CN103278100B - 一种基于非接触式传感器组合的孔径测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非接触式传感器组合的孔径测量方法，适用于工件内径尺寸的测量，涉及几何量测量领域，所述方法包括：首先将双传感器测头的主轴安装在具有平动功能的机构上，形成一套完整的测量***，并置于被测工件内；测量时，要求双传感器测头上的两个传感器的测量光轴在一条直线上；双传感器测头先在ZOY面旋转、后在XOY面平移，获取被测工件的内孔直径；或双传感器测头先后在ZOY面、XOY面旋转，获取被测工件的内孔直径。应用本方案测量工件内孔直径时，理论上只需两步操作，极大地提高了测量效率，节省大量测量工时；并且将非接触测头安装在机床上，利用机床自身的运动执行机构使测头旋转或平移，可实现在机精密测量。

Description

一种基于非接触式传感器组合的孔径测量方法

技术领域

本发明涉及几何量测量领域，特别涉及一种基于非接触式传感器组合的孔径测量方法。

背景技术

随着我国工业制造业的快速发展，大型设备在工业制造过程中的作用变得愈发重要。航空航天、造船造舰、发动机、涡轮机等领域都需要大型工件的几何量测量技术作为有效支撑。目前，针对大型工件的测量，除采用传统的大型千分尺、万能测长仪、阿贝测长仪、百分表和气动量仪等测量技术外，新型的测量方法也有很多，目前主要有经纬仪测量、全站仪测量，跟踪仪测量、双频激光干涉仪测量、关节式坐标机、室内GPS等等。但是，这些测量技术主要应用于大型工件的外尺寸测量，对于相对封闭和复杂的内尺寸测量却很难完成。

针对大型工件的在机精密测量，孔的测量技术一直是我国工业制造领域的难题。目前，主要存在以下几个难点：

1.测量仪器的操作问题。孔径测量由于受空间和被测量的限制，无法像外尺寸测量那样只在外部简单安装就能测量，更不用说自动测量了。

2.测量精度的问题。随着科学技术的快速发展，工业制造业对大型设备的性能要求越来越高。如何实现大型工件的孔径精密测量，一直是亟待解决的问题。

3.关于测量快速性的问题。在机测量可以有效避免大型工件的搬运问题，从而节省大量工时。然而，在机测量依然存在快速性问题。以船用发动机箱体加工为例，一台大型发动机箱体吊装于机床工作台后，为了便于人工使用测量设备，需要搭建脚手架。这种脚手架的拆装耗时要付出与切削工时同等费用，极大地影响了加工效率和成本。因此，寻求快速有效的孔径测量方法具有重大的现实意义。

值得一提的是，就作者所查阅的资料来看，目前并没有同时解决以上难点的孔径测量方法。

发明内容

本发明提供了一种基于非接触式传感器组合的孔径测量方法，本发明采用定值比较测量法，能够快速准确地测出大型工件的内孔直径，详见下文描述：

一种基于非接触式传感器组合的孔径测量方法，所述方法包括：

首先将双传感器测头的主轴安装在具有平动功能的机构上，形成一套完整的测量***，并置于被测工件内；

测量时，要求双传感器测头上的两个传感器的测量光轴在一条直线上；

双传感器测头先在ZOY面旋转、后在XOY面平移，获取被测工件的内孔直径。

所述双传感器测头先后在ZOY面旋转、在XOY面平移，获取被测工件的内孔直径的过程具体为：

双传感器测头在ZOY面上旋转，传感器测得的位移数据产生由大变小再由小变大的变化，在测得的位移数据的最小值处停止转动双传感器测头，光轴处于XOY面的平行平面上；

双传感器测头在XOY面上平移，传感器测得的位移数据将发生由小变大再由大变小的变化，测得的位移数据的最大值，为被测工件的内孔直径。

另一实施例中，一种基于非接触式传感器组合的孔径测量方法，所述方法包括：

首先将双传感器测头的主轴安装在具有平动功能的机构上，形成一套完整的测量***，并置于被测工件内；

测量时，要求双传感器测头上的两个传感器的测量光轴在一条直线上；

双传感器测头先后在ZOY面、XOY面旋转，获取被测工件的内孔直径。

所述双传感器测头先后在ZOY面、XOY面旋转，获取被测工件的内孔直径的过程具体为：

双传感器测头在ZOY面上旋转，传感器测得的位移数据产生由大变小再由小变大的变化，在测得的位移数据的最小值处停止转动双传感器测头，光轴处于XOY面的平行平面上；

双传感器测头在XOY面的平行平面上旋转，测量位移数据出现从小到大又从大到小的变化过程，测得的位移数据的最大值，为被测工件的内孔直径。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1)非接触测量：接触式测量一般要求操作人员位于测量要素附近操作、读数或引导，很难实现自动测量。本方案采用的是非接触式定值比较测量法，非接触测头远离被测物表面，提高了测量的安全性。

2)检测精度高：当采用高精度激光位移传感器时，能够快速精确地测出被测物到传感器的距离；采用定值比较测量法，通过被测参数与标准量的比较，实现大尺寸、高精度的测量；非接触、无测量力、回转时的径跳跳动对测量结果无影响等特点，使测量误差来源减少，有利于提高测量精度。

3)操作简单：本方案测量工件内孔直径时，理论上只需两步操作，极大地提高了测量效率，节省大量测量工时。

4)可实现在机测量：将非接触测头安装在机床上，利用机床自身的运动执行机构使测头旋转或平移，可实现在机精密测量。

附图说明

图1为双传感器测头置于工件内孔时的示意图；

图2a为双传感器测头的结构示意图；

图2b为双传感器测头的内部示意图；

图2c为连接部件的结构示意图；

图2d为双传感器测头主视图；

图2e为双传感器测头左视半剖图；

图3a、图3b分别为圆孔直径测量模型图；

图4为一种基于非接触式传感器组合的孔径测量方法的流程图；

图5为一种基于非接触式传感器组合的孔径测量方法的另一流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：测头架；2：移动架；

3：测量装置；4：连接部件；

11：U型槽；12：第一调节键；

13：第一螺丝；14：第二调节键；

15：第二螺丝；31：激光位移传感器；

32：数据处理及显示模块；33：电池；

34：无线收发模块；41：倒U型槽；

42：圆柱棒；43：连接件；

44：第三螺丝；45：第四调节键；

46：第四螺丝。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了能够快速准确地测出大型工件的孔径尺寸，本发明实施例提供了一种基于非接触式传感器组合的孔径测量方法，实现被测工件内孔直径的准确测量，关键在于调整双传感器测头的位置，要让双传感器测头的激光光轴同被测工件内孔的一条直径重合。为此，结合图1，本发明实施例提供了两种解决方式：

实施例1

101：首先将双传感器测头的主轴安装在具有平动功能的机构上，形成一套完整的测量***，并置于被测工件内；

测量时，要求双传感器测头上的两个传感器的测量光轴在一条直线上，即两束测量激光共线。本测量方法不依赖某种型号的双传感器测头，只要是本领域技术中能实现上述功能的双传感器测头均可。

下面给出本发明实施例采用的双传感器测头，该双传感器测头包括：测头架1，测头架1上设置有移动架2、测量装置3和连接部件4，

测头架1包括：U型槽11，U型槽11的一侧设置有4个第一调节键12，另一侧设置有2个第一调节键12；U型槽11上还设置有18个第一螺丝13，其中6个第一螺丝13与6个第一调节键12相互配合，用于调节两个激光位移传感器31出射线的左右方向的位姿；另12个第一螺丝13用于固定移动架2；U型槽11的底面设置有相互配合的4个第二调节键14和4个第二螺丝15；

连接部件4包括：与测头架1固定连接的倒U型槽41；倒U型槽41通过圆柱棒42连接有连接件43，连接件43上设置有调节连接件43与倒U型槽41之间夹角的第三螺丝44，圆柱棒42作为夹角调节的中心轴；倒U型槽41上还设置有相互配合的2个第四调节键45和2个第四螺丝46，第二调节键14、第二螺丝15、第四调节键45和第四螺丝46用于调节两个激光位移传感器31出射线的上下方向的位姿；

测量装置3包括：设置在移动架2上的两个激光位移传感器31，设置在测头架1上的数据处理及显示模块32，激光位移传感器31采集位移数据，并传输至数据处理及显示模块32，数据处理及显示模块32对位移数据进行处理，将处理后的数据传输并显示。

通过上述测头的器件间的相互配合共同作用下，完成大型工件内尺寸的测量。在实际应用时，通过调整移动架2在测头架1上的位置可以测量不同尺寸的工件的内尺寸。

102：双传感器测头先在ZOY面旋转、后在XOY面平移，获取被测工件的内孔直径。

首先，旋转双传感器测头上的螺丝组，让激光光束绕中心轴旋转，使双传感器测头在ZOY面上旋转，传感器测得的位移数据将会产生由大变小再由小变大的变化。在测得的位移数据的最小值处停止转动双传感器测头，可认为此时光轴轴线在ZOY面上与被测工件内孔轴线垂直，即光轴处于XOY面的平行平面上。

接下来，使双传感器测头在XOY面上平移，传感器测得的位移数据将发生由小变大再由大变小的变化。测得的位移数据的最大值，就是被测工件的内孔直径。

实施例2

201：首先将双传感器测头的主轴安装在具有平动功能的机构上，形成一套完整的测量***，并置于被测工件内；

202：双传感器测头先后在ZOY面、XOY面旋转，获取被测工件的内孔直径。

同实施例1中的描述，双传感器测头在ZOY面旋转后，可使测量光轴调整到XOY面的平行平面上。使双传感器测头在XOY面的平行平面上旋转，即双传感器测头绕Z轴旋转，测量数据仍会出现从小到大又从大到小的变化过程。下面分析测得的最大值是否为被测工件的内孔直径。

双传感器测头在XOY面旋转的示意图，如图3所示。图中，T表示回转轴线与激光光线的垂足，O表示测头的回转中心，A表示工件内孔的圆心位置。

假设回转中心无跳动，是理想测量状态。当OT<OA时，如图3-a所示，T点的轨迹是图中点画线代表的小圆O，此时过A点有两条圆O的切线。也就是说，在测头回转过程中，激光光轴必然会经过圆心A，测得的最大值就是内孔的直径。当OT>OA时，如图3-b所示，T点的轨迹是图中点画线代表的小圆O，此时A点位于圆O的内部，圆O过A点的切线不存在，即最大测量值不是内孔的直径。

在实际测量中，b方法可以通过多次测量取最大值的方法实现，因为多次测量很容易出现OA>OT的情况。

以上对b方法的分析均忽略了中心跳动的影响，下面分析中心跳动对测量值的影响。设光轴的中心跳动为e，当光轴通过A点时，中心跳动对测量值有最大影响，此时最大直径由于中心跳动e为um量级，半径r为dm量级，因此中心跳动对D_MAX的影响可以忽略不计。

下面以具体的试验来验证本发明实施例提供的一种基于非接触式传感器组合的孔径测量方法的可行性，详见下文描述：

当采用本发明实施例提供的双传感器测头时，对于实施例1，利用平动机构带动双传感器测头在圆孔内平动，测量线段的数值将会发生从小变大，再从大变小的过程，得到的最大测量值即为内孔的直径。对于实施例2，使双传感器测头在XOY平面旋转，并记下旋转一周得到的最大测量值，完成一次测量。再随机改变测头的位置，多次测量，取多次测量的最大值即为内孔的直径。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于非接触式传感器组合的孔径测量方法，其特征在于，所述方法包括：

首先将双传感器测头的主轴安装在具有平动功能的机构上，形成一套完整的测量***，并置于被测工件内；

测量时，要求双传感器测头上的两个传感器的测量光轴在一条直线上；

双传感器测头先在ZOY面旋转、后在XOY面平移，获取被测工件的内孔直径；

其中，所述双传感器测头先后在ZOY面旋转、在XOY面平移，获取被测工件的内孔直径的过程具体为：

双传感器测头在ZOY面上旋转，传感器测得的位移数据产生由大变小再由小变大的变化，在测得的位移数据的最小值处停止转动双传感器测头，光轴处于XOY面的平行平面上；

双传感器测头在XOY面上平移，传感器测得的位移数据将发生由小变大再由大变小的变化，测得的位移数据的最大值，为被测工件的内孔直径。

2.一种基于非接触式传感器组合的孔径测量方法，其特征在于，所述方法包括：

首先将双传感器测头的主轴安装在具有平动功能的机构上，形成一套完整的测量***，并置于被测工件内；

测量时，要求双传感器测头上的两个传感器的测量光轴在一条直线上；

双传感器测头先后在ZOY面、XOY面旋转，获取被测工件的内孔直径；

其中，所述双传感器测头先后在ZOY面、XOY面旋转，获取被测工件的内孔直径的过程具体为：

双传感器测头在ZOY面上旋转，传感器测得的位移数据产生由大变小再由小变大的变化，在测得的位移数据的最小值处停止转动双传感器测头，光轴处于XOY面的平行平面上；

双传感器测头在XOY面的平行平面上旋转，测量位移数据出现从小到大又从大到小的变化过程，测得的位移数据的最大值，为被测工件的内孔直径。