CN105737746A - 圆形壳体的壁厚测量装置与测量方法 - Google Patents

圆形壳体的壁厚测量装置与测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种圆形壳体的壁厚测量装置，包括基座；位于基座上的用于承载被测壳体的旋转台，该旋转台被设置成可绕其中轴线旋转；位于基座上的立柱，该立柱被设置成在一第一安装位置可转动地连接到基座；角度调整机构，被设置用于调节立柱相对于基座的角度，该角度调整机构的一端连接在立柱上，另一端在一第二安装位置连接到基座；立柱上还设置有可沿着立柱纵长方向移动的第一测量臂和第二测量臂，第一测量臂与第二测量臂等长并且设置两个测距模块，采用间接测量法测量壁厚。本发明的壁厚测量装置可以使圆形壳体的壁厚检测自动化，具有更高的测量准确度和测量效率，且可以有效减少测量盲区。

Description

圆形壳体的壁厚测量装置与测量方法
技术领域
本发明涉及测量设备技术领域，具体而言涉及一种外形为圆柱形或圆锥形壳体的壁厚测量装置与测量方法。
背景技术
在航天、机械等制造领域，圆形壳体的加工制造较为广泛，涉及铸造、钣金和精加工等工艺流程。为使壳体具有较强的刚度、较轻的重量及良好的可加工性，需要测量壳体的壁厚值，将其控制在一定的公差范围内。
目前，操作人员主要使用超声波测厚仪逐点测量壳体壁厚值。在测量过程中，需要不断蘸涂耦合剂，测量效率低下，而且不同人员测量结果差异较大；同时由于人工测量点数较为有限，难以覆盖壳体的全部表面，容易存在检测盲区。
发明内容
针对现有技术中超声波测厚仪测量壳体壁厚值效率低下、存在检测盲区的问题，本发明旨在提出一种壁厚测量装置与方法，采用非接触式扫描法实现壳体壁厚的自动化快速测量。
本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。
为达成上述目的，本发明提出一种圆形壳体的壁厚测量装置，包括：
基座；
位于基座上的用于承载被测壳体的旋转台，该旋转台被设置成可绕其中轴线旋转；
位于基座上的立柱，该立柱被设置成在一第一安装位置可转动地连接到所述基座；
角度调整机构，被设置用于调节立柱相对于基座的角度，该角度调整机构的一端连接在所述立柱上，另一端在一第二安装位置连接到所述基座；
其中，所述立柱上还设置有可沿着立柱纵长方向移动的第一测量臂和第二测量臂，第一测量臂与第二测量臂等长，并且在第一测量臂临近基座的一端设置第一测距模块，在第二测量臂临近基座的一端设置第二测距模块。
进一步的实施例中，所述角度调整机构包括铰接到立柱的第一螺杆、铰接到基座的第二螺杆、套装在第一螺杆、第二螺杆上的螺套以及操作手柄，该操作手柄被设置成供操作驱动第一螺杆和/或第二螺杆的运动以调整立柱的倾斜角度。
进一步的实施例中，所述角度调整机构包括铰接到立柱的第一连杆、铰接到基座的第二连杆、驱动第一连杆和/或第一连杆的电机以及用于控制电机运行的控制开关，所述电机被设置成受控制开关的操作控制驱动第一连杆和/或第一连杆运动以调整立柱的倾斜角度。
进一步的实施例中，所述回转台包括圆盘形本体以及在圆盘形本体径向上设置的多个支撑架，所述支撑架的外端延伸超出圆盘形本体的外周边缘。
根据本发明的改进，还提出一种基于前述测量装置的圆形壳体壁厚测量方法，包括以下步骤：
步骤1、在被测壳体放置在回转台上之后，根据被测壳体的类型控制角度调整机构来调整立柱相对基座的角度；
步骤2、使所述第一测量臂和第二测量臂中的一者伸入到被测壳体的内部，另一者位于被测壳体的外部相对的位置；
步骤3、控制所述回转台旋转，所述第一测距模块与第二测距模块分别测量其到被测壳体表面的距离，并将测量数据传输至一处理终端；
步骤4、处理终端基于第一测距模块与第二测距模块的距离以及第一测距模块与第二测距模块传输的距离数据进行做差处理，得到被测壳体的一横截面的壁厚。
由以上技术方案可知，与现有技术相比，本发明的壳体壁厚测量方法与装置，基于测距传感器例如激光测距模块、超声测距模块，使用伺服控制技术，采用非接触扫描法实现壳体壁厚值的高精度快速自动化测量。在壳体内外，两个安装于壳体法线方向上的传感器同时测量出自身到壳体表面的距离，与两传感器距离之差即为该点处壳体的壁厚值；还可分别控制实现测距传感器在壳体母线方向上的直线运动和壳体沿自身中轴的回转运动，即可实现对壳体壁厚值的自动化测量以及全面评价。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是根据本发明某些实施例的圆形壳体壁厚测量原理示意图。
图2是根据本发明某些实施例的圆形壳体壁厚测量装置的示意图。
图3是根据本发明某些实施例的角度调整机构的结构示意图。
图4是根据本发明某些实施例的回转台的结构示意图。
图5是根据本发明某些实施例的圆形壳体壁厚测量装置测量圆柱形壳体时的示意图。
图6是根据本发明某些实施例的圆形壳体壁厚测量装置测量圆锥形壳体时的示意图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
结合图1所示，根据本发明的实施例，一种采用间接测量法的圆形壳体的壁厚测量装置，使用两个传感器例如激光测距模块、超声测距模块同时测量传感器自身到圆形壳体的内外表面的距离，并基于下述公式(1)计算得出壳体壁厚值。
图1中，标号A为第一个传感器，标号B为第二个传感器，标号C为被测圆形壳体。
h＝l-l1-l2(1)
式中，h-壳体壁厚值；
l-两传感器之间的距离；
l1、l2-两个传感器到壳体内外表面的距离。
在使用激光测距模块作为传感器时，基于激光三角法测距原理，为非接触式测量，测量精度可达到微米级，容易实现自动快速精密测量。
前述公式中，两传感器之间的距离l可以通过事先标定的方式确定，可以认为是一个已知的量，因此我们在测量时仅需要测得两个传感器与壳体内外表面的距离即可。
结合图2、图3和图4的测量装置的示例，壁厚测量装置具有一基座1、旋转台2、立柱3、角度调整机构4。
旋转台2位于基座上，用于承载被测壳体100，该旋转台2被设置成可绕其中轴线旋转。
立柱3安装在基座上的，该立柱3被设置成在基座上的第一安装位置1-1可转动地连接到所述基座1。
角度调整机构4，被设置用于调节立柱3相对于基座1的角度，该角度调整机构3的一端连接在所述立柱3上，另一端在基座的第二安装位置1-2连接到所述基座1。
如图2所示，立柱3上还设置有可沿着立柱纵长方向移动的第一测量臂6和第二测量臂8，第一测量臂6与第二测量臂8等长，并且在第一测量臂6临近基座1的一端设置第一测距模块7，在第二测量臂8临近基座1的一端设置第二测距模块9。
结合图5、图6，通过第一测距模块7和第二测距模块9测得的各自到被测壳体的距离，利用前述公式(1)即可得到被测壳体的壁厚。
在一些实施例中，第一测距模块7、第二测距模块9均采用激光测距模块、超声测距模块中的一种。为方便说明，在本公开的下述实施例中将以激光测距模块进行说明。
如此，结合图1、图2所示，基于前述测量装置的圆形壳体壁厚测量方法，其大致通过下述过程来实现壁厚的测量：在被测壳体放置在回转台上之后，即可根据被测壳体的类型控制角度调整机构来调整立柱相对基座的角度；然后，使所述第一测量臂和第二测量臂中的一者伸入到被测壳体的内部，另一者位于被测壳体的外部相对的位置；再控制所述回转台旋转，所述第一测距模块与第二测距模块分别测量其到被测壳体表面的距离，并将测量数据传输至一处理终端；处理终端基于第一测距模块与第二测距模块的距离以及第一测距模块与第二测距模块传输的距离数据进行做差处理，得到被测壳体的一横截面的壁厚。
结合图2，立柱3上设置有沿着纵长方向的竖直导轨3-1，第一测量臂6与第二测量臂8可沿该竖直导轨3-1在竖直方向移动，如此带动第一测距模块7与第二测距模块9在竖直方向移动，在以下的内容将更加详细描述的，通过第一测距模块7与第二测距模块9的竖直方向的移动，一方面便于在测量前将被测壳体100移动到测量范围内，另一方面可在测量时进行连续的测量，获得壳体的不同横截面的厚度数据。
利用第二测量臂上测距模块的数据来计算壳体的各个截面的圆度值，圆度的评定方法可以采用最小区域圆法、最小二乘圆法、最小外接圆法和最大内切圆法四种，具体方法可采用现有技术中已有的计算流程实现。
结合图2所示，为了减少整个测量过程的系统误差，同时便于同步控制，第一测量臂6与第二测量臂6之间通过梁连接固定，如此使得二者共梁，并且可通过一套伺服电机控制来保持同步的运动。
结合图2、图5所示，立柱3被设置成通过铰链10连接到所述基座1上，该铰链位于所述第一安装位置1-1。如此，立柱3在经由角度调整机构4调整其倾斜角度时，例如通过角度调整机构4整体长度的伸缩，可灵活地调整立柱3相对于基座1的角度。
结合图6所示，对于圆锥形壳体的厚度测量，立柱3的角度需要进行调整，通过角度调整机构4使立柱3与被测壳体的母线方向平行即可开始测量。
结合图2，在图3所示的示例中，角度调整机构4包括铰接到立柱3的第一螺杆4-1、铰接到基座1的第二螺杆4-2、套装在第一螺杆4-1和第二螺杆4-2上的螺套4-3以及操作手柄4-4，该操作手柄4-4被设置成供用户操作以驱动第一螺杆4-1和/或第二螺杆4-2的运动以调整立柱3的倾斜角度。例如，操作人员/用户通过转动操作手柄4-4，使两根螺杆(4-1、4-2)同时旋进或旋出螺套4-3，实现角度调整机构4整体长度的伸缩，进而实现立柱3倾斜角度的调整。
在另一些实施例中，角度调整机构4还可以通过电机驱动的方式来实现对立柱3角度的调整。在一些示例中，角度调整机构4包括铰接到立柱的第一连杆、铰接到基座的第二连杆、驱动第一连杆和/或第一连杆的电机以及用于控制电机运行的控制开关，该电机被设置成受控制开关的操作控制驱动第一连杆和/或第一连杆运动以调整立柱的倾斜角度。
在图4的示例中，回转台2包括圆盘形本体2-1以及在圆盘形本体2-1径向上设置的多个支撑架2-2，所述支撑架2-2的外端延伸超出圆盘形本体2-1的外周边缘。如此，通过回转台上安装的伸出本体的支撑架，以适应不同尺寸大小的被测壳体的壁厚检测。
在另一些实施例中，回转台2上还可以可安装不同规格的支撑架2-2，以适应不同直径尺寸的壳体。
结合图2，优选地，基座1上还设置有水平导轨1-3，所述回转台2被设置成可在该水平导轨内沿基座纵长方向水平移动。
结合图2、图5、图6所示，在优选的例子中，立柱3与基座1上分别安装了水平导轨和竖直导轨，立柱3与基座1二者通过铰链连接在一起。角度调整机构4通过铰链与立柱与基座连接，以实现立柱的倾斜角度调整。
水平导轨1-3、竖直导轨3-1与回转台2均采用伺服电机进行自动控制，可以设计自动控制和电路按键控制两种模式。在一些实施例中，通过伺服电机的运动参数还可以计算获得水平导轨、竖直导轨以及回转台的实时位置。
在另一些实施例中，水平导轨、竖直导轨以及回转台的运动位置，还可以通过加装球栅尺或者角度编码器的方式来进行位置信息的获取，替代前述的计算方法。
如图5、图6所示，结合前述内容公开的测量装置的描述，在进行圆柱形壳体、圆锥形壳体的壁厚测量时，将第一测量臂6与第二测量臂8移动到最高处(即将两个传感器向上移动以让开移动空间容许被测壳体100吊装到回转台2)，回转台2沿着水平导轨移动到最外端，将被测壳体吊装到回转台上后，移动回转台使壳体处于两个传感器的测量范围内；如果是圆柱形壳体的测量，将第一测量臂6与第二测量臂8下移使两个传感器伸入到壳体的内外表面，可以直接开始测量；如果是圆锥形壳体的测量，则通过角度调整机构4调节立柱3的倾斜角度，使立柱3与被测壳体的母线方向平行即可开始测量。
在进行测量时，可以控制第一测量臂6和第二测量臂8沿着立柱3的竖直方向移动使得两个测距模块向下移动到另一横截面，利用前述方法得到被测壳体的另一横截面的壁厚。
本发明的测量过程还可以是以第一测距模块与第二测距模块移动到被测壳体上端后开始第一次测量，建立以被测壳体上端面为原点的柱坐标系。如此，以获得整个被测壳体的不同横截面的全部壁厚数据，利于后续的分析与处理。如下表格为柱坐标系的一些数据示意，Th值表示壁厚值。
0° 1° 2° 3° 4° 5° 6° ～～
0 Th值 Th值 Th值 Th值 Th值 Th值 Th值 Th值
10 Th值 Th值 Th值 Th值 Th值 Th值 Th值 Th值
20 Th值 Th值 Th值 Th值 Th值 Th值 Th值 Th值
30 Th值 Th值 Th值 Th值 Th值 Th值 Th值 Th值
～～ Th值 Th值 Th值 Th值 Th值 Th值 Th值 Th值
在一些实施例中，例如，以被测壳体的上端面为原点，设置被测壳体的所有待测截面的高度值和每个截面的测量点数后，利于本发明的壁厚测量装置即可自动完成该被测壳体所有截面的壁厚值测量。第一测量臂6和第二测量臂8移动到待测高度截面后停止，回转台旋转一圈，该截面测量完成；第一测量臂6和第二测量臂8继续移动到下一个截面测量，直至测量完毕。
综上所述，结合以上公开内容的壁厚测量装置，相对于现有的测厚仪来说，本发明所设计的壁厚测量装置，可以使圆形壳体的壁厚检测实现机械自动化，具有更高的测量准确度和超高的测量效率，且可以有效减少测量盲区。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (12)

1.一种圆形壳体的壁厚测量装置，其特征在于，该壁厚测量装置包括：
基座；
位于基座上的用于承载被测壳体的旋转台，该旋转台被设置成可绕其中轴线旋转；
位于基座上的立柱，该立柱被设置成在一第一安装位置可转动地连接到所述基座；
角度调整机构，被设置用于调节立柱相对于基座的角度，该角度调整机构的一端连接在所述立柱上，另一端在一第二安装位置连接到所述基座；
其中，所述立柱上还设置有可沿立柱纵长方向移动的第一测量臂和第二测量臂，第一测量臂与第二测量臂等长，并且在第一测量臂临近基座的一端设置第一测距模块，在第二测量臂临近基座的一端设置第二测距模块。
2.根据权利要求1所述的圆形壳体的壁厚测量装置，其特征在于，所述立柱上设置有沿着纵长方向的竖直导轨，第一测量臂与第二测量臂可沿该竖直导轨在竖直方向移动。
3.根据权利要求1所述的圆形壳体的壁厚测量装置，其特征在于，所述第一测量臂与第二测量臂之间通过梁连接固定。
4.根据权利要求1所述的圆形壳体的壁厚测量装置，其特征在于，所述第一测距模块、第二测距模块均采用激光测距模块、超声测距模块中的一种。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的圆形壳体的壁厚测量装置，其特征在于，所述立柱被设置成通过铰链连接到所述基座上，该铰链位于所述第一安装位置。
6.根据权利要求1所述的圆形壳体的壁厚测量装置，其特征在于，所述角度调整机构包括铰接到立柱的第一螺杆、铰接到基座的第二螺杆、套装在第一螺杆、第二螺杆上的螺套以及操作手柄，该操作手柄被设置成供操作驱动第一螺杆和/或第二螺杆的运动以调整立柱的倾斜角度。
7.根据权利要求1所述的圆形壳体的壁厚测量装置，其特征在于，所述角度调整机构包括铰接到立柱的第一连杆、铰接到基座的第二连杆、驱动第一连杆和/或第一连杆的电机以及用于控制电机运行的控制开关，所述电机被设置成受控制开关的操作控制驱动第一连杆和/或第一连杆运动以调整立柱的倾斜角度。
8.根据权利要求1所述的圆形壳体的壁厚测量装置，其特征在于，所述回转台包括圆盘形本体以及在圆盘形本体径向上设置的多个支撑架，所述支撑架的外端延伸超出圆盘形本体的外周边缘。
9.根据权利要求1所述的圆形壳体的壁厚测量装置，其特征在于，所述基座上还设置有水平导轨，所述回转台被设置成可在该水平导轨内沿基座纵长方向水平移动。
10.一种基于前述权利要求1-9中任意一项所述壁厚测量装置的圆形壳体壁厚测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1、在被测壳体放置在回转台上之后，根据被测壳体的类型控制角度调整机构来调整立柱相对基座的角度；
步骤2、使所述第一测量臂和第二测量臂中的一者伸入到被测壳体的内部，另一者位于被测壳体的外部相对的位置；
步骤3、控制所述回转台旋转，所述第一测距模块与第二测距模块分别测量其到被测壳体表面的距离，并将测量数据传输至一处理终端；
步骤4、处理终端基于第一测距模块与第二测距模块的距离以及第一测距模块与第二测距模块传输的距离数据进行做差处理，得到被测壳体的一横截面的壁厚。
11.根据权利要求10所述的圆形壳体壁厚测量方法，其特征在于，前述方法更加包含以下步骤：
控制所述第一测量臂和第二测量臂沿着立柱的竖直方向移动使得第一测距模块与第二测距模块向下移动到另一横截面，利用前述步骤3和步骤4的方法得到被测壳体的另一横截面的壁厚。
12.根据权利要求11所述的圆形壳体壁厚测量方法，其特征在于，前述方法更加包含以下步骤：
建立以被测壳体上端面为原点的横截面的壁厚数据的柱坐标系。
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