CN107052909A - 一种钻孔垂直度监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻孔垂直度监测系统，属于机械加工技术领域。现有的垂直检测系统无法应用于球面、柱面以及不规则曲面的高精度的垂直检测。为此，本发明采用高精度的激光测距模块，利用正交对称的结构，实现了平面、球面、柱面以及不规则曲面上钻孔垂直度的监测。本发明通过测量钻枪上对应对称点到待加工曲面的距离值，得到钻枪的垂直度情况，具有结构简单、尺寸小、反应迅速、灵敏度高等特点。

Description

一种钻孔垂直度监测系统

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，具体涉及一种钻孔垂直度监测系统。

背景技术

在机械加工领域，钻孔是一个简单而又常见的工序，在大多数情况下，通过肉眼可以大致辨别钻孔垂直度，然而在曲面上进行垂直打孔，由于曲面具有不规则性，靠肉眼去辨别垂直度就很难满足机械加工精度的要求。而且在精密机械加工领域，由于机床在对高精度的零部件进行钻孔时本身就需要很高的垂直精度，又因为零件钻孔表面各种不规则性，导致很难钻出高精度的垂直孔，这时，肉眼辨别钻孔垂直度已经不能够满足加工精度。为此，许多小型制造商需要购买昂贵的的高精度的数控机床或者测量设备来进行高精度打孔操作。然而对一些中小型制造厂家而言，可能对此类高精度零件数量需求不大，购买昂贵高精度的数控设备会带来一笔大额的开销，这样会拖延制造商资金的周转，加大投资成本。如果考虑去找别的工厂代工，虽然能够满足生产需求，却会带来高额的代工费、运输费等开销，同时还会延长生产周期，费时又费力。现有的很多加工设备无法满足垂直钻孔加工的高精度需求，因此机械加工中常用工具都是专用夹具，然而专用夹具是指专为某一工件的某道工序而专门设计的夹具，通过一组互相垂直的定位板固定的定位块将需要加工的工件首先进行确定位置，同时一组定位板上分别有两个预留孔方便固定膛刀端头出入，再通过型槽定位板将待加工工件卡紧进行加工。但是此类夹具具有一次性使用、高成本，可移植性差、制作繁琐等缺点，不满足高效低成本的生产理念，对于小规模生产来说实施效果一般。

此外，现在很多便携式钻枪存在于家庭中，用来家具固定打孔以及进行小规模的家庭装修。对于很多没有使用过钻枪的普通人，在墙上或者在具有不规则平面的家具上打出垂直孔是很难实现的，而目前又没有一个简单、便捷、一键监测垂直度的设备，这样就加大了家庭打垂直孔的难度。

所以此类问题普遍存在于机械加工领域和家庭日常生活中，本发明可以最大限度的发挥已有的操作加工能力和设备资源，具有高效率、体积小，精度高、操作便捷等特点，可以大幅度压缩钻孔操作的加工成本和加工周期，而且又保证了钻孔质量，满足了绝大多数生产者和家庭中的需求。

发明内容

针对上述现有技术，本发明目的在于提供一种钻孔垂直度监测系统，解决现有技术不能适用多种待加工曲面、无法准确确定倾斜方向且在缺乏待加工平面上额外辅助装置时不能实现当前钻进方向垂直度监测等技术问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于检测倾斜方向的钻进方向监测系统，包括：

第一传感器模块，包括三个测距传感器，三个测距传感器安装于钻枪、三个安装位置点不共线且任意两个安装位置点和待加工曲面上钻孔点三点不共线，三个测距传感器采集其各自安装位置点到在待加工曲面上对应投影点的三个距离量，投影面方式应属于本方案范围内，三个距离向量可以合为面投影距离向量；

第一控制系统，接收第一传感器模块所采集的三个距离量，由三个距离量各自变化量输出垂直度且由三个距离量各自变化量与第一预设阈值大小关系选择地输出具有倾斜方向的测量信号。

一种用于精确地检测倾斜方向的钻孔垂直度监测系统，包括：

第二传感器模块，包括至少四个测距传感器，至少四个测距传感器绕钻头轴线间隔地安装于钻枪，至少四个测距传感器采集其各自安装位置点到在待加工曲面上对应投影点的至少四个距离量；

第二控制系统，接收第二传感器模块所采集的至少四个距离量，由至少四个距离量各自变化量输出垂直度且由至少四个距离量各自变化量与第二预设阈值大小关系选择地输出具有精确倾斜方向的测量信号。

上述方案中，所述的第二传感器模块，绕钻头轴线等距间隔地对称安装于钻枪上，每个测距传感器的探测信号输出端在同一个平面内，探测信号输出端所在平面与钻头轴线垂直，同轴对称结构容易找到基准参考位置或者校零简单。

上述方案中，所述的测距传感器，选用激光测距传感器，激光测距传感器出射激光与钻头轴线平行。

上述方案中，所述的第二控制系统，包括：

控制模块，包括可编程逻辑器件或微控制器，通过并行接口、UART接口、SPI接口或I²C接口连接第二传感模块；

上位机，用于设置控制模块参数以及自动化控制；

通信模块，用于控制模块和上位机的数据交互；

显示模块，用于显示垂直度。

一种用于精确地检测倾斜方向的钻孔垂直度监测方法，包括以下步骤：

步骤1、绕钻头轴线等距间隔地对称设置至少四个距离检测器且设置每个距离检测器的探测信号输出端处于同一平面，获得至少四个距离量；

步骤2、将关于转头轴线相对称的两个距离检测器所采集距离量作差，获得变化量；

步骤3、判断每个变化量是否属于误差范围，若任何一个变化量超出误差范围，利用超出误差范围的变化量值特征和该变化量所对应距离检测器的安装位置点确定出倾斜方向，同时提示出现倾斜。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本系统通过至少4个对称的测距模块，即可实现平面、球面、柱面以及不规则曲面的垂直度监测，灵敏度高，适用性广；

本系统通过对称位置测距模块与曲面的距离，计算得到钻枪的垂直度，系统简洁，反应迅速，可以高效准确地提供垂直度的实时高精度监测；

本系统具有很强的可移植性，与传统垂直定位夹具相比，本监测系统可以安装在不同的机床和钻枪上，能轻松、快速确定钻头与曲面垂直度且易于拆卸，省时省力，节约资源；

本系统具有很强的适用性，在实际加工中可以根据钻孔垂直精度要求，通过上位机设定系统的参数，可以满足在不同精度要求下的钻孔加工，实现用途的多样化；

显著并突出地，实现了当前钻进方向实时监测和通过距离差值找出倾斜方向，而现有技术即便是使用了辅助装置，除了工序繁琐和移植性差的特性外，也还存在不能适用多种类型曲面(平面、球面、柱面以及不规则曲面等)加工的技术壁垒。

附图说明

图1为本发明实施例的钻孔垂直度监测系统结构示意图；

图2为本发明实施例的钻孔垂直度监测系统在曲面上加工时侧视角下工作原理示意图；

图3为本发明实施例的钻孔垂直度监测系统在曲面上加工时另一侧视角下工作原理示意图；

图4为本发明实施例的钻孔垂直度监测系统在平面上加工时侧视角下工作原理示意图；

图5为本发明实施例的钻孔垂直度监测系统在平面上加工时另一侧视角下工作原理示意图；

其中，1-传感模块，2-控制模块，3-通信模块，4-上位机，5-显示模块，6-激光测距模块，7-钻枪枪体，8-钻头夹具，9-钻头，10-钻孔平面，11-钻孔曲面。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面结合附图对本发明做进一步说明：

实施例1

一种钻孔垂直度监测系统，包括传感模块1、控制模块2、通信模块3、上位机4和显示模块5。其中传感模块1由对称分布的激光测距模块6组成。利用激光测距模块6测得其到待加工曲面的距离值，通过控制模块2计算得到钻枪的垂直度，送往显示模块5进行垂直度的显示，同时通过通信模块3将数据传输给上位机4满足设备的数字化测量和控制的需要。

所述装置主要针对于不规则曲面和圆柱形曲面钻孔垂直度实时监测，同时还能兼顾平面和规则曲面垂直钻孔。

所述传感模块1需要同时采用4个测距模块6，A、B、C、D，按照模块A、B安装在钻枪头的相互对称位置，模块C、D安装在钻枪头的相互对称位置的方式进行固定，同时要求4个所述测距模块6输出光束与钻头轴心保持平行，且测距模块的光输出端在同一个平面上。

所述控制模块2可采用可编程逻辑器件或者微控制器，通过并口、UART、SPI、I²C等接口控制所述传感模块1的启停以及测量数据的读取，在整个钻孔过程中实时监测与显示控制。

所述通信模块3主要用于与上位机4进行通信，通信接口可以采用模拟、USB、RS-232、RS-485、WLAN、WIFI、蓝牙等方式。

所述的上位机4为计算机等终端设备，上位机通过通信模块4既可以读取控制模块2中的数据，又可以为控制模块2设定该垂直度监测系统的工作参数，例如扫描周期、测量误差范围等。并且，上位机4可以通过通信模块4间接控制整个垂直度监测系统的启停与钻头的方位调整，以满足设备的数字化与控制需要。

所述激光测距模块为高精度测距模块，体积小易于集成，测量误差小于1mm。

如图1所示，控制模块2通过通信模块3与上位机4相连进行通信，进行数据读取和装置参数设置。

系统上电后，由控制模块2对各模块进行初始化。初始化完成后，在控制模块2或上位机4的触发下，传感模块1进行测距，控制模块2分别读取四个测距模块A、B、C、D测量得到的距离值。如图2-5所示，钻头与钻孔面垂直的理想条件是L1＝L2且L3＝L4。在实际监测中，如图2和图3所示，首先测得模块A，B与曲面的距离L1’，L2’，通过计算这两个距离的差值可以得到钻头在A，B方向上的垂直情况。经计算，如果|L1’-L2’|小于系统设定误差范围，即L1’和L2’距离大致相等，此时认为钻头该方向垂直；如果L1’-L2’大于系统设定误差范围，则是钻头向模块B方向倾斜；如果L2’-L1’大于系统设定误差，则是钻头向模块A方向倾斜；同理，测得模块C，D与曲面的距离L3’，L4’，按照上述方式进行数据采集、计算，得到钻头在C，D方向上的垂直情况。如图4和图5所示，平面作为一种特殊的曲面，在其上钻孔的垂直度测量与上述曲面钻孔的垂直度测量方法相同。

控制模块2会将垂直度测量的最终结果以及建议调整方向实时传送给显示模块5进行显示，也可通过通信模块3传输给上位机4对这些数据进行深层次的分析和后续自动化控制处理。

在整个钻孔过程中，系统会根据设定的扫描周期每隔一段时间进行一次垂直校准，如果在钻孔过程中出现倾斜现象，则会即时出现提示，以便实时调整钻头方向，实现垂直钻孔。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于检测倾斜方向的钻进方向监测系统，其特征在于，包括：

第一传感器模块，包括三个测距传感器，三个测距传感器安装于钻枪、三个安装位置点不共线且任意两个安装位置点和待加工曲面上钻孔点三点不共线，三个测距传感器采集其各自安装位置点到在待加工曲面上对应投影点的三个距离量；

第一控制系统，接收第一传感器模块所采集的三个距离量，由三个距离量各自变化量输出垂直度且由三个距离量各自变化量与第一预设阈值大小关系选择地输出具有倾斜方向的测量信号。

2.一种用于精确地检测倾斜方向的钻孔垂直度监测系统，其特征在于，包括：

第二传感器模块，包括至少四个测距传感器，至少四个测距传感器绕钻头轴线间隔地安装于钻枪，至少四个测距传感器采集其各自安装位置点到在待加工曲面上对应投影点的至少四个距离量；

第二控制系统，接收第二传感器模块所采集的至少四个距离量，由至少四个距离量各自变化量输出垂直度且由至少四个距离量各自变化量与第二预设阈值大小关系选择地输出具有精确倾斜方向的测量信号。

3.根据权利要求2所述的一种用于精确地检测倾斜方向的钻孔垂直度监测系统，其特征在于，所述的第二传感器模块，绕钻头轴线等距间隔地对称安装于钻枪上，每个测距传感器的探测信号输出端在同一个平面内，探测信号输出端所在平面与钻头轴线垂直。

4.根据权利要求2或3所述的一种用于精确地检测倾斜方向的钻孔垂直度监测系统，其特征在于，所述的测距传感器，选用激光测距传感器，激光测距传感器出射激光与钻头轴线平行。

5.根据权利要求2所述的一种用于精确地检测倾斜方向的钻孔垂直度监测系统，其特征在于，所述的第二控制系统，包括：

控制模块，包括可编程逻辑器件或微控制器，通过并行接口、UART接口、SPI接口或I²C接口连接第二传感模块；

上位机，用于设置控制模块参数以及自动化控制；

通信模块，用于控制模块和上位机的数据交互；

显示模块，用于显示垂直度。

6.一种用于精确地检测倾斜方向的钻孔垂直度监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、绕钻头轴线等距间隔地对称设置至少四个距离检测器且设置每个距离检测器的探测信号输出端处于同一平面，获得至少四个距离量；

步骤2、将关于转头轴线相对称的两个距离检测器所采集距离量作差，获得变化量；

步骤3、判断每个变化量是否属于误差范围，若任何一个变化量超出误差范围，利用超出误差范围的变化量值特征和该变化量所对应距离检测器的安装位置点确定出倾斜方向，同时提示出现倾斜。