CN110006379A - 一种结构检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的结构检测系统，至少包括探测系统、架构系统以及控制系统，其中探测系统，至少包括探测头，用于对待检测工件采集坐标点数据；和架构系统，至少包括工件平台以及位置调节系统；位置调节系统，至少用于在位置控制指令的控制下，控制位置调节系统驱动工作平台上的待检测工件按照预设轨迹发生位移。本发明使得探测头在对复杂结构，特别是复杂内腔结构进行检测时，能够实现直接一次测量，而无需采用多次退回选择探测角度和方向以增加探测深度的形式，提高了探测的效率和探测的精度，并且降低了系统数据处理难度。

Description

一种结构检测系统

技术领域

本发明涉及一种结构检测系统，特别是一种对复杂结构特别是具有复杂内腔结构的构件进行检测的检测系统。

复杂内腔结构主要指对具有非常规形态的，包括而不限于如长弧形、多段组合结构等非连续平滑结构。

背景技术

作为一种重要的检测工具，三坐标测量机广泛地应用在机械、汽车、航空、军工等行业中，其检测对象可包括箱体、机架、齿轮、凸轮、蜗轮、蜗杆、叶片、曲线、曲面、各种工具原型、机器中小型配件等，可以对工件的尺寸、形状和形位公差进行精密检测，从而完成零件检测、外形测量、过程控制等任务。三坐标测量机的结构是在三个相互垂直的方向上有导向机构、测长元件、数显装置，有一个能够放置工件的工作台，测量探头可以以手动或机动方式移动到被测点上，由读数设备和数显装置把被测点的坐标值显示出来的一种测量设备。如图1所示，通常，三坐标测量机的测量探头固定在移动导轨的机构上，在对复杂结构，特别是对复杂内腔结构进行测量时，按照现行的技术需要将测量探头多次伸缩同时配合角度调整，也就是测量时，需要将测量探头在一定的方向上伸进内腔进行探测作业，在一次探测完成后，探测头退回原位，调整方向，重新伸进内腔进行新探测作业，重复这一操作，直至完成探测工作。现行的这种测量方式，需要将测试工作分为多个区段来进行测量作业，并且每一个段作业所获得的坐标点数据，还需要用调整后的测量头数据来进行校正，再将该多段坐标点进行拼接整合，才能形成完整的测量结果模型。这种测量方式操作复杂，极易形成测量死角，并且在模型建立是需要较大的计算量，会严重影响数据测量和模型的构建效率。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种结构检测系统，使得探测头在对复杂结构，特别是复杂内腔结构进行检测时，能够实现直接一次测量，而无需采用多次退回选择探测角度和方向以增加探测深度的形式，提高了探测的效率和探测的精度，并且降低了系统数据处理难度。

需要注意的是本发明方案中X轴、Y轴、Z轴、A轴、B轴均指联动轴，而非对机床中主轴总量的限定。

本发明公开的结构检测系统，至少包括探测系统、架构系统以及控制系统，其中

探测系统，至少包括探测头，用于对待检测工件采集坐标点数据；

和架构系统，至少包括工件平台以及位置调节系统；

工件平台，用于限制待检测工件，并在位置调节系统的驱动下，使待检测工件的待探测表面相对于探测头发生位移；

这里的工件平台可以为夹具形式，通过若干夹具的夹持实现对待检测工件的限制固定；也可以采用平台式，将待检测工件限制到平台结构(如板式结构、阶梯式结构、坡式结构等，具体可以视待检测工件而定)上，以平台结构为支撑；还可以为悬挂结构，通过在竖直方向或者倾斜方向的悬挂架，将待检测工件进行悬挂限制，具体悬挂方向则是待检测工件的形状尺寸以及与探测头的相对位置进行选择；通过合适的工作平台的选择，可以优化待检测工件的移动轨迹，为探测头在内腔中按照轨迹移动提供便利，从而提高探测效率和避免出现探测死角；

位置调节系统，至少用于在位置控制指令的控制下，控制位置调节系统驱动工作平台上的待检测工件按照预设轨迹发生位移；

和控制系统，至少用于接收探测系统反馈的坐标点数据并计算获得待检测工件的几何结构参数和/或用于发出位置控制指令使待检测工件按照预设轨迹发生位移；

控制系统可以为探测头获得的坐标数据提供存储、模型构建计算以及按照轨迹为位置调节系统控制待检测工件的运动提供控制支持，也就是采用单一控制系统为多重任务提供控制支持；也可以将坐标数据存储、计算、模型构建等以及按照轨迹为位置调节系统控制待检测工件的运动提供控制分为多个独立的控制系统(控制单元，如采用以多块分别PLC模组为核心的控制体系为单一控制单元，从而由多个单元分别对各个系统的控制工作提供支持)，具体的选择视数据量、计算量以及控制复杂程度进行选择等。

本发明公开的结构检测系统的一种改进，探测系统设置有至少一个探测头；这里的探测系统设置的探测头，可以为一个，从而在检测过程中探测头可以至少在位置调节系统X轴和/ 或Y轴和/或Z轴方向进行旋转；也可以分别设置多个探测头，比如3个探测头分别对应于位置调节系统X轴和/或Y轴和/或Z轴方向，实现多点多方向同时探测。此外最重要的是，通过这一方案，还可以与轨迹、坐标原点等结合(如形成矢量坐标，与探测数据相结合)，快速高效地形成建模坐标，从而实现快速建模。

本发明公开的结构检测系统的又一种改进，探测头为声波探测头(如以超声波等声波或其脉冲为探测媒介的探测头)或者电磁波探测头(如以激光、无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线等电磁波或其脉冲为探测媒介的探测头)或者机械感知探测头(如接触感知式探测头)或者采用声波、电磁波、机械感知中至少两种的多元探测头(也可以将多种采用不同探测媒介的探测头并行设置在同一方向，以相互验证提高探测准确率或者适应不同探测介质而无需更换探测头，如面对油下、水下、空气、雾气、蒸汽等不同环境下的探测；也可以设置在不同的方向)。

本发明公开的结构检测系统的进一步改进，探测头为雷尼绍测头。

本发明公开的结构检测系统的一种改进，位置调节系统依据X轴和/或Y轴和/或Z轴和/ 或A轴和/或B轴驱动工作平台，而驱动上的待检测工件按照预设轨迹发生位移。

本发明公开的结构检测系统的又一种改进，位置调节系统对工作平台在X轴和/或Y轴和 /或Z轴和/或A轴和/或B轴的驱动，分别由伺服系统、轴承系统中至少任一为驱动力系统提供驱动力。

本发明方案的驱动力系统是指以伺服电机/直线电机、高精度轴承系统、高精度空气轴承等为动力源，配合光栅尺、低热形变系数的天然高精度花岗岩等材料的导轨平台等技术，实现了系统的高精度控制。需要特别限定的是，本发明方案有关检测机构未明确限定和指出的技术方案，均可以采用现有技术予以完整，以实现正常实施。

本发明公开的结构检测系统的进一步改进，驱动力系统为空气轴承(进一步的，空气轴承为高精度空气轴承，如其主轴转速为每分钟10万转、回转精度为0.5微米)。

本发明公开的结构检测系统的一种改进，待检测工件，其具有内腔结构(如复杂的内腔结构，包括而不限于具有弯曲表面、不规律表面等的内腔结构等)。

本发明公开的结构检测系统，其通过固定的探测头(在坐标计算时可以直接将探测头作为坐标原点)，进而配合在内腔加工过程中的加工参数所形成的模型或者预先测定的初级模型等，从而计算出测量时探测头在内腔中的移动轨迹(此时就可以以探测头为坐标原点，对移动轨迹进行矢量计算，进而对探测坐标点进行矢量运算，形成完整连续的坐标数据，从而降低了建模的数据运算和整合的难度)，确定待检测工件在检测时的运行参数，测试时并使待检测工件按照参数运行，使探测头在测量作业时在内腔中按照轨迹进行完整的连续测量，这就实现了在加工极限内的一次测量，也就是说本方案可以实现只要机床刀具能够加工完成的内腔，就可以设计出移动轨迹实现一次测量，从而避免现有技术采用多次伸缩探测头并改变其方向而进行分段探测的形式，从而提高了数据的衔接性，降低建模计算量。

附图说明：

图1、本发明的一种现有技术的示意图；

图2、本发明方案的一种实施方式的状态1示意图；

图3、实施方式的状态2示意图，状态2由状态1将待检测工件按所示方向旋转得到；

图4、本发明方案的又一种实施方式五轴联动的示意图，其中X轴、Y轴、Z轴指其工作平台在三维空间体系的移动轴；A轴指工作平台在水平方向的旋转轴；B轴指工作平台的内嵌平台旋转轴，其为垂直于工作平台(或者其A轴)的法向轴。

附图标记列表：

1、待检测工件；2、复杂内腔结构；3、探测头；4、现有技术的探测头移动方向；5、探测点 C及其径向对应点C’；6、本发明的待检测工件的移动方向；21、工作平台；22、内嵌平台。

具体实施方式

下面具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本实施例中，检测系统包括探测系统、架构系统以及控制系统，探测系统通过探测头获取探测点的坐标点数据，构架系统则通过移动工作平台(工作平台五轴联动时包括其内嵌平台)和/或探测头(探测头3仅在工作平台为三轴或者四轴联动(四轴联动为除X轴、Y轴、Z 轴方向外还包括工作平台绕A轴或B轴的旋转)时运行)，其中联动运行参数(至少包括X 轴方向的移动参数和/或Y轴方向的移动参数和/或Z轴方向的移动参数和/或绕A轴的旋转参数和/或绕B轴的旋转参数)，从而相对于待探测工件使探测头按照轨迹运行，从而连续地获得探测点的坐标点数据，控制系统基于坐标点数据完成模型构建，形成复杂结构的形状结构、获得相关物理尺寸、形状信息。

探测系统，包括探测头3，该探测头3为非接触式时，通过探测媒介扫描的方式，获取探测点的坐标点数据；该探测头3为接触式时，其接触多探测点，以获取探测点的坐标点数据。非接触式的探测头包括而不限于光学扫描探测头、超声波扫描探测头等，具体可以为包括而不限于SP25M测头、SP600测头、SP80测头等。接触式的探测头，包括而不限于机械压力测头、压电陶瓷测头、光学触发测头、机械触发测头等，具体可以为包括而不限于TP20 测头、TP200测头、TP6(A)测头、TP7M测头、OTP6M测头、TP2/TP1S(M)测头等。

架构系统，其通过工作平台和位置调节系统支持待检测工件按照预定的参数的运行，从而使探测头在检测过程中按照轨迹运行，从而实现在只要是机床加工极限内就可以通过该轨迹调整探测头实现一次探测。

工作平台为系统中对待检测件进行限制承载的部分，通过承载，其在检测时会驱动并跟随待检测工件运行。这种平台可以为夹持架形式的，通过夹持夹夹持限制待检测工件，夹持架在检测时，在位置调节系统的驱动下按照参数进行运动，从而使探测头3按照轨迹运行，完成探测获取坐标数据，这种形式结构简单，整体重量低，并且探测过程不易受空间结构的干扰限制。也可以为台式的，即待检测工件放置承载于平台上并被限制，夹持架在检测时，在位置调节系统的驱动下按照参数进行运动，从而使探测头3按照轨迹运行，完成探测获取坐标数据，这种形式的稳定性好，承载能力强，适用于大尺寸或者大重量的工件。还可以为悬挂式的，即待检测工件通过悬挂架等悬挂形式限制，夹持架在检测时，在位置调节系统的驱动下按照参数进行运动，从而使探测头3按照轨迹运行，完成探测获取坐标数据，这种形式具有较好的抗干扰性和数据稳定性。

位置调节系统，其为系统中支持待探测件按照参数运行，并实现探测头按照轨迹运行的动力支持装置。

作为一种实施方式，位置调节系统其可以包括滑动机构，其工作平台的基端侧并且能够使工作平台滑动移动；以及驱动机构，其通过驱动滑动机构来使工作平台移动。滑动机构可以为在水平X-Y二位方向或者竖直X-Z二位方向或者竖直Y-Z二位方向或者三维X-Y-Z方向依据运行参数运动的，同时还算可以驱动工作平台绕A轴的旋转参数和/或内嵌平台绕B轴的旋转参数，运行时满足工作平台支持的待检测工件中进行探测的探测头3按照预设轨迹进行被动运行，完成测量。

控制系统，其一方面可以根据探测头3获得的坐标数据，经过计算建模，完成待检测件的几何形状模型构建，并获得包括而不限于尺寸精度、定位精度、几何精度及轮廓精度等工件质量评估数据，为判定工件的加工质量提供依据。另一方面，也可以依据待检测件的加工数据或者预先测定的初级模型等计算探测头3在复杂内腔中的运行轨迹、工作平台的运作参数和/或探测头3的运作参数(工作台为三轴联动情形探测头3的运作参数才是本发明方案所必须的)等的计算。再一方面，还可以在探测时为工作平台提供控制服务等。这些功能的实现可以由单一系统(如同一块或者几块集成的芯片)实现，也可以分散到几个系统(如几个独立的芯片系统)分别实现。

如图2和图3所示，针对具有复杂内腔结构的待检测工件1，为了检测其复杂内腔结构2，确定其加工质量(包括加工尺寸和加工精度)，是否符合加工要求。在现有技术中，需要将探测头3沿移动方向4探入复杂内腔结构2内，探测到探测点C，而其径向对应点C’则为传统探测方法本次探测的不可探测区，对该径向对应点C’需要退出探测头3并重新调整期位置再次探测方可。而本技术则在遇到如图所示的复杂内腔结构2时，其可以在移动待检测工件1增加探测头3在复杂内腔结构2的探测深度的同时，配合在移动方向6的运动，从而使待检测工件1处于图3所示的状态，从而实现对探测点C以及其其径向对应点C’的一次检测，同理对其它点以及其对应点的检测同样适用，只要按照运动控制参数对工件平台和/或探测头的联动即可。这就使得本技术可以实现在机床加工极限内，依照预设轨迹参数被动移动探测头3，实现一次探测。

其中一种实施方式为，在采用接触式探针时，位置调节系统通过对X、Y、Z轴的各轴方向施加力来支承工作平台使其定位于规定位置，并且在施加外力的情况下、探测头3与复杂内腔结构2抵接的情况下，能够在一定的范围内沿X、Y、Z轴的各轴方向移动测针。

此外探测头3具备在各轴方向的位置的X轴测头传感器、Y轴测头传感器以及Z轴测头传感器。此外，各传感器具有输出与探测头3在各轴方向的移动量相应的脉冲信号的位置传感器。

又一种实施方式为，如图4所示，具有内嵌平台22的工作平台21，其中内嵌平台22上放置待检测工件1，在检测过程中，工作平台21在位置调节系统的驱动下依据探测头3的探测需求，使其在复杂内腔结构2内按照预设轨迹被动运行。工作平台21的运动可以包括在X 轴、Y轴、Z轴方向的移动以及工作平台21绕A轴旋转、内腔平台22绕B轴旋转的联动。正是通过这种联动，实现对复杂内腔的检测。这是工作平台的五轴联动情形。

再一种实施方式为，工作平台21上放置待检测工件1，在检测过程中，工作平台21以及探测头3自身在各自的动力的驱动下依据预设的运动参数，以满足探测头3的探测需求，使其在复杂内腔结构2内按照预设轨迹被动运行。工作平台21的运动可以包括在X轴、Y轴、 Z轴方向的移动；此外探测头3绕A轴旋转、内腔平台22绕B轴旋转，并与工作平台21形成联动。正是通过这种联动，实现对复杂内腔的检测。这是工作平台的三轴联动情形。

位置调节系统在X轴、Y轴、Z轴、A轴、B轴等方向上的驱动，由伺服系统(如按照指令运行的伺服电机驱动的运动系统)作为动力沿X、Y、Z、A、B轴的各轴方向移动和/或旋转工作平台，从而实现探测头的被动移动；也可以由空气轴承作为动力沿X、Y、Z、A、B 轴的各轴方向移动或旋转工作平台，从而实现探测头的被动移动。

当然在同一方向可以由多套动力系统(如多套伺服系统、多套空气轴承系统、以及两者伺服系统以及空气轴承系统等)的并联而提高系统运行的安全性和稳定性。当然这一过程中，也可以通过该多套系统相互校准，而降低系统的运行的误差。

采用这种方案的建模效率预计能够提升5-10％以上，预计主要贡献是由于固定的探测头作为坐标原点，并将运动轨迹矢量化，进而有利于探测坐标的计算和模型的建立，同时本技术的一次探测，免除了传统技术的多次技术和模型拼接。

本处实施例对本发明要求保护的技术范围中点值未穷尽之处以及在实施例技术方案中对单个或者多个技术特征的同等替换所形成的新的技术方案，同样都在本发明要求保护的范围内；同时本发明方案所有列举或者未列举的实施例中，在同一实施例中的各个参数仅仅表示其技术方案的一个实例(即一种可行性方案)，而各个参数之间并不存在严格的配合与限定关系，其中各参数在不违背公理以及本发明述求时可以相互替换，特别声明的除外。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。以上所述是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种结构检测系统，至少包括探测系统、架构系统以及控制系统，其中

探测系统，至少包括探测头，用于对待检测工件采集坐标点数据；

和架构系统，至少包括工件平台以及位置调节系统；

工件平台，用于限制待检测工件，并在位置调节系统的驱动下，使待检测工件的待探测表面相对于探测头发生位移；

位置调节系统，至少用于在位置控制指令的控制下，控制位置调节系统驱动工作平台上的待检测工件按照预设轨迹发生位移；

和控制系统，至少用于接收探测系统反馈的坐标点数据并计算获得待检测工件的几何结构参数和/或用于发出位置控制指令使待检测工件按照预设轨迹发生位移。

2.根据权利要求1所述的结构检测系统，其特征在于，所述探测系统设置有至少一个探测头。

3.根据权利要求1或2所述的结构检测系统，其特征在于，所述探测头为声波探测头或者电磁波探测头或者机械感知探测头或者采用声波、电磁波、机械感知中至少两种的多元探测头。

4.根据权利要求3所述的结构检测系统，其特征在于，所述探测头为雷尼绍测头。

5.根据权利要求1所述的结构检测系统，其特征在于，所述位置调节系统依据X轴和/或Y轴和/或Z轴和/或A轴和/或B轴驱动工作平台，而驱动上的待检测工件按照预设轨迹发生位移。

6.根据权利要求1或5所述的结构检测系统，其特征在于，所述位置调节系统对工作平台在X轴和/或Y轴和/或Z轴和/或A轴和/或B轴的驱动，分别由伺服系统、轴承系统中至少任一为驱动力系统提供驱动力。

7.根据权利要求6所述的结构检测系统，其特征在于，所述驱动力系统为空气轴承。

8.根据权利要求1所述的结构检测系统，其特征在于，所述待检测工件，其具有内腔结构。