CN104006754B - 基于激光传感器的圆筒壁厚自动测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光传感器的圆筒壁厚自动测量装置，包括机架、传动单元、旋转机构、导向支承机构和测量及调节机构。本发明一方面避免了接触测量带来的测量仪表磨损等缺点，另一方面避免了材料不均匀性对测量精度带来的影响，大大提高测量效率及精度，并且容易实现自动化流水线测量，具体解决了如下问题：1)测量装置的传动结构及激光传感器和被测工件的运动关系；2)激光传感器的布置及自动测量进给方式；3)被测工件的自动定位、装夹、旋转，及防止倾覆(或倾斜)结构；4)功能的扩展性、测量的普适性，及对自动化生产线的可植入性，具有结构简单，可靠性高且易于实现的特点。

Description

基于激光传感器的圆筒壁厚自动测量装置

技术领域

本发明属于自动化精密测量领域，涉及一种基于激光传感器的圆筒壁厚自动、精密测量装置。

背景技术

民用工业及国防装备中涉及大量的圆筒件，如气压缸、液压缸、炮管、导弹壳等。特别是对于细长型的圆筒件，由于工件自身的半封闭结构，使得其壁厚测量困难。

目前，对圆筒件壁厚测量主要有两种方法：其一是接触式测量，如专利号为200910235928.7的专利文献《一种管材壁厚测量装置》等，这种接触式测量多为人工操作，测量效率低，获得的测量值多为离散数据，尤其对于表面粗糙的工件，采用接触式测量特别容易磨损测量仪表表头或探针；其二是非接触式测量，如申请号为201010625090.5的专利文献《非接触式管壁厚度测量装置和管壁厚度测量》等，从文献披露的内容来看，这类非接触测量方法的载体多为超声波，其装置及操作过程相对复杂，并且超声测量存在着不同介质的耦合反射问题，特别是对多种材料组装而成的圆筒工件(如金属圆筒件内衬玻璃钢等)，根据超声回波测量壁厚将会带来较大的误差，使其测量精度受到影响。

将激光传感器用于圆筒工件壁厚测量，可避免工件的接触测量，避免材料不均匀性对测量精度带来的影响，且可获得较高的测量精度(其分辨率可达2um)，但是现有技术也存在一系列问题。如文献《基于单片机的弹体壁厚自动测量系统》(龚民，王泽宇，陈白宁，弹箭与制导学报，29(6):282-284)披露一种基于位移传感器的弹壳壁厚测量装置，该位移传感器即为激光传感器，然而激光传感器为精密检测单元，该文献将两组激光传感器通过滚珠丝杠带动进行横向测量进给，极容易由于系统振动或传动链安装误差影响两组传感器的测量精度，并且该装置未给出激光传感器的精密导向方案，极容易将传感器沿直线运动的进给误差带入到工件的测量误差中；而且将安装传感器的支承杆穿过空心机构很可能为适应空心机构的尺寸而拉大传感器之间距离，从而影响激光反射效果，降低测量精度，加之支承杆为悬臂机构，容易振动，且为保证其扰度阈值，支撑杆必然具备较的大径向尺寸。此外，该机构采用V块定位，然后在轴向通过推力轴承端面定位后由气缸夹紧，借助摩擦力带动工件旋转，实际该方案上未考虑端面和工件轴线之间的垂直度误差，在轴向施加气缸夹紧力的情况下容易使工件偏斜，导致V块定位失效，加之用气缸夹紧工件则限定了被测工件尺寸规格，限制了测量的普适性。并且，该机构需要手工上下料，无法集成到自动测量流水线中。

此外还有文献《壳体件壁厚差在线测量的研究》(吴耀全，张治民，庞学慧，弹箭与制导学报，2007:228-230)披露了另一种基于激光传感器的壳体件壁厚差在线测量装置，该装置用于弹体热锻造成形后，温度高达700℃时的测量，其测量过程伴随着高温、振动、噪音和烟气污染等。该测量装置一方面利用了激光测量的优点，另一方面却引入了接触式测量的缺点，即其对内壁的测量通过伸入杆复制内壁轮廓几何特征获得间接数据，实际上难以获得高精度的测量效果。并且该机构工作于高温，由于热传导带来伸入杆的热变形，从而进一步影响测量精度。

使用激光传感器测量材料厚度时，需两组激光传感器同时工作于被测材料两侧，分别将两侧测量结果通过外部演算器运算求和后获得材料厚度值。考查激光传感器的工作原理和现有技术的缺点，为实现圆筒工件壁厚自动化精密测量，必须解决如下问题：

1)测量装置的传动结构及激光传感器和被测工件的运动关系；

2)激光传感器的布置及自动测量进给方式；

3)被测工件的自动定位、装夹、旋转，及防止倾覆(或倾斜)结构；

4)功能的扩展性、测量的普适性，及对自动化生产线的可植入性。

具体来说，需实现自动化测量装置的传动结构，该结构克服现有技术所述结构的缺点；给出激光传感器的布置方式，最大限度的保证激光传感器的测量精度，避免振动及传动误差直接干扰传感器的测量，避免激光传感器安装支承的扰度，最大限度降低其共振特性；此外，还需实现工件自动装夹、旋转、进给及辅助支承，并可通过调节装置实现不同型号工件的测量。

发明内容

针对上述需解决的问题，本发明提供一种基于激光传感器的圆筒壁厚自动测量装置，其测量分辨率可达2um。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

一种基于激光传感器的圆筒壁厚自动测量装置，其特点在于，包括机架、传动单元、旋转机构、导向支承机构和测量及调节机构；

所述的机架包括底座、顶盖板和立板，所述的底座和顶盖板相互平行，且分别垂直地固定在所述的立板上；

所述的传动单元包括传动电机、两个滚珠丝杠支承、滚珠丝杠、两根直线导轨，两块导轨滑块、过渡板、滚珠丝杠螺母和测量台，所述的两根直线导轨互相平行地固定在所述的的立板上，且位于所述的底座和顶盖板之间，所述的滚珠丝杠位于两根直线导轨之间，该滚珠丝杠的两端部分别通过所述的滚珠丝杠支承与所述的立板固定连接，所述的滚珠丝杠的一端与所述的传动电机连接，该传动电机固定在立板上，所述的直线导轨上设有导轨滑块，所述的滚珠丝杠上设有滚珠丝杠螺母，所述的导轨滑块与滚珠丝杠螺母分别固定在所述的过渡板一侧，该过渡板的另一侧与所述的测量台一侧固定连接；

所述的旋转机构包括旋转台电机、旋转台支承、气动卡盘、轴承、旋转台主轴、联轴器和旋转台电机支承，所述的旋转台电机通过所述的旋转台电机支承固定于测量台下方，所述的旋转台支承固定在测量台上方，该旋转台支承内装有轴承，轴承外圈和旋转台支承有配合关系，轴承内圈和旋转台主轴有配合关系，该旋转台主轴一端连接气动卡盘，另一端通过联轴器连接转台电机的主轴；

所述的导向支承机构包括两根安装有气缸的导向支承杆和多块V型导向支承块；两根所述的导向支承杆分别垂直固定在测量台，所述的气缸的活塞杆垂直朝向待测工件轴心，该活塞杆的伸出端装有V型导向支承块；

所述的测量及调节机构包括第一激光传感器、第一连杆、第二激光传感器、第二连杆、调节板、具有调节丝杠螺母的调节丝杠和调节丝杠支承；所述的调节板)设置在顶盖板上，所述的第一激光传感器和第二激光传感器分别安装于第一连杆和第二连杆的末端，第一连杆和第二连杆互相平行，第一连杆和第二连杆的顶端穿过顶盖板的空槽与调节板固定连接，所述的调节丝杠螺母和调节板连接，所述的调节丝杠通过调节丝杠支承固定于顶盖板上。

进一步地，所述第一连杆和第二连杆形成的平面与两根导向支承杆形成的平面不相重合；

进一步地，所述的调节板上开有孔，供所述的第一连杆和第二连杆穿过，并通过螺母与调节板固定。

与现有技术相比，本发明有益效果在于，基于激光传感器，给出实现圆筒工件壁厚连续测量的自动化装置，解决了如下问题：1)测量装置的传动结构及激光传感器和被测工件的运动关系；2)激光传感器的布置及自动测量进给实现；3)被测工件的自动定位、装夹、旋转，及防止倾覆(或倾斜)结构；4)功能的扩展性、测量的普适性，及对自动化生产线的可植入性。具体来说，固定激光传感器，使工件旋转并作进给运动，可最大限度的保证激光传感器的测量精度，避免振动及传动误差直接干扰传感器的测量；将传感器支承结构的悬臂方向和重力方向重合，避免了激光传感器安装支承的扰度，最大限度降低其共振特性；给出工件的自动装夹、进给，配合气动辅助支承结构，提高了系统的自动化程度及鲁棒性；给出调节方案可实现不同型号工件的测量，使得测量效能提高，具有测量普适性。

附图说明

图1为本发明的三维结构简图；

图2为本方明正向局部视图；

图3为本发明旋转机构局部视图；

图4为本发明局部放大图；

图5为本发明俯视局部视图；

图中：1：底座，2：旋转台电机，3：旋转台支承，4：气动卡盘，5：气缸，6：导向支承杆，7：V型导向支承块，8：第一激光传感器，9：第一连杆，10：被测工件，11：第二连杆，12：调节板，13：顶盖板，14：调节丝杠，15：调节丝杠支承，16：传动电机，17：滚珠丝杠支承，18：滚珠丝杠，19：直线导轨，20：导轨滑块，21：过渡板，22：滚珠丝杠螺母，23：立板，24：测量台，25：轴承，26：旋转台主轴，27：联轴器，28：旋转台电机支承，29：第二激光传感器，30：调节丝杠螺母。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明。

基于激光传感器的圆筒壁厚自动测量装置，由机架、传动单元、旋转机构、导向支承机构、测量及调节机构组成；

所述的机架包括底座1、顶盖板13和立板23，所述的底座1和顶盖板13相互平行，且分别垂直地固定在所述的立板23上；所述的传动单元包括传动电机16、滚珠丝杠支承17、滚珠丝杠18、直线导轨19，导轨滑块20、过渡板21、滚珠丝杠螺母22、测量台24，滚珠丝杠18位于两根平行安装的直线导轨19之间，并通过滚珠丝杠支承17固定于立板23上，其一端连接有传动电机16；直线导轨19固定于立板23上；导轨滑块20与过渡板21连接，同时，滚珠丝杠螺母22也安装于过渡板21上，过渡板21另一侧连接测量台24；

所述的旋转机构包括旋转台电机2、旋转台支承3、气动卡盘4、轴承25、旋转台主轴26、联轴器27、旋转台电机支承28，旋转台电机2通过旋转台电机支承28固定于测量台24下方，旋转台支承3内装有轴承25，轴承25外圈和旋转台支承3有配合关系，轴承25内圈和旋转台主轴26有配合关系；旋转台主轴26一端连接气动卡盘4，另一端通过联轴器27连接转台电机2的主轴；

所述的导向支承机构包括气缸5、导向支承杆6、V型导向支承块7，2组导向支承杆6分别垂直安装于测量台24，其上装有气缸5，气缸5活塞杆垂直朝向工件10轴心，气缸5活塞杆伸出端装有V型导向支承块7；

所述的测量及调节机构包括第一激光传感器8、第一连杆9、第二激光传感器29、第二连杆11、调节板12、调节丝杠14、调节丝杠支承15、调节丝杠螺母30，第一激光传感器8和第二激光传感器29分别安装于第一连杆9和第二连杆11的末端，第一连杆9和第二连杆11互相平行，穿过顶盖板13上的空槽后安装于调节板12上；调节板12位于顶盖板13上，与之形成移动副，调节丝杠螺母30和调节板12连接；调节丝杠14通过调节丝杠支承15固定于顶盖板13上；

所述第一连杆9和第二连杆11形成的平面与2组导向支承杆6形成的平面不相重合；所述的调节板12上也开有空槽，第一连杆9和第二连杆11分别通过空槽后紧固于调节板12上。如图1所示，基于激光传感器的圆筒壁厚自动测量装置，其原理如下：检测开始前，装置自动复位，测量台24在传动电机16带动下，通过滚珠丝杠18降至下限位，同时，导向支承杆6上的气缸5全部缩回(远离工件方向)，气动卡盘4松开。

检测开始时，上料机构将被测工件10放至气动卡盘4上，气动卡盘4旁设置的光电开关检测到工件就位后，气动卡盘4卡紧，同时气缸5伸出，通过V型导向支承块7支承工件，防止工件倾覆(或倾斜)。测量台24在传动电机16带动下，通过滚珠丝杠18往工件上端位置移动，同时，被测工件10通过气动卡盘4在旋转台电机2带动下旋转。第一激光传感器8和第二激光传感器29将测得的数据送至外部演算单元处理，实现壁厚测量。

检测完成后，旋转台电机2停止，并执行复位动作，复位完成后，被测工件10由下料机构取走。

为适应不同管径的圆筒件壁厚测量，在顶盖板13上设置有激光传感器位置调节机构，该机构由螺纹副实现，拧动调节丝杠14则可带动第一连杆9和第二连杆11远离或者靠近被测气动卡盘4的轴心。此外，第一连杆9和第二连杆11之间的距离也可以通过调节板12上的空槽予以调节。

实施例1

某工件为圆筒件，其外壁为金属结构，内壁为玻璃钢结构，其轴向长度接近1000mm，直径不足70mm。采用人工测量壁厚时，将该圆筒件套在测量芯棒上，使用千分表顶住外壁，同时手工施加径向力，使其贴紧测量芯棒，由于千分表和测量芯棒之间校准零位，则千分表的读数即为壁厚，该方法无法自动化连续测量，效率低下且磨损大量千分表表头。

而使用本发明所述的基于激光传感器的圆筒壁厚自动测量装置，从上料(另外配有自动上下料机械手)，到工件的装夹、定位及测量过程实现自动化，其测量精度(测量分辨率达2um)和效率则大大提高。

Claims (3)

1.一种基于激光传感器的圆筒壁厚自动测量装置，其特征在于，包括机架、传动单元、旋转机构、导向支承机构和测量及调节机构；

所述的机架包括底座(1)、顶盖板(13)和立板(23)，所述的底座(1)和顶盖板(13)相互平行，且分别垂直地固定在所述的立板(23)上；

所述的传动单元包括传动电机(16)、两个滚珠丝杠支承(17)、滚珠丝杠(18)、两根直线导轨(19)，两块导轨滑块(20)、过渡板(21)、滚珠丝杠螺母(22)和测量台(24)，所述的两根直线导轨(19)互相平行地固定在所述的的立板(23)上，且位于所述的底座(1)和顶盖板(13)之间，所述的滚珠丝杠(18)位于两根直线导轨(19)之间，该滚珠丝杠(18)的两端部分别通过所述的滚珠丝杠支承(17)与所述的立板(23)固定连接，所述的滚珠丝杠(18)的一端与所述的传动电机(16)连接，该传动电机(16)固定在立板(23)上，所述的直线导轨(19)上设有导轨滑块(20)，所述的滚珠丝杠(18)上设有滚珠丝杠螺母(22)，所述的导轨滑块(20)与滚珠丝杠螺母(22)分别固定在所述的过渡板(21)一侧，该过渡板(21)的另一侧与所述的测量台(24)一侧固定连接；

所述的旋转机构包括旋转台电机(2)、旋转台支承(3)、气动卡盘(4)、轴承(25)、旋转台主轴(26)、联轴器(27)和旋转台电机支承(28)，所述的旋转台电机(2)通过所述的旋转台电机支承(28)固定于测量台(24)下方，所述的旋转台支承(3)固定在测量台(24)上方，该旋转台支承(3)内装有轴承(25)，轴承(25)外圈和旋转台支承(3)有配合关系，轴承(25)内圈和旋转台主轴(26)有配合关系，该旋转台主轴(26)一端连接气动卡盘(4)，另一端通过联轴器(27)连接旋转台电机(2)的主轴；

所述的导向支承机构包括两根安装有气缸(5)的导向支承杆(6)和多块V型导向支承块(7)；两根所述的导向支承杆(6)分别垂直固定在测量台(24)，所述的气缸(5)的活塞杆垂直朝向待测工件(10)轴心，该活塞杆的伸出端装有V型导向支承块(7)；

所述的测量及调节机构包括第一激光传感器(8)、第一连杆(9)、第二激光传感器(29)、第二连杆(11)、调节板(12)、具有调节丝杠螺母(30)的调节丝杠(14)和调节丝杠支承(15)；所述的调节板(12)设置在顶盖板(13)上，所述的第一激光传感器(8)和第二激光传感器(29)分别安装于第一连杆(9)和第二连杆(11)的末端，第一连杆(9)和第二连杆(11)互相平行，第一连杆(9)和第二连杆(11)的顶端穿过顶盖板(13)的空槽与调节板(12)固定连接，所述的调节丝杠螺母(30)和调节板(12)连接，所述的调节丝杠(14)通过调节丝杠支承(15)固定于顶盖板(13)上。

2.根据权利要求1所述的基于激光传感器的圆筒壁厚自动测量装置，其特征在于，所述的第一连杆(9)和第二连杆(11)形成的平面与两根导向支承杆(6)形成的平面不重合。

3.根据权利要求1所述的基于激光传感器的圆筒壁厚自动测量装置，其特征在于，所述的调节板(12)上开有孔，供所述的第一连杆(9)和第二连杆(11)穿过，并通过螺母与调节板(12)固定。