CN116929251A - 一种孔垂直度检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种孔垂直度检测装置及其检测方法，包括安装支架，所述安装支架上转动设置有间接测量模块，间接测量模块还连接有孔轴定位模块，所述安装支架上还设置有检测模块、定位模块和数据处理模块，其中所述检测模块与所述数据处理模块的输入端相连，数据处理模块的输出端还设置有显示屏；检测模块用于检测所述间接测量模块的顶面所在位置，所述定位模块用于定位待测孔所在面；使用时定位模块使装置始终位于待测孔所在面的垂直方向上，待测孔垂直度的改变将导致间接测量模块的倾斜，通过检测模块能够检测上述倾斜角度；同时通过插接的方式即可快速检测孔的垂直度，检测效率高；同时其体积小，方便携带，尤其是适合生产现场的快速检测。

Description

一种孔垂直度检测装置及其检测方法

技术领域

本申请涉及检测设备技术领域，具体涉及一种孔垂直度检测装置及其检测方法。

背景技术

飞机壁板中孔的垂直度对壁板的连接质量及飞机的表面装配质量有至关重要的影响，一方面，孔的垂直度不仅会导致蒙皮/桁条叠层制孔的层间毛刺及孔的错位现象，而且会导致后续的铆接成形质量不均匀，进一步降低壁板连接的强度；另一方面，孔的垂直度会导致埋头紧固件凸处于飞机表面，进一步影响飞机的气动性能。

目前，国内外相关研究人员在飞机壁板自动制孔/钻铆加工过程中的法矢测量与调整技术领域做了大量的研究工作，如基于点激光位移传感器、线激光位移传感器、3D激光扫描、结构光的法矢测量方法；

然而由于法矢测量误差、机床误差、工件变形误差等因素的影响，制孔垂直度无法得到有效保证，仍需要在制孔后对孔垂直度进行检测；此外，在飞机数字化制孔设备验收的过程中，而上述测量装置的检测效率较低，操作繁琐，无法在生产现场实现孔垂直度检测。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种孔垂直度检测装置及其检测方法，旨在解决现有技术中存在的检测效率低的缺陷。

本申请通过以下技术方案实现上述目的：

一种孔垂直度检测装置，包括安装支架；

间接测量模块，所述间接测量模块与所述安装支架转动相连；

孔轴定位模块，所述孔轴定位模块与所述间接测量模块相连；

检测模块，所述检测模块与所述安装支架相连，检测所述间接测量模块的顶面所在位置；

定位模块，所述定位模块与所述安装支架相连，定位待测孔所在面；

数据处理模块，所述数据处理模块的输入端与所述检测模块相连，所述数据处理模块的输出端还设置有显示屏。

可选的，孔轴定位模块包括弹性套和芯轴；所述弹性套上设置有内锥孔，所述弹性套上还设置有用于限定所述弹性套插入深度的限位环；所述芯轴为圆锥形结构，所述芯轴插入到所述内锥孔内。

可选的，弹性套上设置有两个相互对称的连接孔，所述芯轴上设置有调节槽，所述调节槽与两所述连接孔通过连接销串联。

可选的，间接测量模块底面设置有连接杆，所述连接杆的一端与所述芯轴相连；所述连接杆上设置有转动球环，所述安装支架上设置有与所述转动球环适配的球面轴承。

可选的，检测模块包括至少三个激光位移传感器，各所述激光位移传感器分别与所述安装支架相连；各所述激光位移传感器的激光射线穿过所述间接测量模块的顶面。

可选的，定位模块包括至少三个定位脚，各所述定位脚的一端分别与所述安装支架相连；各所述定位脚底部的触点位于同一水平面上。

可选的，数据处理模块包括相互连接的微处理器和电源模组；所述微处理器的输入端分别连接各所述激光位移传感器，所述微处理器的输出端与所述显示屏相连。

相应的，本申请还公开了基于上述孔垂直度检测装置的检测方法，包括以下步骤：

标定各所述激光位移传感器的安装位置坐标和各个所述激光位移传感器的测量方向；

将孔轴定位模块插入到待测孔内，直至各所述定位脚与待测孔所在面抵接；

分别获取各激光位移传感器的测量值；

根据各所述测量值分别计算各激光位移传感器所述间接测量模块上的测量点坐标；

根据各所述测量点坐标计算所述间接测量模块的法向矢量；

根据所述法向矢量计算待测孔垂直度。

可选的，测量点坐标满足以下公式：；

其中表示激光位移传感器测量零点的位置坐标，其表达式为/>；P_i表示各所述激光位移传感器测量方向的单位向量，其P_i表达式为/>，/>分别表示向量P_i在坐标系X、Y、Z轴上的分量；L_i表示各激光位移传感器的测量值，i表示各激光位移传感器的编号。

可选的，法向矢量的表达式为：

；

其中；/>；/>；；/>；/>；

所述待测孔垂直度满足以下公式:；其中m、n、p分别表示法向矢量在坐标系X、Y、Z轴上的分量。

与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：

本申请包括安装支架，所述安装支架上转动设置有间接测量模块，间接测量模块还连接有孔轴定位模块，所述安装支架上还设置有检测模块、定位模块和数据处理模块，其中所述检测模块与所述数据处理模块的输入端相连，所述数据处理模块的输出端还设置有显示屏；所述检测模块用于检测所述间接测量模块的顶面所在位置，所述定位模块用于标定待测孔所在面；

使用时，将所述孔轴定位模块插入到待检测孔内，同时将整个检测装置沿待测孔所在平面的垂直方向继续推入到待测孔内；当所述孔轴定位模块完全插入后，所述定位模块将与待测孔所在平面抵靠，随后即可通过显示屏读取相应的垂直度参数；

本申请的检测原理如下：由于定位模块的作用，所述安装支架将始终与待测孔所在面垂直，因此除间接测量模块和孔轴定位模块外，其他装置将被固定；由于间接测量模块与所述转动支架转动相连，即所述转动盘能够绕所述安装支架的轴线上一点旋转，如果待测孔的垂直度发生偏差，则在孔轴定位模块插入过程中，偏移的待测孔内壁将推动所述间接测量模块旋转，此时间接测量模块顶面将由水平状态逐渐倾斜；即所述检测测量模块顶面将始终与待测控轴线垂直，通过间接测量模块这一具体的结构能够将虚无的待测控轴线具现，因此通过检测模块检测所述间接测量模块顶面的位置即可计算得到孔的垂直度；

与现有技术相比，本申请整套装置的结构简单，其能够有效缩小设备的体积，方便携带，尤其是方便本领域技术人员将设备带入到实际生产现场，进而实现对产品加工质量的实时监控；

其次，本申请所述检测装置只需要通过简单的插接，再通过显示屏即可即可读取待测孔的垂直度，并判定大测控是否符合要求，其操作方式简便，尽可能的提高了待测孔的检测效率。

最后，由于本申请通过间接测量模块实现了对待测孔轴线的具现，从而实现对待测孔轴线偏差的检测，尽可能的降低了待测孔检测的难度。

附图说明

图1为本申请实施方式1提供的一种孔垂直度检测装置的结构示意图；

图2为本申请实施方式1提供的一种孔垂直度检测装置的爆炸图；

图3为本申请实施方式1提供的一种孔垂直度检测装置的工作示意图；

图4为孔轴定位模块结构示意图；

图5为间接测量模块与孔轴定位模块连接结构示意图；

图6为本申请实施方式1提供的一种孔垂直度检测方法的流程图；

附图标记：1-安装支架，2-间接测量模块，3-孔轴定位模块，4-显示屏，5-弹性套，6-芯轴，7-内锥孔，8-限位环，9-连接孔，10-调节槽，11-连接杆，12-转动球环，13-球面轴承，14-激光位移传感器，15-定位脚，17-电源模组，18-第一防护罩，19-第二防护罩。

本申请目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图作进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施方式1

参照图1到图5，本实施方式作为本申请一可选的实施方式，其公开了一种孔垂直度检测装置，包括安装支架1和间接测量模块2，所述安装支架1为圆环形结构，其中部设置有安装孔；

所述间接测量模块2顶面为一平整表面，用于检测；其底面一体设置有连接杆11，所述连接杆11的中部一体设置有转动球环12，同时在所述安装孔内还设置有球面轴承13，所述转动球环12与所述球面轴承13转动相连，从而保证所述间接测量模块2能够绕所述安装支架1的中线旋转；

所述检测装置还包括孔轴定位模块3和定位模块，其中所述孔轴定位模块3包括弹性套5和芯轴6；所述弹性套5上设置有内锥孔7，在所述弹性套5顶部还设置有限位环8，所述限位环8与所述弹性套5成T形结构相连；所述芯轴6呈圆锥形结构，在所述芯轴6上还设置有贯穿其轴线的调节槽10，所述弹性套5的两侧设置有共轴的连接孔9；需要指出的是，所述弹性套5内锥孔7的圆锥角大于所述芯轴6的圆锥角；

装配完成后，两所述连接孔9分别位于所述调节槽10的两侧，在两所述连接孔9与所述调节槽10之间通过连接销串联；

同时所述芯轴6顶部设置有连接螺杆，所述连接杆11底面设置有螺纹孔，通过所述连接螺杆与所述螺纹孔的配合实现所述连接杆11与所述芯轴6的连接，进而将所述孔轴定位模块3与所述间接测量模块2的连接；

上述结构的孔轴定位模块3在工作中，所述弹性套5首先插入到待测孔内，随着弹性套5的不断插入，限位环8的底面将与待测孔表面相互贴合，从而限定所述弹性套5的位置，并所述弹性套5固定；

此时芯轴6将插入到所述内锥孔7内，并最终与所述内锥孔7内壁贴合，随着芯轴6的继续插入，芯轴6将不断带动弹性套5发生径向膨胀，进而与待测孔紧密贴合；

在待测孔规格一定的情况下，采用上述结构的孔轴定位模块3一方面能够保证孔轴定位模块3能够与待测孔紧密贴合，避免因贴合不紧而导致的检测误差，有利于提高检测精度；

另一方面，上述结构的孔轴定位模块3具有一定的调节量，即相对于待测孔，可以适当缩小所述孔轴定位模块3的尺寸，缩小尺寸后的孔轴定位模块3能够快速插入到待测孔内，降低孔轴定位模块3的插接难度；同时在检测完毕抽出孔轴定位模块3时，芯轴6将首先与弹性套5脱离，弹性套5在失去外部作用力的情况下降快速实现径向收缩复位，进而与待测孔脱离，从而实现孔轴定位模块3与待测孔的自然分离，不但能够实现设备的快速安装插接，同时实现了快速拆除，且保证使用过程中不会因与待测孔内壁发生剐蹭而损伤零部件，提高了对待测孔的保护力度。

通过控制芯轴6的下压量即可控制所述弹性套5的径向膨胀量，满足不同待测孔的定位要求，尽可能提高了定位的可靠性。

而上述功能的实现，仅仅通过锥形结构的芯轴6与弹性套5即可实现，其以尽可能简单的结构实现了上述功能，极大的简化了设备的结构，不但提高了设备的稳定性和可靠性，同时降低了设备的成本。

所述定位模块包括至少三个定位脚15，基于三点共面的原理，所述定位脚15以三个为最佳；各所述定位脚15均为结构相同的圆柱体棒状结构，其一端与所述安装之间相连，另一端悬空状态；

需要指出的是，各所述定位脚15的轴线与所述安装支架1的轴线平行，同时各所述定位脚15绕所述孔轴定位模块3的轴线均匀布置，即相邻两所述定位脚15之间的角度为120°；

各所述定位脚15的最低点为触点，各所述触点位于一水平面内，且该水平面高于所述弹性套5的顶面，该水平面与所述弹性套5顶面之间的间距为2-3mm；

通过上述设置不但能够实现对平面的快速标定，同时2-3mm的间距能够为芯轴6的运动预留足够的空间，进而保证芯轴6能够控制所述弹性套5发生径向膨胀。

同时还可以再所述定位脚15的自由端套置相同的橡胶套，以提高对待测孔所在面的保护；同时所述定位脚15与所述安装之间之间还可以采用螺纹连接的方式进行连接，以方便本领域技术人员根据需要更换不同的定位脚15，适应不同的检测需要。

所述检测装置还包括检测模块，所述检测模块包括至少三个激光位移传感器14，基于三点共面原理，所述激光位移传感器14的数量以三个为最佳；

在所述安装支架1的顶面设置有三个支撑架，各所述支撑架绕所述间接测量模块2的轴线均匀设置，各所述激光位移传感器14分别安装于各所述支撑架上；同时各所述激光位移传感器14的激光射线照射间接测量模块2的顶面，至于其与所述间接测量模块2顶面的交点位置则可以随意设置，只要任意两激光位移传感器14的交点不重合即可；

所述检测装置还包括数据处理模块，所述数据处理模块包括PCB控制板和电源模块，在所述PCB控制板上嵌设有微处理器；所述电源模块与所述PCB控制板相连，同时各所述激光位移传感器14分别与所述PCB控制板的微处理器相连；所述微处理器的输出端则连接有显示屏4；

在所述安装架上部还套置有环形的第一防护罩18，各所述激光位移传感器14全部位于所述第一防护罩18内，通过所述第一防护罩18将各所述激光位移传感器14隔离，其不但能够避免误碰导致激光位移传感器14发生位移，影响检测精度；同时还能够避免灰尘等进入到设备内部，影响激光位移传感器14的检测精度；

所述PCB控制板则安装于所述第一防护罩18顶部；在所述第一防护罩18上部还套接有第二防护罩19，所述第二防护罩19包括一个圆柱形主体，圆柱形主体顶部设置有呈半球形结构的密封盖，所述电源模块和所述显示屏4均设置于所述第二防护罩19上。

所述数据处理模块的设置将所有的数据计算模型程序化，不但提高设备的自动化程度，同时实现了相关参数的快速输出和读取，尽可能提高待测孔的检测效率。

相应的，本申请还公开了上述检测装置的使用方法，包括以下步骤：

将所述孔轴定位模块插入到待测孔内；

向待测孔内压入所述孔轴定位模块，直至各所属定位脚与待测孔所在平面接触；

从显示屏上读取待测孔的垂直度参数。

实施方式2

参照图6，本实施方式作为本申请一可选的实施方式，其公开了基于实施方式1所述的一种孔垂直度装置的检测方法，包括以下步骤：

S1、标定各所述激光位移传感器的安装位置坐标和各个所述激光位移传感器的测量方向；

在激光位移传感器安装完成后，激光位移传感器的激光发射点即固定，同时其发射的激光束的方向也固定；

通过通用的激光位移传感器位姿标定方法可得到三个激光位移传感器测量零点的位置坐标与各所述激光位移传感器的测量方向通过测量方向上的单位向量/>表示；由于共设置有三个激光位移传感器，因此i的取值分别是1、2和3；

同时需要指出的是，激光位移传感器一旦安装完成，上述参数即固定不可更改，且上述参数在标定后即会预存到微处理器中作为基础参数；因此通过第一防护罩的隔离作用能够保证上述基础参数的时效性；

S2、将孔轴定位模块插入到待测孔内，直至各所述定位脚与待测孔所在面抵接；

将孔轴定位模块插入到待检测孔内，同时推动孔轴定位模块不断深入待测孔，直至各定位脚与待测孔所在面接触；

需要指出的是，为保护待测孔所在面，避免出现划伤，在任一定位脚与待测孔所在面接触后即需要停止下压所述检测装置，而是左右摆动所述检测装置以确保所有定位脚与待测孔所在面接触即可。

S3、分别获取各激光位移传感器的测量值；

控制所述激光位移传感器发射激光束，同时微处理器接收相应的检测参数L_i，i=1、2、3；

需要说明的是L_i表示的是激光位移发射器激光发射点（即激光位移传感器的安装位置坐标）与在间接测量模块上的测量点之间的距离；

S4、根据各所述测量值分别计算各激光位移传感器所述间接测量模块上的测量点坐标；

在安装完成后，激光位移传感器的安装位置坐标S_i为定值，同时各所述激光位移传感器测量方向的单位向量P_i为一确定的向量；

结合各所述激光位移传感器的测量值即可通过向量快速计算得到各激光位移传感器在间接测量模块顶面的测量点坐标；

各所述测量点坐标的表达式如下：；

其中表示激光位移传感器测量零点的位置坐标，其表达式为/>；P_i表示各所述激光位移传感器测量方向的单位向量，P_i表达式为/>，/>分别表示向量P_i在坐标系X、Y、Z轴上的分量；L_i表示各激光位移传感器的测量值，i表示各激光位移传感器的编号。

即编号为1的激光位移传感器的各测量点坐标的具体表达式为：，，/>；

同理可以得到编号为2和3的激光位移传感器的各测量点坐标的具体表达式，此处不在阐述；

S5、根据各所述测量点坐标计算所述间接测量模块的法向矢量；

基于几何中垂直于两条相交线的直线必垂直于上述两相交线确定平面的原理；

通过测量点坐标构建两个位于所述间接测量模块顶面所在平面的向量，其表达式为：

，其中/>，/>，/>；带入步骤S4中的相关参数可以得到测量点坐标参数即可得到：

；

同理可得向量；

因此间接测量模块顶面所在面的法向矢量满足以下关系：

；

；

S6、根据所述法向矢量计算待测孔垂直度。

在所述检测设备使用过程中，由于各个定位脚均与待测孔所在面接触，基于三点共面的原则克制，各定位脚的触点所在的平面将与待测孔所在面重合，由于各定位脚与安装架垂直相连，因此安装架及其安装于上的附属设备均位于待测孔所在面的垂直方向上，且由于定位脚为固定状态，因此上述设备的位置也固定；

而由于间接测量模块与所述安装支架为转动连接，因此如待测孔垂直度发生加工偏差，其将导致间接测量模块发生偏移；

由于法向矢量为间接测量模块顶面的法向矢量，因此其始终与间接测量模块顶面垂直，此时法向矢量与竖直方向之间的夹角即为孔的垂直度；

因此根据所述法向矢量即可快速计算待测孔的垂直度，其满足以下关系：

；其中m、n、p分别表示法向矢量在坐标系X、Y、Z轴上的分量。

以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种孔垂直度检测装置，其特征在于，包括安装支架(1)；

间接测量模块(2)，所述间接测量模块(2)与所述安装支架(1)转动相连；

孔轴定位模块(3)，所述孔轴定位模块(3)与所述间接测量模块(2)相连；

检测模块，所述检测模块与所述安装支架(1)相连，检测所述间接测量模块(2)的顶面所在位置；

定位模块，所述定位模块与所述安装支架(1)相连，标定待测孔所在面；

数据处理模块，所述数据处理模块的输入端与所述检测模块相连，所述数据处理模块的输出端还设置有显示屏(4)。

2.根据权利要求1所述的一种孔垂直度检测装置，其特征在于，所述孔轴定位模块(3)包括弹性套(5)和芯轴(6)；所述弹性套(5)上设置有内锥孔(7)，所述弹性套(5)上还设置有用于限定所述弹性套(5)插入深度的限位环(8)；所述芯轴(6)为圆锥形结构，所述芯轴(6)插入到所述内锥孔(7)内。

3.根据权利要求2所述的一种孔垂直度检测装置，其特征在于，所述弹性套(5)上设置有两个相互对称的连接孔(9)，所述芯轴(6)上设置有调节槽(10)，所述调节槽(10)与两所述连接孔(9)通过连接销串联。

4.根据权利要求2所述的一种孔垂直度检测装置，其特征在于，所述间接测量模块(2)底面设置有连接杆(11)，所述连接杆(11)的一端与所述芯轴(6)相连；所述连接杆(11)上设置有转动球环(12)，所述安装支架(1)上设置有与所述转动球环(12)适配的球面轴承(13)。

5.根据权利要求1所述的一种孔垂直度检测装置，其特征在于，所述检测模块包括至少三个激光位移传感器(14)，各所述激光位移传感器(14)分别与所述安装支架(1)相连；各所述激光位移传感器(14)的激光射线穿过所述间接测量模块(2)的顶面。

6.根据权利要求1所述的一种孔垂直度检测装置，其特征在于，所述定位模块包括至少三个定位脚(15)，各所述定位脚(15)的一端分别与所述安装支架(1)相连；各所述定位脚(15)底部的触点位于同一水平面内。

7.根据权利要求1所述的一种孔垂直度检测装置，其特征在于，所述数据处理模块包括相互连接的微处理器和电源模组(17)；所述微处理器的输入端分别连接各所述激光位移传感器(14)，所述微处理器的输出端与所述显示屏(4)相连。

8.基于权利要求1-7中任意一项所述的一种孔垂直度检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

标定各所述激光位移传感器的安装位置坐标和各个所述激光位移传感器的测量方向；

将孔轴定位模块插入到待测孔内，直至各所述定位脚与待测孔所在面抵接；

分别获取各激光位移传感器的测量值；

根据各所述测量值分别计算各激光位移传感器所述间接测量模块上的测量点坐标；

根据各所述测量点坐标计算所述间接测量模块的法向矢量；

根据所述法向矢量计算待测孔垂直度。

9.根据权利要求8所述的一种孔垂直度检测装置的检测方法,其特征在于，所述测量点坐标满足以下公式：；

其中表示激光位移传感器测量零点的位置坐标，其表达式为/>；P_i表示各所述激光位移传感器测量方向的单位向量，P_i表达式为/>，/>分别表示向量P_i在坐标系X、Y、Z轴上的分量；L_i表示各激光位移传感器的测量值，i表示各激光位移传感器的编号。

10.根据权利要求8所述的一种孔垂直度检测装置的检测方法,其特征在于，所述法向矢量的表达式为：

；

其中；/>；/>；；/>；/>；

所述待测孔垂直度满足以下公式:；其中m、n、p分别表示法向矢量在坐标系X、Y、Z轴上的分量。