CN103968768B - 一种高精度非接触工件内径测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种高精度非接触工件内径测量装置和方法，所述装置包括固定支架、第一测量杆、第一驱动机构、第一激光测距传感器和反射镜，固定支架设置有滑动轨道，第一测量杆的上部连接有滑块，滑块与所述滑动轨道连接，第一驱动机构驱动滑块沿滑动轨道移动，使得第一测量杆的底部能够进入被测工件的内膛；第一测量杆设置第一激光测距传感器，第一测量杆的底部设置反射镜，第一激光测距传感器能够发出测量激光，反射镜能够将测量激光反射到被测工件内壁，并将经过漫反射的测量激光反射到第一激光测距传感器，第一激光测距传感器根据接受到的光线信息得到被测工件内壁的测量结果。本发明为非接触检测，避免了因接触而引起的物体变形、干扰、工作中断等不利影响。
Description
技术领域
本发明涉及激光精密测量技术领域，尤其涉及一种高精度非接触工件内径测量装置和方法。
背景技术
大型工件检测技术是关系工件生产质量的重大关键性技术，随着研制与生产效率的提高，对检测的精度和效率提出了越来越高的要求。传统的大型工件尺寸检测采用手工测量方法，即将卡尺卡在工件尺寸需要检测的位置，通过人工读数来判断工件尺寸是否合格。这种手工测量方法，不仅费时费力，并且精度不高，满足不了现代生产自动化的需要。
目前，激光传感技术被广泛应用于精密测量，其核心是采用激光测距传感器，即利用光电技术对距离进行非接触精确测量的一种新型传感器。但是，对于小口径大内膛的工件，由于口径非常小，导致激光测距传感器无法放入内膛，进而无法对工件内膛的尺寸进行精确测量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种高精度非接触工件内径测量装置和方法，能够对小口径大内膛工件的内膛尺寸进行精确测量。
采用的技术方案是：
一种高精度非接触工件内径测量装置，包括固定支架、第一测量杆、第二测量杆、第一驱动机构、第二驱动机构、第一激光测距传感器、第二激光测距传感器、第三激光测距传感器、旋转架和反射镜。所述的固定支架设置有滑动轨道，第一测量杆置于旋转架中，旋转架的外壁固定连接有滑块，滑块与固定支架所设滑动轨道连接，所述第一驱动机构驱动滑块沿滑动轨道上下移动，使得所述第一测量杆的底部能够通过被测工件的口部进出所述被测工件的内膛。所述第二驱动机构连接在第一测量杆的顶部，第二驱动机构驱动第一测量杆在旋转架中旋转。所述第一测量杆固定设置第一激光测距传感器，并且第一激光测距传感器位于滑块的下方，第一测量杆的底部固定设置所述反射镜，第一激光测距传感器能够发出测量激光，反射镜能够将测量激光反射到被测工件内壁，再将经过漫反射的测量激光反射到第一激光测距传感器，第一激光测距传感器根据接受到的光线信息得到被测工件内壁的测量结果。
上述的第一测量杆的底部设置有托架，托架的上表面与第一测量杆的轴线之间的夹角呈45°角，托架的上表面固定设置反射镜，以使反射镜的镜面与第一测量杆的轴线之间的夹角呈45°角，使得第一激光测距传感器发出的测量激光与第一测量杆的轴线平行。
上述的反射镜的镜面的面积为1平方厘米。
上述的第一测量杆的横切面呈为圆弧型。
上述的滑块上面设置有吊环，吊环通过铰链与配重机构连接，滑块位于固定支架的第一侧面，配重机构位于固定支架的第二侧面，第一侧面和第二侧面的位置相对。
上述的第二激光测距传感器设置在第一测量杆上，第二激光测距传感器位于第一激光测距传感器和反射镜之间，第二激光测距传感器用于测量反射镜与被测工件底部的距离。
上述的第三激光测距传感器设置在第二测量杆上，第二测量杆的顶部与第一测量杆连接，第二测量杆的轴线与第一测量杆的轴线呈一定角度，第二测量杆的底部与第二测量杆的水平距离大于第一阈值，第三激光测距传感器用于对所述被测工件的外壁进行测量。
本发明提供了一种高精度非接触工件内径测量方法，应用于上述装置，所述方法包括下列步骤：
步骤一，控制第一测量杆按预设的速度下降，进入被测工件的内部；
步骤二，当下降到指定的位置时，停止下降；
步骤三，控制第一激光测距传感器发出测量激光，以使第一激光测距传感器根据反射镜反馈的光线信息得到被测工件内壁的测量结果。
上述的步骤二在下降到指定的位置时，控制第一测量杆旋转；
上述的步骤三在至少三个预设的角度，获取测量结果，根据获取的测量结果采用三点测量法得到校正测量结果。
本发明采用光电技术对距离进行非接触测量的一种新型传感器，它以其高方向性、高亮度、高单色性等众多优点而成为激光最广泛的应用之一，具有测量速度快、精度高、抗干扰能力强、测量点小、适用范围广等优点，并越来越受到国内外的重视。非接触检测可以克服接触式检测的不足，对于各种测量目标都可以进行高灵敏度、高精度、高效率的数据采集，从而实现对被测物各种参数的非接触检测。检测时并不与工件直接接触，避免了因接触而引起的物体变形、干扰、工作中断等不利影响。
附图说明
图1是本发明提供的工件测量装置的结构示意图。
图2是本发明提供的工件测量方法的原理示意图。
图3是本发明提供的工件测量装置第一测量杆的横向剖面图。
具体实施方式
一种高精度非接触工件内径测量装置，包括固定支架1、第一测量杆2、第二测量杆14、第一驱动机构3、第二驱动机构8、第一激光测距传感器4、第二激光测距传感器13、第三激光测距传感器15、旋转架7和反射镜5。所述的固定支架1设置有滑动轨道，第一测量杆2的横切面呈为圆弧型，第一测量杆2置于旋转架7中，旋转架7的外壁固定连接有滑块6，滑块6与固定支架1所设滑动轨道连接，滑块6上面设置有吊环10，吊环10通过铰链11与配重机构12连接，滑块6位于固定支架1的第一侧面，配重机构12位于固定支架1的第二侧面，第一侧面和第二侧面的位置相对。所述第一驱动机构3，驱动滑块6沿滑动轨道上下移动，使得所述第一测量杆2的底部能够通过被测工件16的口部进出所述被测工件的内膛。所述第二驱动机构8连接在第一测量杆2的顶部，第二驱动机构8驱动第一测量杆2在旋转架7中旋转。所述第一测量杆2固定设置第一激光测距传感器4，并且第一激光测距传感器4位于滑块6的下方，第一测量杆2的底部设置有托架9，托架9的上表面与第一测量杆2的轴线之间的夹角呈45°角，托架9的上表面固定设置面积为1平方厘米的反射镜5，以使反射镜5的镜面与第一测量杆2的轴线之间的夹角呈45°角，使得第一激光测距传感器发出的测量激光与第一测量杆的轴线平行。第一激光测距传感器4能够发出测量激光，反射镜5能够将测量激光反射到被测工件16内壁，再将经过漫反射的测量激光反射到第一激光测距传感器，第一激光测距传感器4根据接受到的光线信息得到被测工件16内壁的测量结果。所述第二激光测距传感器13设置在第一测量杆2上，第二激光测距传感器13位于第一激光测距传感器4和反射镜5之间，第二激光测距传感器13用于测量反射镜5与被测工件16底部的距离。所述第三激光测距传感器15设置在第二测量杆14上，第二测量杆14的顶部与第一测量杆2连接，第二测量杆14的轴线与第一测量杆2的轴线呈一定角度，第二测量杆14的底部与第二测量杆2的水平距离大于第一阈值，第三激光测距传感器15用于对所述被测工件16的外壁进行测量，达到非接触工件内径及外径的测量。
本发明提供了一种高精度非接触工件内径测量方法，应用于上述装置，所述方法包括下列步骤：
步骤一，控制第一测量杆按预设的速度下降，进入被测工件的内部；
步骤二，当下降到指定的位置时，停止下降，在下降到指定的位置时，控制第一测量杆旋转；
步骤三，控制第一激光测距传感器发出测量激光，以使第一激光测距传感器根据反射镜反馈的光线信息得到被测工件内壁的测量结果，在至少三个预设的角度，获取测量结果，根据获取的测量结果采用三点测量法得到校正测量结果。
测量过程中系统定位采用工件口部作为基准定位，由第三激光测距传感器15以工件口部定位，首先根据工件高度值进行粗定位，传感器以1毫米步进下降，当第三激光测距传感器15测到数值时已经越过工件口部位置，再以0.1毫米步进返回，完成精确定位。第一测量杆2带动第一激光测距传感器4进行分步测量，旋转280度角进行三组采样，为了提高测试速度，第一激光测距传感器4开始移动速度较快，但是速度不稳定，在第一激光测距传感器4开始加速到匀速的20度角范围内不予采样，进入匀速区时进行多组数据采样，在3度角范围内采样100次后求平均，第一激光测距传感器4在开始运动的20度加速区和结束运动的20度减速区内不予采样。为了提高测量速度和效率，第一激光测距传感器4所用的采样频率、移动速度及上位机的通信速率之间的合适关系是数据稳定的关键。在3度角范围内连续采样100次，传感器的移动速度快，对应传感器的采样频率也高，这样才能满足在3度角范围内采样100次；若传感器的移动速度慢，对应传感器的采样频率低，如果这时采样频率太高，由于上位机的通信速率的限制，不能将全部数据返回到工控机，出现数据不够稳定的现象。因此，传感器的移动速度、采样频率、上位机的通信速率之间要相匹配。
采用上述结构的装置，第一激光测距传感器4按顺序上下移动或转动测量后，通过质量分析测量软件直接测定工件内径并判断是否合格。本方法的核心是巧妙的利用三点法原理和反射镜相结合来实现工件内部尺寸测量。由于这种小口径大内膛工件受到小口径的限制，高精度的传感器不能直接深入到内部进行直接测量；利用这种设计方法解决了口径小的瓶颈，解决了同类产品测量内膛直径的问题，满足实际工业生产中的需要，相比以往的测量方法，提高了测量精度，可用于批量工件尺寸的精确测量。具体的三点法原理如下：
如图2所示，外圆是工件的内膛示意图，内圆是反射镜的运行轨迹，A、B、C三点分别为第一激光测距传感器4发射激光达到反射镜的位置，它们之间的关系是三等分内圆，相当于第一激光测距传感器4每相隔120°采样一组。AD，BE，CF可以通过第一激光测距传感器4测量得到，由于内圆的运行轨迹已知，O点是测量芯轴的中心，所以AO，BO，CO也可知，从而算出EO，FO，DO，。
在中，EO和FO已知，它们之间的夹角为120°。根据余弦定理可求出EF的长度。即，。同理，可得DF，DE。在中，可通过余弦定理得出。在外接圆EDF中，根据正弦定理，即可算出工件内径。即，。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种高精度非接触工件内径测量装置，包括固定支架(1)、第一测量杆(2)、第二测量杆(14)、第一驱动机构(3)、第二驱动机构(8)、第一激光测距传感器(4)、第二激光测距传感器(13)、第三激光测距传感器(15)、旋转架(7)、和反射镜(5)，其特征在于所述的固定支架(1)设置有滑动轨道，第一测量杆(2)置于旋转架(7)中，旋转架(7)的外壁固定连接有滑块(6)，滑块(6)与固定支架(1)所设滑动轨道连接，所述第一驱动机构(3)驱动滑块(6)沿滑动轨道上下移动，使得所述第一测量杆(2)的底部能够通过被测工件(16)的口部进出所述被测工件的内膛；所述第二驱动机构(8)连接在第一测量杆(2)的顶部，第二驱动机构(8)驱动第一测量杆(2)在旋转架(7)中旋转；所述第一测量杆(2)固定设置第一激光测距传感器(4)，并且第一激光测距传感器(4)位于滑块(6)的下方，第一测量杆(2)的底部固定设置所述反射镜(5)，第一激光测距传感器(4)能够发出测量激光，反射镜(5)能够将测量激光反射到被测工件(16)内壁，再将经过漫反射的测量激光反射到第一激光测距传感器，第一激光测距传感器根据接受到的光线信息得到被测工件内壁的测量结果。
2.根据权利要求1所述的一种高精度非接触工件内径测量装置，其特征在于所述的第一测量杆(2)的底部设置有托架(9)，托架(9)的上表面与第一测量杆(2)的轴线之间的夹角呈45°角，托架(9)的上表面固定设置反射镜(5)，以使反射镜(5)的镜面与第一测量杆(2)的轴线之间的夹角呈45°角，使得第一激光测距传感器发出的测量激光与第一测量杆的轴线平行。
3.根据权利要求1所述的一种高精度非接触工件内径测量装置，其特征在于所述的反射镜(5)的镜面的面积为1平方厘米。
4.根据权利要求1所述的一种高精度非接触工件内径测量装置，其特征在于所述的第一测量杆(2)的横切面呈为圆弧型。
5.根据权利要求1所述的一种高精度非接触工件内径测量装置，其特征在于所述的滑块(6)上面设置有吊环(10)，吊环(10)通过铰链(11)与配重机构(12)连接，滑块(6)位于固定支架(1)的第一侧面，配重机构(12)位于固定支架(1)的第二侧面，第一侧面和第二侧面的位置相对。
6.根据权利要求1所述的一种高精度非接触工件内径测量装置，其特征在于所述的第二激光测距传感器(13)设置在第一测量杆(2)上，第二激光测距传感器(13)位于第一激光测距传感器(4)和反射镜(5)之间，第二激光测距传感器(13)用于测量反射镜(5)与被测工件(16)底部的距离。
7.根据权利要求1所述的一种高精度非接触工件内径测量装置，其特征在于所述的第三激光测距传感器设置在第二测量杆上，第二测量杆的顶部与第一测量杆连接，第二测量杆的轴线与第一测量杆的轴线呈一定角度，第二测量杆的底部与第二测量杆的水平距离大于第一阈值，第三激光测距传感器用于对所述被测工件的外壁进行测量。
8.一种采用权利要求1所述的高精度非接触工件内径测量装置的测量方法，其特征在于包括下列步骤：
步骤一，控制第一测量杆按预设的速度下降，进入被测工件的内部；
步骤二，当下降到指定的位置时，停止下降；
步骤三，控制第一激光测距传感器发出测量激光，以使第一激光测距传感器根据反射镜反馈的光线信息得到被测工件内壁的测量结果；
所述的步骤二在下降到指定的位置时，控制第一测量杆旋转；
所述的步骤三在至少三个预设的角度，获取测量结果，根据获取的测量结果采用三点测量法得到校正测量结果。
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