CN1789907A - 大尺寸轴孔内径测量系统 - Google Patents

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马孜
黄进
胡英
张旭
李爱国
韩仁通
陈力
赵凤国
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    • G01B11/08—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring diameters
    • G01B11/12—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring diameters internal diameters

Abstract

本发明涉及大尺寸轴孔内径测量系统，包括测量机构、激光测头、激光测距仪、电控系统及工业控制计算机。测量机构设四个步进电机，分别驱动构成测量机构的测量车沿轴孔轴向行走、测量架平移、测量架升降及激光测头旋转。激光测头用于测量并产生测量数据。激光测距仪用于检测测量车轴向前进距离。电控系统对步进电机、激光测头、工控机的电气接口和开关控制，工控计算机用于数据的采集处理和测量过程的控制。本测量系统能够自动检测大型轴孔的直径、圆度、圆柱度、锥度等综合参数，可结束人工接触性的费时、费力的测量，所设的工控计算机功能完善，操作方便，测量快、精度高，测量装置结构紧凑、便于维修，可广泛应用于大尺寸轴孔各项指标的测量。

Description

大尺寸轴孔内径测量系统
(一)技术领域
本发明涉及大孔径的尺寸测量方法，特别是涉及大尺寸轴孔内径测量系统。
(二)背景技术
在船舶制造过程中，需要加工大尺寸轴孔，所加工的轴孔尺寸范围宽，内径尺寸Φ500mm-Φ1500mm，孔深达10m，尺寸精度：圆度、圆柱度、锥度误差测量分辨要求为10微米。轴孔的精度直接影响能否进行最终的装配及装配效果，进一步影响船舶动力传动和整体性能。高精度轴孔的加工是造船的一项关键技术，而轴套的高精度检测与控制是实现轴孔内径高精度加工的保障。
(三)发明内容
本发明要解决的技术问题，是提供一种能够自动检测大尺寸的直径、圆度、圆柱度、锥度综合指标，测量分辨力达10微米高精度，快速测量的大尺寸轴孔内径测量系统。
采用的技术方案是：
大尺寸轴孔内径测量系统，包括测量机构、激光测头、激光测距仪、电控系统及工业控制计算机。所述的测量机构是测量系统的执行机构，由测量车、测量架组成，测量机构设四个步进电机，四个步进电机分别驱动测量车于轴孔内沿轴向行走、测量架平移、测量架升降和激光测头旋转，测量车的底板装有后驱动轮，其前部装有万向滚珠，行走驱动电机驱动后驱动轮行走，测量车的底板下面装设有吸盘式电磁铁，其两侧装设有定位卡刀，测量工作执行前吸盘式电磁铁与被测孔壁吸合，所述定位卡刀通过压缩弹簧使定位卡刀与被测孔内壁卡紧，以使测量车与被测轴孔平行定位。测量架由平移台、轴向丝杆、升降座、径向丝杆、径向导柱及传动齿轮组成。平移台铺设在测量车底板上所设的轴向导轨上，平移驱动电机驱动轴向丝杆带动与其连接的平移台沿轴向平移。平移台上装有传动齿轮，升降驱动电机驱动传动齿轮，传动齿轮带动与其装配的径向丝杆旋转，装在径向丝杆上的升降座通过丝母、丝杆传动沿径向导柱升或降。
所述的激光测头，是测量系统的测量元件，激光测头为两个，两个激光测头通过旋转臂分别装在旋转轴两端，旋转轴两侧分别装有旋转驱动电机和旋转编码器，所述旋转轴装在升降台架上，升降台架固定在所述升降座上，升降座上还连接一个激光轴向位置标定盘，旋转驱动电机驱动旋转轴使旋转臂带动激光测头做圆周运动。
所述的激光测距仪，是用于检测所述测量车的轴向前进距离。所述的电控系统，是用于对步进电机、激光测头、工业控制计算机的电气接口和开关控制，测量机构的步进电机和激光测头由动力信号线连接电控系统，通过卷线机随测量车的进程将动力信号线释放与回收。
所述的工业控制计算机，是用于测量系统测量过程的控制，其采集数据的过程是在工业控制计算机的控制下通过USB接口与激光测头控制器通信控制激光测头进行数据采集。测量机构轴向的行走过程，是由上位机通过步进电机控制卡向步进电机驱动器发出控制信号来完成。为保证测量机构的运行安全，设置了升降、平移限位开关。旋转编码器用于确定数据采集所对应的角度位置。
上述的工业控制计算机，是采用C++语言，在VC.Net的环境下开发的测量系统控制软件，采用模块化系统设计，用户可实时的对数据进行交互式操作。测量系统控制软件，包括人机交互控制主控模块，主控模块下分测量机构运动控制模块、激光测头设置模块、扫描控制模块、三维显示基本模块、测量数据处理模块、测量数据报告模块、文件I/O模块、数学运算模块。
上述的工业控制计算机的测量系统控件软件，其软件流程：
启动控制界面，输入工件基本参数预置；
选择激光测头参数；
自动调节测量机构的升降台架高度，使测量机构的旋转中心线与被测轴心线重合；
启动测量程序开始测量；
存贮激光测头的扫描数据；
对测量数据进行操作实现交互显示；
在想要测量的区域内进行特征提取；
在所确定的若干测量点显示各测量点测量结果；
显示/打印测量报告结束；
当测量没有完成，调节测量机构的运动控制、调试激光测头扫描、点运显示，最后坐标系调整/显示。
本发明取得的积极效果，是能够自动检测大尺寸轴孔内径的直径、圆度、圆柱度、锥度等综合参数指标，可结束人工接触性的费时、费力测量，测量快、精度高，测量装置结构紧凑、便于维修、功能完善、操作方便。
(四)附图说明
图1为本发明测量系统总体结构示意图。
图2为本发明测量机构结构示意图。
图3为图2的侧视图。
图4为本发明测量控制系统框架图。
图5为本发明设计的软件总体框架图。
图6为本发明软件工作流程图。
图7为人机界面图。
图8为参数设定对话框图。
图9为三维显示图。
图10为测量报告图。
(五)具体实施方式
大尺寸轴孔内径测量系统，包括测量机构1、激光测头2、激光测距仪3、电控系统4及工业控制计算机5。所述的测量机构1是测量系统的执行机构，由测量车8、测量架14组成，测量机构设四个步进电机，四个步进电机分别驱动测量车8于轴孔7内沿轴向行走、测量架14平移、测量架14升降和激光测头2旋转，测量车8的底板装有后驱动轮9，其前部装有万向滚珠10，行走驱动电机11通过软轴传动驱动后驱动轮9行走，测量车8的底板下面装设有吸盘式电磁铁12，其两侧装设有定位卡刀13，测量工作执行前吸盘式电磁铁12与被测孔壁吸合，所述定位卡刀13通过压缩弹簧使定位卡刀13与被测孔内壁卡紧，以使测量车与被测轴孔平行定位。测量架14由平移台15、轴向丝杆16、升降座17、径向丝杆18、径向导柱19及传动齿轮20组成。平移台15铺设在测量车8底板上所设的轴向导轨21上，平移驱动电机22驱动轴向丝杆16带动与其连接的平移台15沿轴向平移。平移台15上装有传动齿轮20，升降驱动电机23驱动传动齿轮20带动与其装配的径向丝杆18旋转，装在径向丝杆18上的升降座17通过丝母、丝杆传动沿径向导柱19升或降。
所述的激光测头，是测量系统的测量元件，测量并产生测量数据，激光测头2为两个，两个激光测头2通过旋转臂24分别装在旋转轴25两端，旋转轴25两侧分别套装有中空型旋转驱动电机26和中空型旋转编码器27，所述旋转轴25装在升降台架28上，升降台架28固定在所述升降座17上，升降座17上还连接一个激光轴向位置标定盘29，旋转驱动电机26驱动旋转轴25使旋转臂24带动激光测头2做圆周运动。
所述的激光测距仪3，是用于检测所述测量车8的轴向前进距离。为测量机构1的轴向运动控制提供闭环检测。所述的电控系统4，是用于对步进电机、激光测头2、工业控制计算机5的电气接口和开关控制，测量机构的步进电机和激光测头2由动力信号线30连接电控系统4，通过卷线机31随测量车8的进程将动力信号线30释放与回收。
所述的工业控制计算机5，是用于测量系统测量过程的控制，见图4所示。其采集数据的过程是在工业控制计算机5的控制下通过USB接口I与激光测头控制器32通信控制激光测头2进行数据采集。测量机构1轴向的行走过程，是通过激光测距仪3检测，并通过USB接口II与上位机通讯将距离信息进行反馈以参与控制。测量机构1的运动控制过程，是由上位机通过步进电机控制卡33经接口卡38向步进电机驱动器34、35、36、37发出控制信号来完成行走驱动电机11、升降驱动电机23、平移驱动电机22、旋转驱动电机26的控制。为了保证测量机构的运行安全，设置了升降限位开关39和轴向平移限位开关40。旋转编码器27用于确定数据采集所对应的角度位置。工业控制计算机，是采用C++语言，在VC.Net的环境下开发的测量系统控制软件，采用面性对象的设计，使得软件部分具有极大的可扩展性。充分发挥C++语言的高效特性，保证测量系统的实时性。采用模块化系统设计，便于更新和维护。三维数据显示部分采用OpenGL技术，用户可以在触模屏6上进行实时数据交互式操作。控制测量系统的控制软件(见图5)，包括人机交互控制主控模块，主控模块下分测量机构运动控制模块、激光测头设置模块、扫描控制模块、三维显示基本模块、测量数据处理模块、测量数据报告模块、文件I/O模块、数学运算模块。工业控制计算机的测量系统控制软件，其软件流程见图6。启动人机界面(见图7)，其人机界面采用WindowsXP风格设计，分为主菜单、参数设置区、测量控制区、三维显示区和测量结果区。通过参数设定对话框(见图8)输入工件基本参数预置；选择激光测头参数；自动调节测量机构的升降台架高度，使测量机构的旋转中心线与被测轴心线重合；启动测量程序开始测量；存贮激光测头的扫描数据；对测量数据进行操作实现交互显示(见图9)；在想要测量的的区域内进行特征提取；在所确定的若干测点显示各测量点测量结果；显示/打印测量报告(见图10)结束。

Claims (3)

1.大尺寸轴孔内径测量系统，包括测量机构(1)、激光测头(2)、激光测距仪(3)、电控系统(4)及工业控制计算机(5)，其特征在于所述的测量机构(1)是测量系统的执行机构，由测量车(8)、测量架(14)组成，测量机构(1)设四个步进电机，四个步进电机分别驱动测量车(8)于轴孔(7)孔径内沿轴向行走，测量架(14)平移、测量架(14)升降和激光测头(2)旋转，测量车(8)的底板装有后驱动轮(9)，其前部装有万向滚珠(10)，行走驱动电机(11)驱动后驱动轮(9)行走，测量车(8)的底板下面装设有吸盘式电磁铁(12)，其两侧装设有定位卡刀(13)，测量工作执行前吸盘式电磁铁(12)与被测孔壁吸合，所述定位卡刀(13)通过压缩弹簧使定位卡刀(13)与被测孔内壁卡紧，以使测量车(8)与被测轴孔平行定位，测量架(14)由平移台(15)、轴向丝杆(16)、升降座(17)、径向丝杆(18)、径向导柱(19)及传动齿轮(20)组成，平移台(15)铺设在测量车(8)底板上所设的轴向导轨(21)上，平移驱动电机(22)驱动轴向丝杆(16)带动与其连接的平移台(15)沿轴向平移，平移台(15)上装有传动齿轮，升降驱动电机(23)驱动传动齿轮(20)，传动齿轮(20)带动与其装配的径向丝杆(18)旋转，装在径向丝杆(18)上的升降座(17)通过丝母、丝杆传动沿径向导柱(19)升或降；
所述的激光测头(2)，是测量系统的测量元件，激光测头(2)为两个，两个激光测头(2)通过旋转臂(24)分别装在旋转轴(25)两端，旋转轴(25)两侧分别装有旋转驱动电机(26)和旋转编码器(27)，所述旋转轴(25)装在升降台架(28)上，升降台架(28)固定在所述升降座(17)上，升降座(17)上还连接一个激光轴向位置标定盘(29)，旋转驱动电机(26)驱动旋转轴(25)使旋转臂(24)带动激光测头(2)做圆周运动；
所述的激光测距仪(3)，是用于检测所述测量车(8)的轴向前进距离，所述的电控系统(4)，是用于对步进电机、激光测头(2)、工业控制计算机(5)的电气接口和开关控制，测量机构的步进电机和激光测头(2)由动力信号线(30)连接电控系统(4)，通过卷线机(31)随测量车(8)的进程将动力信号线(30)释放与回收；
所述的工业控制计算机(5)，是用于测量系统测量过程的控制，其采集数据的过程是在工业控制计算机(5)的控制下通过USB接口与激光测头控制器(32)通信控制激光测头(2)进行数据采集，测量机构(1)轴向的行走过程，是由上位机通过步进电机控制卡(33)向步进电机驱动器(34)、(35)、(36)、(37)发出控制信号来完成，为保证测量机构的运行安全，设置了升降、平移限位开关(39)、(40)，旋转编码器(27)用于确定数据采集所对应的角度位置。
2.根据权利要求1所述的大尺寸轴孔内径测量系统，其特征在于所述的工业控制计算机，是采用C++语言，在VC.Net的环境下开发的测量系统控制软件，采用模块化系统设计，用户可实时的对数据进行交互式操作，测量系统控制软件，包括人机交互控制主控模块，主控模块下分测量机构运动控制模块、激光测头设置模块、扫描控制模块、三维显示基本模块、测量数据处理模块、测量数据报告模块、文件I/O模块、数学运算模块。
3.根据权利要求1或2所述的大尺寸轴孔内径测量系统，其特征在于所述的工业控制计算机的测量系统控件软件，其软件流程：
启动控制界面，输入工件基本参数预置；
选择激光测头参数；
自动调节测量机构的升降台架高度，使测量机构的旋转中心线与被测轴心线重合；
启动测量程序开始测量；
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在想要测量的区域内进行特征提取；
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