7.如此便记录下了一个点的位置坐标，同样，随着基准电机的转动，位移传感器会移动到待测截面的每一点，能够得到圆周上每一点的位置坐标，摇杆臂提供基准坐标系下建立的基准圆，此圆是摇杆臂顶端的一点随着基准电机的转动所描述的图形，然后采用软件计算出被测量对象的周长即可。

鉴于本发明的上述结构，本发明具有如下优点：

一、本装置结构简单，测量方法简便易行，整台装置成本较低，其具有很好的经济型。

二、本装置中选择的传感器和相关元器件都是市面上很成熟的产品，测量方案直接有效，工程实现性较好，其具有很好的工程实用性。

三、在精确获得被测量件的坐标的前提下，可根据测量任务的需求选择不同精度的位移传感器，测量精度可达到0.01mm～0.1mm，其具有较高的测量精度。

四、对于任何凸几何型面，本方案都可以测量其截面的周长，而且没有接触式测量方法带来的对工件的损伤，其具有很好的通用性。

五、对于不同的检测对象，比如精度要求增加或者被测量对象是非金属的，只需要将随动系统中的传感器进行置换即可，比如换成高精度的光学位移传感器等，其具有良好的互换性。

因此，本发明非接触式仿形法舱体截面周长测量装置解决了当前在大型工件测量中存在的问题，应用本装置能够更加精确地测量凸面工件的周长，并且不会对工件产生划痕。

附图说明

图1为测量装置总体结构图；

图2为基准坐标电机系统图；

图3为随动摇杆系统主视图；

图4为随动摇杆系统左视图；

图5为理想待测件截面圆示意图；

图6为实际待测件截面圆示意图；

图7为数据采集分析处理系统框图。

图中：1、机座，2、基准电机，3、摇杆臂，4、滚珠丝杠，5、随动伺服电机，6、滑块，7、位移传感器，8、待测件，9、待测件机架，10、配重。

具体实施方式

下面结合附图1～图7对本发明具体实施例做进一步说明：

图1为测量装置的装配总体图，该装置分为三个部分，分别为基准坐标电机系统，随动摇杆系统，待测件系统。

如图2所示，基准坐标电机系统由基准电机2及机座1组成。基准电机2置于机座1的顶部，并且要求与机座1进行刚性连接，保证基准电机2的转轴方向与机座1的上平面平行，保证在工作过程中，能与摇杆臂3进行良好接口，提供更加精确的位置信息。机座1在安放时保证其四角与地面良好可靠接触，使机座1与基准电机2的结合面处于一个水平位置。由于与基准坐标电机系统连接的摇杆臂3系统具有偏心惯量，在工作过程中很可能产生摇摆或者振动，所以机座1与地面要进行螺栓等可靠性连接，为测量系统提供准确的数据。

图3和图4分别为随动摇杆系统的主视图和左视图。随动摇杆系统为本测量系统的核心部件，其由摇杆臂3、滚珠丝杠4、随动伺服电机5、滑块6、位移传感器7以及配重10组成。摇杆臂3呈“Z”型，是随动摇杆系统的骨架部分，其余各部件均分布于其上。如图3所示，摇杆臂3的最下端的右侧与基准电机2相连接，是随动摇杆系统进行转动的动力来源；在摇杆臂3的竖直杆下端，安装有配重10，此配重10的作用为平衡摇杆臂3在运动过程中产生的偏心惯量，配重10的重量以及安装位置要求应与摇杆臂3、滑块6、滚珠丝杠4、随动伺服电机5、位移传感器7总体产生的偏心惯量相抵消，保证摇杆臂3在工作过程中能够平稳进行；在摇杆臂3的竖直部分安装有滚珠丝杠4，安装过程中应该严格保证滚珠丝杠的轴向方向与摇杆臂3的平面平行，保证安装精度，在使用过程中，应对滚珠丝杠4进行润滑处理，减小与滑块6的摩擦，使之能精确地将随动伺服电机5的转角位移转化为滑块6的移动位移；滑块6与滚珠丝杠4螺纹啮合，在滑块6的最右侧与滚珠丝杠4配合，滑块6向左延伸，在滑块6的最右端安装位移传感器7，位移传感器7与滚珠丝杠轴线方向一致，并且指向配重10一侧。

如图1所示，将待测件8置于待测件机架9上，使待测件8能够很好的稳固在待测件机架9上，待测件机架9采用四脚结构，使其具有良好的稳定性，保证在工作过程中，待测件8能够相对测量系统不发生移动，并且为测量系统提供基准。被测量的工件可以是任何形式的凸面结构，支撑待测件8的机架只要保证能够与待测件8稳定接触即可，本装置所述测量方案并不仅仅局限于待测件8这种圆形结构。

测量时，首先将待测件8稳固在待测件机架9上，并对其整体进行与地面的固定；发送指令，将本测量装置的滑块6运行到远离配重10一端，将整个测量装置慢慢移近待测件8，使位移传感器7的探测头正好处于待测件8所处的待测截面圆周上；对基准坐标电机系统进行稳固，使之与待测件8不会产生相对移动；打开控制系统，分别对基准电机2以及随动伺服电机5发出指令，基准电机2以恒定的慢转速匀速转动，带动摇杆系统转动，同时，对控制系统给出设定，保证位移传感器7与待测件8保持一定的距离。

如此过程便记录下了一个点的位置坐标，同样，随着基准电机2的转动，位移传感器7会移动到待测截面的每一点，记录位移传感器7的运动轨迹，采用此方法，能够得到圆周上每一点的位置坐标。如图5所示，D1即为摇杆臂提供的基准坐标系下建立的圆形图像，此圆是摇杆臂3顶端的一点随着基准电机2的转动所描述的图形，整个计算过程均以此坐标系为基准；图5中的B点代表摇杆臂3上的基准点，A点代表位移传感器7的位置，易知BA方向始终指向基准圆圆心；图5所示圆D2与D3的径向距离即为已经设定好的位移传感器7与待测件8之间的恒定距离，由于测量装置不要求摇杆臂3所产生的圆D1圆心与待测件8理想圆心同心，所以此处会有一个偏心距e，但是由于系统采集的是每个点的坐标，故偏心距e不会对测量结果产生影响，图中D3圆是理想的待测件8的截面圆，实际中，待测件8的截面圆存在圆跳动，如图6所示，电机2转动一周，系统得到的是近似圆，通过拟合得到圆D2，再减去位移传感器7与待测件8之间的距离，即可得到待测件8的截面圆D3，其上的每一点的坐标均已知，然后采用软件计算出被测量对象的周长即可。

以上所述仅为本发明的一个实例，我们可以对待测件机架9进行适当的变换，使之能适应其他凸面形状的结构，比如不规则正方形截面、椭圆形截面、菱形截面等等，其坐标建立与数据处理与本例相似。只要其测量装置机械结构设计以及整体测量原理同本发明所叙述一致，均应视为本发明所包括的范围。

Claims (4)

1.基于非接触式仿形法舱体截面周长测量装置，其特征在于：其包括运行装置和数据采集分析处理装置；所述的运行装置由待测件系统、基准坐标电机系统、随动摇杆系统组成；

待测件系统中的待测件机架(9)起到稳固放置待测件(8)的作用，待测件机架(9)上部采用能够与待测件(8)配合的半圆形结构；

基准坐标电机系统为随动摇杆系统提供动力支持，并且提供位置基准；基准电机(2)带动随动摇杆系统绕待测件周向转动，同时给随动摇杆系统提供已知的测量坐标系；机座(1)起到稳固基准电机(2)的作用，在机座(1)的中部位置设有加强肋板，机座(1)与待测件机架(9)的位置通过激光跟踪仪进行标定，使二者基准坐标相一致，以保证测量系统坐标的精度；

所述的随动摇杆系统主要包括位移传感器(7)、摇杆臂(3)、滚珠丝杠(4)、滑块(6)、随动伺服电机(5)、配重(10)；

所述的随动摇杆系统中的位移传感器(7)是此测量装置的直接检测元件，其安装在摇杆臂(3)的顶部，直接检测待测件(8)的位置，并且设定位移传感器(7)与待测件(8)保持恒定的距离，通过随动摇杆系统中摇杆臂(3)的转动，实现对待测件(8)圆周上每一点的坐标采集；

所述随动摇杆系统的摇杆臂(3)是随动摇杆系统的支撑骨架，其呈“Z”形，与基准电机(2)的输出轴直接相连，基准电机(2)带动摇杆臂(3)转动，位移传感器(7)、滚珠丝杠(4)、随动伺服电机(5)、配重(10)均置于摇杆臂(3)上；在“Z”形的两端分别布置有位移传感器(7)和配重(10)，在“Z”形中间布置有竖向的滚珠丝杠(4)和随动伺服电机(5)；随动伺服电机(5)驱动滚珠丝杠(4)，使得滑块沿着滚珠丝杠在竖直方向移动，位移传感器(7)安装在滑块(6)上；

所述随动摇杆系统的滚珠丝杠(4)是实现位移传感器(7)的随动功能元件，位移传感器(7)与待测件(8)之间保持恒定的距离，位移传感器(7)安装方向与摇杆臂(3)的法向速度方向相同；

所述的随动伺服电机(5)是保证位移传感器(7)与待测件(8)保持恒定距离的动力元件；其安装在滚珠丝杠(4)的顶端，与滚珠丝杠(4)的方向保持一致；

数据采集分析处理装置包括信号变送器(A2)、模数转换器(A3)、运动控制器(A4)、数模转换器(A5)；

其中，位移传感器(7)与待测件(8)之间的距离固定，将位移传感器(7)检测到的信号传送至信号变送器(A2)，经过放大、去噪处理，将此模拟信号传送至模数转换器(A3)，将信号的模拟量转换为数字量，传送到运动控制器(A4)，运动控制器(A4)根据预先设定值进行比对，发出的运动信号传送至数模转换器(A5)，将数字信号转换成模拟信号，传送至随动伺服电机(5)，随动伺服电机(5)根据接到的信号做出动作驱动滑块(6)运动，采集到待测圆周上一个点的位置坐标，摇杆臂(3)绕待测件(8)的轴向转动，位移传感器(7)移动到待测件上的另外一点，同样的方式，采集到待测圆周上每一点的位置坐标，将采集的点的坐标进行拟合周长、补偿偏置，可计算出被测件周长。

2.如权利要求1所述的基于非接触式仿形法舱体截面周长测量装置，其特征在于：基准电机(2)置于机座(1)之上，通过螺栓与机座(1)固定，此处选用具有低转速、大转矩性能的电机。

3.如权利要求1所述的基于非接触式仿形法舱体截面周长测量装置，其特征在于：配重(10)置于摇杆臂(3)上与位移传感器(7)相对的一侧，配重重量大于位移传感器(7)与随动伺服电机(5)的重量之和，配重产生的转动惯量能抵消摇杆臂系统产生的偏心转动惯量。

4.利用权利要求1所述的基于非接触式仿形法舱体截面周长测量装置进行非接触式仿形法舱体截面周长测量方法，其特征在于：其包括以下步骤：

step1.测量时，首先将待测件(8)稳固在待测件机架(9)上，并对其整体进行与地面的固定；发送指令，将滑块(6)运行到远离配重(10)一端，将整个测量装置移近待测件(8)，使位移传感器(7)正好处于待测件(8)的待测截面圆周上；对基准坐标电机系统进行稳固，使之与待测件(8)不会产生相对移动；分别对基准电机(2)以及随动伺服电机(5)发出指令，同时，等待随动伺服电机(5)动作，保证位移传感器(7)与待测件(8)保持距离；

step2.实际间距经位移传感器(7)的感测被转换成与间距值成一比例关系的电量，然后被传送至信号变送器(A2)；

step3.信号变送器(A2)将接收到的信号转换成与其成一比列关系的模拟信号，然后将模拟信号传送至模数转换器(A3)；模数转换器(A3)将接收到的模拟信号转换成一数字信号，然后将其传送至运动控制器(A4)；

step4.根据位移传感器(7)和待测件(8)的相关技术参数，运动控制器(A4)将接收到的数字信号还原成实际的极板间距值或是极板间距变化量，并依照位置控制方案或是误差控制方案将其与标定极板间距之间进行比较，然后再将两者之间的差值或是一待校正量传送至数模转换器(A5)；

step5.数模转换器(A5)将接收到的数字信号转换成一模拟信号，并将其传送至随动伺服电机(5)；

step6.随动伺服电机(5)依据接收到的模拟信号运转，以使位移传感器(7)达到与待测件的距离保持恒定；

step7.如此便记录下了一个点的位置坐标，同样，随着基准电机(2)的转动，位移传感器(7)会移动到待测截面的每一点，能够得到圆周上每一点的位置坐标，摇杆臂(3)提供基准坐标系下建立的基准圆，此圆是摇杆臂(3)顶端的一点随着基准电机(2)的转动所描述的图形，然后采用软件计算出被测量对象的周长即可。