CN105043278B - 一种非接触式多点测量圆孔内径的方法 - Google Patents

一种非接触式多点测量圆孔内径的方法 Download PDF

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Abstract

一种非接触式多点测量圆孔内径的方法，所述测量圆孔内径的方法包括以下步骤：构建三传感器或四传感器定值比较测量头；对激光位移传感器的测量光轴进行调整，分别满足测量前和测量时的预设条件；获取被测圆孔的半径。本方法采用的是非接触式定值比较测量法，非接触测量头远离被测物表面，提高了测量的安全性。本方法测量工件内孔孔径时，只要将测量头置于被测孔径内即可。无需对心、调整等操作，大大提高了测量效率。

Description

一种非接触式多点测量圆孔内径的方法
技术领域
本发明涉及几何量测量领域，特别是涉及一种非接触式多点测量圆孔内径的方法。
背景技术
随着我国工业制造业的快速发展，精密测量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、发动机和涡轮机等领域都需要几何量测量技术作为有效支撑。每当需要在制造现场测量工件时，几乎都会面对工件内孔直径的在机测量问题。传统的内孔直径测量方法，主要有：千分尺、万能测长仪、阿贝测长仪、百分表。这些方法大多需要人工手动测量，测量效率低且引入人为误差，难以实现自动化。此外，新型的测量方法也有很多，目前主要有：气动量仪、三坐标测量机和影像测量仪等。然而，三坐标测量机和影像测量仪无法实现在机检测，搬运工件需要耗费大量工时，不利于提高生产效率。气动量仪虽然可以实现在机测量，但需要人工手动操作，测量效率低。更重要的是，由于工作距的限制，量具容易与被测件发生碰撞，造成损坏。
圆孔内径的在机、精密、自动化测量问题，一直是我国工业制造领域的难题。综合以上背景，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，很难实现自动化。
2、测量精度的问题：如何实现圆孔内径的精密测量，一直是亟待解决的问题。
3、关于测量效率的问题。在机测量可以节约加工工时，但是仍然存在测量方法的快速性问题。传统的在机测量手段，大多采用人工手动测量。测量效率低，信息量不足，人为因素影响较大。因此，寻求快速有效的孔径测量方法具有重大的现实意义。
发明内容
本发明提供了一种非接触式多点测量圆孔内径的方法，本发明采用定值比较测量方式，能够快速准确地测出圆孔内径，详见下文描述：
一种非接触式多点测量圆孔内径的方法，所述测量圆孔内径的方法包括以下步骤：
构建三传感器定值比较测量头；
对激光位移传感器的测量光轴进行调整，分别满足第一测量前和测量时的预设条件；
被测圆孔为所构建三角形的外接圆，根据外接三角形公式获取被测圆孔的半径。
其中，所述三传感器定值比较测量头包括：测量头底面固定盘，所述测量头底面固定盘上设置有测量头中轴，所述测量头中轴上套接有角度和量程调节盘，所述角度和量程调节盘上设置有固定和调节孔，所述测量头中轴上设置有三个传感器固定架，所述传感器固定架上安装有激光位移传感器，所述激光位移传感器上设置有传感器固定和调节螺丝。
其中，所述测量头中轴的顶部设置有测量头中轴接头，所述测量头中轴接头连接有测量头连接杆，所述测量头连接杆用于与机床主轴连接；所述测量头中轴的侧壁上设置有数据和电源线通孔。
进一步地，所述激光位移传感器上设置有调节盘连接螺丝；所述激光位移传感器为激光三角法测位移传感器。
进一步地，所述第一测量前预设条件为：分别调整三个激光位移传感器的测量光轴，使三条测量光轴在同一平面上，且三条测量光轴的延长线交于一点，三条测量光轴两两之间的夹角为120°；所述第一测量时预设条件为：将三传感器定值比较测量头置于圆孔内部任意位置，调整三传感器定值比较测量头，使三条测量光轴位于圆孔的正截面上，以被测圆孔的圆心为坐标原点，构建X-Y坐标轴。
另一实施例，一种非接触式多点测量圆孔内径的方法，所述测量圆孔内径的方法包括以下步骤：
构建四传感器定值比较测量头；
对激光位移传感器的测量光轴进行调整，分别满足第二测量前和测量时的预设条件；
获取被测圆孔的半径。
其中，所述四传感器定值比较测量头包括：测量头底面固定盘，
所述测量头底面固定盘上设置有测量头中轴，所述测量头中轴上套接有角度和量程调节盘，所述角度和量程调节盘上设置有固定和调节孔，所述测量头中轴上设置有四个传感器固定架，所述传感器固定架上安装有激光位移传感器，所述激光位移传感器上设置有传感器固定和调节螺丝。
其中，所述测量头中轴的顶部设置有测量头中轴接头，所述测量头中轴接头连接有测量头连接杆，所述测量头连接杆用于与机床主轴连接；所述测量头中轴的侧壁上设置有数据和电源线通孔。
进一步地，所述激光位移传感器上设置有调节盘连接螺丝；所述激光位移传感器为激光三角法测位移传感器。
进一步地，所述第二测量前预设条件为：分别调整四个激光位移传感器的测量光轴，使得四条测量光轴在同一平面上，且四条测量光轴的延长线交于一点，相邻的两条测量光轴夹角为90°，且相对的两条测量光轴在一条直线上；
所述第一测量时预设条件为：将四传感器定值比较测量头置于圆孔内部任意位置，调整四传感器定值比较测量头，使四条测量光轴所在的平面位于圆孔的正截面上，以被测圆孔的圆心为坐标原点，构建X-Y坐标轴。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、测量安全性：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。本方法采用的是非接触式定值比较测量法，非接触测量头远离被测物表面，提高了测量的安全性。
2、测量精确性：采用高精度激光位移传感器，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，大大减少了误差链，有利于提高测量精度。
3、操作便利性：本方法测量工件内孔孔径时，只要将测量头置于被测孔径内即可。无需对心、调整等操作，大大提高了测量效率。
4、可实现在机测量：将非接触测量头安装在机床上，利用机床自身的运动执行机构，可实现在机精密测量。
附图说明
图1为三传感器定值比较测量头的结构图；
图2为激光位移传感器测量头中轴结构图；
图3为激光位移传感器与固定架组合图；
图4为三点测量圆孔直径的测量模型图；
图5为四传感器定值比较测量头的结构图；
图6为四传感器测量头底部拆解结构图；
图7为四点测量圆孔直径的测量模型图。
附图中所列部件列表如下所示：
1、测量头连接杆； 2、角度和量程调节盘；
3、固定和调节孔； 4、传感器固定和调节螺丝；
5、激光位移传感器； 6、传感器固定架；
7、测量头底面固定盘； 8、测量头中轴；
9、测量头中轴接头； 10、数据和电源线通孔；
11、激光光束； 12、调节盘连接螺丝。
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。
实施例1
一种非接触式多点测量圆孔内径的方法，参见图1、图2、图3和图4，该测量圆孔内径的方法包括以下步骤：
101：构建三传感器定值比较测量头；
参见图1和图2，三传感器定值比较测量头包括：测量头底面固定盘7，测量头底面固定盘7上设置有测量头中轴8，测量头中轴8上套接有角度和量程调节盘2，角度和量程调节盘2上设置有固定和调节孔3，测量头中轴8上设置有三个传感器固定架6，传感器固定架6上安装有激光位移传感器5，激光位移传感器5上设置有传感器固定和调节螺丝4。
参见图2，测量头中轴8的顶部设置有测量头中轴接头9，测量头中轴接头9连接有测量头连接杆1，测量头连接杆1用于与机床主轴连接；测量头中轴8的侧壁上设置有数据和电源线通孔10。
参见图3，激光位移传感器5上设置有调节盘连接螺丝12，激光位移传感器5发射激光光束11。
其中，激光位移传感器优选激光三角法测位移传感器。
102：对激光位移传感器的测量光轴进行调整，分别满足第一测量前和测量时的预设条件；
参见图4，测量前，分别调整三个激光位移传感器5的测量光轴(P1A、P2B和P3C)，使得三条测量光轴在同一平面上，且三条测量光轴的延长线交于一点O(即O点表示三个激光位移传感器测量光轴的中心)，三条测量光轴两两之间的夹角为120°(即P1A和P2B之间的夹角为120°；P1A和P3C之间的夹角为120°；P2B和P3C之间的夹角为120°)。
参见图4，设被测圆孔的圆心是O1点，并以O1点为原点，建立X-Y坐标轴。测量时，将三传感器定值比较测量头置于被测圆孔内部任意位置，调整三传感器定值比较测量头， 使三条测量光轴(P1A、P2B和P3C)位于被测圆孔的正截面上，此时，O1点为被测圆孔的圆心。
103：被测圆孔为三角形ABC的外接圆，根据外接三角形公式获取被测圆孔的半径。
参见图4，测量光轴P1A、P2B和P3C中的P1、P2和P3分别表示三个激光位移传感器的测量起点；A、B和C分别表示激光光束11射在被测圆孔上的测量点；测量光轴P1A、P2B和P3C也分别表示为三个激光位移传感器的测量值。OP1、OP2和OP3分别表示为三个激光位移传感器的量程起始点到三条测量光束交点的距离，可以通过标定(通过多次测量已知内径的圆孔，可以反求OP1、OP2和OP3的长度)得到，即OP1、OP2和OP3已知。
设被测圆孔的半径为R，S为三角形的面积，根据外接三角形公式可确定被测圆孔的半径：
根据海伦公式：
有：
根据余弦定理，有：
同理：
因为：
其中，OA、OB、OC是测量点A、B、C到测量光轴的延长线交点O的距离。因此，被测圆孔的半径R可求。
实际工作时，首先将测量头连接杆1安装在具有平动功能的机构上，形成一套完整的测量***，并将三传感器定值比较测量头置于被测圆孔内部，三条测量光轴(P1A、P2B和P3C)位于圆孔的正截面上，即可得到被测圆孔的半径测量值，整个测量过程简单、快捷。通过本发明实施例构建的三传感器定值比较测量头，以及测量方法可以高精度的获取到被测圆孔的半径。
实施例2
一种非接触式多点测量圆孔内径的方法，参见图2、图3、图5、图6和图7，该测量圆孔内径的方法包括以下步骤：
201：构建四传感器定值比较测量头；
参见图1、图5和图6，四传感器定值比较测量头包括：测量头底面固定盘7，测量头底面固定盘7上设置有测量头中轴8，测量头中轴8上套接有角度和量程调节盘2，角度和量程调节盘2上设置有固定和调节孔3，测量头中轴8上设置有四个传感器固定架6，每个传感器固定架6上安装有激光位移传感器5，激光位移传感器5上设置有传感器固定和调节螺丝4。
即四传感器定值比较测量头和三传感器定值比较测量头的区别仅在于：传感器固定架6、激光位移传感器5以及固定和调节孔3的数量不同，其余结构均相同。
参见图2，测量头中轴8的顶部设置有测量头中轴接头9，测量头中轴接头9连接有测量头连接杆1，测量头连接杆1用于与机床主轴连接；测量头中轴8的侧壁上设置有数据和电源线通孔10。
参见图3，激光位移传感器5上设置有调节盘连接螺丝12，激光位移传感器5发出激光光束11。
其中，激光位移传感器优选激光三角法测位移传感器。
202：对激光位移传感器的测量光轴进行调整，分别满足第二测量前和测量时的预设条件；
参见图7，测量前，分别调整四个激光位移传感器5的测量光轴(P1A、P2B、P3C和P4D)，使得四条测量光轴在同一平面上，且四条测量光轴的延长线交于一点O(即O点表示四个激光位移传感器测量光轴的中心)，相邻的两条测量光轴夹角为90°(例如：测量光轴P1A和P4D之间的夹角为90°，P2B和P3C之间的夹角为90°)，且相对的两条测量光轴在一条直线上(例如：测量光轴P1A和P2B在一条直线上，P3C和P4D在一条直线上)。
参见图7，测量时，将四传感器定值比较测量头置于被测圆孔内部任意位置，调整四传感器定值比较测量头，使四条测量光轴(P1A、P2B、P3C和P4D)所在的平面位于被测圆孔的正截面上，此时，O1点为被测圆孔的圆心。
203：获取被测圆孔的半径；
参见图7，测量光轴P1A、P2B、P3C和P4D中的P1、P2、P3和P4分别表示四个激光位移传感器5的测量起点；A、B、C和D分别表示四个激光位移传感器的测量点；测量光轴P1A、P2B、P3C和P3D也分别表示为四个激光位移传感器的测量值。OP1、OP2、OP3和OP4分别表示为四个传感器的量程起始点到四条测量光束交点的距离，可以通过标定得到(具体标定的步骤参见实施例1，本实施例对此不做赘述)，即OP1、OP2、OP3和OP4已知。
设圆孔半径为R，则有：
结合公式(7)和(8)，有：
R2＝1/4(O1B2+O1A2+O1C2+O1D2) (9)
已知
其中，OA、OB、OC和OD是测量点A、B、C、D到测量光轴的延长线交点O的距离。因此，被测圆孔的半径R可求。
实际工作时，首先将测量头连接杆1安装在具有平动功能的机构上，形成一套完整的测量***，并将四传感器定值比较测量头置于被测圆孔内部，四条测量光轴(P1A、P2B、P3C和P4D)位于圆孔的正截面上，即可得到被测圆孔的半径测量值，整个测量过程简单、快捷。通过本发明实施例构建的四传感器定值比较测量头，以及测量方法可以高精度的获取到被测圆孔的半径。
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 (1)

1.一种非接触式多点测量圆孔内径的方法，其特征在于，所述测量圆孔内径的方法包括以下步骤：
构建三传感器定值比较测量头；
对激光位移传感器的测量光轴进行调整，分别满足第一测量前和测量时的预设条件；
被测圆孔为所构建三角形的外接圆，根据外接三角形公式获取被测圆孔的半径；
所述第一测量前预设条件为：分别调整三个激光位移传感器的测量光轴，使三条测量光轴在同一平面上，且三条测量光轴的延长线交于一点，三条测量光轴两两之间的夹角为120°；
所述第一测量时预设条件为：将三传感器定值比较测量头置于被测圆孔内部任意位置，调整三传感器定值比较测量头，使三条测量光轴位于被测圆孔的正截面上，以被测圆孔的圆心为坐标原点，构建X-Y坐标轴；
所述三传感器定值比较测量头包括：测量头底面固定盘，
所述测量头底面固定盘上设置有测量头中轴，所述测量头中轴上套接有角度和量程调节盘，所述角度和量程调节盘上设置有固定和调节孔，所述测量头中轴上设置有三个传感器固定架，所述传感器固定架上安装有激光位移传感器，所述激光位移传感器上设置有传感器固定和调节螺丝；
所述测量头中轴的顶部设置有测量头中轴接头，所述测量头中轴接头连接有测量头连接杆，所述测量头连接杆用于与机床主轴连接；所述测量头中轴的侧壁上设置有数据和电源线通孔；
所述方法测量工件内孔孔径时，只要将测量头置于被测孔径内，无需对心、调整操作；
所述激光位移传感器上设置有调节盘连接螺丝；所述激光位移传感器为激光三角法测位移传感器。
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