CN117781909A - 一种深孔测量装置与测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机械制造深孔检测领域，具体涉及一种深孔测量装置与测量方法。测量装置包括：测量本体和计算单元，测量本体包括定心器，成像装置、屏幕、通光板、挡光板和光源通过连接机构依次固定设置在定心器上，挡光板和通光板为与定心器同轴设置的不透光圆形板，通光板上设置有与定心器轴线同心的圆环形的通光缝隙，光源用于发出光照亮待测工件内壁，被照亮的区域散射的光经挡光板挡光后，再通过通光板上的通光缝隙后成像在屏幕上，计算单元用于根据屏幕上圆环光斑宽度计算待测工件的孔径大小。本发明通过小孔成像，不仅可以放大待测工件孔内形貌，还可以实现孔径、圆度、圆柱度等多种参数的精确测量。
Description
技术领域
本发明属于机械制造深孔检测领域，具体涉及一种深孔测量装置与测量方法。
背景技术
在机械制造中，深孔检测是深孔加工工序中必不可少的环节，深孔形位公差是评估深孔加工质量好坏的重要依据。深孔加工时由于刀具长径比大，容易产生振动而导致所加工孔孔径、圆度、圆柱度等几何量出现偏差。同时，部分深孔零件在使用过程会产生磨损、疲劳破环等情况，因此需要进行深孔检测帮助发现零部件内部的缺陷，从而及时发现潜在的安全隐患，便于及时维护，避免由于零部件的损坏而导致安全事故。
在实际操作中，人们一般使用游标卡尺、量规、塞规、千分尺等传统测量工具进行深孔检测。检测中，对孔径测量常常采用取待测孔端面上任意直径多次测量取均值的方法。对孔的某截面圆度检测采用三点定圆的方法。现有光学测量工具和设备往往只能测量单一的指标，多功能测量设备比较少，且部分设备受限于深孔零件长径比大和内部空间有限等因素，不能在长深孔内进行定点测量，因此，深孔内部的圆度、圆柱度、直径检测存在困难。而有一些可以外置于零件进行检测的深孔检测设备，如超声波测量技术可以实现深孔内部尺寸形貌检测，但是检测结果与材料属性相关，尤其对非均匀材料和曲率较小的孔检测会存在误差。
发明内容
针对现有技术中深孔零件、管道等内孔不易检测，测量指标单一等问题，本发明提出一种深孔测量装置及测量方法，通过简单结构以实现深孔圆度、圆柱度、直径等多几何量测量需求，提高检测精度。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种深孔测量装置，包括：测量本体和计算单元，所述测量本体包括定心器、成像装置、屏幕、通光板、挡光板和光源，所述成像装置、屏幕、通光板、挡光板和光源通过连接机构依次固定设置在定心器上，所述定心器用于将测量本体自动定心在待测工件的深孔内；
所述挡光板和通光板为与定心器同轴设置的不透光圆形板，且挡光板的直径小于待测工件内径，通光板上设置有与定心器轴线同心的圆环形的通光缝隙，所述光源用于发出光照亮待测工件内壁，被照亮的区域散射的光经所述挡光板挡光后，再通过所述通光板上的通光缝隙后成像在所述屏幕上，所述成像装置用于采集屏幕上的成像图像，所述计算单元用于根据成像图像上的圆环光斑宽度，计算待测工件的孔径、圆度和圆柱度。
所述连接机构为固定设置在定心器轴线上的连接杆。
所述的一种深孔测量装置，还包括支撑底座，所述支撑底座用于设置待测工件，所述支撑底座一端向上延伸，且其延伸段上设置有推杆，所述推杆用于推动所述测量本体进入待测工件的深孔中。
所述挡光板为圆台状，其靠近通光板一侧半径大，靠近光源一侧半径小，圆台底角γ满足关系式：
；
其中，表示挡光板与光源之间的距离，/>表示挡光板靠近光源一侧的挡光半径。
屏幕与通光板的距离大于通光板与挡光板的距离。
所述计算单元计算待测工件的孔径的方法为：
根据测量得到的圆环光斑在多个不同圆心角上的宽度x，计算孔壁截面上多个不同圆心角对应的点与孔轴线的距离，计算公式为：
；
其中，表示通光板与屏幕的距离，t表示测量本体的尺寸常数；/>表示挡光板对二次光源的挡光半径；
根据同一孔壁截面上多个点与孔轴线的距离进行圆拟合，得到待测工件的孔径。
测量本体的尺寸常数t的计算公式为：
；
表示通过测量标准工件得到的圆环光斑宽度，/>表示标准工件的深孔半径。
此外，本发明还提供了一种深孔测量方法，基于所述的一种基于深孔测量装置实现，包括以下步骤：
步骤一：将测量本体放入标准工件的孔内进行测量，得到对应的成像图像中的圆环光斑的宽度；
步骤二：设置采样间隔后，将测量本体放入待测工件内并使其沿轴向运动，获取不同深度处的成像图像，并计算各个深度处得到的成像图像中的圆环光斑在不同圆心角上的对应的宽度x；
步骤三：根据步骤一和步骤二的测量结果，计算各个深度处的孔壁截面上不同圆心角对应的各个点与孔轴线的距离，然后对不同深度分别进行圆拟合得到各个深度对应的孔径；同时，计算待测工件的深孔的圆柱度误差和圆度误差。
所述标准工件的孔径等于待测工件的标称孔径。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明提供了一种深孔测量装置及测量方法，通过挡光板和通光板的结构，可以对深孔内壁进行小孔成像并成像在屏幕上，当屏幕与通光板的距离大于通光板与挡光板的距离时，即可以将被测部位的特征放大后显示出来，进而使待测内孔的形貌显示得更为明显，提高深孔检测精度；其不仅可以测量尺寸、圆度、圆柱度等多种参数，而且可以通过计算机技术自动拟合得到被测内孔的形状、形貌；测量时不必人工干预，减少了人工操作带来的误差；本发明采用光学方法测量，数据获取、传输、处理可由计算机完成，便于自动化检测。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的一种深孔测量装置的结构示意图；
图2为本发明实施例一中通光板的结构示意图；
图3为本发明实施例一的测量原理示意图；
图4为本发明实施例一中挡光板的结构示意图；
图5为本发明实施例中拟合得到孔径的原理示意图；
图中：1为定心器，2为成像装置，3为屏幕，4为通光板，5为挡光板，6为光源，7为连接杆，8为支撑底座，9为支撑部，10为待测工件，11为推杆，12为通光缝隙，13为连接筋，14为标准工件，15为截面拟合圆，16为截面轮廓。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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。
实施例一
如图1所示，本发明实施例一提供了一种深孔测量装置，包括：测量本体和计算单元，所述测量本体包括定心器1、成像装置2、屏幕3、通光板4、挡光板5和光源6，所述成像装置2、屏幕3、通光板4、挡光板5和光源6通过连接机构依次固定设置在定心器1上，所述定心器1的中心轴与待测工件10的深孔对应的中心轴的同轴，用于将测量本体自动定心在待测工件10的深孔内。
所述挡光板5和通光板4为与定心器1同轴设置的不透光圆形板，且挡光板5的直径小于待测工件10内径，通光板4为不透光板，其上设置有与定心器轴线同心的圆环形的通光缝隙12，所述光源6用于发出光照亮待测工件10内壁，被照亮的区域散射的光经所述挡光板5挡光后，再通过所述通光板4上的通光缝隙12后成像在所述屏幕3上，所述成像装置2用于采集屏幕3上的成像图像，所述计算单元用于根据成像图像计算屏幕上的圆环光斑宽度，并根据圆环光斑宽度计算待测工件10的孔径大小。
具体地，本实施例中，所述连接机构为固定设置在定心器1轴线上的连接杆7。此外，连接机构也可以为通光板4、挡光板5外侧的圆筒结构，圆筒结构一端固定在定心器1的端面。定心器1和成像装置2为本领域的现有技术，定心器1在深孔内沿轴向运动时，其外径能随深孔的孔径变化而变化，而且可以使定心器1的轴线始终与深孔轴线重合，从而保证与之固定连接的所有部件中心与待测孔中心重合。
进一步地，如图1所示，本实施例的一种深孔测量装置，还包括支撑底座8，所述支撑底座8用于设置待测工件10，所述支撑底座8上设置有支撑部9，待测工件10设置在支撑部9上，支撑底座8一端向上延伸，且其延伸段上设置有推杆11，所述推杆11用于推动所述测量本体进入待测工件10的深孔中。
如图2所示，为本实施例中通光板4的示意图，为了避免通光板4被通光缝隙12隔断，可以在通光缝隙12处设置2~4个连接筋13，则可以通过将通光板4直接固定在连接杆7上，并实现通光缝隙12与定心器1的同轴设置。所述光源6为点光源。
具体地，本实施例中，屏幕3与通光板4的距离d1大于通光板与挡光板的距离d2，则可以对被测内壁成放大的光斑图像，进而将被测内壁的特征放大后显示出来。
如图3所示，本实施例中，通光板4上设置的通光缝隙12的尺寸很小，光源6发出的光在挡光板5的作用下，照亮了挡光板5左侧某一位置B点往右的深孔内壁，并在深孔内壁上发生漫反射，则深孔内壁被照亮的部分可以看成二次光源。在挡光板5的挡光作用下，O''点右侧的内壁表面的漫反射光也无法入射至通光缝隙12上，则仅有BO''之间的光可以反射到通光缝隙12处，因此，二次光源的大小等于BO''之间的内壁长度；同时，根据小孔成像定理，通光缝隙12大于光的波长时，在屏幕上会形成倒立的、放大的像。因此在屏幕3上的成像图像中的光斑图案为孔壁上的圆形光环放大的效果。因此，当测量本体在孔内移动时可以获得孔壁尺寸和形貌变化。
下面结合图3以绕中心轴的某个圆心角所对应的截面为例，详细介绍本发明的测量原理。
如图3所示，假设通过通光缝隙12的第一临界光线BB'和第二临界光线O''O'在待测工件10的孔壁上的发射点为分别B点和O''点，在屏幕3上的成像点分别为B'点和O'点， O点表示通光缝隙12所在位置，E点表示挡光板5的边缘，E'表示E点沿轴向在通光板4上的投影，F表示O点沿轴向在屏幕3上的投影，D点和C点分别表示O点沿径向在标准工件14和待测工件10上的投影，G点和A点分别表示E点沿径向在标准工件14和待测工件10上的投影，假设OE'=s，通光缝隙12的半径为，挡光板5对二次光源的挡光半径为/>，则/>。第一临界光线BB'的入射光线为BE，BE与孔壁的夹角∠EBA=θ，θ的大小与光源6到挡光板的距离/>和挡光板对光源的挡光半径r4有关。通光板4与屏幕3的距离/>OF，通光板4与挡光板5的距离为/>。上述参数均为与测量本体尺寸有关的已知参数。通过测量，可以得到的屏幕3上的圆环光斑在对应圆心角上的宽度O'B'=x，假设挡光板5的挡光边缘与待测工件10的孔壁距离EA=/>。本实施例中，根据x值，可以计算得到/>值，进而得到深孔孔径。
则由ΔFOB'∽ΔCBO，得∠FOB'=θ1=∠CBO。
又由ΔFOO'∽ΔE'EO，得到：
；（1）
因此有：
；（2）
在ΔCBO中，有：
；（3）
此外，有：
；（4）
得到：
；（5）
同理，在ΔFOB'中，有：
；（6）
又：
；（7）
根据式（5）~（7），则有：
；（8）
将式（2）代入式（8），化简可得，挡光边缘与待测工件10的孔壁距离与圆环光斑宽度x的关系为：
；（9）
即：
；（10）
因此，测量得到不同圆心角对应的圆环光斑宽度x后，可以通过式（10）计算得到挡光板5的挡光边缘与待测工件10的孔壁距离，令，t表示测量本体的尺寸常数，进而计算得到孔壁截面上不同圆心角对应的各个点与孔轴线的距离/>，计算公式为：
；（11）
然后根据上述截面上各点与截面中心点的距离进行圆拟合得到各截面对应的深孔半径，进而得到孔径大小。
以表示标准工件的深孔半径，则对标准工件14进行测量时，根据式（8）可知，对应的挡光板5的挡光边缘与标准工件14的孔壁距离/>，假设测量到的圆环光斑宽度为/>，则有：
；（12）
则从式（12）可以看出，通过对标准工件14进行测量，可以直接标定尺寸常数t的值，以减小测量误差。或者根据标定第一临界光线BB'的入射光线与孔壁的夹角θ值；进而，通过式（10）来计算待测工件的孔壁半径。
进一步地，如图4所示，本实施例中，所述挡光板5为圆台状，其靠近通光板4一侧半径大，靠近光源6一侧半径小，圆台底角γ满足关系式：
； （13）
其中，表示挡光板5与光源6之间的距离，/>表示挡光板5对光源6的挡光半径。本实施例中，通过使挡光板5的圆台底角满足式（13），可以使二次光源的尺寸最小，提高成像精度和测量准确性。
实施例二
本发明的实施例二提供了一种深孔测量方法，基于实施例一所述的一种深孔测量装置实现，包括以下步骤：
步骤一：将测量本体放入标准工件14孔内进行测量，得到对应的成像图像中的圆环光斑的宽度；
步骤二：设置采样间隔后，将测量本体放入待测工件10内并使其沿轴向运动，获取不同深度处的成像图像，并计算各个深度处得到的成像图像中的圆环光斑在多个不同圆心角上的对应的宽度x；
步骤三：根据步骤一和步骤二的测量结果，计算各个深度处的孔壁截面上多个不同圆心角对应的各个点与孔轴线的距离，具体的计算公式为上述公式（11）~（12），然后对不同深度分别进行圆拟合得到各个深度对应的孔径。同时，根据各个深度的成像图像，计算深孔的圆柱度误差和圆度误差。
具体地，本实施例中，对于某个深度处对应的圆环光斑而言，可以沿0~360°的圆心角均匀地取若干个点，例如，取20个采样点，每个点可以得到一个光斑宽度x，通过计算可以得到20个值，则可以得到孔壁的截面轮廓16上的20个坐标确定的点（角度和与孔轴心距离确定），通过对这20个点进行圆拟合，将截面拟合圆15的直径作为孔径，即可以得到不同深度对应的孔径值，如图5所示。
具体地，本实施例中，所述标准工件14的孔径等于待测工件10的标称孔径。
本实施例中，将各个截面对应的的最大值和最小值的差，作为圆度误差，则深孔截面的圆度误差fr的计算公式为：
；（14）
本实施例中，深孔截面的圆柱度误差的计算方法为：沿深孔轴线方向取n个等距的圆截面，并依次编号为1~n。采用最小外接圆柱面法得到这n个圆截面的最小外接圆柱面半径及最大内切圆柱面半径/>，则圆柱度误差/>的计算公式为：
。（15）
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各个实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例中技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种深孔测量装置，其特征在于，包括：测量本体和计算单元，所述测量本体包括定心器（1）、成像装置（2）、屏幕（3）、通光板（4）、挡光板（5）和光源（6），所述成像装置（2）、屏幕（3）、通光板（4）、挡光板（5）和光源（6）通过连接机构依次连接，并固定设置在定心器（1）上，所述定心器（1）用于将测量本体自动定心在待测工件（10）的深孔内；
所述挡光板（5）和通光板（4）为与定心器（1）同轴设置的不透光圆形板，且挡光板（5）的直径小于待测工件（10）内径，通光板（4）上设置有与定心器轴线同心的圆环形的通光缝隙（12），所述光源（6）用于发出光照亮待测工件（10）内壁，被照亮的区域散射的光经所述挡光板（5）挡光后，再通过所述通光板（4）上的通光缝隙（12）后成像在所述屏幕（3）上，所述成像装置（2）用于采集屏幕（3）上的成像图像，所述计算单元用于根据成像图像上的圆环光斑宽度，计算待测工件（10）的孔径、圆度和圆柱度。
2.根据权利要求1所述的一种深孔测量装置，其特征在于，所述连接机构为固定设置在定心器（1）轴线上的连接杆（7）。
3.根据权利要求1所述的一种深孔测量装置，其特征在于，还包括支撑底座（8），所述支撑底座（8）用于设置待测工件（10），所述支撑底座（8）一端向上延伸，且其延伸段上设置有推杆（11），所述推杆（11）用于推动所述测量本体进入待测工件（10）的深孔中。
4.根据权利要求1所述的一种深孔测量装置，其特征在于，所述挡光板（5）为圆台状，其靠近通光板（4）一侧半径大，靠近光源（6）一侧半径小，圆台底角γ满足关系式：
；
其中，表示挡光板（5）与光源（6）之间的距离，/>表示挡光板（5）靠近光源（6）一侧的挡光半径。
5.根据权利要求1所述的一种深孔测量装置，其特征在于，屏幕（3）与通光板（4）的距离大于通光板与挡光板的距离。
6.根据权利要求1所述的一种深孔测量装置，其特征在于，所述计算单元计算待测工件（10）的孔径的方法为：
根据测量得到的圆环光斑在多个不同圆心角上的宽度x，计算孔壁截面上多个不同圆心角对应的点与孔轴线的距离，计算公式为：
；
其中，表示通光板（4）与屏幕（3）的距离，t表示测量本体的尺寸常数；/>表示挡光板（5）对二次光源的挡光半径；
根据同一孔壁截面上多个点与孔轴线的距离进行圆拟合，得到待测工件（10）的孔径。
7.根据权利要求6所述的一种深孔测量装置，其特征在于，测量本体的尺寸常数t的计算公式为：
；
表示通过测量标准工件（14）得到的圆环光斑宽度，/>表示标准工件（14）的深孔半径。
8.一种深孔测量方法，其特征在于，基于权利要求1所述的一种深孔测量装置实现，包括以下步骤：
步骤一：将测量本体放入标准工件（14）的孔内进行测量，得到对应的成像图像中的圆环光斑的宽度；
步骤二：设置采样间隔后，将测量本体放入待测工件（10）内并使其沿轴向运动，获取不同深度处的成像图像，并计算各个深度处得到的成像图像中的圆环光斑在多个不同圆心角上的对应的宽度x；
步骤三：根据步骤一和步骤二的测量结果，计算各个深度处的孔壁截面上多个不同圆心角对应的各个点与孔轴线的距离，然后对不同深度分别进行圆拟合得到各个深度对应的孔径；同时，计算待测工件（10）的深孔的圆柱度误差和圆度误差。
9.根据权利要求8所述的一种深孔测量方法，其特征在于，所述标准工件（14）的孔径等于待测工件（10）的标称孔径。
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