CN115540769A - 一种长管内锥孔自动测量装置及方法 - Google Patents

一种长管内锥孔自动测量装置及方法 Download PDF

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董志刚
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Abstract

本发明公开了一种长管内锥孔自动测量装置及方法，所述装置包括外壳、底座、定心单元、传动单元和测量单元。本发明采用筒状集成式测量结构，通过外壳和底座保护核心结构，并且采用模块化设计，结实耐用，结构简单、便携性好。本发明采用双步进电机驱动同步带传动，并通过花键轴传动结构消除径向定位间隙，测量单元移动灵活、刚性好、运动精度高、结构紧凑。本发明采用三个激光传感器进行锥孔同一截面处内径得测量，可以避免因测杆悬臂震颤引起的数据失真的问题，保证装置的稳定性与较高的测量精度。本发明解决了变锥度深孔测量研究存在的测量困难，人工测量精度低、效率低等问题。

Description

一种长管内锥孔自动测量装置及方法
技术领域
本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种长管内锥孔自动测量装置及方法。
背景技术
深孔类零件在航空航天、工程机械、国防军事等领域中有着重要且广泛的应用，但是由于孔内空间狭小、长度较长、测量精度要求高，因此深孔类零件的测量一直是难点。目前对于深孔类零件的测量研究大多是采用行走在深孔内部的管道机器人，但是此类机器人无法适用于变锥度深孔的测量。
而传统的锥度检测手段是使用量盘和全形样柱，只能做定性判断，判断合格与否，不能测出具体的实际尺寸。现阶段关于锥孔测量的研究存在测量精度低、效率低等问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种长管内锥孔自动测量装置及方法，能高效率、高精度的测量变锥度深孔的孔径、锥度、圆度和同轴度等重要技术参数。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种长管内锥孔自动测量装置，包括底座、夹紧单元、内径测量单元、轴向检测单元和传动单元；所述夹紧单元安装在底座的法兰边缘，内径测量单元和轴向检测单元安装在传动单元的花键轴上，传动单元安装在底座上，通过两个步进电机驱动同步带使花键轴沿深孔零件轴线方向运动，同时带动内径测量单元和轴向检测单元沿深孔零件轴线移动；内径测量单元通过旋转电机旋转，轴向检测单元记录深孔零件轴线位置；
所述底座为筒状结构，右端加工有法兰，法兰右端面加工带锥度的凸缘；凸缘的锥度小于深孔零件孔口处的倒角，左端外径小于深孔零件孔口处的内径；
所述传动单元包括花键轴法兰、电机架、同步带轮、带压轮、同步带、花键轴、尾架、滚轮、同步带压板、套架和步进电机；所述花键轴右端外侧与套架连接、左端与尾架连接；所述尾架的上下两端各安装一个滚轮；
所述花键轴法兰固定在底座的左端，并与花键轴相配合；
所述套架的上下两侧分别安装同步带压板；
所述电机架固定在底座上，两个步进电机安装在电机架两侧；所述同步带轮安装在电机架上、并与步进电机的转轴连接；所述同步带轮左右两侧分别安装带压轮，所述带压轮安装在电机架上；
所述同步带的上侧右端固定在上侧同步带压板上、从右向左穿过底座上的方孔，经上侧的带压轮、同步带轮和带压轮至上侧滚轮，向下至下侧滚轮，再从左向右经下侧的带压轮、同步带轮和带压轮至下侧的同步带压板固定；
所述同步带为链条，同步带轮为链轮；
所述夹紧单元包括三个夹紧机构，三个夹紧机构安装在底座法兰边缘并沿圆周均布，所述夹紧机构包括弯钩自锁夹具与夹具座，所述夹具座固定在底座上，所述弯钩自锁夹具安装在夹具座上，通过拉动弯钩自锁夹具的手柄实现底座与深孔零件的锁紧；
所述内径测量单元包括电机连接架、旋转电机、激光传感器、测头座、测头罩壳和传感器固定板；所述测头罩壳安装在测头座上，用于保护激光传感器；所述电机连接架的一端同时与套架和花键轴固定、另一端与旋转电机相连；三个激光传感器分别通过三个传感器固定板呈120°夹角安装在测头座上；旋转电机驱动测头座绕深孔零件的轴线旋转实现深孔零件的内径的测量；
所述轴向检测单元包括铝型材固定座、铝型材、光栅尺读数头和光栅尺；所述铝型材左端通过铝型材固定座与尾架固定连接，右端与套架固定连接；所述光栅尺安装在铝型材上，光栅尺读数头固定在底座的左侧。
进一步地，所述底座左侧安装外壳，所述轴向检测单元和传动单元均安装在外壳内。
一种长管内锥孔自动测量装置的使用方法，包括如下步骤：
A、将长管内锥孔自动测量装置与深孔零件对接，通过底座的端面带锥度的凸缘与深孔零件的配合保证整个装置与深孔零件的轴线定位，底座端面与深孔零件的端面的配合保证整个装置的轴向定位；
B、按下弯钩自锁夹具的把手，通过弯钩对深孔零件外侧的法兰施加力实现轴向的夹紧；
C、测量时，两个步进电机反向转动，通过同步带轮驱动同步带移动、进而驱动花键轴沿深孔零件的轴线方向移动，内径测量单元实现对深孔零件的内径、圆度、锥度和同轴度的测量，具体步骤如下：
C1、花键轴带动内径测量单元沿深孔零件轴线方向移动到被测截面处，光栅尺读数头记录被测截面处的轴向位置，旋转电机带动三个激光传感器绕轴线旋转360°，记录多组数据，传输至后台计算机，并通过几何关系和最小二乘法拟合出被测截面处的内径和圆度；
C2、在深孔零件当前待测截面数据采集完成后，移动到下一被测截面处，重复步骤C1，直到完成深孔零件所有待测截面处的测量，通过计算机对被测截面处的数据进行处理和整合；
C3、通过测量得到两个不同截面处的孔径D1、D2与两个不同截面处的距离L12，通过以下公式计算锥度：
θ＝arctan[(D1-D2)/L12]
C4、通过测量得到的不同截面处的内径、圆度数据，采用最小二乘法计算出该截面圆心的位置，通过不同截面处的圆心拟合出实际轴线，并与基准轴线对比计算出同轴度误差。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用筒状集成式测量结构，通过外壳和底座保护核心结构，并且采用模块化设计，结实耐用，结构简单、便携性好，可适用于恶劣的测量环境；
2、本发明采用双步进电机驱动同步带传动，并通过滚珠花键轴传动结构消除径向定位间隙，测量单元移动灵活、刚性好、运动精度高、结构紧凑。
3、本发明采用三激光传感器进行锥孔同一截面处内径得测量，可以避免因测杆悬臂震颤引起的数据失真的问题，保证装置的稳定性与较高的测量精度。
4、本发明解决了变锥度深孔测量研究存在的测量困难，人工测量精度低、效率低等问题。
附图说明
图1为本发明安装完毕状态的轴测图(外壳15和测头罩壳24未示)。
图2为本发明安装完毕状态的全剖示意图。
图3为本发明安装完毕状态的外部结构示意图。
图4为本发明工作状态的示意图(外壳15未示)。
图中：1、步进电机，2、电机架，3、测头座，4、夹具座，5、弯钩自锁夹具，6、传感器固定板，7、激光传感器，8、底座，9、花键轴，10、同步带，11、铝型材，12、铝型材固定座，13、滚轮，14、尾架，15、外壳，16、花键轴法兰，17、电机连接架，18、同步带轮，19、带压轮，20、同步带压板，21、套架，22、深孔零件，23、旋转电机，24、测头罩壳，25、光栅尺读数头，26、光栅尺。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。如图1-4所示，一种长管内锥孔自动测量装置，包括底座8、夹紧单元、内径测量单元、轴向检测单元和传动单元；所述夹紧单元安装在底座8的法兰边缘，内径测量单元和轴向检测单元安装在传动单元的花键轴9上，传动单元安装在底座8上，通过两个步进电机1驱动同步带10使花键轴9沿深孔零件22轴线方向运动，同时带动内径测量单元和轴向检测单元沿深孔零件22轴线移动；内径测量单元通过旋转电机23旋转，轴向检测单元记录深孔零件22轴线位置；
所述底座8为筒状结构，右端加工有法兰，法兰右端面加工带锥度的凸缘；凸缘的锥度小于深孔零件22孔口处的倒角，左端外径小于深孔零件22孔口处的内径；
所述传动单元包括花键轴法兰16、电机架2、同步带轮18、带压轮19、同步带10、花键轴9、尾架14、滚轮13、同步带压板20、套架21和步进电机1；所述花键轴9右端外侧与套架21连接、左端与尾架14连接；所述尾架14的上下两端各安装一个滚轮13；
所述花键轴法兰16固定在底座8的左端，并与花键轴9相配合；
所述套架21的上下两侧分别安装同步带压板20；
所述电机架2固定在底座8上，两个步进电机1安装在电机架2两侧；所述同步带轮18安装在电机架2上、并与步进电机1的转轴连接；所述同步带轮18左右两侧分别安装带压轮19，所述带压轮19安装在电机架2上；
所述同步带10的上侧右端固定在上侧同步带压板20上、从右向左穿过底座8上的方孔，经上侧的带压轮19、同步带轮18和带压轮19至上侧滚轮13，向下至下侧滚轮13，再从左向右经下侧的带压轮19、同步带轮18和带压轮19至下侧的同步带压板20固定；
所述同步带10为链条，同步带轮18为链轮；
所述夹紧单元包括三个夹紧机构，三个夹紧机构安装在底座8法兰边缘并沿圆周均布，所述夹紧机构包括弯钩自锁夹具5与夹具座4，所述夹具座4固定在底座8上，所述弯钩自锁夹具5安装在夹具座4上，通过拉动弯钩自锁夹具5的手柄实现底座8与深孔零件22的锁紧；
所述内径测量单元包括电机连接架17、旋转电机23、激光传感器7、测头座3、测头罩壳24和传感器固定板6；所述测头罩壳24安装在测头座3上，用于保护激光传感器7；所述电机连接架17的一端同时与套架21和花键轴9固定、另一端与旋转电机23相连；三个激光传感器7分别通过三个传感器固定板6呈120°夹角安装在测头座3上；旋转电机23驱动测头座3绕深孔零件22的轴线旋转实现深孔零件22的内径的测量；
所述轴向检测单元包括铝型材固定座12、铝型材11、光栅尺读数头25和光栅尺26；所述铝型材11左端通过铝型材固定座12与尾架14固定连接，右端与套架21固定连接；所述光栅尺26安装在铝型材11上，光栅尺读数头25固定在底座8的左侧。
进一步地，所述底座8左侧安装外壳15，所述轴向检测单元和传动单元均安装在外壳15内。
一种长管内锥孔自动测量装置的使用方法，包括如下步骤：
A、将长管内锥孔自动测量装置与深孔零件22对接，通过底座8的端面带锥度的凸缘与深孔零件22的配合保证整个装置与深孔零件22的轴线定位，底座8端面与深孔零件22的端面的配合保证整个装置的轴向定位；
B、按下弯钩自锁夹具5的把手，通过弯钩对深孔零件22外侧的法兰施加力实现轴向的夹紧；
C、测量时，两个步进电机1反向转动，通过同步带轮18驱动同步带10移动、进而驱动花键轴9沿深孔零件22的轴线方向移动，内径测量单元实现对深孔零件22的内径、圆度、锥度和同轴度的测量，具体步骤如下：
C1、花键轴9带动内径测量单元沿深孔零件22轴线方向移动到被测截面处，光栅尺读数头25记录被测截面处的轴向位置，旋转电机23带动三个激光传感器7绕轴线旋转360°，记录多组数据，传输至后台计算机，并通过几何关系和最小二乘法拟合出被测截面处的内径和圆度；
C2、在深孔零件22当前待测截面数据采集完成后，移动到下一被测截面处，重复步骤C1，直到完成深孔零件22所有待测截面处的测量，通过计算机对被测截面处的数据进行处理和整合；
C3、通过测量得到两个不同截面处的孔径D1、D2与两个不同截面处的距离L12，通过以下公式计算锥度：
θ＝arctan[(D1-D2)/L12]
C4、通过测量得到的不同截面处的内径、圆度数据，采用最小二乘法计算出该截面圆心的位置，通过不同截面处的圆心拟合出实际轴线，并与基准轴线对比计算出同轴度误差。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种长管内锥孔自动测量装置，其特征在于：包括底座(8)、夹紧单元、内径测量单元、轴向检测单元和传动单元；所述夹紧单元安装在底座(8)的法兰边缘，内径测量单元和轴向检测单元安装在传动单元的花键轴(9)上，传动单元安装在底座(8)上，通过两个步进电机(1)驱动同步带(10)使花键轴(9)沿深孔零件(22)轴线方向运动，同时带动内径测量单元和轴向检测单元沿深孔零件(22)轴线移动；内径测量单元通过旋转电机(23)旋转，轴向检测单元记录深孔零件(22)轴线位置；
所述底座(8)为筒状结构，右端加工有法兰，法兰右端面加工带锥度的凸缘；凸缘的锥度小于深孔零件(22)孔口处的倒角，左端外径小于深孔零件(22)孔口处的内径；
所述传动单元包括花键轴法兰(16)、电机架(2)、同步带轮(18)、带压轮(19)、同步带(10)、花键轴(9)、尾架(14)、滚轮(13)、同步带压板(20)、套架(21)和步进电机(1)；所述花键轴(9)右端外侧与套架(21)连接、左端与尾架(14)连接；所述尾架(14)的上下两端各安装一个滚轮(13)；
所述花键轴法兰(16)固定在底座(8)的左端，并与花键轴(9)相配合；
所述套架(21)的上下两侧分别安装同步带压板(20)；
所述电机架(2)固定在底座(8)上，两个步进电机(1)安装在电机架(2)两侧；所述同步带轮(18)安装在电机架(2)上、并与步进电机(1)的转轴连接；所述同步带轮(18)左右两侧分别安装带压轮(19)，所述带压轮(19)安装在电机架(2)上；
所述同步带(10)的上侧右端固定在上侧同步带压板(20)上、从右向左穿过底座(8)上的方孔，经上侧的带压轮(19)、同步带轮(18)和带压轮(19)至上侧滚轮(13)，向下至下侧滚轮(13)，再从左向右经下侧的带压轮(19)、同步带轮(18)和带压轮(19)至下侧的同步带压板(20)固定；
所述同步带(10)为链条，同步带轮(18)为链轮；
所述夹紧单元包括三个夹紧机构，三个夹紧机构安装在底座(8)法兰边缘并沿圆周均布，所述夹紧机构包括弯钩自锁夹具(5)与夹具座(4)，所述夹具座(4)固定在底座(8)上，所述弯钩自锁夹具(5)安装在夹具座(4)上，通过拉动弯钩自锁夹具(5)的手柄实现底座(8)与深孔零件(22)的锁紧；
所述内径测量单元包括电机连接架(17)、旋转电机(23)、激光传感器(7)、测头座(3)、测头罩壳(24)和传感器固定板(6)；所述测头罩壳(24)安装在测头座(3)上，用于保护激光传感器(7)；所述电机连接架(17)的一端同时与套架(21)和花键轴(9)固定、另一端与旋转电机(23)相连；三个激光传感器(7)分别通过三个传感器固定板(6)呈120°夹角安装在测头座(3)上；旋转电机(23)驱动测头座(3)绕深孔零件(22)的轴线旋转实现深孔零件(22)的内径的测量；
所述轴向检测单元包括铝型材固定座(12)、铝型材(11)、光栅尺读数头(25)和光栅尺(26)；所述铝型材(11)左端通过铝型材固定座(12)与尾架(14)固定连接，右端与套架(21)固定连接；所述光栅尺(26)安装在铝型材(11)上，光栅尺读数头(25)固定在底座(8)的左侧。
2.根据权利要求1所述一种长管内锥孔自动测量装置，其特征在于：所述底座(8)左侧安装外壳(15)，所述轴向检测单元和传动单元均安装在外壳(15)内。
3.一种如权利要求1所述长管内锥孔自动测量装置的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：
A、将长管内锥孔自动测量装置与深孔零件(22)对接，通过底座(8)的端面带锥度的凸缘与深孔零件(22)的配合保证整个装置与深孔零件(22)的轴线定位，底座(8)端面与深孔零件(22)的端面的配合保证整个装置的轴向定位；
B、按下弯钩自锁夹具(5)的把手，通过弯钩对深孔零件(22)外侧的法兰施加力实现轴向的夹紧；
C、测量时，两个步进电机(1)反向转动，通过同步带轮(18)驱动同步带(10)移动、进而驱动花键轴(9)沿深孔零件(22)的轴线方向移动，内径测量单元实现对深孔零件(22)的内径、圆度、锥度和同轴度的测量，具体步骤如下：
C1、花键轴(9)带动内径测量单元沿深孔零件(22)轴线方向移动到被测截面处，光栅尺读数头(25)记录被测截面处的轴向位置，旋转电机(23)带动三个激光传感器(7)绕轴线旋转360°，记录多组数据，传输至后台计算机，并通过几何关系和最小二乘法拟合出被测截面处的内径和圆度；
C2、在深孔零件(22)当前待测截面数据采集完成后，移动到下一被测截面处，重复步骤C1，直到完成深孔零件(22)所有待测截面处的测量，通过计算机对被测截面处的数据进行处理和整合；
C3、通过测量得到两个不同截面处的孔径D1、D2与两个不同截面处的距离L12，通过以下公式计算锥度：
θ＝arctan[(D1-D2)/L12]
C4、通过测量得到的不同截面处的内径、圆度数据，采用最小二乘法计算出该截面圆心的位置，通过不同截面处的圆心拟合出实际轴线，并与基准轴线对比计算出同轴度误差。
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