CN111360584A - 大尺寸回转体工件表面检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺寸回转体工件表面检测装置及方法，装置包括对中机构、回转伸缩机构和检测头；对中机构包括导轨和滑块，滑块能够沿导轨移动并锁止定位；回转伸缩机构包括回转机构和伸缩机构，回转机构包括回转轴，回转轴安装于滑块下，伸缩机构装配于回转轴外，回转轴带动伸缩机构转动；检测头装配于伸缩机构的活塞端外。使用时，通过对中机构调节装置位置至零位与待检测回转体对中；通过伸缩机构工作使检测头伸出贴近待检测面；通过步进电机驱动回转轴转动带动检测头摆动检测该区域内工件表面信息，逐一调整角度检测完成整个工件表面的信息。通过测得的信息与加工标准对比得出加工误差，以便调整加工过程或判断工件是否合格，提高精度。

Description

大尺寸回转体工件表面检测装置及方法

技术领域

本发明属于自动化检测技术领域，特别是涉及一种大尺寸回转体工件表面检测装置及方法。

背景技术

目前针对回转体工件的加工都是由机床本身的性能保证其加工精度，但是当工件尺寸较大时累积误差也随之增大，加工过程中无法及时将工件尺寸变化反馈给机床以实时调整加工；对大尺寸回转体工件表面检测多为手持式检测仪检测或手持式标尺检测，难以实现连续在机检测，同时检测精度较低，对工件整体形位公差难以检测；采用3D扫描或者三坐标测量仪进行检测时又存在设备成本高，维护复杂，便携性和适应性较差等问题；在弧形工件表面非接触检测中，现有技术多为在固定位置直接采集工件表面图形，利用图像处理对工件表面特征进行识别，例如中国专利一种金属弧形工件表面缺陷在线检测方法(专利号CN201910071439.6)，这种方法在图像处理过程中存在图像失真和信息丢失等问题；同时一些运动检测机构存在结构复杂，环境适应性较低，检测精度难以保证等问题，如中国专利回转体工件检测线及其回转体工件周面检测装置(CN201710496570.8)针对圆柱体工件周面进行检测，对其他表面检测较为困难，同时机器视觉检测对环境要求高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种能够实现实时检测的大尺寸回转体工件表面检测装置及方法。

本发明提供的这种大尺寸回转体工件表面检测装置，它包括对中机构、回转伸缩机构和检测头；对中机构包括导轨和滑块，滑块能够沿导轨移动并锁止定位；回转伸缩机构包括回转机构和伸缩机构，回转机构包括回转轴，回转轴安装于滑块下，伸缩机构装配于回转轴外，回转轴带动伸缩机构转动；检测头装配于伸缩机构的活塞端外。

在一个具体实施方式中，所述滑块为双槽型板，其两端设有通孔用以与导轨安装定位，所述回转轴通过连接座安装于滑块的凹槽下。

相配套的，所述连接座为门型座，包括一对侧板和一块顶板，顶板宽度匹配于所述滑块下凹槽的宽度，两侧板中心位置处均嵌装有深沟球轴承用以安装所述回转轴。

在一个具体实施方式中，所述回转轴为阶梯空心轴，回转轴的内壁设有沿轴向贯穿的平键槽、外壁外平键连接回转座；回转座为四棱柱型座体；其顶端设有匹配于所述回转轴的通孔、通孔内设通槽用于平键传动；其顶面一组对边倒平角，防止转动时干涉；下部实体内设减重孔；一对侧面设凹面，凹面四角设有安装孔。

相配套的，所述回转机构还包括步进电机和行星减速器，行星减速器包括输入端和输出轴，输入端与步进电机的转轴相连，输出轴外设平键，输出轴伸至回转轴内，平键卡入所述平键槽中；回转轴的另一端平键连接旋转编码器组件。

作为优选，所述旋转编码器组件包括旋转编码器、基体、插销和连接键；旋转编码器包括连接轴，连接轴上设有平面；基体为匹配于所述回转轴内腔的圆柱型内衬，其轴心设有通孔，其上部实体上设有与通孔连通的开口，下部表面设有连接键槽，连接键槽内设螺纹孔；连接轴插入轴心通孔内通过插入开口内的插销锁紧；连接键通过拧入螺纹孔内螺钉紧固于连接键槽中；旋转编码器组件以其基体安装于回转轴内，通过连接键与键槽形成平键连接。

优选的，所述伸缩机构包括电动推杆和连接件；连接件为包覆于所述回转座外的U型件，其顶端与凹面贴合通过紧固件锁紧，两侧面底端设有对应布置的多组定位孔；电动推杆伸至连接件内通过拧入定位孔内的紧固件夹紧。

本实施例中，所述检测头为双目相机或激光测距传感器，检测头与所述电动推杆之间设有拉线安装板，拉线安装板为L型板，竖直段与检测头相连，水平段与电动推杆的活塞杆相连，水平段上设拉线安装口。

进一步的，所述伸缩机构还包括拉线编码器，拉线编码器的主体通过夹具夹装于电动推杆的外壳外、拉线编码器的拉线末端装配于所述拉线安装口内。

本发明还提供了一种大尺寸回转体工件表面检测方法，本方法运用上述装置为工具，包括如下步骤：

步骤一、调零，零位时检测头、回转伸缩机构以及滑块位于同一直线上；

步骤二、通过对中机构调节装置位置至零位与待检测回转体对中；

步骤三、通过伸缩机构工作使检测头伸出贴近待检测面；

步骤四、通过步进电机驱动回转轴转动带动检测头3°—10°，检测该区域内工件表面信息。

步骤五、重复步骤四，检测整个工件表面的信息。

本发明在使用时，通过对中机构调节装置位置至零位与待检测回转体对中；通过伸缩机构工作使检测头伸出贴近待检测面；通过步进电机驱动回转轴转动带动检测头3°—10°，检测该区域内工件表面信息，逐一调整角度检测完成整个工件表面的信息。使用过程中，回转伸缩机构带动检测头从接近水平位置开始，在回转过程中均匀地进行检测，通过测得的信息与加工标准对比得出加工误差，以便及时调整加工过程或判断工件是否合格。同时，伸缩机构会根据不同加工道次实时调整检测头与被测工件表面距离，使得测量距离始终保持在最佳范围，以提高检测精度。

附图说明

图1为本发明一个优选实施例的立体示意图。

图2为本优选实施例的侧视放大示意图。

图3为本优选实施例中回转机构的立体放大示意图。

图4为本优选实施例中回转轴、连接座和回转座的装配剖视放大示意图。

图5为本优选实施例中旋转编码组件的爆炸放大示意图。

图6为本优选实施例的一个使用状态示意图。

图7为本优选实施例的坐标示意图。

图示序号：

1—对中机构，11—导轨，12—滑块；

2—回转伸缩机构，

21—回转机构、211—步进电机、212—行星减速器、213—回转轴、214—连接座、215—回转座、

216—旋转编码器组件、A—旋转编码器、B—基体、C—插销、D—连接键，

22—伸缩机构、221—电动推杆、222—连接件、223—拉线编码器、224—夹具、225—拉线安装板；

3—检测头。

具体实施方式

如图1、图2所示，本实施例公开的这种大尺寸回转体工件表面检测装置，它包括对中机构1、回转伸缩机构2和检测头3。

对中机构1包括导轨11和滑块12，滑块12为双槽形板，双槽形板靠近导轨一侧的槽是为了减轻结构重量，另一侧的槽起到对连接座的定位作用。滑块凹槽外两端实体上设有通孔，通孔内安装螺栓和配套的螺母用以与导轨安装定位，提高连接可靠性与强度刚度；凹槽内设一对螺栓孔安装连接座用以安装回转伸缩机构2。

回转伸缩机构2包括回转机构21和伸缩机构22。

如图3所示，回转机构21包括步进电机211、行星减速器212、回转轴213、连接座214、回转座215和旋转编码器组件216。

如图4所示，回转轴213为运动机构主要回转部件，起到对伸缩机构和旋转编码器组件提供扭矩和旋转位移信息的作用。回转轴213为阶梯空心轴，外部共有七个阶梯，自步进电机向旋转编码器分别记为第一阶梯、第二阶梯……第七阶梯，其中第一到第五阶梯轴径逐渐增大，第一阶梯为左端轴承安装位置，第二阶梯为左端轴承轴肩定位，第三阶梯车螺纹，用于安装电动推杆连接块紧固螺母，第四阶梯开键槽，用于安装电动推杆连接块，通过平键与电动推杆连接块传动，第五阶梯起到对电动推杆连接块的定位作用；第五到第七阶梯轴径逐渐减小，第七阶梯用于安装右端轴承，第六阶梯用于右端轴承内圈定位。阶梯轴内孔为阶梯通孔，共分为二个阶梯，第一阶梯孔径大于第二阶梯，第一阶梯用于定位旋转编码器连接件，两者通过平键连接；第二阶梯孔用于行星减速器轴的连接和传动，两者通过平键连接。

连接座214为门型座，包括一对侧板和一块顶板，顶板宽度匹配于滑块下凹槽的宽度，两侧板中心位置处均嵌装有深沟球轴承用以安装回转轴，顶板下设限位开关用以限定整个机构的回转角度。

装配时回转轴213的两端分别伸至深沟球轴承内，一端与行星减速器212的输出轴相连，另一端与旋转编码器组件216相连。

行星减速器包括输入端和输出轴，输入端与步进电机的转轴相连，输出轴外设平键，输出轴伸至回转轴内，平键卡入平键槽中。

如图5所示，旋转编码器组件216包括旋转编码器A、基体B、插销C和连接键D；旋转编码器包括连接轴，连接轴上设有平面；基体为匹配于所述回转轴内腔的圆柱型内衬，其轴心设有通孔，其上部实体上设有与通孔连通的开口，下部表面设有连接键槽，连接键槽内设螺纹孔；连接轴插入轴心通孔内通过插入开口内的插销锁紧；连接键通过拧入螺纹孔内螺钉紧固于连接键槽中；旋转编码器组件以其基体安装于回转轴内，通过连接键与键槽形成平键连接。

回转座215为四棱柱型座体；其顶端设有匹配于回转轴的通孔、通孔内设通槽用于平键传动；其顶面一组对边倒平角，防止转动时干涉；下部实体内设减重孔；一对侧面设凹面，凹面四角设有安装孔。伸缩机构22安装于回转座下。

伸缩机构22包括电动推杆221、连接件222和拉线编码器223。连接件为包覆于回转座外的U型件，其顶端与凹面贴合通过紧固件锁紧，两侧面底端设有对应布置的多组定位孔；电动推杆伸至连接件内通过拧入定位孔内的紧固件夹紧。拉线编码器223的主体通过夹具224夹装于电动推杆的外壳外、拉线编码器的拉线末端装配于拉线安装板225上。夹具224为H型连接块，其两侧开有两个螺纹孔，分别用于夹紧电动推杆和拉线编码器，可上下调整拉线编码器的位置。拉线安装板225为L型板，竖直段与检测头3相连，水平段与电动推杆的活塞杆相连，水平段上设拉线安装口，拉线安装口用以安装端部的位移传感器。拉线编码器固定在电动推杆上，拉线竖直固定在电动推杆伸缩杆顶部，用于精确测量电动推杆伸长量，再将所测信息用脉冲信号反馈给控制系统，提高运动机构闭环控制精度。

检测头3选用双目相机，顶部与电动推杆的活塞杆螺纹连接，侧面与拉线安装板的竖直段相连。还可以用激光测距传感器等传感器替代双目相机。

如图6所示，本实施例用于旋压工件的检测时。将一对导轨安装于旋压机横梁下，使用时调整通过调整滑块在导轨上的相对位置，使检测头处于大尺寸回转体工件的轴心上。检测原理是利用检测传感器对工件表面进行实时检测，根据检测得到的工件表面图像或距离信息，将这些信息整合分析，与预设的工件加工标准值进行比对，进而修正加工过程或判断工件是否合格。

为保证检测精度，检测传感器距离需要保持在一定范围内，又由于回转体工件尺寸较大，因此需要合适的运动机构使得检测传感器更好的检测工件表面。根据这样的需求，本发明设计了一种二自由度回转伸缩机构，回转机构通过定位导轨、滑块固定在加工机床上，可以驱动电动推杆，使得安装在电动推杆伸缩杆上的双目相机实现不同半径的圆弧运动，当回转机构与伸缩机构协同运动时，可以实现直线、抛物线、椭圆曲线等其他类型运动轨迹。

工作时机构运动以极坐标的形式建立坐标系，如图7所示，零位为回转机构回转中心，极坐标轴为竖直向下的方向，回转范围为±90°，检测传感器的坐标用(a+b,θ)表示，被测点坐标用(a+b+c,θ)表示，其中a为电动推杆原长，b为电动推杆深处长度，c为测量距离，即传感器到被测点间的距离，θ为电动推杆与坐标轴夹角。

为保证检测到的工件表面信息满足要求，本发明采用间歇工作的方式，即电动推杆长度一定，回转机构每转动3°至10°停止运动，保证检测传感器在相对于工件静止状态下检测，防止因机构抖动造成检测误差。一个角度检测完成后继续在此基础上摆动相应角度即可完成整个表面的检测。

工作时将所有装置装配完成，然后将整体装置安装在旋压机床指定位置，调整装置位置，使得回转机构运动时，双目相机拍摄中心过旋压工件回转中心，同时确保电动推杆在一个平面内摆动，伸缩时相机无摆动。

整体运动为二自由度运动，分别为沿旋压工件母线的回转运动和沿半径方向的伸缩运动，回转运动的运动范围为0°～180°，由安装在连接件的限位开关控制，作为回转运动的限位保护，防止运动超限对机构造成精度破坏和结构破坏。

本发明用于对大尺寸回转体工件进行在机检测，回转伸缩机构带动检测头从接近水平位置开始，在回转过程中均匀地进行检测，将测得的距离信息等与机构坐标等信息整合，拟合出被测工件表面深度图像或点阵信息，与预设的工件加工标准值进行比对，得出加工误差，进而修正加工过程或判断工件是否合格。同时，电动伸缩杆会根据不同加工道次实时调整检测头与被测工件表面距离，使得测量距离始终保持在最佳范围，以提高检测精度。本发明的大尺寸工件检测方法及装置在径向(电动推杆轴线方向)的检测误差很小。

Claims (10)

1.一种大尺寸回转体工件表面检测装置，其特征在于：它包括对中机构、回转伸缩机构和检测头；

对中机构包括导轨和滑块，滑块能够沿导轨移动并锁止定位；

回转伸缩机构包括回转机构和伸缩机构，回转机构包括回转轴，回转轴安装于滑块下，伸缩机构装配于回转轴外，回转轴带动伸缩机构转动；

检测头装配于伸缩机构的活塞端外。

2.如权利要求1所述的大尺寸回转体工件表面检测装置，其特征在于：所述滑块为双槽型板，其两端设有通孔用以与导轨安装定位，所述回转轴通过连接座安装于滑块的凹槽下。

3.如权利要求2所述的大尺寸回转体工件表面检测装置，其特征在于：所述连接座为门型座，包括一对侧板和一块顶板，顶板宽度匹配于所述滑块下凹槽的宽度，两侧板中心位置处均嵌装有深沟球轴承用以安装所述回转轴。

4.如权利要求1所述的大尺寸回转体工件表面检测装置，其特征在于：所述回转轴为阶梯空心轴，回转轴的内壁设有沿轴向贯穿的平键槽、外壁外平键连接回转座；回转座为四棱柱型座体；其顶端设有匹配于所述回转轴的通孔、通孔内设通槽用于平键传动；其顶面一组对边倒平角，防止转动时干涉；下部实体内设减重孔；一对侧面设凹面，凹面四角设有安装孔。

5.如权利要求4所述的大尺寸回转体工件表面检测装置，其特征在于：所述回转机构还包括步进电机和行星减速器，行星减速器包括输入端和输出轴，输入端与步进电机的转轴相连，输出轴外设平键，输出轴伸至回转轴内，平键卡入所述平键槽中；回转轴的另一端平键连接旋转编码器组件。

6.如权利要求5所述的大尺寸回转体工件表面检测装置，其特征在于：所述旋转编码器组件包括旋转编码器、基体、插销和连接键；

旋转编码器包括连接轴，连接轴上设有平面；

基体为匹配于所述回转轴内腔的圆柱型内衬，其轴心设有通孔，其上部实体上设有与通孔连通的开口，下部表面设有连接键槽，连接键槽内设螺纹孔；

连接轴插入轴心通孔内通过插入开口内的插销锁紧；

连接键通过拧入螺纹孔内螺钉紧固于连接键槽中；

旋转编码器组件以其基体安装于回转轴内，通过连接键与键槽形成平键连接。

7.如权利要求4所述的大尺寸回转体工件表面检测装置，其特征在于：所述伸缩机构包括电动推杆和连接件；连接件为包覆于所述回转座外的U型件，其顶端与凹面贴合通过紧固件锁紧，两侧面底端设有对应布置的多组定位孔；电动推杆伸至连接件内通过拧入定位孔内的紧固件夹紧。

8.如权利要求7所述的大尺寸回转体工件表面检测装置，其特征在于：所述检测头为双目相机或激光测距传感器，检测头与所述电动推杆之间设有拉线安装板，拉线安装板为L型板，竖直段与检测头相连，水平段与电动推杆的活塞杆相连，水平段上设拉线安装口。

9.如权利要求8所述的大尺寸回转体工件表面检测装置，其特征在于：所述伸缩机构还包括拉线编码器，拉线编码器的主体通过夹具夹装于电动推杆的外壳外、拉线编码器的拉线末端装配于所述拉线安装口内。

10.一种大尺寸回转体工件表面检测方法，其特征在于，本方法运用权利要求1—9中任一项所述装置为工具，包括如下步骤：

步骤一、调零，零位时检测头、回转伸缩机构以及滑块位于同一直线上；

步骤二、通过对中机构调节装置位置至零位与待检测回转体对中；

步骤三、通过伸缩机构工作使检测头伸出贴近待检测面；

步骤四、通过步进电机驱动回转轴转动带动检测头3°—10°，检测该区域内工件表面信息；

步骤五、重复步骤四，检测整个工件表面的信息。

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