CN106949856B - 一种基于psd的深孔直线度测量机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于PSD的深孔直线度测量机器人，包括行进机构、深孔自定心机构、激光测量头、光电处理系统以及PSD位置调节机构；深孔自定心机构包括套筒、端盖、六根支撑测量杆、两个锥形圆台、压簧以及定心轴；行进机构用于推动深孔自定心机构沿深孔行进；激光测量头安装定心轴的另一端上；光电处理系统用于采集激光测量头的激光信号，PSD位置调节机构用于调节光电处理系统的受光位置。该深孔直线度测量机器人实现了一个双向对称的楔形弹性支撑机构，实现支撑测量杆端部的滑动支撑，并能够在支撑测量杆沿径向窜动时推动锥形圆台沿定心轴滑动，适应孔径的变化，且始终保持孔的中心线与定心轴的中心线共线，从而适应量深孔、盲孔的直线度测量。
Description
技术领域
本发明涉及自动检测装置，尤其是一种基于PSD的深孔直线度测量机器人。
背景技术
车、飞机、轮船、石油设备和大型医疗器械中都存在着直径不一的深孔。这些孔类零件的加工、检测技术直接影响着零件深孔参数精度。而直线度测量是孔径几何计量中的基本项目，是孔径圆度、同轴度测量的基础，在生产中受到高度重视。
深孔直线度误差是指孔径实际轴线对理想轴线的偏离量。目前，传统的孔径直线度测量方法主要有直线度塞规、卡规，臂杆法，感应式应变片等方法，这类量方法属于接触式测量，其操作不便，精度难以保证，人为影响因素很大。而且，对于孔深与直径比大于5的深孔或超深孔零件，测试更加不便。而基于光电原理的扫描式测量法、利用超声波的反转测量法、基于电容原理的小孔测试法都属于现代的非接触式测量法，能够自动控制，但无法测量深孔、盲孔的直线度参数。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有的非接触式测量法无法测量深孔、盲孔的直线度参数。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于PSD的深孔直线度测量机器人，包括行进机构、深孔自定心机构、激光测量头、光电处理系统以及PSD位置调节机构；深孔自定心机构包括套筒、端盖、六根支撑测量杆、两个锥形圆台、压簧以及定心轴；端盖封盖在套筒的端口处；定心轴沿套筒的轴向贯穿套筒和端盖；两个锥形圆台通过中心处的安装孔套设在定心轴上，并在安装孔内设有定心滚珠；两个锥形圆台的锥底相对，压簧套设在定心轴上且支撑于两个锥形圆台的锥底之间；在两个锥形圆台的锥面上均设有三条滑轨；六根支撑测量杆的一端分别滑动式安装在六条滑轨上，另一端沿套筒的径向伸出套筒外；在定心轴上且位于套筒内底部和端盖内侧面处均设有限位凸圈；行进机构与定心轴的一端对接，用于推动深孔自定心机构沿深孔行进；激光测量头安装定心轴的另一端上；光电处理系统安装在PSD位置调节机构上，光电处理系统用于采集激光测量头的激光信号，PSD位置调节机构用于调节光电处理系统的受光位置。
采用端盖和套筒的设置能够方便拆卸维护；采用两个锥形圆台、压簧以及定心轴的设计能够实现一个双向对称的楔形弹性支撑机构，实现支撑测量杆端部的滑动支撑，并能够在支撑测量杆沿径向窜动时推动锥形圆台沿定心轴滑动，适应孔径的变化，且始终保持孔的中心线与定心轴的中心线共线；采用压簧能够始终确保支撑测量杆端部支撑在孔内壁上，确保稳定性的同时，也能够防止偏心；采用步进电机的正反转能够控制深孔自定心机构的进退，从而适应量深孔、盲孔的直线度测量。
作为本发明的进一步限定方案，支撑测量杆由支撑端头、固定连杆、三角支撑块以及滑块组成；滑块扣于滑轨上，并可沿滑轨来回滑动；固定连杆固定设置在三角支撑块上，三角支撑块固定设置在滑块上；支撑端头的一端螺纹安装在固定连杆的端部上，另一端设有行进滚珠。采用支撑端头与固定连杆的可拆卸安装，能够满足不同孔径的测量更换需求，增强普适性能；采用三角支撑块实现锥形圆台坡面与固定连杆径向方向的转换。
作为本发明的进一步限定方案，行进机构包括旋转头和驱动体；旋转头由旋转筒以及设置在旋转筒外圆周上用于在深孔内壁上螺旋行走的行走驱动滚轮组成；驱动体由外壳、步进电机、电机驱动模块、电源以及设置在外壳外圆周上用于沿深孔轴向直线行走的导向轮；步进电机、电机驱动模块以及电源均设置于外壳内；步进电机的输出轴伸出外壳外安装在旋转筒的轴心处；电源分别为步进电机以及电机驱动模块供电；电机驱动模块驱动步进电机转动。采用行走驱动滚轮能够在旋转筒转动时实现沿旋转筒轴向的推动力；采用导向轮能够在旋转筒沿轴向行走时确保外壳不会跟随旋转，且便于沿向行走，确保外壳的维持在中心处。
作为本发明的进一步限定方案，锥形圆台锥面上的三条滑轨呈120度间隔分布。采用呈120度间隔分布确保锥形圆台锥面上受理均匀。
作为本发明的进一步限定方案，激光测量头包括安装柱头和激光发射器；安装柱头的一端旋合在定心轴上，另一端设有安装插孔；激光发射器插装在安装插孔上。采用激光发射器的插装以及安装柱头的螺纹安装方便更换。
作为本发明的进一步限定方案，PSD位置调节机构包括底板、平移板、L形板、背板、X向调节螺栓、Y向调节螺栓以及Z向调节螺栓；在平移板的底部设有X向滑槽；在底板上设有嵌于X向滑槽内的X向固定块；X向调节螺栓沿X向滑槽旋合在平移板上，且端部转动式安装在X向固定块上；在L形板的水平板底部设有Y向滑槽，在平移板上设有嵌于Y向滑槽内的Y向固定块；Y向调节螺栓沿Y向滑槽旋合在L形板的水平板上，且端部转动式安装在Y向固定块上；在背板的背面设有Z向滑槽；在L形板的竖向板上设有嵌于Z向滑槽内的Z向固定块；Z向调节螺栓沿Z向滑槽旋合在背板上，且端部转动式安装在Z向固定块上；背板用于安装光电处理系统的四象限光电探测器。采用X向调节螺栓、Y向调节螺栓以及Z向调节螺栓能够实现三个方向的位置调节。
作为本发明的进一步限定方案，光电处理系统包括四象限光电探测器、数据采集器以及计算机；数据采集器连接在四象限光电探测器与计算机之间，将四象限光电探测器的光电信号采集传输至计算机；四象限光电探测器安装在PSD位置调节机构上。
本发明的有益效果在于：采用端盖和套筒的设置能够方便拆卸维护；采用两个锥形圆台、压簧以及定心轴的设计能够实现一个双向对称的楔形弹性支撑机构，实现支撑测量杆端部的滑动支撑，并能够在支撑测量杆沿径向窜动时推动锥形圆台沿定心轴滑动，适应孔径的变化，且始终保持孔的中心线与定心轴的中心线共线；采用压簧能够始终确保支撑测量杆端部支撑在孔内壁上，确保稳定性的同时，也能够防止偏心；采用步进电机的正反转能够控制深孔自定心机构的进退，从而适应量深孔、盲孔的直线度测量。
附图说明
图1为本发明的孔内机构结构示意图；
图2为本发明的空外机构结构示意图；
图3为本发明的行进机构结构示意图；
图4为本发明的深孔自定心机构结构示意图；
图5为本发明的激光测量头结构示意图；
图6为本发明的PSD位置调节机构结构示意图；
图7为本发明的光电处理系统结构示意图。
图中:1、行进机构，2、深孔自定心机构，3、激光测量头，4、光电处理系统，5、PSD位置调节机构，6、行走驱动滚轮，7、旋转筒，8、步进电机，9、导向轮，10、电源，11、控制线，12、电机驱动模块，13、套筒，14、端盖，15、支撑端头，16、三角支撑块，17、滑块，18、锥形圆台，19、滑轨，20、固定连杆，21、定心轴，22、压簧，23、定心滚珠，24、安装柱头，25、螺纹孔，26、激光发射器，27、平移板，28、L形板，29、背板，30、Y向调节螺栓，31、X向调节螺栓，32、Z向调节螺栓，33、四象限光电探测器，34、数据采集器，35、计算机，36、底板。
具体实施方式
如图1-7所示，本发明公开了一种基于PSD的深孔直线度测量机器人包括：行进机构1、深孔自定心机构2、激光测量头3、光电处理系统4以及PSD位置调节机构5。
其中，深孔自定心机构2包括套筒13、端盖14、六根支撑测量杆、两个锥形圆台18、压簧22以及定心轴21；端盖14封盖在套筒13的端口处；定心轴21沿套筒13的轴向贯穿套筒13和端盖14；两个锥形圆台18通过中心处的安装孔套设在定心轴21上，并在安装孔内设有定心滚珠23；两个锥形圆台18的锥底相对，压簧22套设在定心轴21上且支撑于两个锥形圆台18的锥底之间；在两个锥形圆台18的锥面上均设有三条滑轨19；锥形圆台18锥面上的三条滑轨19呈120度间隔分布；六根支撑测量杆的一端分别滑动式安装在六条滑轨19上，另一端沿套筒13的径向伸出套筒13外；在定心轴21上且位于套筒13内底部和端盖14内侧面处均设有限位凸圈；行进机构1与定心轴21的一端对接，用于推动深孔自定心机构2沿深孔行进；激光测量头3安装定心轴21的另一端上；光电处理系统4安装在PSD位置调节机构5上，光电处理系统4用于采集激光测量头3的激光信号，PSD位置调节机构5用于调节光电处理系统4的受光位置。
如图4所示，支撑测量杆由支撑端头15、固定连杆20、三角支撑块16以及滑块17组成；滑块17扣于滑轨19上，并可沿滑轨19来回滑动；固定连杆20固定设置在三角支撑块16上，三角支撑块16固定设置在滑块17上；固定连杆20贯穿套筒13，并始终沿套筒13的径向窜动；支撑端头15的一端螺纹安装在固定连杆20的端部上，另一端设有行进滚珠。
如图3所示，行进机构1包括旋转头和驱动体；旋转头由旋转筒7以及设置在旋转筒7外圆周上用于在深孔内壁上螺旋行走的行走驱动滚轮6组成；行走驱动滚轮6共有三个，间隔设置在旋转筒7的外圆周上；行走驱动滚轮6的轮轴向与旋转筒7的轴心线成75度~85度的角度，使得旋转筒7在旋转时，行走驱动滚轮6在深孔内壁上螺旋行走，从而反作用至旋转筒7形成沿旋转筒7轴心线的推力；驱动体由外壳、步进电机8、电机驱动模块12、电源10以及设置在外壳外圆周上用于沿深孔轴向直线行走的导向轮9；导向轮9共有三个，间隔设置在外壳的外圆周上；导向轮9的轮轴向与外壳的轴心线相垂直，外壳的轴心线与旋转筒7的轴心线共线；行走驱动滚轮6和导向轮9均为可拆卸的螺纹安装，且轮面均具有一定的弹性力；步进电机8、电机驱动模块12以及电源10均设置于外壳内；步进电机8的输出轴伸出外壳外安装在旋转筒7的轴心处；电源10分别为步进电机8以及电机驱动模块12供电；电机驱动模块12通过控制线11驱动步进电机8转动。
如图5所示，激光测量头3包括安装柱头24和激光发射器26；安装柱头24的一端通过螺纹孔25旋合在定心轴21上，另一端设有安装插孔；激光发射器26插装在安装插孔上；
如图6所示，PSD位置调节机构5包括底板36、平移板27、L形板28、背板29、X向调节螺栓31、Y向调节螺栓30以及Z向调节螺栓32；在平移板27的底部设有X向滑槽；在底板36上设有嵌于X向滑槽内的X向固定块；X向调节螺栓31沿X向滑槽旋合在平移板27上，且端部转动式安装在X向固定块上；在L形板28的水平板底部设有Y向滑槽，在平移板27上设有嵌于Y向滑槽内的Y向固定块；Y向调节螺栓30沿Y向滑槽旋合在L形板28的水平板上，且端部转动式安装在Y向固定块上；在背板29的背面设有Z向滑槽；在L形板28的竖向板上设有嵌于Z向滑槽内的Z向固定块；Z向调节螺栓32沿Z向滑槽旋合在背板29上，且端部转动式安装在Z向固定块上；背板29的正面用于安装光电处理系统4的四象限光电探测器33。
如图7所示，光电处理系统4包括四象限光电探测器33、数据采集器34以及计算机35；数据采集器34连接在四象限光电探测器33与计算机35之间，将四象限光电探测器33的光电信号采集传输至计算机35；四象限光电探测器33安装在PSD位置调节机构5上，通过计算机35上安装的上位机软件对数据采集器34采集的光电数据进行数据处理，从而获得光点的实时坐标位置，并进行存储供后期分析。
本发明的基于PSD的深孔直线度测量机器人在使用时，首先根据深孔的孔径旋转合适的行走驱动滚轮6、导向轮9、支撑端头15以及激光发射器26进行安装；开始测量时，由电机驱动模块12驱动步进电机8进行正反转的相应控制，如为盲孔需要反转控制，使得激光发射器26沿孔口射出激光，如为通孔，则正转控制或反转控制均可以；在孔径变化时，由支撑测量杆推动两个锥形圆台18向中心压缩压簧22，在压簧22的作用下始终确保弹性支撑，且深孔的轴心线与旋转筒7的轴心线共线；调节X向调节螺栓31、Y向调节螺栓30以及Z向调节螺栓32使激光的光点在四象限光电探测器33的中心处，在测量过程中由于深孔线性度的变化使得光点移动，四象限光电探测器33实时将接收的光信号通过数据采集器34进行采集，再由计算机35上安装的上位机软件对数据采集器34采集的光电数据进行数据处理，从而获得光点的实时坐标位置，并进行存储供后期分析。
Claims (5)
1.一种基于PSD的深孔直线度测量机器人，其特征在于：包括行进机构（1）、深孔自定心机构（2）、激光测量头（3）、光电处理系统（4）以及PSD位置调节机构（5）；深孔自定心机构（2）包括套筒（13）、端盖（14）、六根支撑测量杆、两个锥形圆台（18）、压簧（22）以及定心轴（21）；端盖（14）封盖在套筒（13）的端口处；定心轴（21）沿套筒（13）的轴向贯穿套筒（13）和端盖（14）；两个锥形圆台（18）通过中心处的安装孔套设在定心轴（21）上，并在安装孔内设有定心滚珠（23）；两个锥形圆台（18）的锥底相对，压簧（22）套设在定心轴（21）上且支撑于两个锥形圆台（18）的锥底之间；在两个锥形圆台（18）的锥面上均设有三条滑轨（19）；六根支撑测量杆的一端分别滑动式安装在六条滑轨（19）上，另一端沿套筒（13）的径向伸出套筒（13）外；在定心轴（21）上且位于套筒（13）内底部和端盖（14）内侧面处均设有限位凸圈；行进机构（1）与定心轴（21）的一端对接，用于推动深孔自定心机构（2）沿深孔行进；激光测量头（3）安装定心轴（21）的另一端上；光电处理系统（4）安装在PSD位置调节机构（5）上，光电处理系统（4）用于采集激光测量头（3）的激光信号，PSD位置调节机构（5）用于调节光电处理系统（4）的受光位置；
行进机构（1）包括旋转头和驱动体；旋转头由旋转筒（7）以及设置在旋转筒（7）外圆周上用于在深孔内壁上螺旋行走的行走驱动滚轮（6）组成；驱动体由外壳、步进电机（8）、电机驱动模块（12）、电源（10）以及设置在外壳外圆周上用于沿深孔轴向直线行走的导向轮（9）；步进电机（8）、电机驱动模块（12）以及电源（10）均设置于外壳内；步进电机（8）的输出轴伸出外壳外安装在旋转筒（7）的轴心处；电源（10）分别为步进电机（8）以及电机驱动模块（12）供电；电机驱动模块（12）驱动步进电机（8）转动；锥形圆台（18）锥面上的三条滑轨（19）呈120度间隔分布。
2.根据权利要求1所述的基于PSD的深孔直线度测量机器人，其特征在于：支撑测量杆由支撑端头（15）、固定连杆（20）、三角支撑块（16）以及滑块（17）组成；滑块（17）扣于滑轨（19）上，并可沿滑轨（19）来回滑动；固定连杆（20）固定设置在三角支撑块（16）上，三角支撑块（16）固定设置在滑块（17）上；支撑端头（15）的一端螺纹安装在固定连杆（20）的端部上，另一端设有行进滚珠。
3.根据权利要求1所述的基于PSD的深孔直线度测量机器人，其特征在于：激光测量头（3）包括安装柱头（24）和激光发射器（26）；安装柱头（24）的一端旋合在定心轴（21）上，另一端设有安装插孔；激光发射器（26）插装在安装插孔上。
4.根据权利要求1所述的基于PSD的深孔直线度测量机器人，其特征在于：PSD位置调节机构（5）包括底板（36）、平移板（27）、L形板（28）、背板（29）、X向调节螺栓（31）、Y向调节螺栓（30）以及Z向调节螺栓（32）；在平移板（27）的底部设有X向滑槽；在底板（36）上设有嵌于X向滑槽内的X向固定块；X向调节螺栓（31）沿X向滑槽旋合在平移板（27）上，且端部转动式安装在X向固定块上；在L形板（28）的水平板底部设有Y向滑槽，在平移板（27）上设有嵌于Y向滑槽内的Y向固定块；Y向调节螺栓（30）沿Y向滑槽旋合在L形板（28）的水平板上，且端部转动式安装在Y向固定块上；在背板（29）的背面设有Z向滑槽；在L形板（28）的竖向板上设有嵌于Z向滑槽内的Z向固定块；Z向调节螺栓（32）沿Z向滑槽旋合在背板（29）上，且端部转动式安装在Z向固定块上；背板（29）用于安装光电处理系统（4）的四象限光电探测器（33）。
5.根据权利要求1所述的基于PSD的深孔直线度测量机器人，其特征在于：光电处理系统（4）包括四象限光电探测器（33）、数据采集器（34）以及计算机（35）；数据采集器（34）连接在四象限光电探测器（33）与计算机（35）之间，将四象限光电探测器（33）的光电信号采集传输至计算机（35）；四象限光电探测器（33）安装在PSD位置调节机构（5）上。
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