CN105203068B - 基于超声波测厚仪的深孔直线度检测方法 - Google Patents

Abstract

基于超声波测厚仪的深孔直线度检测方法，其特征在于所发明的装置包括检测部分、工件移动部分和工件位置检测部分。检测方法如下：将工件置于夹具上；并使工件上所画的圆与四个超声波测厚仪探头共面，测量并记录工件4处壁厚及千分尺读数，确定工件孔壁上对应的4个点A₁₁、A₁₂、A₁₃、A₁₄的坐标；进而计算深孔截面的圆心O₁₁、O₁₂、O₁₃、O₁₄，参照上述步骤求得所画第i(i＝1、2、3...n+1)个圆处深孔截面的圆心：O_i1、O_i2、O_i3、O_i4；求一个能够包容O_i1、O_i2、O_i3、O_i4且直径最小的圆柱，根据该圆柱的直径求得所测工件的深孔直线度。本发明的有益效果：第一、能检测较小内径的深孔；第二、可排除外表自身误差，检测精度高；第三、激光定位操作方便。

Description

基于超声波测厚仪的深孔直线度检测方法

技术领域

本发明属于深孔轴线直线度检测的技术领域，特别涉及基于超声波测厚仪的深孔直线度检测方法，这是一种考虑壁厚和内外表面误差的深孔直线度超声波多点检测方法。

背景技术

深孔轴线直线度的检测方法有测壁厚法、激光测量法、量规测量法、臂杆测量法、望远镜测量法等，这些方法或是没有考虑工件内外圆表面质量对测量结果的影响，或是受到孔径太小的限制而不能用于测量孔径过小的深孔工件。

现有的深孔轴线直线度检测的方法大都是在一个深孔截面上测量三个点的坐标来计算相应孔截面的圆心，由于现在加工深孔的条件和技术的限制，深孔零件的内表面实际情况不可能是标准的圆柱面，即孔截面不是标准的圆，所以只测量三个点来计算圆心，方法误差和偶然误差过大。

现有的深孔轴线直线度检测的方法大都是在孔内进行测量，由于孔内情况很难观测和控制，所以所测量的点不能保证在同一深孔截面上，从而导致测量结果不准确。另外，仅仅利用超声波测厚仪测得壁厚，根据壁厚差去估算深孔轴线直线度，具有原理性误差。对于壁厚不变，而深孔轴线弯曲的零件，采用上述方法可能将深孔轴线误判为直线。

发明内容

本发明的目的：为解决现有深孔轴线直线度检测方法受制于深孔零件内径小，“三点测量法”偶然误差大，所测点不能保证在同一深孔截面上等问题，提供一种从深孔零件外壁进行检测，能保证所测点在同一截面上，且能排除方法误差、降低偶然误差的深孔直线度超声波多点检测装置。本方案还解决仅根据超声波测厚仪所测得的孔的壁厚估算孔的直线度误差所存在的原理性问题。

本发明采用如下的技术方案实现：

基于超声波测厚仪的深孔直线度检测方法，其特征在于包括检测部分、工件移动部分和工件位置检测部分，所述的检测部分包括检测架、超声波测厚仪探头、深度千分尺和基准块；所述的工件移动部分包括夹具、弹簧垫片、六角头螺钉和导轨；工件位置检测部分包括一号光源、二号光源、光斑定位标记一、光斑定位标记二、夹具、导轨、弹簧垫片。

所述的检测架是一个正方形平板，中心有一个可供工件通过的圆孔，平板一角开有可供夹具通过的缺口；基准块固定在检测架上，深度千分尺固定于基准块上，超声波测厚仪探头固定在深度千分尺的测量杆端部。

所述的夹具左端有防止工件轴向移动的凸起部分，右端有便于卡紧工件的螺纹孔，六角头螺钉通过弹簧垫片与夹具右端的螺纹孔将工件装夹在夹具上；夹具下侧开有与导轨接触的V形槽。

所述的一号光源、二号光源为激光光源，一号光源和二号光源始终固定不动，一号光源发出的一号激光束照射在光斑定位标记一上；二号光源发出的二号激光束照射在光斑定位标记二上。

导轨通过两个侧面与夹具的V形槽配合，采用现有技术的螺钉通过夹具右端的螺纹孔可以固定夹具的位置。

在测量前应在工件左端面贴上光斑定位标记一，在工件右端面贴上光斑定位标记二；光斑定位标记一和光斑定位标记二在空间位置上沿周向相距90°。装夹工件时，工件与夹具左端的凸起接触，六角头螺钉穿过弹簧垫片与夹具右端的螺纹孔，将工件夹紧在夹具上。装夹好工件后，调整一号光源的位置直到一号激光束照射在光斑定位标记一上，并固定一号光源；调整二号光源的位置直到，二号激光束照射在工件上的光斑定位标记二上，并固定二号光源。

所述的检测架、一号光源和二号光源都固定在同一绝对坐标系内，坐标原点位于检测架圆孔的圆心位置。从而在测量前，能确定出检测架上四个基准块以及一号光源、二号光源的坐标。

工件在装夹到夹具上之前，将工件沿轴向n等分，在等分点处沿外圆面划360°的圆，孔轴线垂直于圆所在的平面，测量时4个超声波测量头位于圆所在的平面内。

本发明利用计算机根据4个深度千分尺上的读数和4个超声波测厚仪探头探测结果所取得的读数计算出深孔截面上4个点的坐标，然后在这4个点中任选三个点来计算孔截面的圆心。由于4个点中选三个点的组合方式有四种，故每个深孔截面上能计算出四个圆心坐标。然后将所有深孔截面上的计算所得的圆心都投影到绝对坐标系中检测架所在的平面上，再拟合一个圆将所有的投影点都圈在圆内或圆上，所拟合的最小圆柱的直径即为所测深孔轴线直线度。

本发明相关主要零部件有：检测架、基准块、深度千分尺、超声波测厚仪探头、一号光源、二号光源、工件、夹具、导轨、六角头螺钉、计算机。

综上所述，本发明的创新点如下：

基于超声波测厚仪的深孔直线度检测方法，包括计入表面误差的超声深孔直线度检测装置，其特征在于计入表面误差的超声深孔直线度检测装置包括检测部分、工件移动部分和工件位置检测部分，所述的检测部分包括检测架9、超声波测厚仪探头10、深度千分尺11、基准块12，检测架9固定在绝对坐标系内静止不动，绝对坐标系的原点位于检测架中间圆孔的圆心位置；超声波测厚仪探头10固定在深度千分尺11的测量杆端部；基准块12固定在检测架(9)上，深度千分尺11固定在基准块上；所述的工件移动部分包括工件4、夹具13、导轨14，工件4装夹在夹具13上，夹具13置于导轨14上，并可沿导轨移动，导轨14固定于检测架9的下方并穿过检测架9下方缺口，所测工件4能通过检测架9中间的圆孔；工件位置检测部分包括：一号光源1、二号光源8、一号激光束2、二号激光束7、光斑定位标记一3、光斑定位标记二15，一号光源1和二号光源8为激光光源，一号光源1发出的一号激光束2照射在光斑定位标记一3上；二号光源发出的二号激光束7照射在光斑定位标记二15上；在工件外圆表面画有多个360°的圆，孔轴线垂直于圆所在的平面，圆将工件4沿轴向n等分，测量时4个超声波测厚仪探头10与所对应的圆共面。

检测方法的步骤如下：第一步，将工件置于夹具上；第二步，移动工件并使工件上所画的第一个圆与四个超声波测厚仪探头10共面，同时，保证一号光源1发出的一号激光束2照射在光斑定位标记一3上；二号光源发出的二号激光束7照射在光斑定位标记二15上；第三步，测量并记录工件4处壁厚：H₁₁、H₁₂、H₁₃、H₁₄；测量并记录深度千分尺对应的读数：L₁₁、L₁₂、L₁₃、L₁₄；可确定工件孔壁上对应的4个点A₁₁、A₁₂、A₁₃、A₁₄的坐标；第四步，以点A₁₁、A₁₂、A₁₃计算深孔截面的圆心O₁₁，以点A₁₁、A₁₂、A₁₄计算深孔截面的圆心O₁₂，以点A₁₁、A₁₃、A₁₄计算深孔截面的圆心O₁₃，以点A₁₂、A₁₃、A₁₄计算深孔截面的圆心O₁₄；第五步，参照上述步骤求得所画第i(i＝1、2、3...n+1)个圆处深孔截面的圆心：O_i1、O_i2、O_i3、O_i4；第六步，求一个能够包容O_i1、O_i2、O_i3、O_i4且直径最小的圆柱，根据该圆柱的直径求得所测工件4的深孔直线度，利用MATLAB进行拟合。

本发明的有益效果：第一、能检测较小内径的深孔轴线直线度；第二、可排除外表自身误差的影响。第三、本发明与现有技术相比，约提高精度4倍。第四、本发明借助激光确定工件的位置，与采用百分表等方法相比效率高、操作方便。首先，本发明检测的数据包括两部分，即壁厚和深孔零件外表面及内表面的形貌信息。本发明所求得的深孔直线度更具有科学性。其次，每次测量时整个装置处于静止状态，能避免测量过程中震动引起的测量误差；从深孔零件外壁画圆进行检测，能保证所测点在同一截面上。最后，现有技术中由截面三个点确定一个圆心，根据各个截面的圆心求深孔轴线直线度。本发明每个深孔截面上计算了四个可能的圆心来确定轴线直线度，能排除方法误差、降低偶然误差，结果更精确。

附图说明

图1为正面结构示意图。

图2为侧面结构示意图。

图3为工件激光定位示意图。

图中：1-一号光源，2-一号激光束，3-光斑定位标记一，4-工件，5-弹簧垫片，6-六角头螺钉，7-二号激光束，8-二号光源，9-检测架，10-超声波测厚仪探头，11-深度千分尺，12-基准块，13-夹具，14-导轨，15-光斑定位标记二。

具体实施方式

以下为本发明的一些具体实施方式，这些具体实施方式是用来说明本发明的，不对本发明做任何限制。

如图1所示，本发明检测架9固定，工件4进给。

本发明包括检测架9、基准块12、深度千分尺11、超声波测厚仪探头10、一号光源1、二号光源8、工件4、夹具13、导轨14、六角头螺钉6、计算机和扳手。

工件上有光斑定位标记一3、光斑定位标记二15、测量截面处画的圆；在测量前要在工件4的左右两个端面沿周向相距90°处分别贴上光斑定位标记一3和光斑定位标记二15，然后在工件上沿轴向画n+1圆，将工件沿轴向划分为n个等长的部分。

将工件4左端推到夹具13左端的凸起处，然后将六角头螺钉6穿过弹簧垫片5和夹具13右端的螺纹孔，用扳手将六角头螺钉扭紧，直到将工件4牢固的装夹在夹具13上。

工件4装夹在夹具13上后，随夹具13置于导轨14上，可沿导轨方向移动。

检测架9和导轨14都固定不动，导轨14位于检测架9缺口的正下方，导轨14与检测架9所在的平面相垂直。导轨14与检测架9之间的距离应当保证夹具13上装夹的工件4能够从检测架9中间的圆孔顺利通过。

安装好检测架9和导轨14后，沿导轨方向移动工件4，直到工件上的画的第一根线恰好位于4个超声波测量头所在的平面，然后将工件4及夹具13固定不动。

调整一号光源1的位置直到一号激光束2照射在工件上的光斑定位标记一3上，并固定一号光源1；调整二号光源8的位置直到二号激光束7照射在工件上的光斑定位标记二15上，并固定二号号光源8。

固定好工件4、一号光源1、二号光源8后，旋转4个深度千分尺11直到其测量杆端部所固定的4个超声波测厚仪探头10都紧贴工件4的外圆面，且满足这个4个超声波测厚仪探头10与外圆面的接触点都位于工件4外圆面所画的同一圆上；然后固定工件4和超声波测厚仪探头10后再测量。观察并记录每个深度千分尺11的读数以及超声波测厚仪探头探测结果所取得的读数。

测出工件4上第一个所画圆的截面上的数据后，旋回四个深度千分尺让四个超声波测厚仪探头都离开工件外表面；向检测架9方向移动工件4直到工件上所画的下一个圆与四个超声波测厚仪探头都处于同一平面内时，一号激光束照射到光斑定位标记一上和二号激光束照射到光斑定位标记二上，将工件的位置固定，再旋转4个深度千分尺11直到其端部的4个超声波测厚仪探头10都紧贴工件的外壁，观察和记录深度千分尺11的读数和每个深度千分尺11所对应的超声波测厚仪探头10探测结果所取得的读数。

按照上段所述，直到测出并记录工件4外圆面所有画圆截面处的数据。每个截面上所测数据，经过数据处理，得出每个深孔截面的4个圆心；然后将工件4外圆面上所有画圆截面处的深孔截面的圆心都投影到检测架所在的平面上，并拟定一个直径最小的圆将这些投影点圈在圆内或圆上，这个圆的直径可视为所测工件4的轴线直线度。

按照上段所述，具体可以利用MATLAB进行拟合，从而求得所测深孔零件的轴线直线度。

Claims (1)

1.基于超声波测厚仪的深孔直线度检测方法，包括计入表面误差的超声深孔直线度检测装置，其特征在于计入表面误差的超声深孔直线度检测装置包括检测部分、工件移动部分和工件位置检测部分，所述的检测部分包括检测架(9)、超声波测厚仪探头(10)、深度千分尺(11)、基准块(12)，检测架(9)固定在绝对坐标系内静止不动，绝对坐标系的原点位于检测架中间圆孔的圆心位置；超声波测厚仪探头(10)固定在深度千分尺(11)的测量杆端部；基准块(12)固定在检测架(9)上，深度千分尺(11)固定在基准块上；所述的工件移动部分包括工件(4)、夹具(13)、导轨(14)，工件(4)装夹在夹具(13)上，夹具(13)置于导轨(14)上，并可沿导轨移动，导轨(14)固定于检测架(9)的下方并穿过检测架(9)下方缺口，所测工件(4)能通过检测架(9)中间的圆孔；工件位置检测部分包括：一号光源(1)、二号光源(8)、一号激光束(2)、二号激光束(7)、光斑定位标记一(3)、光斑定位标记二(15)，一号光源(1)和二号光源(8)为激光光源，一号光源(1)发出的一号激光束(2)照射在光斑定位标记一(3)上；二号光源发出的二号激光束(7)照射在光斑定位标记二(15)上；在工件外圆表面画有多个360°的圆，孔轴线垂直于圆所在的平面，圆将工件(4)沿轴向n等分，测量时4个超声波测厚仪探头(10)与所对应的圆共面；

检测方法的步骤如下：第一步，将工件置于夹具上；第二步，移动工件并使工件上所画的第一个圆与四个超声波测厚仪探头(10)共面，同时，保证一号光源(1)发出的一号激光束(2)照射在光斑定位标记一(3)上；二号光源发出的二号激光束(7)照射在光斑定位标记二(15)上；第三步，测量并记录工件4处壁厚：H₁₁、H₁₂、H₁₃、H₁₄；测量并记录深度千分尺对应的读数：L₁₁、L₁₂、L₁₃、L₁₄；可确定工件孔壁上对应的4个点A₁₁、A₁₂、A₁₃、A₁₄的坐标；第四步，以点A₁₁、A₁₂、A₁₃计算深孔截面的圆心O₁₁，以点A₁₁、A₁₂、A₁₄计算深孔截面的圆心O₁₂，以点A₁₁、A₁₃、A₁₄计算深孔截面的圆心O₁₃，以点A₁₂、A₁₃、A₁₄计算深孔截面的圆心O₁₄；第五步，参照上述步骤求得所画第i个圆处深孔截面的圆心：O_i1、O_i2、O_i3、O_i4，i的值为1、2、3...n+1；第六步，求一个能够包容O_i1、O_i2、O_i3、O_i4且直径最小的圆柱，根据该圆柱的直径求得所测工件(4)的深孔直线度，利用MATLAB进行拟合。