CN208012545U - 一种用于制孔质量检测的光谱共焦测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于制孔质量检测的光谱共焦测量装置，包括检测单元，驱动所述检测单元转动的旋转机构，以及驱动所述检测单元和旋转机构共同上下运动的轴向驱动装置，所述旋转机构和轴向驱动装置还连接有进给协同控制器，所述检测单元电性连接有数据记录器，所述检测单元下端头安装有光谱共焦传感器，上端头可拆卸连接在所述旋转机构下方；所述轴向驱动装置上至少设置有两根竖直平行安装的光滑的导向柱，所述旋转机构套接在所述导向柱上通过轴向驱动装置驱动并沿导向柱上下滑动。本实用新型是采用光谱共焦自动检测制孔的孔径，深度以及孔内壁的表面粗糙度，能够达到现有的塞规所不能获取的有益效果。

Description

一种用于制孔质量检测的光谱共焦测量装置

技术领域

本实用新型涉及检测器械领域，尤其涉及采用光感高精度测量仪器领域，具体的说，是一种用于制孔质量检测的光谱共焦测量装置，主要适用于航空制造中，零件装配前对制孔精度的检测。

背景技术

铆钉是飞机装配中必不可少的连接方式，因此在零部件加工时需要加工成千上万个铆钉孔，铆钉孔的质量将与飞机零部件的质量、寿命息息相关，因此铆钉孔的检测至关重要。铆钉孔检测目前的常规方式是通过塞规（通止规）来检查，尺寸小的一头能够通过，而尺寸大的一头不能通过即为合格。该种方式需要人工进行操作,工作量大，而且检测的结果与人的操作力度、方式有很大关系，检测精度低、稳定性差，且在使用塞规是可能划伤孔内表面，影响孔质量；尤其是对于采用自动钻铆机的批量制孔检测尤为重要，因为自动钻铆机一批次制孔可能成百上千个，若一孔超差全部报废。检测包括对于适用于凸头铆钉安装的通孔和用于沉头铆钉的锪窝孔的深度，能够有效的保证制孔的精确度和成品率。

另一方面，对于飞机的承重框梁的装配多为数控机加工的大尺寸零件，通常是安装诸如抽钉，高锁螺栓之类的连接件，对应的安装孔都是精孔，深孔，常规的塞规是很难检测孔的精度的。本申请方案可以在孔质量检测时提高检测效率、精度和稳定性的同时，避免检测装置与孔表面接触进而划伤孔，与自动制孔系统集成后还能方便的进行在线检测。

下面提供几个申请人检索到的与本案相关的现有专利技术文献，并提供摘要如下：

现有技术1：

中国实用新型专利，申请号：201420139316.4 申请日：2014-03-25，本实用新型公开了一种光谱测量装置，属于光学测量技术领域。本实用新型的光谱测量装置，包括沿光入射方向依次设置的光学准直装置、分光器件、阵列式探测芯片，以及与所述阵列式探测芯片连接的数据采集与分析系统，其特征在于，所述分光器件包括透明基底，所述透明基底的至少一个表面上固着有一层金属粒子膜，所述金属粒子膜包括一组纳米至微纳米尺度的大小不等的金属粒子，所述金属粒子在金属粒子膜中呈不均匀分布，且金属粒子之间形成有一系列可容光线通过的大小不等的孔隙。相比现有技术，本实用新型具有结构简单、对振动不敏感、测量精度高、制作成本低等优点。

现有技术2：

中国发明专利申请，申请号：201710038591.5 申请日：2017-01-17，本发明公开一种光纤光谱共聚焦测量装置，包括：光源，用于出射多个波长的入射光，途经第一光通道传输到采样部；所述采样部，用于接收所述光源出射的入射光产生轴向色差，使产生该轴向色差的光照射至被测物，且使由所述被测物返回的反射光通过；测量部，用于接收途经第二光通道传输的所述反射光，获取所述被测物信息，解析出测量结果；光纤，包括第一光纤和第二光纤；以及壳体，用于放置所述光源和/或所述测量部，且所述耦合部处于所述壳体之外。本发明光纤光谱共聚焦测量装置的技术方案通过为光源和测量部单独设置光通道，使入射光与自被测物返回的反射光的光路相互独立，消除光源发出的光射入耦合部时形成的界面反射干扰，提高测量精度。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于制孔质量检测的光谱共焦测量装置，用于解决现有航空领域对于安装孔质量和精度的检测，替代现有的人工塞规检测精度有限，效率低下，深孔检测局限的问题。本实用新型通过采用光谱共焦测量原理利用轴向和径向双自由度运动，采用传感器采集，处理器记录处理数据拟合成图像显示，供后期分析，能够准确的将被检测的孔真实的数据进行模拟成像，获得非常直观的检测效果；避免了现有的塞规检测的多种局限。

本实用新型通过下述技术方案实现：

一种用于制孔质量检测的光谱共焦测量装置，包括检测单元，驱动所述检测单元转动的旋转机构，以及驱动所述检测单元和旋转机构共同上下运动的轴向驱动装置，所述旋转机构和轴向驱动装置还连接有进给协同控制器，所述检测单元电性连接有数据记录器，所述检测单元下端头安装有光谱共焦传感器，上端头可拆卸连接在所述旋转机构下方；所述轴向驱动装置上至少设置有两根竖直平行安装的光滑的导向柱，所述旋转机构套接在所述导向柱上通过轴向驱动装置驱动并沿导向柱上下滑动。

工作原理：

首先，在介绍本使用新型检测的工作原理之前，对光谱共焦测量装置进行简要介绍。光在不同介质中传播可能会有角度偏差的现象产生，而实际的白光照射下不同介质将有很多单线光的折射。光学材料对于不同单色光的折射率是不同的，也就是折射角度不同波长愈短折射率愈大，波长愈长折射率愈小，同一薄透镜对不同单色光，每一种单色光都有不同的焦距，按色光的波长由短到长，它们的像点离开透镜由近到远地排列在光轴上这样成像就产生了所谓色差透镜错误。色差透镜错误使成像产生色斑或晕环。在摄影器材中，应通过特殊处理，尽量消减色差透镜错误导致的成像问题。

光谱共焦测量方法利用这种物理现象的特点，通过使用特殊透镜，延长不同颜色光的焦点光晕范围，形成特殊放大色差，使其根据不同的被测物体到透镜的距离，会对应一个精确波长的光聚焦到被测物体上。通过测量反射光的波长，就可以得到被测物体到透镜的精确距离。为了得到上述特殊的色差，需要在传感器探头内使用若干特殊透镜，用来根据所需量程将光线分解。最后使用一个凸透镜，将传感器探头射出的光线聚拢在一条轴线上，形成所谓的焦点轴线。

白色光通过一个半透镜面到达凸透镜。上述特殊色差就在这里产生。光线照射到被测物体后发生反射,透过凸透镜，返回到传感器探头内的半透镜上。半透镜将反射光折射到一个穿孔盖板上，小孔只允许聚焦最好的反射光通过。透过穿孔盖板的光是一组模糊光谱，也就是说若干不同波长的光都有可能穿过小孔照在CCD感光矩阵单元上。但是只有在被测物体上聚焦的反射光拥有足够光强，在CCD感光矩阵上产生一个明显的波峰。在穿孔盖板后面，需要一个分光器测量反射光的颜色信息。分光器类似一个特制光栅，可以根据反射光的波长，增强或减弱折射率。因此，CCD矩阵上的每一个位置，对应一个测量物体到探头的距离。这已经属于非常现有的技术，本实用新型正是利用该技术设计了本申请所述装置运用到包含但不限于航空领域的装配制孔检测中。

在利用本实用新型进行孔洞精度检测时，首先将需要检测的工件上已经制备完成的孔对准光谱共焦传感器，操作人员通过协同控制器实现轴向驱动装置和旋转机构协同工作，轴向驱动装置在协同控制器发出的驱动信号下缓缓驱动检测单元和旋转机构下降，慢慢靠近并进入到孔中，在这个过程中旋转机构驱动检测单元不断转动，对不同深度的圆周都进行数据采集，以获得整个孔内壁的精度情况和表面光滑度情况，并将采集到的信息记录在数据记录器中保存。检测完成后，轴向驱动装置驱动检测单元回位；同时，根据数据记录器中存储的圆周内壁上的若干点通过导出数据采用点云处理拟合成圆柱面，并获得孔的深度信息，从而将实际检测的孔数据与预设数据进行对比，获得孔是否符合装配精度要求。

为了更好的实现本实用新型，对上述结构进行如下细化，优选地，所述轴向驱动装置包括轴向进给平台，所述轴向进给平台呈纵向矩形体，中部设置有用于安装轴向进给电机，丝杠和所述导向柱的凹槽；所述轴向进给平台上部设置有驱动连接所述轴向进给电机和丝杠的轴向减速器，所述丝杠与所述导向柱平行安装并贯穿驱动连接有滑台，所述滑台固定连接所述旋转机构。

工作原理：

驱动装置工作时是通过将轴向进给电机的旋转运动通过减速器减速后，传递到丝杠上，由于丝杠与滑台螺纹连接，则滑台沿丝杠往复直线运动，从而实现对检测单元上下运动的控制。值得说明的是，为了实现滑台的运动更加平缓，均匀；优选地将丝杠的螺纹设置呈细螺纹。

为了更好的实现本实用新型，对上述结构进行如下细化，优选地，所述旋转机构包括与所述滑台固定连接的径向旋转平台，所述径向旋转平台上安装有径向旋转电机，所述径向旋转平台内部设置有减速齿轮组，所述径向旋转电机通过减速齿轮组与所述检测单元驱动连接。旋转机构的工作原理与驱动装置的工作原理类似，依旧是通过减速齿轮组将径向旋转电机的旋转运动通过减速后传递到检测单元上进行旋转检测孔内壁的情况。

为了更好的实现本实用新型，对上述结构进行如下细化，优选地，所述检测单元包括与所述减速齿轮组驱动连接的检测杆以及安装在所述检测杆下端头的光谱共焦传感器。

为了更好的实现本实用新型，对上述结构进行如下细化，优选地，所述滑台上来安装有用于检测所述滑台沿导向柱移动距离的位置传感器，所述位置传感器与所述数据记录仪电性连接，所述位置传感器型号为RHM0250MD601A01，所述数据记录仪处理器型号采用微雪STM32F051K4U6型处理器，所述进给协同控制器采用欧姆龙PLC系列的CPM1A-10CDR-D-V1型控制器。

当然，采用上述型号的元器件是为了整体的兼容性考虑，但同样可以采用不同的处理器来实现上述方案中除结构以外的计算存储功能，这对于本领域技术人员来说是公知的，在此就不对能实现本案控制方面的元器件进行一一穷尽列举。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本实用新型是采用光谱共焦自动检测制孔的孔径，深度以及孔内壁的表面粗糙度，能够达到现有的塞规所不能获取的有益效果；同时，通过数据记录器对数据的记录，能够将采集的点数据进行云处理，拟合成为三维图像，对要求非常高的精孔进行直观的分析。

附图说明

图1为本实用新型西南45°视角的立体结构图；

图2为本实用新型东南45°视角的立体结构图；

其中1-工件；2-光谱共焦传感器；3-检测杆；4-轴向进给平台；5-滑台；6-导向柱；7-轴向减速器；8-轴向进给电机；9-丝杠；10-径向旋转电机；11-径向旋转平台。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1：

结合附图1和2所示，一种用于制孔质量检测的光谱共焦测量装置，包括检测单元，驱动所述检测单元转动的旋转机构，以及驱动所述检测单元和旋转机构共同上下运动的轴向驱动装置，所述旋转机构和轴向驱动装置还连接有进给协同控制器，所述检测单元电性连接有数据记录器，所述检测单元下端头安装有光谱共焦传感器，上端头可拆卸连接在所述旋转机构下方；所述轴向驱动装置上至少设置有两根竖直平行安装的光滑的导向柱6，所述旋转机构套接在所述导向柱6上通过轴向驱动装置驱动并沿导向柱6上下滑动。

工作原理：

首先，在介绍本使用新型检测的工作原理之前，对光谱共焦测量装置进行简要介绍。光在不同介质中传播可能会有角度偏差的现象产生，而实际的白光照射下不同介质将有很多单线光的折射。光学材料对于不同单色光的折射率是不同的，也就是折射角度不同波长愈短折射率愈大，波长愈长折射率愈小，同一薄透镜对不同单色光，每一种单色光都有不同的焦距，按色光的波长由短到长，它们的像点离开透镜由近到远地排列在光轴上这样成像就产生了所谓色差透镜错误。色差透镜错误使成像产生色斑或晕环。在摄影器材中，应通过特殊处理，尽量消减色差透镜错误导致的成像问题。

光谱共焦测量方法利用这种物理现象的特点，通过使用特殊透镜，延长不同颜色光的焦点光晕范围，形成特殊放大色差，使其根据不同的被测物体到透镜的距离，会对应一个精确波长的光聚焦到被测物体上。通过测量反射光的波长，就可以得到被测物体到透镜的精确距离。为了得到上述特殊的色差，需要在传感器探头内使用若干特殊透镜，用来根据所需量程将光线分解。最后使用一个凸透镜，将传感器探头射出的光线聚拢在一条轴线上，形成所谓的焦点轴线。

白色光通过一个半透镜面到达凸透镜。上述特殊色差就在这里产生。光线照射到被测物体后发生反射,透过凸透镜，返回到传感器探头内的半透镜上。半透镜将反射光折射到一个穿孔盖板上，小孔只允许聚焦最好的反射光通过。透过穿孔盖板的光是一组模糊光谱，也就是说若干不同波长的光都有可能穿过小孔照在CCD感光矩阵单元上。但是只有在被测物体上聚焦的反射光拥有足够光强，在CCD感光矩阵上产生一个明显的波峰。在穿孔盖板后面，需要一个分光器测量反射光的颜色信息。分光器类似一个特制光栅，可以根据反射光的波长，增强或减弱折射率。因此，CCD矩阵上的每一个位置，对应一个测量物体到探头的距离。这已经属于非常现有的技术，本实用新型正是利用该技术设计了本申请所述装置运用到包含但不限于航空领域的装配制孔检测中。

在利用本实用新型进行孔洞精度检测时，首先将需要检测的工件1上已经制备完成的孔对准光谱共焦传感器，操作人员通过协同控制器实现轴向驱动装置和旋转机构协同工作，轴向驱动装置在协同控制器发出的驱动信号下缓缓驱动检测单元和旋转机构下降，慢慢靠近并进入到孔中，在这个过程中旋转机构驱动检测单元不断转动，对不同深度的圆周都进行数据采集，以获得整个孔内壁的精度情况和表面光滑度情况，并将采集到的信息记录在数据记录器中保存。检测完成后，轴向驱动装置驱动检测单元回位；同时，根据数据记录器中存储的圆周内壁上的若干点通过导出数据采用点云处理拟合成圆柱面，并获得孔的深度信息，从而将实际检测的孔数据与预设数据进行对比，获得孔是否符合装配精度要求。

实施例2：

为了更好的实现本实用新型，在实施例1的基础上对上述结构进行如下细化，本实施例中，所述轴向驱动装置包括轴向进给平台4，所述轴向进给平台4呈纵向矩形体，中部设置有用于安装轴向进给电机8，丝杠9和所述导向柱6的凹槽；所述轴向进给平台4上部设置有驱动连接所述轴向进给电机8和丝杠9的轴向减速器7，所述丝杠9与所述导向柱6平行安装并贯穿驱动连接有滑台5，所述滑台5固定连接所述旋转机构。工作原理：驱动装置工作时是通过将轴向进给电机8的旋转运动通过减速器7减速后，传递到丝杠9上，由于丝杠9与滑台5螺纹连接，则滑台5沿丝杠9往复直线运动，从而实现对检测单元上下运动的控制。值得说明的是，为了实现滑台5的运动更加平缓，均匀；优选地将丝杠9的螺纹设置呈细螺纹。

本实施例中，所述旋转机构包括与所述滑台5固定连接的径向旋转平台11，所述径向旋转平台11上安装有径向旋转电机10，所述径向旋转平台11内部设置有减速齿轮组，所述径向旋转电机10通过减速齿轮组与所述检测单元驱动连接。旋转机构的工作原理与驱动装置的工作原理类似，依旧是通过减速齿轮组将径向旋转电机10的旋转运动通过减速后传递到检测单元上进行旋转检测孔内壁的情况。

本实施例中，所述检测单元包括与所述减速齿轮组驱动连接的检测杆3以及安装在所述检测杆3下端头的光谱共焦传感器2。

本实施例中，所述滑台5上来安装有用于检测所述滑台5沿导向柱6移动距离的位置传感器，所述位置传感器与所述数据记录仪电性连接，所述位置传感器型号为RHM0250MD601A01，所述数据记录仪处理器型号采用微雪STM32F051K4U6型处理器，所述进给协同控制器采用欧姆龙PLC系列的CPM1A-10CDR-D-V1型控制器。

当然，采用上述型号的元器件是为了整体的兼容性考虑，但同样可以采用不同的处理器来实现上述方案中除结构以外的计算存储功能，这对于本领域技术人员来说是公知的，在此就不对能实现本案控制方面的元器件进行一一穷尽列举。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于制孔质量检测的光谱共焦测量装置，包括检测单元，驱动所述检测单元转动的旋转机构，以及驱动所述检测单元和旋转机构共同上下运动的轴向驱动装置，所述旋转机构和轴向驱动装置还连接有进给协同控制器，所述检测单元电性连接有数据记录器，其特征在于：所述检测单元下端头安装有光谱共焦传感器，上端头可拆卸连接在所述旋转机构下方；所述轴向驱动装置上至少设置有两根竖直平行安装的光滑的导向柱（6），所述旋转机构套接在所述导向柱（6）上通过轴向驱动装置驱动并沿导向柱（6）上下滑动。

2.根据权利要求1所述的一种用于制孔质量检测的光谱共焦测量装置，其特征在于：所述轴向驱动装置包括轴向进给平台（4），所述轴向进给平台（4）呈纵向矩形体，中部设置有用于安装轴向进给电机（8），丝杠（9）和所述导向柱（6）的凹槽；所述轴向进给平台（4）上部设置有驱动连接所述轴向进给电机（8）和丝杠（9）的轴向减速器（7），所述丝杠（9）与所述导向柱（6）平行安装并贯穿驱动连接有滑台（5），所述滑台（5）固定连接所述旋转机构。

3.根据权利要求2所述的一种用于制孔质量检测的光谱共焦测量装置，其特征在于：所述旋转机构包括与所述滑台（5）固定连接的径向旋转平台（11），所述径向旋转平台（11）上安装有径向旋转电机（10），所述径向旋转平台（11）内部设置有减速齿轮组，所述径向旋转电机（10）通过减速齿轮组与所述检测单元驱动连接。

4.根据权利要求3所述的一种用于制孔质量检测的光谱共焦测量装置，其特征在于：所述检测单元包括与所述减速齿轮组驱动连接的检测杆（3）以及安装在所述检测杆（3）下端头的光谱共焦传感器（2）。

5.根据权利要求2-3任一项所述的一种用于制孔质量检测的光谱共焦测量装置，其特征在于：所述滑台（5）上来安装有用于检测所述滑台（5）沿导向柱（6）移动距离的位置传感器，所述位置传感器与所述数据记录仪电性连接，所述位置传感器型号为RHM0250MD601A01，所述数据记录仪处理器型号采用微雪STM32F051K4U6型处理器，所述进给协同控制器采用欧姆龙PLC系列的CPM1A-10CDR-D-V1型控制器。