CN110954037B - 一种深孔轴线的扫描测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于几何量测量技术领域，具体涉及一种深孔轴线的扫描测量装置，包括机架、伸缩机构和扫描机构，伸缩机构架设于机架，伸缩机构的输出端竖直向下，扫描机构与伸缩机构的输出端连接，扫描机构包括第一固定板、第二固定板和六个传感器，第一固定板通过第一连杆与伸缩机构的输出端垂直连接，第二固定板与第一固定板平行设置，第二固定板与第一固定板通过第二连杆连接，其中三个传感器的输出端共第一外接圆设置于第一固定板，另三个传感器的输出端共第二外接圆设置于第二固定板，第一外接圆与第二外接圆同轴。该扫描测量装置具有通用性强、高精度、高效率等特点。此外，还提供了一种该扫描测量装置的测量方法，以提高其工作的稳定性和效率。

Description

一种深孔轴线的扫描测量装置及其测量方法

技术领域

本发明属于几何量测量技术领域，具体涉及一种深孔轴线的扫描测量装置及其测量方法。

背景技术

在大尺寸孔类零件的测量中，若是针对无倒角的简单孔进行测量，可以通过视觉测量的方法提取圆孔的边沿轮廓进行测量。这种方法可以得到被测孔的孔径数据，但是对于孔轴线空间姿态的测量准确度有限，而且无法得到被测孔沿轴线方向的特征变化。将测量装置深入孔内部相关量进行测量时，若使用单位移传感器进行测量，为了获取整个圆周面的信息，需要对测量装置进行旋转，使用单一传感器实现截面内的连续测量以获取被测孔在当前截面上的信息，这种方法具有效率低、受旋转轴径跳影响的缺点，同时还需要额外的装置获得测量数据的角度参数。双传感器测量装置可以有效的消除径跳对确定截面中心的影响，但是仍然需要对装置进行旋转和读取角度参数。在孔的圆度默认可以保证时，可以利用三到四个传感器做成测量装置，在不旋转测量装置的情况下，拟合得出被测圆孔的截面，这类方法对旋转角度信息没有要求，而且大大提高的测量效率。此外当前有研究团队利用锥形镜将单束激光扩展，拍摄扩展激光的图像，通过图像处理得以测量整个封闭平面，这种方法测量点充足，但是测量大尺寸工件时，为了保证相机拍摄到完整图像，在扩大视场的同时会损失测量准确度。相应装置利用超声波双晶探头获取工件厚度来确定圆心，但是仅适用于柱形工件上的同心孔的轴线测量。上述装置均可获得孔内部某一截面的相关信息，为了获取被测孔的轴线信息均需要将测量装置沿孔轴线方向移动，移动时测量装置运动轨迹作为测量基准，其直线度误差会对轴线拟合造成一定影响。

综上可知，相关技术存在缺陷，亟待完善。

发明内容

本发明的目的之一在于：针对现有技术的不足，而提供一种深孔轴线的扫描测量装置，具有通用性强、高精度、高效率等特点，以剔除扫描过程中测量装置运动轨迹的直线度误差对轴线的拟合和测量结果造成的影响，克服当前各测量方法的局限性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种深孔轴线的扫描测量装置，包括机架、伸缩机构和扫描机构，所述伸缩机构架设于所述机架，所述伸缩机构的输出端竖直向下，所述扫描机构与所述伸缩机构的输出端连接，所述扫描机构包括第一固定板、第二固定板和六个传感器，所述第一固定板通过第一连杆与所述伸缩机构的输出端垂直连接，所述第二固定板与所述第一固定板平行设置，所述第二固定板与所述第一固定板通过第二连杆连接，其中三个所述传感器的输出端共第一外接圆设置于所述第一固定板，另三个所述传感器的输出端共第二外接圆设置于所述第二固定板，所述第一外接圆与所述第二外接圆同轴。在工作中，将需要测量的深孔移动到扫描机构正下方；接着伸缩机构启动工作，推动扫描机构进入深孔中；第一固定板上的三个传感器、第二固定板上的三个传感器对它们所处的深孔截面进行拟合，得到当前截面的圆心位置坐标；最后连接多个圆心位置坐标即可得出深孔轴线，该扫描测量装置具有通用性强、高精度、高效率等特点，以剔除扫描过程中扫描机构运动轨迹的直线度误差对轴线的拟合和测量结果造成的影响，克服当前各测量方法的局限性。

作为本发明所述的深孔轴线的扫描测量装置的一种改进，所述第一固定板上三个所述传感器相邻夹角是120°。在实际应用中，传感器相连夹角并不限于120°，只要共圆心的即可。

作为本发明所述的深孔轴线的扫描测量装置的一种改进，所述第二固定板上三个所述传感器相邻夹角是120°。在实际应用中，传感器相连夹角并不限于120°，只要共圆心的即可。

作为本发明所述的深孔轴线的扫描测量装置的一种改进，所述第一外接圆的直径与所述第二外接圆的直径大小相同。

作为本发明所述的深孔轴线的扫描测量装置的一种改进，所述传感器为位移传感器。除此之外，传感器还可以是能够达到相同效果的其它设备，根据实际情况可以灵活地设置。

作为本发明所述的深孔轴线的扫描测量装置的一种改进，所述伸缩机构为气缸或液压缸。除此之外，伸缩机构还可以是能够达到相同效果的其它设备，根据实际情况可以灵活地设置。

作为本发明所述的深孔轴线的扫描测量装置的一种改进，所述第一固定板、所述第二固定板均设置有通孔。这种结构设置于有利于减轻第一固定板、第二固定板的重量。

本发明的目的之二在于：针对现有技术的不足，还提供一种深孔轴线的扫描测量装置的测量方法，以提高测量工作稳定性和效率。

为实现上述目的，本发明提供了一种深孔轴线的扫描测量装置的测量方法，包括如下步骤：

S1、将需要测量的深孔移动到扫描机构正下方；

S2、伸缩机构启动工作，推动扫描机构进入深孔中，伸缩机构搭载扫描机构沿轴进行步进间距为s的步进运动，每步进一次，位移传感器采集一次数据；

S3、第一固定板上的三个传感器、第二固定板上的三个传感器对它们所处的深孔截面进行拟合，分别得到当前截面的圆心位置坐标；

S4、通过数据处理，分别得出新的圆心位置坐标；

S5、连接多个新的圆心位置坐标即可得出深孔轴线。

作为本发明所述的深孔轴线的扫描测量装置的测量方法的一种改进，在所述步骤S3中，分别计算圆心位置坐标，包括如下步骤：

第一固定板上三个传感器与第二固定板上三个传感器所处的平面之间的间距为d，设扫描机构沿z轴运动，步进间距为s，每步进一次，6个传感器采集一次当前截面上深孔内部对应的点的距离数据。设共采集N次测量数据，第二固定板上三个传感器分别为P₁、P₂和P₃，第一固定板上三个传感器分别为P₄、P₅和P₆，由于深孔的每个截面都是一个圆，每次采集数据后，每层的三个传感器均可对它们所处的深孔截面进行拟合，得到当前截面的圆心位置坐标。

作为本发明所述的深孔轴线的扫描测量装置的测量方法的一种改进，在所述步骤S4中，分别计算新的圆心位置坐标，包括如下步骤：当第二固定板上三个传感器所处平面为z＝z_n,n＝0,1,2,...,N-1时，z_n＝n·s，设第二固定板上三个传感器P₁、P₂和P₃拟合得到的它们所处的截面上圆心的位置为[x₁(z_n),y₁(z_n),z_n]，第一固定板上三个传感器P₄、P₅和P₆拟合得到的它们所处的截面上圆心的位置为[x₂(z_n),y₂(z_n),z_n+d]，

通过微分公式计算得到轴线上各点x轴坐标和y轴坐标的微分值：

计算得到处在平面为z＝z_n上的深孔截面圆心的x轴坐标和y轴坐标，分别为：

与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：

(1)测量精确性：本方案中的测量装置和测量方法可以剔除对深孔轴线进行扫描测量时运载装置自身运动的直线度误差对轴线测量和拟合结果的影响。

(2)测量的通用性：测量方法具有极强的通用性，通过调整位移传感器之间的相对位置，可以对不同孔径的孔进行测量，对于不同的测量环境和测量要求，可以通过选择不同原理和型号的测量位移传感器对被测深孔进行测量以满足要求。

(3)操作便利性：本方案在测量孔轴线的相关参数时，测头移动、数据采集、数据读取均可自动实现，避免了人工参与。可大大减小劳动量，提高测量效率。

(4)测量结果丰富：利用一次扫描测量可以拟合得到孔轴线，进而对其位姿和相关参数进行评定。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例中的结构示意图；

图2为本发明实施例中扫描机构的结构示意图；

其中：1-机架；2-伸缩机构；3-扫描机构；3'-通孔；31-第一固定板；32-第二固定板；33-传感器；34-第一连杆。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1-2所示，一种深孔轴线的扫描测量装置，包括机架1、伸缩机构2和扫描机构3，伸缩机构2架设于机架1，伸缩机构2的输出端竖直向下，扫描机构3与伸缩机构2的输出端连接，扫描机构3包括第一固定板31、第二固定板32和六个传感器33，第一固定板31通过第一连杆34与伸缩机构2的输出端垂直连接，第二固定板32与第一固定板31平行设置，第二固定板32与第一固定板31通过第二连杆连接，其中三个传感器33的输出端共第一外接圆设置于第一固定板31，另三个传感器33的输出端共第二外接圆设置于第二固定板32，第一外接圆与第二外接圆同轴。在工作中，将需要测量的深孔移动到扫描机构3正下方；接着伸缩机构2启动工作，推动扫描机构3进入深孔中；第一固定板31上的三个传感器33、第二固定板32上的三个传感器33对它们所处的深孔截面进行拟合，得到当前截面的圆心位置坐标；最后连接多个圆心位置坐标即可得出深孔轴线，该扫描测量装置具有通用性强、高精度、高效率等特点，以剔除扫描过程中扫描机构3运动轨迹的直线度误差对轴线的拟合和测量结果造成的影响，克服当前各测量方法的局限性。

优选的，第一固定板31上三个传感器33相邻夹角是120°。在实际应用中，传感器相连夹角并不限于120°，只要共圆心的即可。

优选的，第二固定板32上三个传感器33相邻夹角是120°。在实际应用中，传感器相连夹角并不限于120°，只要共圆心的即可。

优选的，第一外接圆的直径与第二外接圆的直径大小相同。

优选的，传感器33为位移传感器。除此之外，传感器33还可以是能够达到相同效果的其它设备，根据实际情况可以灵活地设置。

优选的，伸缩机构2为气缸或液压缸。除此之外，伸缩机构2还可以是能够达到相同效果的其它设备，根据实际情况可以灵活地设置。

优选的，第一固定板31、第二固定板32均设置有通孔3'。这种结构设置于有利于减轻第一固定板31、第二固定板32的重量。

本发明的工作原理是：在工作中，将需要测量的深孔移动到扫描机构3正下方；接着伸缩机构2启动工作，推动扫描机构3进入深孔中；第一固定板31上的三个传感器33、第二固定板32上的三个传感器33对它们所处的深孔截面进行拟合，得到当前截面的圆心位置坐标；最后连接多个圆心位置坐标即可得出深孔轴线。

实施例2

如图1-2所示，一种实施例1深孔轴线的扫描测量装置的测量方法，包括如下步骤：

S1、将需要测量的深孔移动到扫描机构3正下方；

S2、伸缩机构2启动工作，推动扫描机构3进入深孔中，伸缩机构2搭载扫描机构3沿轴进行步进间距为s的步进运动，每步进一次，位移传感器采集一次数据；

S3、第一固定板31上的三个传感器33、第二固定板32上的三个传感器33对它们所处的深孔截面进行拟合，分别得到当前截面的圆心位置坐标；

S4、通过数据处理，分别得出新的圆心位置坐标；

S5、连接多个新的圆心位置坐标即可得出深孔轴线。

优选的，在步骤S3中，分别计算圆心位置坐标，包括如下步骤：

第一固定板31上三个传感器33与第二固定板32上三个传感器33所处的平面之间的间距为d，设扫描机构3沿z轴运动，步进间距为s，每步进一次，6个传感器33采集一次当前截面上深孔内部对应的点的距离数据。设共采集N次测量数据，第二固定板32上三个传感器33分别为P₁、P₂和P₃，第一固定板31上三个传感器33分别为P₄、P₅和P₆，由于深孔的每个截面都是一个圆，每次采集数据后，每层的三个传感器33均可对它们所处的深孔截面进行拟合，得到当前截面的圆心位置坐标。

优选的，在步骤S4中，分别计算新的圆心位置坐标，包括如下步骤：当第二固定板32上三个传感器33所处平面为z＝z_n,n＝0,1,2,...,N-1时，z_n＝n·s，设第二固定板32上三个传感器33P₁、P₂和P₃拟合得到的它们所处的截面上圆心的位置为[x₁(z_n),y₁(z_n),z_n]，第一固定板31上三个传感器33P₄、P₅和P₆拟合得到的它们所处的截面上圆心的位置为[x₂(z_n),y₂(z_n),z_n+d]，

通过微分公式计算得到轴线上各点x轴坐标和y轴坐标的微分值：

计算得到处在平面为z＝z_n上的深孔截面圆心的x轴坐标和y轴坐标，分别为：

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种深孔轴线扫描测量装置的工作流程，其特征在于：包括机架(1)、伸缩机构(2)和扫描机构(3)，所述伸缩机构(2)架设于所述机架(1)，所述伸缩机构(2)的输出端竖直向下，所述扫描机构(3)与所述伸缩机构(2)的输出端连接，所述扫描机构(3)包括第一固定板(31)、第二固定板(32)和六个传感器(33)，所述第一固定板(31)通过第一连杆(34)与所述伸缩机构(2)的输出端垂直连接，所述第二固定板(32)与所述第一固定板(31)平行设置，所述第二固定板(32)与所述第一固定板(31)通过第二连杆连接，其中三个所述传感器(33)的输出端共第一外接圆设置于所述第一固定板(31)，另三个所述传感器(33)的输出端共第二外接圆设置于所述第二固定板(32)，所述第一外接圆与所述第二外接圆同轴，所述第一外接圆的直径与所述第二外接圆的直径大小相同，其步骤如下：

S1、将需要测量的深孔移动到所述扫描机构(3)正下方；

S2、所述伸缩机构(2)启动工作，推动所述扫描机构(3)进入深孔中，所述伸缩机构(2)搭载所述扫描机构(3)沿轴进行步进间距为s的步进运动，每步进一次，所述传感器(33)采集一次数据；

S3、所述第一固定板(31)上的三个所述传感器(33)、所述第二固定板(32)上的三个所述传感器(33)对它们所处的深孔截面进行拟合，分别得到当前截面的圆心位置坐标；

S4、通过数据处理，分别得出新的圆心位置坐标；

S5、连接多个新的圆心位置坐标即可得出深孔轴线；

其中，所述第一固定板(31)上三个所述传感器(33)与所述第二固定板(32)上三个所述传感器(33)所处的平面之间的间距为d，设所述扫描机构(3)沿z轴运动，每步进一次，6个所述传感器(33)采集一次当前截面上深孔内部对应的点的距离数据，设共采集N次测量数据，所述第二固定板(32)上三个所述传感器(33)分别为P₁、P₂和P₃，所述第一固定板(31)上三个所述传感器(33)分别为P₄、P₅和P₆，由于深孔的每个截面都是一个圆，每次采集数据后，每层的三个所述传感器(33)均可对它们所处的深孔截面进行拟合，得到当前截面的圆心位置坐标；

在所述步骤S4中，分别计算新的圆心位置坐标，包括如下步骤：当所述第二固定板(32)上三个所述传感器(33)所处平面为z＝z_n,n＝0,1,2,...,N-1时，z_n＝n·s，设所述第二固定板(32)上三个所述传感器(33)P₁、P₂和P₃拟合得到的它们所处的截面上圆心的位置为[x₁(z_n),y₁(z_n),z_n]，所述第一固定板(31)上三个所述传感器(33)P₄、P₅和P₆拟合得到的它们所处的截面上圆心的位置为[x₂(z_n),y₂(z_n),z_n+d]，

通过微分公式计算得到轴线上各点x轴坐标和y轴坐标的微分值：

计算得到处在平面为z＝z_n上的深孔截面圆心的x轴坐标和y轴坐标，分别为：

2.如权利要求1所述的深孔轴线扫描测量装置的工作流程，其特征在于：所述第一固定板(31)上三个所述传感器(33)相邻夹角是120°。

3.如权利要求1所述的深孔轴线扫描测量装置的工作流程，其特征在于：所述第二固定板(32)上三个所述传感器(33)相邻夹角是120°。

4.如权利要求1所述的深孔轴线扫描测量装置的工作流程，其特征在于：所述传感器(33)为位移传感器。

5.如权利要求1所述的深孔轴线扫描测量装置的工作流程，其特征在于：所述伸缩机构(2)为气缸或液压缸。

6.如权利要求1所述的深孔轴线扫描测量装置的工作流程，其特征在于：所述第一固定板(31)、所述第二固定板(32)均设置有通孔(3')。

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