CN212144002U

CN212144002U - 孔检测与矫正装备

Info

Publication number: CN212144002U
Application number: CN201922032373.8U
Authority: CN
Inventors: 赵明; 王峰; 赵晓巍; 于大国
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2019-11-12
Filing date: 2019-11-12
Publication date: 2020-12-15
Anticipated expiration: 2029-11-12

Abstract

本实用新型属于机械加工领域，具体涉及孔检测与矫正装备，包括检测设备、矫直设备。检测设备有基准部分、驱动部分、探测部分、光学部分、运算显示部分。带孔工件可由锥形齿轮或带轮上的卡盘夹紧、驱动。当设备相对于基准部分运动时，探测部分绕支点运动，由光斑信息，依据最小包容区域法或最小二乘法或两端点连线法或转动惯量法求孔的直线度。在矫直设备上有一个或多个专用加力器；加力前测量孔轴线的直线度误差或其它形位误差。各个专用加力器施加力的大小与孔轴线的直线度误差或其它其它形位误差有关。有加热装置或没有加热装置。本实用新型采用了光学放大原理，降低了探测部分绕自身轴线旋转带来的误差，摩擦小，可用于大、小直径孔。

Description

孔检测与矫正装备

技术领域

本实用新型属于机械加工领域，具体涉及孔检测与矫正装备。

背景技术

机械行业相关文献介绍了直线度误差评定的算法。常用的有最小包容区域法、两端点连线法，最小二乘法。孔或深孔轴线直线度的评定常常依据上述方法。工厂中也采用各种近似方法，例如，采用超声波测厚仪，通过测量深孔的壁厚，估计深孔是否偏斜，当然这种方法存在原理性误差。

常见矫直器用来矫正矫直钢丝等线材直线度。部分企业生产校直管材的设备，校直轮、整圆轮布置在垂直、水平两个方向上，以两个平面对管进行整圆与校直，每根管有两组整圆轮。矫直管件时一般以管的外圆为基准，很少以管的内孔为基准进行矫直。

发明内容

本实用新型的目的：提出一种能检测内孔直线度，能以内孔为基准矫直孔类零件的机械设备，并提供检测与矫直方法，提高孔的检测与矫直精度，适用于带有大直径孔和小直径孔的工件。

本实用新型技术方案如下：

1.孔检测与矫正装备，包括检测设备和矫直设备，其特征在于：检测设备有基准部分、驱动部分、探测部分、光学部分、运算显示部分；人手或驱动部分使带孔工件或探测部分相对于基准部分运动；探测部分位于孔内的装置有与孔壁接触的零件或与孔壁之间存在气膜；探测部分能够绕支点在空间内运动；光学部分的光线及光斑能随带孔工件或探测部分的运动而变化；光学部分的光发射装置位于孔内或孔外；光学部分与探测部分位于支点的一侧或两侧；所设计的光线位置与带孔工件孔的中心线在理论上同轴或不同轴，运算显示部分对光斑位置信息进行计算、显示光斑位置或其变化或其变换后的信息；支点可以在孔内或孔外；探测部分采用对称式结构或非对称式结构；探测部分是整体或分体式；带孔工件立式或卧式放置；带孔工件由锥形齿轮或带轮上的卡盘夹紧、驱动；或者，带孔工件不由锥形齿轮或带轮上的卡盘夹紧、驱动；在矫直设备上有一个或多个专用加力器；加力前测量孔轴线的包括直线度误差在内的形位误差；各个专用加力器施加力的大小与孔轴线的包括直线度误差在内的形位误差有关；有加热装置或没有加热装置；运算显示部分输出内容之一是采用最小包容区域法或最小二乘法或两端点连线法或转动惯量法所得到的孔直线度误差。

2.作为对本实用新型技术方案的进一步改进：所述的基准部分有导向体；所述的驱动部分有驱动体；所述的探测部分有探测杆、探测头；探测头是位于孔内的装置，与孔壁接触或与孔壁之间有气膜；所述的光学部分有光发射装置、光线、光接收装置；所述的运算显示部分包括运算器和显示器；探测头位于探测杆上，当人手或驱动部分带动探测部分或带孔工件沿导向体运动时，探测杆随孔的变化和探测头相对基准部分的变化绕支点进行空间内的运动；所发出的光线射向光接收装置；探索杆位置的变化引起光发射装置、光线和光接收装置上光斑位置发生变化；显示器反映光斑位置或其变化或其变换后的信息，运算器为独立装置或与显示器制作为一体。

3.作为对本实用新型技术方案的进一步改进：当光学部分与探测部分位于支点的同一侧时，光斑的变动量大于探测头的变动量；当光学部分与探测部分分别位于支点的两侧、且光接收装置到支点的距离大于探测头到支点的距离时，光斑的变动量大于探测头的变动量；光接收装置有罩盖；所述的光斑位置变换后的信息为孔的直线度或垂直度或平行度或倾斜度。

4.作为对本实用新型技术方案的进一步改进：探测部分自动适应孔径的变化；所述的支点为球副或球轴承，或可使探测部分绕其摆动或转动的结构，有间隙调整装置。

5.作为对本实用新型技术方案的进一步改进：所述的基准部分的导向体为包括机床导轨在内的导向物体，所述的驱动部分的驱动体为包括机床溜板在内的驱动物体；光学位移检测装置或机械位移检测装置检测带孔工件或探测部分相对于基准部分的移动距离；分体式探测部分能够被拆开、拆开后能够被组装为整体。

6.作为对本实用新型技术方案的进一步改进：当探测杆脱离带孔工件时，位于其下方的缓冲器上或自然下垂；所述的缓冲器有弹簧或弹性材料或磁性材料，或者缓冲器与探测杆之间通入有压气体，气体作用于探测杆。

7.作为对本实用新型技术方案的进一步改进：探测部分的探测杆是实心杆或者有通孔，气体流过探测杆内孔；探测头与孔壁为线接触或面接触；探测头与孔的内壁沿360度范围接触或单边接触或以小于360度范围内的其它角度接触；对于探测头与孔壁接触的情况，探测头与孔壁之间为干摩擦或边界摩擦或混合摩擦或流体润滑或具有压力的油雾从探测头上的径向孔内流出；对于气体流过探测杆内孔或工件内孔的情况，探测头沿孔轴线方向尺寸不等，探测头与被测工件的孔壁形成一个或多于一个的环形楔形空间，在探测头上沿圆周分布有多个斜孔，有压气体流入探测杆内孔，进入探测头上的斜孔，探测头与孔壁形成气膜，气体流出斜孔时，流动方向从楔形空间的大间隙指向楔形空间的小间隙。

8.作为对本实用新型技术方案的进一步改进：探测头与孔壁形成的气膜的压力因孔径变大而下降，因孔径变小而上升；输入缓冲器与探测杆之间的气体压力，随气膜压力而调整；所述的支点可以位于固定的物体上，或位于支撑上，探测杆相对于支撑只有一个旋转自由度；支撑相对于基准部分可旋转，只有一个旋转自由度。

孔轴线直线度评定方法为最小包容区域法、最小二乘法、两端点连线法或转动惯法；所述的转动惯量法，其步骤为：

第一，在检测设备上建立坐标系OXYZ，Z轴与孔轴线方向一致；

第二，获得被测点所对应的光斑坐标X_i和Y_i，以及测点所对应的Z_i坐标；

第三，将被测点所对应的坐标(X_i，Y_i，Z_i)赋予质量m_i，同时以轻质杆连接各个点，忽略轻质杆的质量，将上述各个点及轻质杆作为刚体对待；

第四，求刚体相对于X、Y、Z坐标轴的转动惯量和惯性积，

构成惯性矩阵，

第五，通过求特征向量

和特种值的方法，将惯性矩阵对角化，形成对角矩阵；

第六，通过变换，求得与对角阵相对应的新的坐标系O′X′Y′Z′；成为主惯性坐标系；

第七，将被测点所对应的坐标(X_i，Y_i，Z_i)向坐标系O′X′Y′Z′的X′O′Y′平面投影，获得新的坐标(X′_i，Y_i′，0)；

第八，在X′O′Y′平面内求包含各个投影点的最小的圆，由其直径求得孔轴线的直线度。

孔检测与矫正装备的矫正方法包括检测设备、矫直设备和矫直方法，在矫直设备上分布有一个或多个专用加力器；加力前测量孔轴线的误差；各个专用加力器施加力的大小与孔轴线的误差大小有关；矫直方法的步骤为：第一步，驱动装置或人手或卡盘使带孔工件或探测部分相对于基准部分运动，探测部分因孔各个部位偏离理想位置，即存在误差而绕支点转动；光学部分的光线及光斑随探测部分的运动而变化；读数部分显示光斑位置或其变换后的信息；孔轴线直线度评定方法为最小包容区域法、最小二乘法、两端点连线法或转动惯法；第二步，专用加力器加力矫直带孔工件，各个专用加力器施加力的大小与孔轴线的误差大小有关；所采用的方式有冷矫直或热矫直；第三步，必要时，使带孔工件或加力器运动，重复检测或重复加力；有加热装置或没有加热装置。

以下对本实用新型作进一步说明。

1、基准部分的导向体不存在误差。对于带孔工件移动、探测部分静止的情况，检测过程中光发射装置到光敏传感器的距离是固定的，光斑稳定，这就排除了光源远近变化造成光斑中心变动的不良影响。因此，本实用新型检测精度高。

2、光线在理论上可以位于或不位于孔的中心。但光线的设计位置与孔中心线同轴，是比较好的选择，可避免或减小光学部分相对带孔工件旋转所产生的不良影响。以下举例说明：假定孔的轴线是理想的、笔直的，也就是说，孔轴线是绝对理想的直线。但是，在检测过程中，如果光线随光发射装置相对于带孔工件旋转了一定角度，这时光斑位置是变化的。检测过程中容易将这种光斑位置的变化理解为因为孔轴线弯曲所引起，从而产生误判。因此，所设计的光线位置位于孔的中心。

3、光斑的变动量可以大于探测头的径向变动量。可以将孔的直线度误差显示得很清楚。有时，为了提高放大效果，所设计的支点可以进入孔内。

4、在探测头以整圆或大于半圆与孔接触时，采用现有技术中的自动膨胀方案(如弹性变形、锥面移动等)，使探测头能自动适应孔径变化。采用此方法，可以测得孔轴线的直线度。

5、在探测头以单边起作用(比如，探测头单边与孔壁接触)时，利用光斑变化也可以矫直带孔工件。

7、探测部分脱离带孔工件时，与缓冲器接触，可以避免使探测部分损坏或变形。

8、光学位移检测装置(例如激光测距仪)或机械位移检测装置检测带孔工件或探测部分相对于基准部分的移动距离。便于确定各个孔截面的坐标位置及其质量状况。

9、为了使探测杆可以在空间内摆动，采用球副或球轴承，也可以采用其它结构，比如，探测杆靠近支点的一端位于方腔内，在方腔内具有两个旋转自由度。

10、有压气体流入探测杆内孔和探测头上的斜孔，探测头与孔壁形成气膜，气体流出斜孔时，流动方向从楔形空间的大间隙指向楔形空间的小间隙。以下讨论流体在孔内流过圆锥体的情况：1)顺锥：流体从大间隙流向小间隙，具有自动定心作用，流体会拨正锥体的偏心，使其自动定位于孔的中心。2)倒锥：流体从小间隙流向大间隙，具有自动卡紧作用，流体会加大锥体的偏心。以上原理参见沈兴全主编的教材《液压传动与控制》(第四版)、第三章“液压流体力学基础”、第四节“孔口和缝隙的压力流量特性”、第42页中的“液压卡紧现象”。在本实用新型中，采用顺锥原理，利用气体的作用力，使探测头在气体的作用力下，自动定位于被测孔的中心。

11、探测头与孔壁形成的气膜的压力因孔径变大而下降，因孔径变小而上升；输入缓冲器与探测杆之间的气体压力，随气膜压力而调整。比如，气膜压力降低时，通过现有技术中的控制方法，使输入缓冲器与探测杆之间的气体压力上升，给予探测杆一个向上的作用力，使探测杆保持在正确的位置。

12、支点可以位于固定的物体上，也可以位于能够旋转的支撑上。这时，支点相对于支撑只有一个旋转自由度，支撑相对于基准部分可旋转，只有一个旋转自由度。采用此结构时，探测杆无旋转自由度，可以防止探测杆在检测过程中绕其自身轴线旋转所造成的误差。

13、带孔工件的运动可以为移动或旋转。

14、对于探测头与孔壁接触的情况，探测头与孔壁之间为干摩擦或边界摩擦或混合摩擦或流体润滑，或者，具有压力的油雾从探测头上的径向孔内流出，起到润滑作用，同时，给予探测头一个向上的浮力，减小探测头对孔壁的作用力，减轻摩擦力，减少划伤。

15、在一个部位或多个部位向工件所加的力，依据孔轴线的直线度误差或其它形式的误差，由计算机按照算法确定。

16、锥形齿轮或带轮上的卡盘夹紧工件或使其旋转。

17、提出了求转动惯量、惯性积、主惯性轴、主惯性坐标系，进而评定孔轴线误差的方案，可作为最小包容区域法、两端点法、最小二乘法的补充及比较、核查、验证手段，用于孔轴线直线度的检测。

本实用新型的有益效果：(1)检测过程中光发射装置到光敏传感器的距离可以是固定的，光斑稳定，排除了光源远近变化造成光斑中心变动的不良影响。(2)光斑的变动量可以大于探测头的径向变动量，具有放大误差的作用，分辨率高。因此，本实用新型精度很高。(3) 实施方式之一中，探测头的位移等于光发射装置的位移，也就是说，探测杆的变形所产生的不良影响不大。另外，所设计的光线位置位于孔的中心，即与孔中心线同轴，可避免或减小光学部分相对带孔工件旋转所产生的不良影响。(4)测量时不必将百分表、千分表放到孔内，因此，可测量小直径孔。(5)实施方式之一中探测头仅有两个旋转自由度，探测头无绕其自身轴线的旋转自由度，也可以防止探测头绕自身轴线旋转所造成的测量误差。(6)采用了顺锥原理，利用气体的作用力，使探测头自动定位于被测孔的中心。(7)光接收装置有罩盖，检测受外界光的干扰少。(8)气压油雾润滑，摩擦磨损小。(9)提出了基于转动惯量的评定孔轴线误差的方案。

附图说明

图1为带有锥形齿轮或带轮的孔检测与矫正装备的示意图。

图2为光学部分与探测部分位于支点两侧的孔检测与矫正装备的示意图。

图3为光学部分与探测部分位于支点一侧的孔检测与矫正装备的示意图。

图中：1-带孔工件，2-驱动体，3-导向体，4-探测杆，5-探测头，6-运算显示部分，7-光接收装置，8-光线，9-光发射装置，10-支点，11-支撑，12-探测杆内孔，13-斜孔，14-楔形间隙，15-缓冲器，16-锥形齿轮或带轮，17-卡盘。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型实施方式作进一步说明，具体实施方式不对本实用新型做任何限制。

探测头具体实施方式：探测头与孔的内壁沿360度范围接触或在小于360度范围内接触；或者，探测头不与孔壁直接接触，两者之间存在有压气体。

探测杆具体实施方式：探测杆内无孔或有孔。

支点实施方式：支点与固定物体连接或与可旋转的物体(比如，支撑)相连。

探测部分实施方式：整体式或分体式。

加力方式：一点加力、两点加力、多点加力。

采用转动惯量法评定孔直线度时，检测设备坐标系的Z轴或X轴或Y轴与孔轴线方向一致。

Claims

2.根据权利要求1所述的孔检测与矫正装备，其特征在于：所述的基准部分有导向体；所述的驱动部分有驱动体；所述的探测部分有探测杆、探测头；探测头是位于孔内的装置，与孔壁接触或与孔壁之间有气膜；所述的光学部分有光发射装置、光线、光接收装置；所述的运算显示部分包括运算器和显示器；探测头位于探测杆上，当人手或驱动部分带动探测部分或带孔工件沿导向体运动时，探测杆随孔的变化和探测头相对基准部分的变化绕支点进行空间内的运动；所发出的光线射向光接收装置；探索杆位置的变化引起光发射装置、光线和光接收装置上光斑位置发生变化；显示器反映光斑位置或其变化或其变换后的信息，运算器为独立装置或与显示器制作为一体。

3.根据权利要求1所述的孔检测与矫正装备，其特征在于：当光学部分与探测部分位于支点的同一侧时，光斑的变动量大于探测头的变动量；当光学部分与探测部分分别位于支点的两侧、且光接收装置到支点的距离大于探测头到支点的距离时，光斑的变动量大于探测头的变动量；光接收装置有罩盖；所述的光斑位置变换后的信息为孔的直线度或垂直度或平行度或倾斜度。

4.根据权利要求1所述的孔检测与矫正装备，其特征在于：探测部分自动适应孔径的变化；所述的支点为球副或球轴承，或可使探测部分绕其摆动或转动的结构，有间隙调整装置。

5.根据权利要求1所述的孔检测与矫正装备，其特征在于所述的基准部分的导向体为包括机床导轨在内的导向物体，所述的驱动部分的驱动体为包括机床溜板在内的驱动物体；光学位移检测装置或机械位移检测装置检测带孔工件或探测部分相对于基准部分的移动距离；分体式探测部分能够被拆开、拆开后能够被组装为整体。

6.根据权利要求1所述的孔检测与矫正装备，其特征在于，当探测杆脱离带孔工件时，位于其下方的缓冲器上或自然下垂；所述的缓冲器有弹簧或弹性材料或磁性材料，或者缓冲器与探测杆之间通入有压气体，气体作用于探测杆。

7.根据权利要求1所述的孔检测与矫正装备，其特征在于：探测部分的探测杆是实心杆或者有通孔，气体流过探测杆内孔；探测头与孔壁为线接触或面接触；探测头与孔的内壁沿360度范围接触或单边接触或以小于360度范围内的其它角度接触；对于探测头与孔壁接触的情况，探测头与孔壁之间为干摩擦或边界摩擦或混合摩擦或流体润滑或具有压力的油雾从探测头上的径向孔内流出；对于气体流过探测杆内孔或工件内孔的情况，探测头沿孔轴线方向尺寸不等，探测头与被测工件的孔壁形成一个或多于一个的环形楔形空间，在探测头上沿圆周分布有多个斜孔，有压气体流入探测杆内孔，进入探测头上的斜孔，探测头与孔壁形成气膜，气体流出斜孔时，流动方向从楔形空间的大间隙指向楔形空间的小间隙。

8.根据权利要求1所述的孔检测与矫正装备，其特征在于，探测头与孔壁形成的气膜的压力因孔径变大而下降，因孔径变小而上升；输入缓冲器与探测杆之间的气体压力，随气膜压力而调整；所述的支点可以位于固定的物体上，或位于支撑上，探测杆相对于支撑只有一个旋转自由度；支撑相对于基准部分可旋转，只有一个旋转自由度。