CN114659485A - 一种紧凑型高精度孔垂直度测量装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及飞机制孔检测技术领域，公开了一种紧凑型高精度孔垂直度测量装置及使用方法，所述测量装置包括从上往下依次连接的孔垂直度测量模块、待测孔所在平面法向定位模块、轴向浮动模块以及孔轴定位模块；所述孔轴定位模块用于对待测孔的轴线进行定位，所述轴向浮动模块用于适应待测孔孔径公差变化，所述待测孔所在平面法向定位模块用于确定待测孔所在平面的法向，所述孔垂直度测量模块用于测量待测孔的垂直度。本发明设计了一种紧凑型的高精度孔垂直度测量装置，不仅能够实现孔垂直度的高精度测量，同时由于装置整体体积小，尤其适用于狭小空间，从而为飞机结构装配的制孔工艺优化提供方向，并为数字化制孔装备的法矢精度检验提供数据支撑。

Description

一种紧凑型高精度孔垂直度测量装置及使用方法

技术领域

本发明涉及飞机加工技术领域，尤其涉及飞机制孔检测，更具体的说涉及一种紧凑型的高精度孔垂直度测量装置及使用方法。

背景技术

飞机壁板连接孔的垂直度对壁板连接质量及飞机钉头凹凸量有着至关重要的影响，一方面，孔垂直度超差会导致后续连接应力集中，直接降低飞机结构的连接强度；而另一方面，对于锪窝孔，孔垂直度会导致后续连接的埋头紧固件钉头凹凸量超差，而飞机表面具有成千上万，甚至几十万的连接孔，从而会对飞机的气动性能产生显著影响。

现阶段，飞机结构装配过程中仍然主要以手工制孔为主，制孔垂直度会不可避免出现超差的现象，因此在飞机结构装配过程中需对所加工孔的垂直度进行测量，以评估制孔质量并及时进行修正，防止故障孔进入下一装配环节导致排故成本增加。然而目前，飞机装配现场始终缺乏适用于飞机结构装配中的孔垂直度高精度测量装置，已有的孔垂直度测量装置测量精度低并且体积较大，无法很好的适用于生产作业现场，提高工作效率。

例如，中国实用新型专利CN215598294U提出了一种孔垂直度测量装置，包括：膨胀芯轴（包括操作部段、轴套）、标尺。该实用新型专利的孔垂直度测量装置适用于不同孔径的垂直度测量，但该装置无法判断孔垂直度的方向，即绕孔轴线旋转该装置得到的孔垂直度测量结果是不同的，理论上标尺读数的最大值或最小值所计算的垂直度才是对应的真实值，但该装置在实际操作过程中无法精确找到标尺读数的极值，从而无法实现孔垂直度的高精度测量。

又例如，中国发明专利CN113483613A公开了一种手持式的孔法矢精度检测装置及方法，包括：数显角度尺、控制显示模块以及依次设置的横向转动机构、轴承芯轴、球面转动机构、弹性定位机构。该发明创新的将孔法矢偏差转化为数显角度尺的转角，其测量结果更加稳定可靠。但该装置测量过程中同样需要绕着孔轴线旋转半圈以上，测量过程繁琐，且结构不紧凑，不便于人工操作。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题和不足，本发明提出了一种紧凑型高精度孔垂直度测量装置及使用方法，能够高效并且高精度地实现飞机结构连接孔的垂直度测量，同时由于装置结构紧凑、体积小，能够适用于狭小空间内的孔垂直度测量，从而为飞机结构装配的制孔工艺优化提供方向，并为数字化制孔装备的法矢精度检验提供数据支撑。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种紧凑型高精度孔垂直度测量装置，包括从上往下依次连接的孔垂直度测量模块、待测孔所在平面法向定位模块、轴向浮动模块以及孔轴定位模块；所述孔轴定位模块用于对待测孔的轴线进行定位，所述轴向浮动模块用于适应待测孔孔径公差变化，所述待测孔所在平面法向定位模块用于确定待测孔所在平面的法向，所述孔垂直度测量模块用于测量待测孔的垂直度。

进一步地，所述孔垂直度测量模块包括至少三个位移计，位移计的本体部分与待测孔所在平面法向定位模块连接，位移计的探头与待测孔所在平面法向定位模块接触。

进一步地，所述待测孔所在平面法向定位模块包括连接套筒、轴承安装座、球面轴承、间接测量平面以及设置在轴承安装座底面的触脚，所述连接套筒与轴承安装座连接，连接套筒内设置有位移计安装支架，位移计的本体部分与所述位移计安装支架连接，球面轴承设置在轴承安装座内，间接测量平面通过下底面的安装轴与轴承安装座连接，位移计的探头与所述间接测量平面的上表面接触，所述轴向浮动模块设置在轴承安装座内，一端与间接测量平面的下表面连接，另一端穿过球面轴承并与所述孔轴定位模块连接。

进一步地，所述轴向浮动模块包括连接轴、第一止动销以及压缩弹簧，安装轴上设置有第一腰型孔，并且沿轴线方向设置有通孔，第一止动销设置在所述第一腰型孔内，连接轴的端部设置在安装轴的通孔内并与第一止动销连接，压缩弹簧设置在安装轴的通孔内，一端抵住间接测量平面的下底面，一端抵住连接轴的上端面，连接轴能够相对于间接测量平面沿轴线方向运动。

进一步地，所述孔轴定位模块包括内锥形弹簧套、第二止动销以及锥形芯轴，所述锥形芯轴的端部与连接轴尾部连接，锥形芯轴的尾部设置有第二腰型孔，第二腰型孔内设置有第二止动销，锥形弹簧套套设在锥形芯轴的尾部，并与第二止动销连接，锥形弹簧套能够相对于锥形芯轴沿轴线方向运动。

进一步地，所述连接套筒的上方还设置有位移计保护罩，所述位移计保护罩通过连接螺栓与连接套筒连接。

进一步地，所述待测孔所在平面法向定位模块还包括轴承挡圈，轴承挡圈设置在轴承安装座的底面，触脚设置在轴承挡圈的底面，

进一步地，所述触脚的数量为三个，在轴承安装座的底面呈等边三角形分布。

所述测量装置的使用方法具体包括如下步骤：

步骤S1.将测量装置的坐标原点定义在位移计安装支架上表面的中心位置处，并建立正交坐标系；

步骤S2.根据建立的正交坐标系，结合位移计安装支架的理论数模，获取位移计在 坐标系中安装位置的坐标，分别为

、

、

；

步骤S3. 将测量装置插入到垂直度为零的标定块中，记录此时位移计的读数分别 为

，此数值作为孔垂直度计算时的偏置，从而完成标定；

步骤S4.手持测量装置将孔轴定位模块伸入待测孔中，当內锥形弹簧套的上端法兰面与待测孔所在表面接触时，继续将装置插入待测孔内，内锥形弹簧套与锥形芯轴发生相对移动，从而将內锥形弹簧套胀开，直到內锥形弹簧套的外部与待测孔内壁接触，完成待测孔轴线定位；

步骤S5.继续将装置插入到待测孔内，压缩弹簧继续压缩，直到待测孔所在平面法向定位模块底部的触脚与待测孔所在表面接触，从而完成待测孔所在平面的法矢定位；

步骤S6.保持待测孔所在平面法向定位模块底部的触脚与待测孔所在平面接触， 位移计的探头部分作用在间接测量平面的上表面，此时位移计的读数分别为

；

步骤S7.根据几何知识，测量时，间接测量平面上的测量点坐标分别为

，

，

；

根据向量叉乘法，则有

；

进一步则可计算出孔垂直度偏差，即

；

其中，

为孔垂直度偏差；

为法向量；

为坐标系的基向量；

；

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本发明的有益效果：

（1）本发明基于接触式位移计、球面轴承、压缩弹簧等标准零部件以及相关机械结构设计，结合测量平板，设计了一种紧凑型的高精度孔垂直度测量装置，不仅能够实现孔垂直度的高精度测量，同时由于装置整体结构紧凑、体积小，尤其适用于狭小空间内的孔垂直度测量，从而为飞机结构装配的制孔工艺优化提供方向，并为数字化制孔装备的法矢精度检验提供数据支撑。

（2）本发明在测量孔垂直度时，通过內锥形弹簧套、球面轴承等机械零部件转化为高精度接触式位移计的位移量，相比于非接触式的位移计，其体积更小、测量精度也更高。

（3）本发明相较于现有的非接触孔垂直度测量装置，无需对位移计的安装位姿进行标定，从而极大程度降低了装置的测量准备时间，提高了工作效率，并且测量精度也远高于基于非接触式位移计的测量装置的测量精度。

（4）本发明中，待测孔所在平面法向定位模块的的底部设置有三个触脚，并且三个触脚在底部呈等边三角形分布，不共线的三点确定一个平面，因此装置在使用时通过上述三个触脚能够快速确定待测孔所在平面的法向，进一步地，三个触脚呈等边三角形分布能够保证装置在测量时的稳定性。

附图说明

本发明的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，附图中：

图1为本发明测量装置整体结构示意图；

图2为本发明测量装置爆炸图；

图3为本发明测量装置内部结构示意图。

附图中：

1、孔垂直度测量模块；2、待测孔所在平面法向定位模块；3、轴向浮动模块；4、孔轴定位模块；5、位移计安装支架；6、第一腰型孔；7、第二腰型孔；8、位移计保护罩；9、安装轴；101、位移计；201、连接套筒；202、轴承安装座；203、球面轴承；204、间接测量平面；205、触脚；206、轴承挡圈；301、连接轴；302、第一止动销；303、压缩弹簧；401、锥形弹簧套；402、第二止动销；403、锥形芯轴。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将通过几个具体的实施例来进一步说明实现本发明发明目的的技术方案，需要说明的是，本发明要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1

现阶段，飞机结构装配过程中仍然主要以手工制孔为主，因此，制孔垂直度会不可避免出现超差的现象，所以，在飞机结构装配过程中需对所加工孔的垂直度进行测量，以评估制孔质量并及时进行修正，防止故障孔进入下一装配环节导致排故成本增加。然而目前，已有的孔垂直度测量装置不仅测量精度低，并且同时还存在体积较大的问题，尤其对于飞机狭小空间内的孔垂直度检测来说，根本无法很好的适用于生产作业现场，提高工作效率。

基于此，本实施例针对现有技术存在的问题，提出了一种紧凑型高精度孔垂直度测量装置，使用本装置不仅能够高效并且高精度地实现飞机结构连接孔的垂直度测量，同时由于装置结构紧凑、体积小，尤其适用于狭小空间内的孔垂直度测量，从而为飞机结构装配的制孔工艺优化提供方向，并为数字化制孔装备的法矢精度检验提供数据支撑。

参照说明书附图1，所述紧凑型高精度孔垂直度测量装置主要包括孔垂直度测量模块1、待测孔所在平面法向定位模块2以及孔轴定位模块4，上述三个模块在竖直平面内从上往下依次连接分布；所述孔轴定位模块4用于在测量时，对待测孔的轴线进行定位；所述待测孔所在平面法向定位模块2在测量时，用于确定待测孔所在平面的法向；所述孔垂直度测量模块1在测量时，用于最终测量待测孔的垂直度；进一步地，防止待测孔径公差超过阈值造成装置无法同时准确定位待测孔的轴线与其所在平面的法向，所述待测孔所在平面法向定位模块2与孔轴定位模块4之间还设置有轴向浮动模块3，在测量时，用于适应待测孔孔径公差变化，所述轴向浮动模块3为一个可选模块，对于测量孔径公差变化较小的孔，装置可不设置该模块。

进一步地，参照说明书附图2，所述孔垂直度测量模块1包括位移计101；所述待测孔所在平面法向定位模块2包括连接套筒201、轴承安装座202、球面轴承203、间接测量平面204以及设置在轴承安装座202底面的触脚205；所述轴向浮动模块3包括连接轴301、第一止动销302以及压缩弹簧303；所述孔轴定位模块4包括内锥形弹簧套401、第二止动销402以及锥形芯轴403。

在本实施例中，间接测量平面的下底面设置有一个安装轴9，安装轴9是一个台阶轴，安装轴9沿轴线方向设置有通孔，安装轴9的侧壁上设置有与通孔连通的第一腰型孔6。

进一步地，参照说明书附图3，连接套筒201内设置有位移计安装支架5，位移计101的本体部分设置在所述位移计安装支架5上，所述连接套筒201的尾部通过连接螺栓与轴承安装座202的端部连接，球面轴承203设置在轴承安装座202内，间接测量平面204的安装轴9设置在轴承安装座202的槽孔内，间接测量平面204通过安装轴9与轴承安装座202连接，安装轴9与轴承安装座202的槽孔两者过渡配合，位移计101的探头与所述间接测量平面204的上表面接触；进一步地，所述连接轴301的端部设置在所述安装轴9的通孔内，并且端部设置有供第一止动销302穿过的第一安装通孔，第一止动销302设置在所述第一安装通孔内，并且第一止动销302的两端挂接在所述第一腰型孔6内，所述压缩弹簧303设置在安装轴9的通孔内，其一端抵在间接测量平面204的下表面，另一端抵在连接轴301端部设置的台阶面上，连接轴301能够相对于间接测量平面204沿轴线方向运动；进一步地，锥形芯轴403的端部与连接轴301的尾部连接，锥形芯轴403包括一个圆柱导向段和一个螺纹连接段，连接轴301的尾部沿轴向设置有螺纹孔，锥形芯轴403的螺纹连接端设置在所述螺纹孔内，两者螺纹连接，锥形芯轴403的尾部设置有第二腰型孔7，锥形弹簧套401套设在锥形芯轴403的尾部，锥形弹簧套401上设置有供第二止动销402穿过的第二安装通孔，第二止动销402依次贯穿所述第二安装通孔以及第二腰型孔7，锥形弹簧套401能够相对于锥形芯轴403沿轴线方向运动，二者的相对运动能够实现内锥形弹簧套401的径向收缩与膨胀，从而实现孔径公差变化的待测孔轴线的快速定位，内锥形弹簧套401的上端面设置有法兰面。

在本实施例中，为了保护位移计101，降低外界环境对位移计101的影响，从而影响测量装置整体的测量精度，所述连接套筒201的端部设置有一个位移计保护罩8，位移计保护罩8通过连接螺栓与连接套筒201连接。

在本实施例中，所述触脚205的数量为三个，并且在轴承安装座202的底面呈等边三角形分布。

在本实施例中，所述位移计101的数量至少为三个。

在本实施例中，若球面轴承203与轴承安装座202的配合关系为过渡或间隙配合，那么轴承安装座202的底部还设置有一个轴承挡圈206，用于防止球面轴承轴向移动，触脚205则设置在轴承挡圈206的底部；如果两者的关系为过盈配合，则无需设置轴承挡圈206。

在本实施例中，为了增加锥形弹簧套401的径向弹性，在其周边设置有若干的沟槽；进一步地，为了保证锥形弹簧套401的耐磨性，弹簧套的材质可选择黄铜或者铝青铜等耐磨性好的材料。

基于同一发明构思，本实施例还提出了一种紧凑型高精度孔垂直度测量装置的使用方法，该方法主要包括以下步骤：

步骤S1.将测量装置的坐标原点定义在位移计安装支架5上表面的中心位置处，并建立正交坐标系；

步骤S2.根据建立的正交坐标系，结合位移计安装支架5的理论数模，获取三个位 移计101在坐标系中安装位置的坐标，分别为

、

、

；

步骤S3.将测量装置插入到垂直度为零的标定块中，此时三个位移计101的读数分 别为

；

步骤S4.手持所述测量装置将尾部的孔轴定位模块4伸入待测孔中，当內锥形弹簧套401上端的法兰面与待测孔所在的表面接触时，继续将装置插入待测孔内，内锥形弹簧套401与锥形芯轴403发生相对移动，从而将內锥形弹簧套401胀开，直到內锥形弹簧套401的外部与待测孔内壁接触，最终完成待测孔轴线定位；

步骤S5.继续将装置插入到待测孔内，压缩弹簧303继续压缩，直到装置底部的触脚205与待测孔所在的表面接触，最终完成待测孔所在平面的法矢定位；

步骤S6.保持装置底部的触脚205与待测孔所在的平面接触，位移计101的探头部 分作用在间接测量平面204的上表面，此时三个位移计101的读数为分别为

；

步骤S7.根据几何知识，测量时，间接测量平面上的测量点坐标分别为

，

，

；

根据向量叉乘法，则有

；

进一步则可计算出孔垂直度偏差，即

；

其中，

为孔垂直度偏差；

为法向量；

为坐标系的基向量；

；

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在本实施例中，间接测量平面204上的测量点即是位移计的探头作用在间接测量平面上的点位。

在本实施例中，需要说明的是，步骤S1和步骤S2仅执行一次，一旦获取位移计101在坐标系中安装位置的坐标后，后续测量过程中不再执行。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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保护范围的阻碍。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的阻碍，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种紧凑型高精度孔垂直度测量装置，其特征在于，包括从上往下依次连接的孔垂直度测量模块（1）、待测孔所在平面法向定位模块（2）、轴向浮动模块（3）以及孔轴定位模块（4）；所述孔轴定位模块（4）用于对待测孔的轴线进行定位，所述轴向浮动模块（3）用于适应待测孔孔径公差变化，所述待测孔所在平面法向定位模块（2）用于确定待测孔所在平面的法向，所述孔垂直度测量模块（1）用于测量待测孔的垂直度。

2.根据权利要求1所述的一种紧凑型高精度孔垂直度测量装置，其特征在于，所述孔垂直度测量模块（1）包括至少三个位移计（101），位移计（101）的本体部分与待测孔所在平面法向定位模块（2）连接，位移计（101）的探头与待测孔所在平面法向定位模块（2）接触。

3.根据权利要求2所述的一种紧凑型高精度孔垂直度测量装置，其特征在于，所述待测孔所在平面法向定位模块（2）包括连接套筒（201）、轴承安装座（202）、球面轴承（203）、间接测量平面（204）以及设置在轴承安装座（202）底面的触脚（205），所述连接套筒（201）与轴承安装座（202）连接，连接套筒（201）内设置有位移计安装支架（5），位移计（101）的本体部分与所述位移计安装支架（5）连接，球面轴承（203）设置在轴承安装座（202）内，间接测量平面（204）通过下底面的安装轴（9）与轴承安装座（202）连接，位移计（101）的探头与所述间接测量平面（204）的上表面接触，所述轴向浮动模块（3）设置在轴承安装座（202）内，一端与间接测量平面（204）的下表面连接，另一端穿过球面轴承（203）并与所述孔轴定位模块（4）连接。

4.根据权利要求3所述的一种紧凑型高精度孔垂直度测量装置，其特征在于，所述轴向浮动模块（3）包括连接轴（301）、第一止动销（302）以及压缩弹簧（303），安装轴（9）上设置有第一腰型孔（6），并且沿轴线方向设置有通孔，第一止动销（302）设置在所述第一腰型孔（6）内，连接轴（301）的端部设置在安装轴（9）的通孔内并与第一止动销（302）连接，压缩弹簧（303）设置在安装轴（9）的通孔内，一端抵住间接测量平面（204）的下底面，一端抵住连接轴（301）的上端面，连接轴（301）能够相对于间接测量平面（204）沿轴线方向运动。

5.根据权利要求4所述的一种紧凑型高精度孔垂直度测量装置，其特征在于，所述孔轴定位模块（4）包括内锥形弹簧套（401）、第二止动销（402）以及锥形芯轴（403），所述锥形芯轴（403）的端部与连接轴（301）尾部连接，锥形芯轴（403）的尾部设置有第二腰型孔（7），第二腰型孔（7）内设置有第二止动销，锥形弹簧套（401）套设在锥形芯轴（403）的尾部，并与第二止动销（402）连接，锥形弹簧套（401）能够相对于锥形芯轴（403）沿轴线方向运动。

6.根据权利要求3所述的一种紧凑型高精度孔垂直度测量装置，其特征在于，所述连接套筒（201）的上方还设置有位移计保护罩（8），所述位移计保护罩（8）通过连接螺栓与连接套筒（201）连接。

7.根据权利要求2所述的一种紧凑型高精度孔垂直度测量装置，其特征在于，所述待测孔所在平面法向定位模块（2）还包括轴承挡圈（206），轴承挡圈（206）设置在轴承安装座（202）的底面，触脚（205）设置在轴承挡圈（206）的底面。

8.根据权利要求3或7所述的一种紧凑型高精度孔垂直度测量装置，其特征在于，所述触脚（205）的数量为三个，在轴承安装座（202）的底面呈等边三角形分布。

9.一种紧凑型高精度孔垂直度测量装置的使用方法，其特征在于，使用如权利要求5所述的一种紧凑型高精度孔垂直度测量装置，具体包括如下步骤：

步骤S1.将测量装置的坐标原点定义在位移计安装支架（5）上表面的中心位置处，并建立正交坐标系；

步骤S2.根据建立的正交坐标系，结合位移计安装支架（5）的理论数模，获取位移计 （101）在坐标系中安装位置的坐标，分别为

、

、

；

步骤S3. 将测量装置插入到垂直度为零的标定块中，记录此时位移计（101）的读数分 别为

，此数值作为孔垂直度计算时的偏置，从而完成标定；

步骤S4.手持测量装置将孔轴定位模块（4）伸入待测孔中，当內锥形弹簧套（401）的上端法兰面与待测孔所在表面接触时，继续将装置插入待测孔内，内锥形弹簧套（401）与锥形芯轴（403）发生相对移动，从而将內锥形弹簧套（401）胀开，直到內锥形弹簧套（401）的外部与待测孔内壁接触，完成待测孔轴线定位；

步骤S5.继续将装置插入到待测孔内，压缩弹簧（303）继续压缩，直到待测孔所在平面法向定位模块（2）底部的触脚（205）与待测孔所在表面接触，从而完成待测孔所在平面的法矢定位；

步骤S6.保持待测孔所在平面法向定位模块（2）底部的触脚（205）与待测孔所在平面接 触，位移计（101）的探头部分作用在间接测量平面（204）的上表面，此时位移计（101）的读数 分别为

；

步骤S7.根据几何知识，测量时，间接测量平面上的测量点坐标分别为

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根据向量叉乘法，则有

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进一步则可计算出孔垂直度偏差，即

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其中，

为孔垂直度偏差；

为法向量；

为坐标系的基向量；

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