CN213984957U - 直径及同轴度的测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种直径及同轴度的测量装置，所述测量装置的测量筒外周由上至下设有至少两层环形的传感器支架，每层传感器支架上沿圆周径向布置有N个测距传感器，N≥3，所述测量筒顶面设有可支撑在被测装置上端的悬挂法兰。本实用新型结构简单、测量精度高、传感器的安装精度及测量设备的制造精度较低、设备投资和操作难度低、可自动化测量。

Description

直径及同轴度的测量装置

技术领域

本实用新型涉及设备测量领域，具体的说是一种直径及同轴度的测量装置。

背景技术

一些圆筒形或锥筒形装置在长时间或多次使用后，会存在内壁磨损的情况，如某一些筒形装置，其圆筒形内有四段圆环，圆环直径和同轴度变化会影响后续正常使用，当磨损过大时需要及时更换。

为了及时发现内壁的磨损状态，需要定期使用激光跟踪仪进行人工测量，对于大型的圆筒形或锥筒形装置来说，每次需要将人用吊车吊装进筒内部进行每段圆环的测量，而这类设备往往存在内径较小、测量环境恶劣、安全性较差的问题，人工操作极为不便、且测量误差大。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决上述技术问题，提供一种结构简单、操作方便、省时省力、有效提高测量精度、同时传感器的安装精度及设备制备精度较低、降低设备投资和操作难度、可实现自动化测量，适用于圆筒形或锥筒形装置测量的直径及同轴度的测量装置。

本实用新型直径及同轴度的测量装置，包括测量筒，所述测量筒外周由上至下设有至少两层环形的传感器支架，每层传感器支架上沿圆周径向布置有N个测距传感器，N≥3，所述测量筒顶面设有可支撑在被测装置上端的悬挂法兰。

所述悬挂法兰上还设有用于将测量筒顶升后转动的顶升旋转组件。

所述顶升旋转组件包括位于悬挂法兰上方的盖板和顶升旋转支架，所述盖板经螺栓与所述悬挂法兰固接，所述顶升旋转支架上设有液压油缸，所述液压油缸的活塞杆与所述盖板连接，所述顶升旋转支架的周部均匀设置有多根垂直的、下端穿过所述悬挂法兰的顶升杆，所述顶升杆的下端设有可与被测装置的上端面接触的轴承。

所述悬挂法兰的径向外周面设有至少两个对称的限位块，所述限位块与被测装置上端的限位槽一一对应。

所述测量筒外周面上还均匀布置有多个弹性万向轮。

针对背景技术中存在的问题，发明人设计了一种适用于圆筒形或锥筒形装置内筒的直径和同轴度的测量装置，所述测量筒可根据需要安装多层传感器支架，所述连多层传感器支架的数量及高度可根据被测装置需测量的部位进行合理设计，用于测量同轴度时，则至少需要两层环形的传感器支架。所述测量筒可通过吊装的方式伸入被测装置的筒内代替人工进行测量；

进一步，针对大尺寸的被测装置而言，考虑测量同轴度时需要对测量装置进行顶升旋转的动作，往往由于支架体积大、重量大，依靠工人操作费时费力且安全性差，因此在悬挂法兰上还设有用于将测量筒顶升后转动的顶升旋转组件，巧妙的利用顶升旋转支架上的液压油缸对盖板施加作用力，从而经螺栓带动悬挂法兰上抬脱离限位，同时使顶升旋转支架的顶升杆下端支撑在被测装置的上端面，实现支撑力由悬挂法兰转换到顶升杆的上，由于顶升杆的下端设有可在被测装置的上端面滑动的轴承，通过轻松推动顶升旋转支架，就可以使测量装置整体在被测装置的上端面转动，实现测量装置以轴向中心为圆心旋转180度的动作；当完成180度转动后，通过液压油缸控制上盖板下降，则可使悬挂法兰下降落入限位槽中，重新承担测量装置的悬挂支撑作用。该结构简单紧凑，无需大型吊装机构、操作极为方便、仅利用了液压油缸提供动力，非常适用于恶劣环境下的测量工作。

圆筒形或锥筒形装置的直径及同轴度的测量方法，包括以下步骤，

一、传感器的校正：用标准圆环对所述的测量装置上的每层传感器支架上的N个测距传感器进行校正，分别获得每层传感器支架上每个测距传感器向外发射激光打在标准圆环上的距离a_i,结合标准圆环半径r₀,通过计算拟合得到每个测距传感器的实际安装角度θ_i和每个测距传感器光源原点的坐标A_i(x_i，y_i),并将数据进行保存；

二、测量：将所述测量装置由被测装置的顶部开口处垂直吊装入被测装置的筒内并悬挂固定，然后进行第一次测量，分别获得每层传感器支架上每个测距传感器向外发射激光打在被测装置内壁上的距离b_i,再结合步骤一)中保存的对应测距传感器的实际安装角度θ_i和测距传感器光源原点的坐标A_i(x_i，y_i),计算拟合出该层传感器支架上的N个测距传感器所对应的被测装置截面圆的直径d和圆心坐标O，从而得到被测装置筒内不同高度截面圆的直径d_i和圆心坐标O_i(x,y)。

在二)之后还包括有

三)同轴度校正：在完成第一次测量之后将所述测量装置以轴向中心为圆心旋转180度进行第二次测量，分别获得每层传感器支架上每个测距传感器向外发射激光打在被测装置内壁上的距离b_i′，再结合步骤一)中保存的对应测距传感器的实际安装角度θ_i和测距传感器光源原点的坐标P_Ai′(x₁，y_i),计算拟合出该层传感器支架上的N个测距传感器所对应的被测装置截面圆的直径d₁′和圆心坐标O′，从而得到被测装置筒内不同高度截面圆的直径d′和圆心坐标O_i′(x_i,y_i)；

根据实际需要，以某一高度截面圆测量的圆心坐标作为基准圆心坐标进行拟合，分别计算出第一次测量和第二次测量时，其它不同高度截面圆的圆心坐标与该圆心基准坐标偏差的矢量关系；

将两次测量得到的矢量关系数据对应相减即得到校正后的不同高度截面圆的圆心坐标，从而得出被测装置的同轴度。

优选的，所述一)以某一层传感器支架上的N个测距传感器中任一个测距传感器向外发射激光所在的直线为Y轴正，以过该点垂直激光所在直线向右为X轴正，以该测距传感器光源点位置中心为圆心，建立直角坐标系Ao；

设该层N个测距传感器实际安装时与X轴的夹角分别为θ₁、θ₂、θ₃……θn(θ₁＝90°)，N个测距传感器的光源原点坐标分别为A₁(x₁,y₁)、A₂(x₂,y₂)、……、A_N(x_n,y_n)，校正时N个测距传感器向外发射激光打在标准圆环上的距离为a₁、a₂、……a_n，标准圆环半径r₀,圆心坐标为O(x,y),则N个测距传感器向外发射的激光打在标准圆环上的坐标分别为：P_A1(0，a1)、P_A2(x₂+a₂*cosθ₂，y₂+y₂*sinθ₂)、……P_AN(x_n+a_n*cosθ_n，y_n+y_n*sinθ_n)，通过勾股定理得到下述N个方程式：

o_x ²+(a₁-O_y)²＝r₀ ²

(x₂+a₂*cosθ₂-O_x)²+(y₂+a₂*sinθ₂-O_y)²＝r₀ ²

.......

(x_n+a_n*cosθ_n-O_x)²+(y_n+a_n*sinθ_n-O_y)²＝r₀ ²

采用上述方法，通过调整标准圆环位置进行M次测量，每次会测量会形成N个方程式，M次测量会形成N*M个方程，M次测量后会得到N*M-1个未知数测量，加上A1点坐标为(0,0)角度为0，因为N≥3，当M≥4时，方程数大于未知数可以解出方程，从而得出该层N个传感器之间的位置关系，包括每个测距传感器的实际安装角度θ_i和每个测距传感器光源原点的坐标(x_i，y_i)；

以此类推，计算出每层传感器支架上的N个测距传感器的位置关系的相关参数，并进行保存。

获取校正时校正圆环表面温度和测量时被测装置表面温度，当两者存在温差时，则按照下述公式进行补偿：

式中:L―被测长度；

δ₁、δ₂―分别为校正圆环和被测装置的线膨胀系数

t₁、t₂―分别为校正圆环和被测装置的实际温度。

将两次测量的直径d_i和d_i′的平均值加上

得到最终直径的最终测量结果。

考虑到既要保证测量精度，又要降低设备成本和操作难度，发明人在两个方面进行改进。一方面，利用标准圆环对安装后的测距传感器进行传感器校正，通过种方法可以最大程度消除测距传感器的安装角度误差，从而降低实际测距传感器的安装精度要求，降低生产和操作难度；另一方面考虑到被测装置较长的情况下，对测量筒的制造精度要求高，从而带来制造难度和生产成本的提高问题，为解决上述问题，发明人在第一次测量获得相关数据后再使测量装置旋转180度后进行第二次测量，将两次数据进行拟合以消除生产精度带来的误差。

进一步的，针对测量装置在校正环境和测量环境下存在温差的可能性，以及校正圆环和被测装置材料的热膨胀系数的差别，还进行了校正环境温度和测量环境温度不同时补偿，从而进一步提高测量的精度。

本实用新型装置结构简单紧凑、易于操作、可在被测装置上实现悬挂、顶升、旋转等动作，完全满足测量的需求，生产难度和制造成本低。本实用新型方法考虑到了传感器安装角度误差和测量装置的生产精度问题，在测量前进行了传感器校正、测量后进行了同校度校正，大大提高了测量精度、降低了测量难度和生产成本、有效替代人工操作，实现了测量的自动化，不受各种恶劣环境影响，适用于各种具有内孔的圆筒形或锥筒形装置的直径及同轴度的测量。

附图说明

图1为本实用新型测量装置的结构示意图。

图2为顶升旋转组件的局部安装示意图。

图3为图2的A向视图。

图4为每层传感器支架上多个测距传感器的布置示意图。

图5为实施例中被测装置的示意图。

图6为实施例中第一层传感器的相对位置以及原始零位的定示意图。

图7为第一层传感器的位置关系的相关参数示意图。

图8为拟合圆心立体图。

图9为拟合圆心偏差示意图。

其中，1-盖板、2-液压油缸、3-螺栓、4-顶升旋转支架、5-悬挂法兰、5.1-限位块、6-被测装置、6.1-限位槽、7-测量筒、8-传感器支架、9-顶升杆、10-轴承、13-弹性万向轮、14-测距传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型置作进一步解释说明：

装置实施例：

参见图1，测量筒7可以为筒形的支架或筒壁，其外周由上至下设有至少两层环形的传感器支架8(本实例为四层)，每层传感器支架8上沿圆周径向布置有N个测距传感器14，N≥3，参见图4，本实施例中每层传感器支架8上均匀布置有9个测距传感器14，所述测量筒7顶面设有可支撑在被测装置6上端的悬挂法兰5；所述测量筒7外周面上还均匀布置有多个弹性万向轮13，以防止在吊装过程中测距传感器14与被测装置6的内壁直接碰撞。

所述悬挂法兰6上还设有用于将测量筒7顶升后转转的顶升旋转组件。参见图2和图3，所述顶升旋转组件包括位于悬挂法兰5上方的盖板1和顶升旋转支架4，所述盖板1经螺栓3与所述悬挂法兰5固接，所述顶升旋转支架4上设有液压油缸2，所述液压油缸2的活塞杆与所述盖板1连接，所述顶升旋转支架4的周部均匀设置有多根垂直的、下端穿过所述悬挂法兰6的顶升杆9，所述顶升杆9的下端设有与被测装置5的上端面接触的轴承10。所述悬挂法兰5的径向外周设有至少两个对称的限位块5.1，所述限位块5.1与被测装置6上端的限位槽6.1一一对应。本实施例中，悬挂法兰5上设有对称的两个限位块5.1，相应的，所述被测装置上开有两个对称的限位槽6.1，限位块5.1可对应嵌入限位槽6.1中。

测量装置的工作原理：第一次测量前，先将本实用新型测量装置吊装入被测装置6的内筒中，使悬挂法兰5上的限位块5.1正好对应嵌入限位槽6.1中，使悬挂法兰5正好盖在被测装置4的上端面，使测量装置处于悬挂状态，然后进行第一次测量；

完成第一次测量后，控制液压油缸2对盖板1施加向上作用力，从而经螺栓3带动悬挂法兰4上抬，限位块5.1上升脱离限位槽5.1限位，同时使顶升旋转支架4受液压油缸2的作用力，使顶升杆9下端受力支撑在被测装置6的上端面，实现支撑力的转换；由于顶升杆9的下端设有可在被测装置6的上端面滑动的轴承10，通过人工或动力设备轻松推动顶升旋转支架4，就可以使测量装置整体在被测装置6的上端面转动，实现测量装置以轴向中心为圆心旋转180度的动作；当完成180度转动后，通过液压油缸2控制上盖板1下降，则可使悬挂法兰5随之下降，限位块5.1落入限位槽6.1中，悬挂法兰5重新承担测量装置的悬挂支撑作用，完成旋转后开始第二次测量。

所述测距传感器14可与控制系统连接，采集的数据输入控制系统中进行分析和计算，所述液压油缸2也可与控制系统连接，由控制系统控制所述液压油缸2动作，分析和计算结果可通过显示器和/或输出设备输出。

方法实施例：

下述实施例中，设定测量筒7上布置有四层传感器支架8,具体传感器支架6设置高度根据被测装置6内筒中被测关键部位决定，如背景技术中所述的筒形装置的筒内有四段圆环结构，其中最上层圆环结构设定为基准圆，需要测量这四段圆环对应的直径及同轴度时，则传感器支架8安装位置应保证每层的测距传感器14发出的激光能正好打在对应的圆环上。

本实施例中，每层传感器支架6布置有9个测距传感器14(同一层9个测距传感器14为一组)，每组测距传感器按照同一位置同一顺序编号，并将编号标识在传感器近端的传输线上，所述测距传感器为激光测距传感器，测距范围20-70mm。

本实用新型直径及同轴度的测量方法，包括以下步骤，

一、传感器的校正：用标准圆环(经计量部门计量过)对所述的测量装置上的每层传感器支架上的9个测距传感器14进行校正，具体为：

以某一层传感器支架8(本实施例中设为第一层)为例，其上的9个测距传感器中任一个测距传感器14向外发射激光所在的直线为Y轴正，以过A点垂直激光所在直线向右为X轴正，以该激光传感器光源点为原点，建立坐标系A(0，0)；

参见图6，设9个测距传感器实际安装时，与X轴的夹角分别为θ₁、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅、θ₆、θ₇、θ₈、θ₉，(其中、θ₅、θ₆为与Y轴夹角)，9个测距传感器的光源原点坐标分别为P_A1(x₁,y₁)、P_A2(x₂,y₂)、P_A3(x₃,y₃)、P_A4(x₄,y₄)、P_A5(x₅,y₅)、P_A6(x₆,y₆)、P_A7(x₇ y₇)、P_A8(x₈,y₈)、P_A9(x₉,y₉)，校正时9个测距传感器向外发射激光打在标准圆环上的距离为a₁、a₂、……a₉，标准圆环半径r₀,圆心坐标为O(x,y),则9个测距传感器向外发射的激光打在标准圆环上的坐标分别为：P_A1(0，a₁)、P_A2(x₂+a₂*cosθ₂，y₂+y₂*sinθ₂)、P_A3(x₃+a₃*cosθ₃，y₃+y₃*sinθ₃)、P_A4(x₄+a₄*cosθ₄，y₄+y₄*sinθ₄)、P_A5(x₅+a₅*sinθ₅，y₅+y₅*conθ₅)、P_A6(x₆+a₆*sinθ₆，y₆+y₆*cosθ₆)、P_A7(x₇+a₇*cosθ₇，y₇+y₇*sinθ₇)、P_A8(x₈+a₈*cosθ₈，y₈+y₈*sinθ₈)、P_A9(x₉+a₉*cosθ₉，y₉+y₉*sinθ₉),通过勾股定理得到下述N个方程式：

o_x ²+(a₁-O_y)²＝r₀ ²

(x₂+a₂*cosθ₂-O_x)²+(y₂+a₂*sinθ₂-O_y)²＝r₀ ²

(x₃+a₃*cosθ₃-O_x)²+(y₃+a₃*sinθ₃-O_y)²＝r₀ ²

(x₄+a₄*cosθ₄-O_x)²+(y4+a₄*sinθ₄-O_y)²＝r₀ ²

(x5+a₅*sinθ₅-O_x)²+(y5+a₅*cosθ₅-O_y)²＝r₀ ²

(x₆+a₆*sinθ₆-O_x)²+(y₆+a₆*cosθ₆-O_y)²＝r₀ ²

(x₇+a₇*cosθ₇-O_x)²+(y₇+a₇*sinθ₇-O_y)²＝r₀ ²

(x₈+a₈*cosθ₈-O_x)²+(y₈+a₈*sinθ₈-O_y)²＝r₀ ²

(x₉+a₉*cosθ₉-O_x)²+(y₉+a₉*sinθ₉-O_y)²＝r₀ ²

通过移动标准圆环的位置进行6次测量，6次会测量会形成9*6＝54个方程式，上述方程有9*4-1＝35个未知数，加上A₁点坐标为(0,0)角度为0，可以解出方程，从而得出该层9个传感器之间的位置关系，参见图7，包含：a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₇、a₈、a₉，θ₂、θ₃、θ₄、θ₅、θ₆、θ₇、θ₈、θ₉，P_A2(x₂,y₂)、P_A3(x₃,y₃)、P_A4(x₄,y₄)、P_A5(x₅,y₅)、P_A6(x₆,y₆)、P_A7(x₇ y₇)、P_A8(x₈,y₈)、P_A9(x₉,y₉)、以及O(x,y)；

以此类推算出，算出第二层(B)、第三层(C)和第四层(D)传感器)支架上的9个测距传感器14的位置关系的相关参数，保存在控制系统的软件中，作为基础数据，以备后序调用。

上述校正时，可根据需要采集测距传感器多次测量的数据，取平均值作为最终保存的数据；

二、测量：将所述测量装置由被测装置6的顶部开口处垂直吊装入被测装置6的筒内并悬挂固定，然后进行第一次测量，分别获得每层传感器支架9上9个测距传感器14向外发射激光打在被测装置6内壁上的距离b₁、b₂、b₃、b₄、b₅、b₆、b₇、b₈、b₉,再结合步骤一)中保存的对应测距传感器的实际安装角度θ_i和测距传感器光源原点的坐标A_i(x_i，y_i),通过最小二乘法，计算拟合出该层传感器支架上的9个测距传感器所对应的被测装置最上层圆环的直径d_i和圆心坐标O_i(x,y)；从而得到被测装置6筒内第一层、第二层、第三层和第四层圆环的直径d_A、d_B、d_C、d_D，和圆心坐标O_A(x,y)、O_B(x,y)、O_C(x,y)、O_D(x,y)，完成第一次测量；

三)同轴度校正：在完成第一次测量之后将所述测量装置以轴向中心为圆心旋转180度进行第二次测量，分别获得每层传感器支架9上9个测距传感器14向外发射激光打在被测装置6内壁上的距离b₁′、b₂′、b₃′、b₄′、b₅′、b₆′、b₇′b₈′b₉′，方法同步骤二,得到第二次测量时被测装置6四层圆环的直径d_A′、d_B′、d_C′、d_D′，以及圆心的坐标O_A(x,y)′O_B(x,y)′O_C(x,y)′O_D(x,y)′。

以某一高度截面圆测量的第一层圆环的圆心坐标作为基准圆心坐标进行拟合，分别计算出第一次测量和第二次测量时，其它不同高度截面圆的圆心坐标与该圆心基准坐标偏差的矢量关系；本实施例中设定被测装置6的第一层(最上层)圆环为基准圆，以第一层的基准圆心坐标进行拟合，从而求出下部第二至第四层被测圆环相对于第一层圆环(基准圆)的圆心位置偏差。具体如下：

第一次测量时，第二至第四层圆环的圆心偏差的矢量关系如下：

第二层圆环O_B(x,y)-O_A(x,y)

第三层圆环O_C(x,y)-O_A(x,y)

第四层圆环O_D(x,y)-O_A(x,y)

第二次测量时，第二至第四层圆环的圆心偏差的矢量关系如下：

第二层圆环O_B(x,y)′-O_A(x,y)′

第三层圆环O_C(x,y)′-O_A(x,y)′

第四层圆环O_D(x,y)′-O_A(x,y)′

以第一层圆环的实际圆心拟合后，第二至第四层被测圆环的圆心偏差的矢量关系如下，从而得出被测装置中第二至第四层圆环相较于第一层圆环的同轴度：

第二层(O_B(x,y)-O_A(x,y))-(O_B(x,y)′-O_A(x,y)′)

第三层(O_C(x,y)-O_A(x,y))-(O_C(x,y)′-O_A(x,y)′)

第四层(O_D(x,y)-O_A(x,y))-(O_D(x,y)′-O_A(x,y)′)

数据处理完成后，将数据保存并根据测量结果以图形结果显示，参见图8和图9。

四)，还包括有校正环境温度和测量环境温度不同时的补偿：

获取校正时校正圆环表面温度和测量时被测装置表面温度，当两者存在温差时，则按照下述公式进行补偿：

式中:L―被测长度；

δ₁、δ₂―分别为校正圆环和被测装置的线膨胀系数

t₁、t₂―分别为校正圆环和被测装置的实际温度。

将两次测量的直径d_i和d_i′的平均值加上

得到最终直径的最终测量结果。

本实施例中，直径测量精度≤0.01mm，同轴度测量精度≤0.025mm。

采用本实用新型方法，大大缩短安装和调试周期，可取代人工操作、省时省力、作业效率高、测量精度高。

Claims (4)

1.一种直径及同轴度的测量装置，包括测量筒，其特征在于，所述测量筒外周由上至下设有至少两层环形的传感器支架，每层传感器支架上沿圆周径向布置有N个测距传感器，N≥3，所述测量筒顶面设有可支撑在被测装置上端的悬挂法兰。

2.如权利要求1所述的直径及同轴度的测量装置，其特征在于，所述悬挂法兰上还设有用于将测量筒顶升后转动的顶升旋转组件。

3.如权利要求2所述的直径及同轴度的测量装置，其特征在于，所述顶升旋转组件包括位于悬挂法兰上方的盖板和顶升旋转支架，所述盖板经螺栓与所述悬挂法兰固接，所述顶升旋转支架上设有液压油缸，所述液压油缸的活塞杆与所述盖板连接，所述顶升旋转支架的周部均匀设置有多根垂直的、下端穿过所述悬挂法兰的顶升杆，所述顶升杆的下端设有可与被测装置的上端面接触的轴承。

4.如权利要求1-3任一项所述的直径及同轴度的测量装置，其特征在于，所述悬挂法兰的径向外周面设有至少两个对称的限位块，所述限位块与被测装置上端的限位槽一一对应。

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