CN112229339A - 一种回转体工件内径测量系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种回转体工件内径测量系统。包括:支撑组件和设置在所述支撑组件上的测量组件；本申请利用从下至上依次固接的基座、支撑部和安装部形成支撑框架，安装测量所用部件；通过在基座上设置回转工作台，用其上的固定部固定回转体工件；通过在回转工作台内设置转角光栅，测量被测回转体工件的旋转角度；通过在安装部的导轨上设置Z向主轴，与回转工作台旋转轴构成两轴测量；通过在安装部上设置摄像机，检测回转工作台上是否放有工件；通过在安装部上设置位移光栅，测量Z向主轴的移动位移；通过在Z向主轴底端设置气动位移传感器，向其气囊中打入高压气体，将其探头吹出，测量与工件内壁被测面的相对距离；实现两轴测量回转体工件内径。

Description

一种回转体工件内径测量系统

技术领域

本公开一般涉及回转体工件测量技术领域，具体涉及一种回转体工件内径测量系统。

背景技术

在回转体工件生产过程的质量检测中，三坐标测量机是主要的检测手段。三坐标测量机虽然具有较高的测量精度，但由于其特定的测量方式，系统的测量效率较低，不能满足现场实时的测量要求；并且由于三坐标测量机昂贵的价格和严格的使用环境条件要求，使其很难被广泛应用，难以满足现代生产的要求；目前，在大批量工业生产中，普遍采用人工测量保证回转体工件的制造和加工精度，而人工测量的方式效率很低，难以满足现代生产的要求。

因此，我们提出一种回转体工件内径测量系统，用以解决上述的三坐标测量机价格昂贵，使用环境要求高，测量效率低，引入误差较多的问题。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种有效减少引入误差，测量速度快、精度高，自动化程度高，节省成本，结构简单且易于实现的回转体工件内径测量系统。

第一方面，本申请提供一种回转体工件内径测量系统，包括:支撑组件和设置在所述支撑组件上的测量组件；

所述支撑组件包括：从下至上依次固接的基座、支撑部和安装部；

所述测量组件包括：设置在所述基座上的回转工作台和竖直设置在所述安装部上的导轨；所述回转工作台上设置有固定部，用于夹紧被测回转体工件；所述回转工作台内设置有转角光栅，用于测量所述被测回转体工件的旋转角度；所述导轨上安装有Z向主轴；所述安装部上设置有与所述导轨相邻设置的位移光栅，用于测量所述Z向主轴的移动位移；所述Z向主轴的底端设置有气动位移传感器，且所述气动位移传感器能够伸入所述被测回转体工件的内部；所述安装部上还设置有摄像机，且其与所述Z向主轴表面平行设置。

根据本申请实施例提供的技术方案，还包括：用于驱动所述转角光栅与所述位移光栅运行的驱动组件。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述驱动组件包括：电机驱动器和与所述电机驱动器连接的伺服电机；所述伺服电机的输出轴与所述转角光栅、所述位移光栅固接；所述电机驱动器用于控制所述伺服电机的运行。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述气动位移传感器连接有电磁阀。

根据本申请实施例提供的技术方案，还包括：用于控制所述测量组件的控制模块。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述控制模块包括：主控制单元和与所述主控制单元信号连接的运动控制单元以及信号传输单元；

所述主控制单元，与所述摄像机电连接，用于分别控制所述摄像机、所述转角光栅、所述位移光栅以及所述气动位移传感器的运行；

所述运动控制单元，与所述电机驱动器电连接，用于接收所述主控制单元传输的脉冲信号，并将脉冲信号传输至所述电机驱动器；

所述信号传输单元，与所述电磁阀电连接，用于接收所述主控制单元发出的信号，并输出至所述电磁阀。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述运动控制单元连接有数据转换单元；

所述数据转换单元，分别与所述伺服电机、所述电机驱动器电连接，用于采集所述伺服电机的转速数据，并传输至所述电机驱动器。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述运动控制单元还设置有操作面板，用于操纵所述运动控制单元。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述主控制单元通过ISA总线与所述运动控制单元通讯连接。

综上所述，本技术方案具体地公开了一种回转体工件内径测量系统的具体结构。本申请具体地在支撑组件上设计测量组件，利用测量组件的Z向主轴与回转工作台的旋转轴C轴组成两轴测量系统，对被测回转体工件的内径进行测量，以实现减少引入误差，测量速度快、精度高，自动化程度高，节省成本的目的；

本申请利用从下至上依次固接的基座、支撑部以及安装部，形成测量系统的支撑框架，以安装测量组件所用的部件；通过在所述基座上设置回转工作台，利用回转工作台作为本测量系统的回转工作台，并在回转工作台上设置固定部，以固定被测回转体工件；通过在所述回转工作台内设置转角光栅，测量所述被测回转体工件的旋转角度；进一步地，通过在所述安装部的导轨上设置Z向主轴，作为本两轴测量系统中的一个主轴，与回转工作台的旋转轴构成两轴测量；通过在所述安装部上设置摄像机，以检测回转工作台上是否放置有被测回转体工件；通过在所述安装部上设置与所述导轨相邻设置的位移光栅，测量所述Z向主轴的移动位移，以保证在Z方向上能有一个准确的位置定位；通过在所述Z向主轴的底端设置气动位移传感器，其伸入所述被测回转体工件的内部，能够与被测回转体工件的内壁接触，依靠向其气囊中打入高压气体，将其探头吹出，从而测量与被测面的相对距离；实现两轴测量回转体工件内径过程。

本技术方案进一步地为了提高自动化程度，以及保证测量的精确性，设计控制模块，控制测量组件的整体测量过程；利用主控制单元与所述摄像机电连接、与第一控制单元以及信号传输单元信号连接，作为主要控制单元，分别控制所述摄像机进行工件识别、所述转角光栅的旋转角度、所述位移光栅平移距离以及所述气动位移传感器的测量过程；

主控制单元利用模板匹配的方法，首先利用图像金字塔的原理把摄像头采集到的图像和模板图降采样到给定层，使用缩小后的图像和模板进行粗搜索，每层得到若干个候选点；然后逐层对候选点进行过滤筛选，直到选出最匹配的点，然后判断该点所对应的子图与模板图的相似度是否大于预设阈值，如果大于则证明图中存在待检测的工件，即工件识别存在，然后开启后面的测量程序；

利用转角光栅本身的平行光投射在转角光栅的动栅(指示光栅)和定栅(标尺光栅)上，测量时，利用伺服电机带动动栅旋转，而定栅不动，则透过的光线可形成莫尔条纹，数据转换单元一端的光敏管检测到透射过来的光信号，光敏管输出近似正弦电压信号，该信号经过放大、整形、微分电路后形成脉冲信号，通过计量工作过程中总的脉冲数，则可获得被测回转体工件的旋转角度；

将位移光栅的标尺光栅固定在Z向主轴的固定端，将光栅读数头安装在Z向主轴的移动端上，指示光栅装在光栅读数头中，在测量时，利用伺服电机带动Z向主轴的移动端上下移动，而标尺光栅不动，则透过的光线可形成莫尔条纹，数据转换单元一端的光敏管检测到透射过来的光信号，光敏管输出近似正弦电压信号，该信号经过放大、整形、微分电路后形成脉冲信号，通过计量工作过程中总的脉冲数，则可获得Z向主轴位移；

利用主控制单元通过ModbusRTU协议与信号传输单元进行通信，控制信号传输单元的串口，以实现对电磁阀的控制，当接通电磁阀时，气动位移传感器进行一次测量，然后主控制单元通过串口通信读取气动位移传感器的测量值。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1、图2为一种回转体工件内径测量系统的结构示意图。

图3为控制模块的流程原理图。

图中标号：1、基座；2、支撑部；3、安装部；4、回转工作台；5、固定部；6、被测回转体工件；7、Z向主轴；8、位移光栅；9、气动位移传感器；10、摄像机；11、电机驱动器；12、伺服电机；13、电磁阀；14、主控制单元；15、信号传输单元；16、运动控制单元；17、数据转换单元；18、操作面板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

实施例一

请参考图1和图2所示的本申请提供的一种回转体工件内径测量系统的第一种实施例的结构示意图，包括:支撑组件和设置在所述支撑组件上的测量组件；

所述支撑组件包括：从下至上依次固接的基座1、支撑部2和安装部3；

所述测量组件包括：设置在所述基座1上的回转工作台4和竖直设置在所述安装部3上的导轨；所述回转工作台4上设置有固定部5，用于夹紧被测回转体工件6；所述回转工作台4内设置有转角光栅，用于测量所述被测回转体工件6的旋转角度；所述导轨上安装有Z向主轴7；所述安装部3上设置有与所述导轨相邻设置的位移光栅8，用于测量所述Z向主轴7的移动位移；所述Z向主轴7的底端设置有气动位移传感器9，且所述气动位移传感器9能够伸入所述被测回转体工件6的内部；所述安装部3上还设置有摄像机10，且其与所述Z向主轴7表面平行设置。

在本实施例中，在支撑组件上设计测量组件，利用测量组件的Z向主轴7与回转工作台4的旋转轴C轴组成两轴测量系统，对被测回转体工件6的内径进行测量，以实现减少引入误差，测量速度快、精度高，自动化程度高，节省成本的目的；

基座1、支撑部2以及安装部3，从下至上依次固接，形成测量系统的支撑框架，用于安装测量组件所用的部件；此处，基座1、支撑部2以及安装部3的材质均使用花岗岩材料，其热膨胀系数小，力变形和热变形很小，并且花岗岩材料利用刮研的方法能够达到很高的平面度，以保证整个测量平台搭建完成后有很好的力学特性，从而保证整个测量系统的测量精度；

回转工作台4，设置在所述基座1上，此处，回转工作台4的类型，可选地，例如为气浮转台，气浮转台具有超高转动精度、匀速稳定性、极小的轴向和径向跳动误差以及高刚性等特点，可以保证测量系统的测量精度，此处，气浮转台的规格，可选地，例如：外径尺寸为200mm，轴向跳动和径向跳动小于0.2μm；

固定部5，设置在所述回转工作台4上，用于固定被测回转体工件6；此处，固定部5的类型，可选地，例如为气动卡盘，其中，气动卡盘由气压回转器、控制器以及卡盘组成，相比于传统的液压卡盘结构更为简单，安装更为方便，可靠性也更高；此处，气动卡盘的规格，可选地，例如：爪行程为4mm，理论夹紧力为47kN，理论撑紧力为24kN，供气压力为0.5到0.8MPa，夹持范围2-175mm；

转角光栅，设置在所述回转工作台4内，用于测量所述被测回转体工件6的旋转角度；此处，转角光栅的类型，可选地，例如为MicroE高精度圆光栅Mercury II 6000Series，其定位精度小于6角秒，以满足测量要求；

Z向主轴7，设置在所述安装部3的导轨上，作为本两轴测量系统中的一个主轴；

其中，导轨的类型，可选地，例如为空气静压导轨，日本THK的SP级导轨；

位移光栅8，设置在所述安装部3上，且其与所述导轨相邻设置，用于测量所述Z向主轴7的移动位移，以保证在Z方向上能有一个准确的位置定位；此处，位移光栅8的型号，可选地，例如为Veratus；

气动位移传感器9，设置在所述Z向主轴7的底端，且所述气动位移传感器9能够伸入所述被测回转体工件6的内部，能够与被测回转体工件6的内壁接触，依靠向其气囊中打入高压气体，将其探头吹出，从而测量与被测面的相对距离；并且，利用本气动位移传感器9可以解决需要增加一个横向方向上的运动轴的问题，气动驱动探头的IP65防护等级能够确保其在潮湿或油污的环境里有较长的使用寿命，且其具有精度高、测量速度快等特点，也符合在线测量系统的测量要求；此处，气动位移传感器9的型号，可选地，例如为DPR/5；

摄像机10，设置在所述安装部3，且其与所述Z向主轴7表面平行设置，具体地，在安装部3上设置一个跨设在Z向主轴7上的安装板，将摄像机10安装在安装板上，用于检测回转工作台4上是否放置有被测回转体工件6；此处，摄像机10的型号，可选地，例如为OV2710。

在任一优选的实施例中，还包括：用于驱动所述转角光栅与所述位移光栅8运行的驱动组件。

在本实施例中，设计驱动组件，以驱动转角光栅与回转工作台4同步转动，以及位移光栅8同步与Z向主轴7上下移动，从而获得被测回转体工件6每次旋转的角度值，以及Z向主轴7的位移。

在任一优选的实施例中，所述驱动组件包括：电机驱动器11和与所述电机驱动器11连接的伺服电机12；所述伺服电机12的输出轴与所述转角光栅、所述位移光栅8固接；所述电机驱动器11用于控制所述伺服电机12的运行。

在本实施例中，伺服电机12，与所述电机驱动器11连接，且其输出轴与所述转角光栅、所述位移光栅8固接，用于驱动转角光栅转动，位移光栅8竖直上下移动；此处，伺服电机12的型号，可选地，例如为ECM-A3L-C10604SS1；

电机驱动器11，用于控制所述伺服电机12的转速；此处，电机驱动器11的型号，可选地，例如为WHI-20/100。

在任一优选的实施例中，所述气动位移传感器9连接有电磁阀13。

在本实施例中，电磁阀13，与所述气动位移传感器9连接，用于控制气动位移传感器9的测量过程；当接通电磁阀13后，经过减压阀减压的气体注入气动位移传感器9的气囊内，将气动位移传感器9的探头推出，使得探头接触到被测回转体工件6的内壁，从而进行测量。

在任一优选的实施例中，还包括：用于控制所述测量组件的控制模块。

在本实施例中，设计控制模块，控制测量组件的整体测量过程，从而提高自动化程度，以及保证测量的精确性。

在任一优选的实施例中，所述控制模块包括：主控制单元14和与所述主控制单元14信号连接的运动控制单元16以及信号传输单元15；

所述主控制单元14，与所述摄像机10电连接，用于分别控制所述摄像机10、所述转角光栅、所述位移光栅8以及所述气动位移传感器9的运行；

所述运动控制单元16，与所述电机驱动器11电连接，用于接收所述主控制单元14传输的脉冲信号，并将脉冲信号传输至所述电机驱动器11；

所述信号传输单元15，与所述电磁阀13电连接，用于接收所述主控制单元14发出的信号，并输出至所述电磁阀13。

在本实施例中，主控制单元14，与所述摄像机10电连接，用于分别控制所述摄像机10进行工件识别、所述转角光栅的旋转角度、所述位移光栅8平移距离以及所述气动位移传感器9的测量过程；并且，主控制单元14连接有键鼠、显示，从而控制主控制单元14的程序进程；此处，主控制单元14的类型，可选地，例如为PC，其型号，例如为LAPTOP-CDJFRM4S；

运动控制单元16，与所述电机驱动器11电连接，用于接收所述主控制单元14传输的脉冲信号，并将脉冲信号传输至所述电机驱动器11，使得电机驱动器11能够控制伺服电机12的转速；此处，运动控制单元16的类型，可选地，例如为PMAC运动控制卡，其型号，例如为PMAC2A/PC104；

其中，主控制单元14与运动控制单元16之间的通讯方式采用ISA总线通讯；在本测量系统工作时，主控制单元14与运动控制单元16之间的通讯控制程序是在Delta Tau公司提供的Pcomm32W.dll基础上开发而成的；

信号传输单元15，与所述电磁阀13电连接，用于接收所述主控制单元14发出的信号，并输出至所述电磁阀13；此处，信号传输单元15的类型，可选地，例如为IO控制器，其型号，例如为ZKD-24SO。

在任一优选的实施例中，所述运动控制单元16连接有数据转换单元17；

所述数据转换单元17，分别与所述伺服电机12、所述电机驱动器11电连接，用于采集所述伺服电机12的转速数据，并传输至所述电机驱动器11。

在本实施例中，数据转换单元17，分别与所述伺服电机12、所述电机驱动器11电连接，用于采集所述伺服电机12的转速数据，并传输至所述电机驱动器11，使得电机驱动器11能够根据转速数据，调整伺服电机12的转速；此处，数据转换单元17的类型，可选地，例如为电机编码器，其型号，例如为E6B2-CWZ6C。

其中，

摄像机10检测工件的过程：

利用模板匹配的方法，首先利用图像金字塔的原理把摄像头采集到的图像和模板图降采样到给定层，使用缩小后的图像和模板进行粗搜索，每层得到若干个候选点；然后逐层对候选点进行过滤筛选，直到选出最匹配的点，然后判断该点所对应的子图与模板图的相似度是否大于预设阈值，如果大于则证明图中存在待检测的工件，即工件识别存在，然后开启后面的测量程序；

转角光栅的旋转角度的测量过程：

利用转角光栅本身的平行光投射在转角光栅的动栅(指示光栅)和定栅(标尺光栅)上，测量时，利用伺服电机带动动栅旋转，而定栅不动，则透过的光线可形成莫尔条纹，数据转换单元一端的光敏管检测到透射过来的光信号，光敏管输出近似正弦电压信号，该信号经过放大、整形、微分电路后形成脉冲信号，通过计量工作过程中总的脉冲数，则可获得被测回转体工件的旋转角度；

位移光栅8的平移距离的测量过程：

将位移光栅的标尺光栅固定在Z向主轴的固定端，将光栅读数头安装在Z向主轴的移动端上，指示光栅装在光栅读数头中，在测量时，利用伺服电机带动Z向主轴的移动端上下移动，而标尺光栅不动，则透过的光线可形成莫尔条纹，数据转换单元一端的光敏管检测到透射过来的光信号，光敏管输出近似正弦电压信号，该信号经过放大、整形、微分电路后形成脉冲信号，通过计量工作过程中总的脉冲数，则可获得Z向主轴位移；

气动位移传感器9的测量过程：

利用主控制单元通过ModbusRTU协议与信号传输单元进行通信，控制信号传输单元的串口，以实现对电磁阀的控制，当接通电磁阀时，气动位移传感器进行一次测量，然后主控制单元通过串口通信读取气动位移传感器的测量值。

在任一优选的实施例中，所述运动控制单元16还设置有操作面板18，用于操纵所述运动控制单元16。

在本实施例中，操作面板18，设置在所述运动控制单元16，他能够给操作面板16上的按钮控制所述运动控制单元16工作。

本测量系统的具体测量过程如下：

以某一待测回转体工件的某一截面为例，

将待测回转体工件利用固定部固定在回转工作台上，以O′点为被测回转体工件截面的圆心，O为回转工作台的回转中心，b、c、d三点分别为气动位移传感器在某一个截面内三次测量的起点。B、C、D三点为同一截面内位移传感器触碰到被测回转体工件表面的触碰点，Bb、Cc、Dd的长度值即为测量一个截面后气动位移传感器的三次测量值。将回转工作台转速控制在1rad/s，气动位移传感器的测头在回转工作台旋转一周的时间内任意测量三次，每次测量都可由回转工作台上的转角光栅得到此刻的回转工作台旋转角度：∠POA、∠POB、∠POC。

三角形ABC的外接圆即为被测回转体工件的一个截面，当计算出三角形ABC的三条边的值之后，就可以利用三角形外接圆公式求出外接圆的半径了，即被测回转体工件的一个截面的内径。

在回转体工件内径测量的数学模型中，Oa、Ob、Oc三个值相等，是转台的回转轴与传感器交点到传感器测量起点的长度，这个参数可通过测量标准环规进行确定。

设回转体工件某一截面的内部半径为R，由几何关系可得

其中S为三角形ABC的面积，其计算公式为：

其中三角形各边长可由余弦公式求出：

其中，

由上述关系即可确定被测回转体工件某一截面的内径值。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (9)

1.一种回转体工件内径测量系统，其特征在于，包括:支撑组件和设置在所述支撑组件上的测量组件；

所述支撑组件包括：从下至上依次固接的基座(1)、支撑部(2)和安装部(3)；

所述测量组件包括：设置在所述基座(1)上的回转工作台(4)和竖直设置在所述安装部(3)上的导轨；所述回转工作台(4)上设置有固定部(5)，用于夹紧被测回转体工件(6)；所述回转工作台(4)内设置有转角光栅，用于测量所述被测回转体工件(6)的旋转角度；所述导轨上安装有Z向主轴(7)；所述安装部(3)上设置有与所述导轨相邻设置的位移光栅(8)，用于测量所述Z向主轴(7)的移动位移；所述Z向主轴(7)的底端设置有气动位移传感器(9)，且所述气动位移传感器(9)能够伸入所述被测回转体工件(6)的内部；所述安装部(3)上还设置有摄像机(10)，且其与所述Z向主轴(7)表面平行设置。

2.根据权利要求1所述的一种回转体工件内径测量系统，其特征在于，还包括：用于驱动所述转角光栅与所述位移光栅(8)运行的驱动组件。

3.根据权利要求2所述的一种回转体工件内径测量系统，其特征在于，所述驱动组件包括：电机驱动器(11)和与所述电机驱动器(11)连接的伺服电机(12)；所述伺服电机(12)的输出轴与所述转角光栅、所述位移光栅(8)固接；所述电机驱动器(11)用于控制所述伺服电机(12)的运行。

4.根据权利要求1所述的一种回转体工件内径测量系统，其特征在于，所述气动位移传感器(9)连接有电磁阀(13)。

5.根据权利要求1所述的一种回转体工件内径测量系统，其特征在于，还包括：用于控制所述测量组件的控制模块。

6.根据权利要求5所述的一种回转体工件内径测量系统，其特征在于，所述控制模块包括：主控制单元(14)和与所述主控制单元(14)信号连接的运动控制单元(16)以及信号传输单元(15)；

所述主控制单元(14)，与所述摄像机(10)电连接，用于分别控制所述摄像机(10)、所述转角光栅、所述位移光栅(8)以及所述气动位移传感器(9)的运行；

所述运动控制单元(16)，与所述电机驱动器(11)电连接，用于接收所述主控制单元(14)传输的脉冲信号，并将脉冲信号传输至所述电机驱动器(11)；

所述信号传输单元(15)，与所述电磁阀(13)电连接，用于接收所述主控制单元(14)发出的信号，并输出至所述电磁阀(13)。

7.根据权利要求6所述的一种回转体工件内径测量系统，其特征在于，所述运动控制单元(16)连接有数据转换单元(17)；

所述数据转换单元(17)，分别与所述伺服电机(12)、所述电机驱动器(11)电连接，用于采集所述伺服电机(12)的转速数据，并传输至所述电机驱动器(11)。

8.根据权利要求7所述的一种回转体工件内径测量系统，其特征在于，所述运动控制单元(16)还设置有操作面板(18)，用于操纵所述运动控制单元(16)。

9.根据权利要求6所述的一种回转体工件内径测量系统，其特征在于，所述主控制单元(14)通过ISA总线与所述运动控制单元(16)通讯连接。

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