CN112082504B - 基于线结构光检测法的深孔内壁几何结构检测机器人系统 - Google Patents

基于线结构光检测法的深孔内壁几何结构检测机器人系统 Download PDF

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Abstract

本发明基于线结构光检测法的深孔内壁几何结构检测机器人系统，实现仿生蠕动、自动平稳往返于螺旋凹槽深孔类工件，并能在行进的时候按不同要求控制旋转的检测头转速，利用线结构光检测原理，即结构光控制器发出结构光束投到螺旋凹槽孔壁，光束受到内壁表面螺旋凹槽影响被调制成变形的结构光光束，经平面镜反射后被对应CCD相机采集，可以检测获取复杂孔壁完整的形貌数据，该检测方法不受工件形状、材料、电磁和振动等因素的影响。本发明结构独特，是针对螺旋凹槽深孔工件内壁几何结构检测这一难题而提出，结合高效的线结构光检测原理与智能化的检测设备，对提升螺旋凹槽深孔工件内壁几何结构检测的智能化、自动化、精确化程度具有重要意义。

Description

基于线结构光检测法的深孔内壁几何结构检测机器人系统
技术领域
本发明基于线结构光检测法的深孔内壁几何结构检测机器人系统，属于智能检测装备系统技术领域。
背景技术
深孔加工是装备制造业的一个重要分支，其广泛应用于军工、航空航天、交通运输、机床、汽车、能源采掘等领域。由于深孔工件的特殊功能，深孔工件常常成为决定产品质量和效益的关键件。现代机械产品对功能、结构方面的要求越来越高，深孔工件的加工也不断向着高精度的方向发展，才能满足使用要求。深孔工件有着长径比大、空间受限的特点，通常在进行检测时，仅仅依靠经验或易检测部分的数据，其检测效率低、检测精度差，数据可信度不高。尤其在检测螺旋凹槽结构的深孔工件时，由于长径比大且内壁结构复杂。如身管内壁就有复杂的螺旋凹槽结构，用来保证炮弹飞行的稳定性，所以其几何结构的参数非常重要，不可以出现较大的误差。而螺旋凹槽为立体结构，存在高度差，检测参数多，检测数据大，检测难度高，难以获得准确的几何结构参数。传统接触式测量法效率低、检测过程复杂，易受到孔壁形状复杂程度干扰，导致检测误差大，不能获得准确的数据来判断加工是否达到要求或工件能否继续正常工作。而非接触式测量法排除了对工件接触测量时复杂形貌的干扰，还有着检测安全性高、测量速度快的优点。常用的非接触式测量如基于电涡流、超声波和线结构光等的测量，前两者分别利用感应电流、超声波检测的原理，但针对螺旋凹槽深孔工件测量时精度不高，受复杂孔壁结构影响较大，且凹槽检测时会产生干扰，数据采集和处理存在无法避免的误差，因此很难完成对螺旋凹槽深孔工件内壁几何结构参数的高精度测量。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种基于线结构光检测法的深孔内壁几何结构检测机器人系统，解决目前螺旋凹槽深孔工件内壁几何结构难以进行检测、检测不准确的状况。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于线结构光检测法的深孔内壁几何结构检测机器人系统，包括从头到尾依序固定连接的检测头、旋转支撑座组件、前支撑架、前段支撑机械足、支撑板、中段支撑机械足、电动推杆、尾支撑架和尾支承机械足，
当该机器人系统在深孔中时，检测头用于螺旋凹槽深孔工件内壁几何结构的检测；前段支撑机械足、中段支撑机械足和尾支承机械足用于沿深孔的径向进行顶紧或放松；电动推杆用于沿深孔的轴向进行伸缩，带动机器人前进或后退。
进一步的，所述检测头与所述旋转支撑座组件螺栓连接，所述旋转支撑座组件与所述前支撑架螺钉紧固连接，所述前段支撑机械足与所述前支撑架螺钉紧固连接，所述前支撑架与所述电动推杆的推杆端螺钉紧固连接，所述支撑板与所述电动推杆杆套前端螺钉紧固连接，所述中段支撑机械足与所述支撑板螺钉紧固连接，所述尾支撑架与所述电动推杆杆套尾端螺钉紧固连接，所述尾支承机械足与所述尾支撑架螺钉紧固连接。
进一步的，所述检测头包括检测头本体、开关、控制模块、通讯模块、输入模块和检测模块，检测头本体的一端与所述旋转支撑座组件可转动连接；输入模块用于输入数据；
控制模块用于控制所述前段支撑机械足、所述中段支撑机械足和所述尾支承机械足伸缩长度，所述电动推杆的伸缩速率，所述检测头旋转扫描的速率；
检测模块包括线结构光检测模块，结构光检测模块用于螺旋凹槽深孔工件内壁几何结构的检测。
进一步的，所述结构光检测模块包括结构光控制器、可调平面镜和CCD相机，结构光控制器和CCD相机平行排布，都与所述检测头本体固定连接，可调平面镜通过支撑架与CCD相机的前端固定连接。
进一步的，所述旋转支撑座组件包括支撑轴、深沟球轴承、法兰、联轴器、伺服电机和电机固定架，伺服电机通过电机固定架与所述前支撑架螺钉紧固连接，支撑轴的尾端通过联轴器与伺服电机轴连接，深沟球轴承的内圈与支撑轴过盈配合，深沟球轴承的外圈与所述前支撑架的中心孔过渡配合，深沟球轴承轴向通过法兰与所述前支撑架连接。
进一步的，所述前段支撑机械足包括三个电动机械足和支撑垫，支撑垫设置在电动机械足的外侧，支撑垫与电动机械足可拆卸连接，三个电动机械足呈周向120度分布，所述中段支撑机械足和所述尾支承机械足与所述前段支撑机械足同形。
进一步的，所述支撑垫包括连接垫、贴合垫、永磁块、橡胶垫和连接弹簧，连接垫通过连接弹簧连接两侧的贴合垫，永磁块内嵌到连接垫和贴合垫中，橡胶垫贴合在连接垫和贴合垫的表面。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
本发明针对螺旋凹槽深孔工件内壁几何结构检测这一难题，结合高效的线结构光检测原理与智能化的检测设备，提升了螺旋凹槽深孔工件内壁几何结构检测的智能化、自动化、精确化程度。
附图说明
图1为本发明实施例的基于线结构光检测法的深孔内壁几何结构检测机器人系统的结构示意图。
图2为是图1所示检测头的构结构示意图。
图3是图2所示检测模块的结构示意图。
图4是图1所示旋转支撑座的结构示意图。
图5是图1所示支撑机械足结构示意图。
图6是图5所示支撑垫结构示意图。
图7是图1所示前支撑架结构示意图。
图8是图1所示支撑板结构示意图。
图9是图1所示推杆结构示意图。
图10是图1所示尾支撑架结构示意图。
图中,1-检测头，2-旋转支撑座组件，3-前支撑架，4-前段支撑机械足，5-支撑板，6-中段支撑机械足，7-电动推杆，8-尾支撑架，9-尾支承机械足，100-开关，101-控制模块，41-电动机械足，42-支撑垫，102-通讯模块，103-输入模块，104-检测模块，200-支撑轴，201-深沟球轴承，202-法兰，203-联轴器，204-伺服电机，205-电机固定架，421-连接垫，422-贴合垫，423-永磁块，424-橡胶垫，425-连接弹簧，1041- CCD照相机，1042-结构光控制器，1043-可调平面镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
如图1-图10所示，本发明一种基于线结构光检测法的深孔内壁几何结构检测机器人系统，包括从头到尾依序固定连接的检测头1、旋转支撑座组件2、前支撑架3、前段支撑机械足4、支撑板5、中段支撑机械足6、电动推杆7、尾支撑架8和尾支承机械足9。
当该机器人系统在深孔中时，检测头1用于螺旋凹槽深孔工件内壁几何结构的检测；前段支撑机械足4、中段支撑机械足6和尾支承机械足9用于沿深孔的径向进行顶紧或放松；电动推杆7用于沿深孔的轴向进行伸缩，带动机器人前进或后退。
检测头1与旋转支撑座组件2螺栓连接，旋转支撑座组件2与前支撑架3螺钉紧固连接，前段支撑机械足4与前支撑架3螺钉紧固连接，前支撑架3与电动推杆7的推杆端螺钉紧固连接，支撑板5与电动推杆7杆套前端螺钉紧固连接，中段支撑机械足6与支撑板5螺钉紧固连接，尾支撑架8与电动推杆7杆套尾端螺钉紧固连接，尾支承机械足9与尾支撑架8螺钉紧固连接。
如图2所示，检测头1包括检测头本体、开关100、控制模块101、通讯模块102、输入模块103和检测模块104，检测头本体的一端与旋转支撑座组件2可转动连接。本实施例中，检测头本体为扁口结构，能提高强度和减轻重量，有利于保护检测模块，同时方便检测过程中信号的采集。
输入模块103用于输入数据。控制模块101用于控制前段支撑机械足4、中段支撑机械足6和尾支承机械足9伸缩长度，电动推杆7的伸缩速率，检测头1旋转扫描的速率。检测模块104包括线结构光检测模块，结构光检测模块用于螺旋凹槽深孔工件内壁几何结构的检测。根据需求不同，检测模块104还可以加装不同检测原理的检测模块，用于综合的检测不同结构、材质的螺旋凹槽深孔工件的内壁几何结构。控制模块101的控制方式分为人工控制和自动控制，自动控制下能自主判断在工件中如何工作，并进行检测方式的自动优化，保证检测品质的情况下提高检测效率。控制模块中加入数据库，根据已有的工件数据，包括结构、材料、加工方式等，输出控制指令，控制机器人孔内前进速度、检测头旋转速度。通讯模块102采用5G通讯技术，保证控制指令的实时性，保证检测数据实时、高效、不失真传输。
如图3所示，结构光检测模块包括结构光控制器1042、可调平面镜1043和CCD相机1041，结构光控制器1042和CCD相机1041平行排布，都与检测头本体固定连接，可调平面镜1043通过支撑架与CCD相机1041的前端固定连接。线结构光检测模块采用结构光束检测原理。结构光控制器1042发出结构光束投到螺旋凹槽孔壁，光束受到孔壁表面螺旋凹槽影响被调制成变形的结构光光束，经可调平面镜1043反射后进入的对应CCD相机1042，经CCD相机4042及时采集结构光数据，经通讯模块102传出处理后，得到螺旋凹槽形貌数据，以判断是否符合要求。结构光控制器1042发出的线结构光束可根据孔径适当的变焦和改变入射角度，可调平面镜1043位置也可微调，使CCD相机1042更好的工作，以提高检测的精确度。
如图1、图4、图7所示，旋转支撑座组件2包括支撑轴200、深沟球轴承201、法兰202、联轴器203、伺服电机204和电机固定架205，伺服电机204通过电机固定架205与前支撑架3螺钉紧固连接，支撑轴200的尾端通过联轴器203与伺服电机204轴连接，深沟球轴承201的内圈与支撑轴200过盈配合，深沟球轴承201的外圈与前支撑架3的中心孔过渡配合，深沟球轴承201轴向通过法兰202与前支撑架3连接。旋转支撑座组件2使检测头1可以完成针对不同材料、结构工件不同速率、稳定的转动扫描，使得检测效果更佳。
如图5所示，前段支撑机械足4包括三个电动机械足41和支撑垫42，支撑垫42设置在电动机械足41的外侧，支撑垫42与电动机械足42可拆卸连接，三个电动机械足41呈周向120度分布，中段支撑机械足6和尾支承机械足9与前段支撑机械足4同形，前段支撑机械足4与尾段支撑机械足9空间平行排布，中段支撑机械足6与前段支撑机械足4、尾段支撑机械足9分空间为六等分。确保周向贯穿支撑，避免移动卡顿或倾斜。这三个机械足适用于一定直径范围的工件，机械足可更换长度，满足更大的孔径。
如图6所示，支撑垫42包括连接垫421、贴合垫422、永磁块423、橡胶垫424和连接弹簧425，连接垫421通过连接弹簧425连接两侧的贴合垫422，永磁块423内嵌到连接垫421和贴合垫422中，橡胶垫424贴合在连接垫421和贴合垫422的表面。支撑垫42的连接垫421和贴合垫422通过磁力作用，可以适用多种结构类型孔壁，底部有橡胶，增大摩擦和减缓冲击，更好地贴合孔壁完成支撑作用，保证机器人行进稳定性，橡胶可更换。
下面具体描述下本发明的工作的具体动作过程：开始检测工作时时候，前段支撑机械足4放松，中段支撑机械足6与尾支承机械足9顶紧孔壁支承，使机器人位于轴线。电动推杆7推动前支撑架3前进，同时伺服电机204通过联轴器203、支撑轴200带动检测头1旋转，检测模块104中的线结构光模块开始工作，结构光控制器1042发射出线结构光束投到螺旋凹槽结构上，光束受到孔壁表面螺旋凹槽影响被调制成变形的结构光光束，经可调平面镜1043反射后进入的对应CCD相机1041，在检测头1旋转前进的时候完成对此段孔壁的检测，传输模块102将数据实时传输给外部接收处理设备，此时将判断检测数据的准确度，如果差异较大将退回再次扫描，如果数据正常将记录并继续行进扫描。
当电动推杆7达到极限行程时，停止推动，伺服电机204停止转动，前段支撑机械足4顶紧孔壁，中段支撑机械足6与尾支承机械足9放松，电动推杆7收缩将中段支撑机械足6和尾支承机械足9带动前进，再依次完成检测步骤。
对于机器人在螺旋凹槽孔壁深孔（非通孔）中行进检测时，在完成孔壁检测后，由前段支撑机械足4顶紧孔壁，中段支撑机械足6与尾支承机械足放松9，电动推杆7推动机身后退，依次完成机械足的顶紧和放松，完成退出，结束工作。
本发明机器人系统采用仿生蠕动行进方式，三排可伸缩支承足交替支撑，同一排间隔120°，可在通孔、半封闭的螺旋凹槽深孔工件内进行检测工作，同时保证行进和检测头的位置处于孔轴心，也保证检测的平稳性，得到更准确的检测数据。机器人特殊的结构和支撑方式，可用于工件加工过程中和加工完成后的检测，可用于已装配使用的工件的检测，可用于任何角度放置的螺旋凹槽深孔工件内壁几何结构检测。处理后的数据经标准数据对比后，如果误差较大，控制模块将控制机器人再次对此段内壁进行扫描，以判断是否其他原因带来误差。
尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (5)

1.一种基于线结构光检测法的深孔内壁几何结构检测机器人系统，其特征在于，包括从头到尾依序固定连接的检测头（1）、旋转支撑座组件（2）、前支撑架（3）、前段支撑机械足（4）、支撑板（5）、中段支撑机械足（6）、电动推杆（7）、尾支撑架（8）和尾支承机械足（9），当该机器人系统在深孔中时，检测头（1）用于螺旋凹槽深孔工件内壁几何结构的检测；前段支撑机械足（4）、中段支撑机械足（6）和尾支承机械足（9）用于沿深孔的径向进行顶紧或放松；电动推杆（7）用于沿深孔的轴向进行伸缩，带动机器人前进或后退；
所述前段支撑机械足（4）包括三个电动机械足（41）和支撑垫（42），支撑垫（42）设置在电动机械足（41）的外侧，支撑垫（42）与电动机械足（41 ）可拆卸连接，三个电动机械足（41）呈周向120度分布，所述中段支撑机械足（6）和所述尾支承机械足（9）与所述前段支撑机械足（4）同形；
所述支撑垫（42）包括连接垫（421）、贴合垫（422）、永磁块（423）、橡胶垫（424）和连接弹簧（425），连接垫（421）通过连接弹簧（425）连接两侧的贴合垫（422），永磁块（423）内嵌到连接垫（421）和贴合垫（422）中，橡胶垫（424）贴合在连接垫（421）和贴合垫（422）的表面。
2.根据权利要求1所述的基于线结构光检测法的深孔内壁几何结构检测机器人系统，其特征在于：所述检测头(1)与所述旋转支撑座组件（2）螺栓连接，所述旋转支撑座组件（2）与所述前支撑架（3）螺钉紧固连接，所述前段支撑机械足（4）与所述前支撑架（3）螺钉紧固连接，所述前支撑架（3）与所述电动推杆（7）的推杆端螺钉紧固连接，所述支撑板（5）与所述电动推杆（7）杆套前端螺钉紧固连接，所述中段支撑机械足（6）与所述支撑板（5）螺钉紧固连接，所述尾支撑架（8）与所述电动推杆（7）杆套尾端螺钉紧固连接，所述尾支承机械足（9）与所述尾支撑架（8）螺钉紧固连接。
3.根据权利要求1所述的基于线结构光检测法的深孔内壁几何结构检测机器人系统，其特征在于：所述检测头（1）包括检测头本体、开关（100）、控制模块（101）、通讯模块（102）、输入模块（103）和检测模块（104），检测头本体的一端与所述旋转支撑座组件（2）可转动连接；输入模块（103）用于输入数据；
控制模块（101）用于控制所述前段支撑机械足（4）、所述中段支撑机械足（6）和所述尾支承机械足（9）伸缩长度，所述电动推杆（7）的伸缩速率，所述检测头（1）旋转扫描的速率；
检测模块（104）包括线结构光检测模块，结构光检测模块用于螺旋凹槽深孔工件内壁几何结构的检测。
4.根据权利要求3所述的基于线结构光检测法的深孔内壁几何结构检测机器人系统，其特征在于：所述结构光检测模块包括结构光控制器（1042）、可调平面镜（1043）和CCD相机（1041），结构光控制器（1042）和CCD相机（1041）平行排布，都与所述检测头本体固定连接，可调平面镜（1043）通过支撑架与CCD相机（1041）的前端固定连接。
5.根据权利要求1所述的基于线结构光检测法的深孔内壁几何结构检测机器人系统，其特征在于：所述旋转支撑座组件（2）包括支撑轴（200）、深沟球轴承（201）、法兰（202）、联轴器（203）、伺服电机（204）和电机固定架（205），伺服电机（204）通过电机固定架（205）与所述前支撑架（3）螺钉紧固连接，支撑轴（200）的尾端通过联轴器（203）与伺服电机（204）轴连接，深沟球轴承（201）的内圈与支撑轴（200）过盈配合，深沟球轴承（201）的外圈与所述前支撑架（3）的中心孔过渡配合，深沟球轴承（201）轴向通过法兰（202）与所述前支撑架（3）连接。
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