CN115727781A - 一种深孔圆度及表面形貌实时检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种深孔圆度及表面形貌实时检测装置及方法，属于深孔检测的技术领域，上述深孔圆度及表面形貌实时检测装置集机、电、光于一体，结构简单，成本低廉，使用方便，可以将深孔内壁信息通过CCD相机完全复刻到数据处理***上，通过光圈Ⅰ与理想圆轮廓对比，用最小二乘法原理推算出圆度，通过光圈Ⅰ和光圈Ⅱ形成的光环所得图像强度信息变化分析表面形貌，可以提取关于局部不连续性的信息，例如裂纹和孔洞等缺陷。使用脉冲定位传感器和光电编码器相配合，实现对孔壁任意位置的检测，这使对深孔零件进行圆度、表面形貌检测的手段趋于高精化，是深孔检测技术上的重要突破。

Description

一种深孔圆度及表面形貌实时检测装置及方法

技术领域

本发明属于深孔检测的技术领域，具体公开了一种深孔圆度及表面形貌实时检测装置及方法。

背景技术

随着现代科学技术与现代工业的极速发展，深孔类零件，如空心车轴、气缸、液压缸和火炮身管等在汽车工业和国防工业等领域有着广泛且重要的应用。深孔加工是机械制造领域的难题之一，由于刀具的挠度和振动，保证直线度、圆柱度和内径公差十分困难。同时，深孔类零件常常用于轴孔配合中，通常面临较严峻的磨损、振动和热环境，因此其内壁容易发生裂纹等缺陷，从而进一步影响零部件的密封和运动性能。因此，深孔内表面的形状误差、尺寸误差和缺陷情况的检测对该类零件的质量控制和故障诊断有着十分重要的意义。

在某些领域中，机械***对深孔零件的精度提出了更高的要求，机械零件的形状和位置误差很大程度的反映了其加工精度。其中，圆度误差是指被测圆柱面任一正截面实际圆相对于理想圆的变动量，是许多其他形位误差的评定基础。对回转零件或零件的回转表面而言，外径的检测方法较多且精度较高，而孔径的高精度检测方法相对较少，尤其在深孔零件表面检测中，传统的测量方法和测量仪器都受到了很大的限制。虽然现在有许多传感器不但可以实现非接触测量，并且能够达到较高的测量精度，如基于激光位移传感器、光纤传感器，采用零件旋转或传感器旋转的方式研究的圆度检测方法，但大部分检测方法数据量大，过于复杂，容易引起各种微小的误差，这将大大降低检测精度。

目前在深孔检测中若是深孔管壁内存在缺陷，极有可能会影响到圆度的检测精度，同时检测孔壁内的缺陷以及圆度不仅可以延长深孔零件的寿命，还能大大降低圆度误差，提高检测精度。因此，研究一种可以同时检测深孔圆度和表面形貌的检测装置显得尤为重要。

发明内容

本发明提供一种深孔圆度及表面形貌实时检测装置及方法，以解决深孔检测中难以同时检测圆度及缺陷的技术问题。

本发明提供一种深孔圆度及表面形貌实时检测装置，包括定心机构、检测机构、直线驱动机构和数据处理***；检测机构包括透明管、激光发射器、光环发生器、扩散镜、透镜、投影屏和CCD相机；激光发射器、光环发生器、扩散镜、透镜、投影屏和CCD相机安装在透明管内，且中心均位于透明管的中心轴上；投影屏上绘制有理想圆轮廓；光环发生器包括负透镜、正透镜、圆形狭缝和锥形反射镜；激光发射器发射的光经过负透镜和正透镜准直和扩展，穿过圆形狭缝，入射到锥形反射镜上，反射光部分投射在深孔内壁上形成光圈Ⅰ，部分经过扩散镜在深孔内壁上形成光圈Ⅱ，光圈Ⅰ和光圈Ⅱ被深孔内壁反射至透镜，由透镜聚焦到投影屏上，由投影屏将光圈Ⅰ、光圈Ⅱ和理想圆轮廓传输至CCD相机，CCD相机将光学影像转化为数字信号传输至数据处理***中；数据处理***用于对理想圆轮廓与光圈Ⅰ进行对比分析，计算圆度误差，对光圈Ⅰ和光圈Ⅱ形成的光环进行图像加工、圆度拟合及强度信息提取，分析光环的光强度值，提取关于局部不连续性的信息；定心机构安装在透明管的两端，用于使透明管的中心轴与深孔的轴线重合；直线驱动机构用于驱动定心机构和检测机构沿深孔轴线直线移动。

进一步地，定心机构包括定心座、安装轴、定位体、弹性元件、滑动体、压簧和旋钮；定心座的第一端面与透明管的端部连接，中心位于透明管的中心轴上；安装轴固定在定心座的第二端面，与定心座同轴设置；定位体套设在安装轴上，第一端面与定心座的第二端面相接，第二端面设置有楔形槽，定位体由弹性材料制成，周向设置有多个凸起的弹性元件；滑动体包括滑动套、导向环和楔形滑块，导向环和楔形滑块滑动套设在安装轴上；楔形滑块的第一端面为楔形面，第二端面为圆环面，第一端面插设在定位体的楔形槽中；导向环的第一端面与楔形滑块的第二端面相接；滑动套套设在导向环上；压簧和旋钮套设在安装轴上，压簧位于安装轴、滑动套、导向环和旋钮围合成的环形空间内，压簧的两端抵靠在导向环和旋钮上；旋钮用于沿安装轴推动滑动体挤压定位体和弹性元件，使弹性元件径向涨开与深孔内壁接触。

进一步地，旋钮与安装轴之间通过螺纹连接。

进一步地，直线驱动机构包括丝杠、螺母、电机和固定支架；螺母转动安装在固定支架上，由电机驱动旋转；丝杠穿过螺母构成丝杠螺母副，端部与单侧定心机构的旋钮连接，丝杠与定心机构同轴设置。

进一步地，螺母的螺旋滚道内转动安装有滚珠。

进一步地，丝杆上设置有刻度值。

进一步地，电机配有用于获取电机转动数据的光电编码器，光电编码器与数据处理***连接。

进一步地，透明管上安装有脉冲定位传感器，脉冲定位传感器与数据处理***连接。

进一步地，CCD相机镜头采用锥形透镜。

本发明还提供一种深孔圆度及表面形貌实时检测方法，将深孔零件固定于水平位置，然后将上述深孔圆度及表面形貌实时检测装置中的检测机构置于深孔零件内，由直线驱动机构驱动定心机构和检测机构沿深孔轴线直线移动。

本发明具有以下有益效果：

上述深孔圆度及表面形貌实时检测装置集机、电、光于一体，结构简单，成本低廉，使用方便，可以将深孔内壁信息通过CCD相机完全复刻到数据处理***上，通过光圈Ⅰ与理想圆轮廓对比，用最小二乘法原理推算出圆度，通过光圈Ⅰ和光圈Ⅱ形成的光环所得图像强度信息变化分析表面形貌，可以提取关于局部不连续性的信息，例如裂纹和孔洞等缺陷。使用脉冲定位传感器和光电编码器相配合，实现对孔壁任意位置的检测，这使对深孔零件进行圆度、表面形貌检测的手段趋于高精化，是深孔检测技术上的重要突破。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为深孔圆度及表面形貌实时检测装置的结构示意图；

图2为深孔圆度及表面形貌实时检测装置的光路图；

图3为定心机构的结构示意图；

图中：1-激光发射器；2-光环发生器；2.1-负透镜；2.2-正透镜；2.3-圆形狭缝；2.4-锥形反射镜；3-扩散镜；4-透镜；5-投影屏；6-CCD相机；7-定心座；8-定位体；9-弹性元件；10-滑动体；10.1-滑动套；10.2-导向环；10.3-楔形滑块；11-压簧；12-旋钮；13-丝杠；14-螺母；15-电机；16-固定支架；17-脉冲定位传感器；18-计算机；19-滚珠；20-安装轴；100-深孔内壁；101-光圈Ⅰ；102-光圈Ⅱ；103-光环。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供一种深孔圆度及表面形貌实时检测装置，包括定心机构、检测机构、直线驱动机构和数据处理***。

检测机构包括透明管、激光发射器1(采用激光二极管)、光环发生器2、扩散镜3、透镜4、投影屏5和CCD相机6；激光发射器1、光环发生器2、扩散镜3、透镜4、投影屏5和CCD相机6安装在透明管内，且中心均位于透明管的中心轴上；投影屏5上绘制有理想圆轮廓；光环发生器2包括负透镜2.1、正透镜2.2、圆形狭缝2.3和锥形反射镜2.4；激光发射器1发射的光经过负透镜2.1和正透镜2.2准直和扩展，穿过圆形狭缝2.3，入射到锥形反射镜2.4上，反射光部分投射在深孔内壁上形成光圈Ⅰ101，部分经过扩散镜3在深孔内壁上形成光圈Ⅱ102，光圈Ⅰ101和光圈Ⅱ102被深孔内壁反射至透镜，由透镜4聚焦到投影屏5上，由投影屏5将光圈Ⅰ101、光圈Ⅱ102和理想圆轮廓传输至CCD相机6，CCD相机6将光学影像转化为数字信号传输至数据处理***中；数据处理***用于对理想圆轮廓与光圈Ⅰ101进行对比分析，用最小二乘法计算圆度误差，对光圈Ⅰ101和光圈Ⅱ102形成的光环103进行图像加工、圆度拟合及强度信息提取，该环形图案上所包含的孔的内表面形貌信息便得以体现，分析光环103的光强度值，提取关于局部不连续性的信息，例如裂纹和孔洞等缺陷。

进一步地，CCD相机6镜头采用锥形透镜，可提高相机传感器上有效区域的大小和径向分辨率，并减少死面积。

定心机构安装在透明管的两端，与深孔内壁保持接触适应深孔孔径变化，用于使透明管的中心轴与深孔的轴线重合，消除检测过程中因轴线偏移而带来的偏差。定心机构包括定心座7、安装轴20、定位体8、弹性元件9、滑动体10、压簧11和旋钮12；定心座7的第一端面与透明管的端部连接，中心位于透明管的中心轴上；安装轴20固定在定心座7的第二端面，与定心座7同轴设置；定位体8套设在安装轴20上，第一端面与定心座7的第二端面相接，第二端面设置有楔形槽，定位体8由弹性材料制成，周向设置有多个凸起的弹性元件9；滑动体10包括滑动套10.1、导向环10.2和楔形滑块10.3，导向环10.2和楔形滑块10.3滑动套设在安装轴20上；楔形滑块10.3的第一端面为楔形面，第二端面为圆环面，第一端面插设在定位体8的楔形槽中；导向环10.2的第一端面与楔形滑块10.3的第二端面相接；滑动套10.1套设在导向环10.2上；压簧11和旋钮12套设在安装轴20上，压簧11位于安装轴20、滑动套10.1、导向环10.2和旋钮12围合成的环形空间内，压簧11的两端抵靠在导向环10.2和旋钮12上；旋钮12用于沿安装轴20推动滑动体10挤压定位体8和弹性元件9，使弹性元件9径向涨开与深孔内壁接触，从而实现以深孔内壁表面为其定位基准、自动定心与支撑深孔内检测机构的目的，弹性元件9与深孔内壁呈滑动接触，有利于减小行进中的摩擦力，提高检测精度。

进一步地，旋钮12与安装轴20之间通过螺纹连接。压簧11产生的轴向力可通过旋钮12的旋入深度来控制，提高定心精度。

直线驱动机构用于驱动定心机构和检测机构沿深孔轴线直线移动。直线驱动机构包括丝杠13、螺母14、电机15和固定支架16；螺母14转动安装在固定支架16上，防止错位，由电机15驱动旋转；丝杠13穿过螺母14构成丝杠螺母副，端部与单侧定心机构的旋钮12刚性连接，丝杠13与定心机构同轴设置。电机15旋转带动螺母14作旋转运动，带动丝杠13做直线运动，通过电机15的正反转便可控制检测机构在孔内的往复检测。

进一步地，螺母14的螺旋滚道内转动安装有滚珠19，与丝杠13构成滚珠丝杠。

进一步地，丝杆13上设置有刻度值。通过刻度值能更加清楚地了解到检测机构在孔内的位置及位移情况。

进一步地，电机15配有用于获取电机15转动数据的光电编码器，光电编码器与数据处理***连接。

进一步地，透明管上安装有脉冲定位传感器17，脉冲定位传感器17与数据处理***连接，脉冲定位传感器17可检测检测机构在孔内的位置信息。

具体底，数据处理***包括计算机18及数据线。

实施例2

本实施例提供一种深孔圆度及表面形貌实时检测方法，将深孔零件固定于水平位置，然后将上述深孔圆度及表面形貌实时检测装置中的检测机构置于深孔零件内，由直线驱动机构驱动定心机构和检测机构沿深孔轴线直线移动。

检测机构沿着深孔的轴线运动，光电编码器检测电机15转动参数，由丝杠13上的刻度得知检测机构的进给距离。通过脉冲定位传感器17的位置和光环发生器2折射率可得出光环在深孔内壁上的投影位置，控制电机15使丝杠13带动检测机构运动，通过光电编码器和脉冲定位传感器17之间的相互配合计算可检测孔内任意截面的圆度，测得多组数据，实现深孔全范围检测。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种深孔圆度及表面形貌实时检测装置，其特征在于，包括定心机构、检测机构、直线驱动机构和数据处理***；

所述检测机构包括透明管、激光发射器、光环发生器、扩散镜、透镜、投影屏和CCD相机；

所述激光发射器、光环发生器、扩散镜、透镜、投影屏和CCD相机安装在透明管内，且中心均位于透明管的中心轴上；

所述投影屏上绘制有理想圆轮廓；

所述光环发生器包括负透镜、正透镜、圆形狭缝和锥形反射镜；

所述激光发射器发射的光经过负透镜和正透镜准直和扩展，穿过圆形狭缝，入射到锥形反射镜上，反射光部分投射在深孔内壁上形成光圈Ⅰ，部分经过扩散镜在深孔内壁上形成光圈Ⅱ，光圈Ⅰ和光圈Ⅱ被深孔内壁反射至透镜，由透镜聚焦到投影屏上，由投影屏将光圈Ⅰ、光圈Ⅱ和理想圆轮廓传输至CCD相机，CCD相机将光学影像转化为数字信号传输至数据处理***中；

所述数据处理***用于对理想圆轮廓与光圈Ⅰ进行对比分析，计算圆度误差，对光圈Ⅰ和光圈Ⅱ形成的光环进行图像加工、圆度拟合及强度信息提取，分析光环的光强度值，提取关于局部不连续性的信息；

所述定心机构安装在透明管的两端，用于使透明管的中心轴与深孔的轴线重合；

所述直线驱动机构用于驱动定心机构和检测机构沿深孔轴线直线移动。

2.根据权利要求1所述的深孔圆度及表面形貌实时检测装置，其特征在于，定心机构包括定心座、安装轴、定位体、弹性元件、滑动体、压簧和旋钮；

所述定心座的第一端面与透明管的端部连接，中心位于透明管的中心轴上；

所述安装轴固定在定心座的第二端面，与定心座同轴设置；

所述定位体套设在安装轴上，第一端面与定心座的第二端面相接，第二端面设置有楔形槽，定位体由弹性材料制成，周向设置有多个凸起的弹性元件；

所述滑动体包括滑动套、导向环和楔形滑块，导向环和楔形滑块滑动套设在安装轴上；

所述楔形滑块的第一端面为楔形面，第二端面为圆环面，第一端面插设在定位体的楔形槽中；

所述导向环的第一端面与楔形滑块的第二端面相接；

所述滑动套套设在导向环上；

所述压簧和旋钮套设在安装轴上，压簧位于安装轴、滑动套、导向环和旋钮围合成的环形空间内，压簧的两端抵靠在导向环和旋钮上；

所述旋钮用于沿安装轴推动滑动体挤压定位体和弹性元件，使弹性元件径向涨开与深孔内壁接触。

3.根据权利要求2所述的深孔圆度及表面形貌实时检测装置，其特征在于，旋钮与安装轴之间通过螺纹连接。

4.根据权利要求3所述的深孔圆度及表面形貌实时检测装置，其特征在于，直线驱动机构包括丝杠、螺母、电机和固定支架；

所述螺母转动安装在固定支架上，由电机驱动旋转；

所述丝杠穿过螺母构成丝杠螺母副，端部与单侧定心机构的旋钮连接，丝杠与定心机构同轴设置。

5.根据权利要求4所述的深孔圆度及表面形貌实时检测装置，其特征在于，螺母的螺旋滚道内转动安装有滚珠。

6.根据权利要求4或5所述的深孔圆度及表面形貌实时检测装置，其特征在于，丝杆上设置有刻度值。

7.根据权利要求6所述的深孔圆度及表面形貌实时检测装置，其特征在于，电机配有用于获取电机转动数据的光电编码器，光电编码器与数据处理***连接。

8.根据权利要求7所述的深孔圆度及表面形貌实时检测装置，其特征在于，透明管上安装有脉冲定位传感器，脉冲定位传感器与数据处理***连接。

9.根据权利要求8所述的深孔圆度及表面形貌实时检测装置，其特征在于，CCD相机镜头采用锥形透镜。

10.一种深孔圆度及表面形貌实时检测方法，其特征在于，将深孔零件固定于水平位置，然后将权利要求1-9任一项所述的深孔圆度及表面形貌实时检测装置中的检测机构置于深孔零件内，由直线驱动机构驱动定心机构和检测机构沿深孔轴线直线移动。

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