CN117804357B - 基于激光反射的深孔检测装置与检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于深孔检测领域，具体涉及一种基于激光反射的深孔检测装置与检测方法。包括：定心器、锥面内反射镜、连接杆、环形激光发射器、屏幕和成像装置；锥面内反射镜和连接杆的一端固定在定心器的中心轴上，环形激光发射器固定设置在连接杆外周，且其圆心位于定心器的轴线上，用于向待测工件深孔内壁发射环形光束，环形光束经待测工件深孔内壁反射后，入射至锥面内反射镜，经锥面内反射镜反射后形成平行的环形光束并入射至屏幕，成像装置设置在屏幕另一侧，用于采集屏幕上的光斑图像；定心器用于使锥面内反射镜、连接杆、环形激光发射器自动定心在待测工件的深孔内。本发明结构简单，体积小，可以实现直径较小的深孔检测。

Description

基于激光反射的深孔检测装置与检测方法

技术领域

本发明属于深孔检测领域，具体涉及一种基于激光反射的深孔检测装置与检测方法。

背景技术

在机械制造中经常使用游标卡尺、量规、塞规、千分尺等传统测量工具进行孔检测。检测中，对孔径测量常常采用取待测孔端面上任意直径多次测量取均值的方法。对孔的某截面圆度检测采用三点定圆的方法。对孔轴线的直线度测量往往使用塞规做通过式实验或使用激光对中仪在孔的端面完成检测。现有光测量工具设备往往结构比较复杂而且体积庞大，在面对孔径较小的情况时，无法深入孔内进行定点测量，而且其往往只能测量单一的指标，小直径深孔很难实现测量，多采用接触式测量，当孔径小到一定程度，检测难度大大增加，因此，深孔内部的圆度、圆柱度、直径检测存在困难。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种结构简单、操作方便的深孔检测装置与检测方法，以实现直线深孔相关参数的准确检测。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于激光反射的深孔检测装置，包括：定心器、锥面内反射镜、连接杆、环形激光发射器、屏幕和成像装置；所述锥面内反射镜和连接杆的一端固定在定心器的中心轴上，所述锥面内反射镜的中心轴与定心器的中心轴重合；所述环形激光发射器固定设置在所述连接杆外周，且其圆心位于定心器的轴线上，用于向待测工件深孔内壁发射环形光束；所述环形光束经所述待测工件深孔内壁反射后，入射至所述锥面内反射镜，经所述锥面内反射镜反射后形成平行的环形光束并入射至所述屏幕；所述成像装置设置在屏幕另一侧，用于采集所述屏幕上的光斑图像；所述定心器用于使所述锥面内反射镜、连接杆、环形激光发射器自动定心在待测工件的深孔内。

所述的一种基于激光反射的深孔检测装置，还包括支撑底座，所述支撑底座用于设置待测工件，所述支撑底座一端设置有支撑杆，所述支撑杆上设置有推杆，所述推杆用于推动所述定心器、锥面内反射镜和连接杆进入待测工件的深孔中。

所述屏幕和成像装置固定设置在所述支撑底座上。

所述连接杆为伸缩杆，伸缩杆上设置有刻度，不同刻度对应不同的测量孔径。

所述环形激光发射器发射的环形激光在待测工件深孔内壁上的入射角α与锥面内反射镜的夹角2β满足以下关系：

2β-α=90°。

所述锥面内反射镜的夹角2β满足条件：2β＞120°。

所述计算单元用于对成像装置（6）采集的光斑图像进行计算，得到深孔孔径，计算公式为：

；

其中，表示待测工件的孔径大小，/>表示锥面内反射镜的夹角的一半，S表示待测工件在各个圆周位置处的光斑直径；S₀表示标准工件对应的光斑直径，/>表示标准工件的孔径大小。

此外，本发明还提供了一种基于激光反射的深孔检测方法，基于所述的一种基于激光反射的深孔检测装置实现，包括以下步骤：

步骤一：根据待测工件的标称孔径，找到标准工件，将所述深孔检测装置放入标准工件进行测量，多次获取光斑图像，并计算各个光斑图像中光斑直径大小的平均值S₁；

步骤二：将所述深孔检测装置放入待测工件内，进行测量并获取光斑图像；

步骤三：根据光斑图像，计算待测工件在对应深度下的多个圆周位置处的孔径大小，计算公式为：

；

其中，表示待测工件在各个圆周位置处的孔径大小，/>表示锥面内反射镜的夹角的一半，S表示待测工件在各个圆周位置处的光斑直径；/>表示标准工件的孔径大小；

步骤四：改变所述深孔检测装置在待测工件内的测量深度，重复步骤二和步骤三，得到待测工件在不同测量深度下的光斑图像以及对应的孔径大小。

标准工件的孔径等于待测工件的标称孔径。

所述的一种基于激光反射的深孔检测方法，还包括计算各个测量深度处的圆度的步骤以及计算待测工件圆柱度的步骤；

计算圆度的步骤为：根据对应深度处测量得到的待测工件在各个圆周位置处的孔径大小，计算各个圆周位置处对应的半径的最大值与最小值的差，得到半径公差作为对应测量深度处的圆度；

计算圆柱度的步骤为： 提取多个测量深度处对应的各个圆周位置处的孔径大小，计算对应的半径公差作为圆柱度。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明提供了一种基于激光反射的深孔检测装置和检测方法，利用锥面内反射镜和环形激光发射器相互配合，进而将深孔内部的形貌投射到深孔外部，光斑图像边界的清晰程度还可以反映深孔内壁的粗糙程度；其结构简单，使得检测装置的体积很小，可以实现直径较小的深孔检测，其数据采集和处理过程简单便捷，而且，可以通过成像图像中环形光斑的尺寸，计算得到深孔的具体孔径变化，将孔径变化放大为光斑尺寸变化，提高了测量的精度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于激光反射的深孔检测装置的结构示意图；

图2为本发明的测量原理示意图；

图中：1为定心器，2为锥面内反射镜，3为连接杆，4为环形激光发射器，5为屏幕，6为成像装置，7为待测工件，8为支撑底座，9为支撑杆，10为推杆。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中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的一部分实施例，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。

实施例一

如图1所示，本发明实施例一提供了一种基于激光反射的深孔检测装置，包括：定心器1、锥面内反射镜2、连接杆3、环形激光发射器4、屏幕5和成像装置6；所述锥面内反射镜2和连接杆3的一端固定在定心器1的中心轴上，所述锥面内反射镜2的中心轴与定心器1的中心轴重合，所述环形激光发射器4固定设置在所述连接杆3外周，且其圆心位于定心器1的轴线上，用于向待测工件7深孔内壁发射环形光束，所述环形光束经所述待测工件7深孔内壁反射后，入射至所述锥面内反射镜2，经所述锥面内反射镜2反射后形成平行的环形光束并入射至所述屏幕5形成环形光斑，所述成像装置6设置在屏幕5另一侧，用于采集所述屏幕5上的光斑图像。

本实施例中，所述定心器1用于使所述锥面内反射镜2、连接杆3、环形激光发射器4自动定心在待测工件7的深孔内。定心器1可以采用本领域现有的定心器结构。

进一步地，如图1所示，本实施例的一种基于激光反射的深孔检测装置，还包括支撑底座8，所述支撑底座8用于设置待测工件7，所述支撑底座8一端设置有支撑杆9，所述支撑杆9上设置有推杆10，所述推杆10用于推动所述定心器1、锥面内反射镜2和连接杆3进入待测工件7的深孔中。

进一步地，如图1所示，所述屏幕5和成像装置6固定设置在所述支撑底座8上。本实施例中，由于经锥面内反射镜2后的反射光线为平行于深孔轴线的环形光线，则成像距离不会影响光斑图像，因此，屏幕5和成像装置6可以固定设置在所述支撑底座8上，而无需基于成像距离对成像图像进行校准。

进一步地，本实施例中，所述连接杆3为伸缩杆，伸缩杆上设置有刻度，不同刻度对应不同的测量孔径。如图1所示，本实施例中，通过伸缩杆可以调节环形激光发射器4与锥面内反射镜2之间的距离，进而调节成像光斑的大小。当伸缩杆的长度变小时，环形激光发射器4与锥面内反射镜2之间的距离变小，进而使成像图像中环形光斑的大小变小。

进一步地，如图2所示，本实施例中，假设所述环形激光发射器4发射的环形激光在待测工件7深孔内壁上的入射角为α，锥面内反射镜2的夹角为2β，其中心轴线与深孔轴线在一条直线上，则其两侧镜面与深孔轴线的夹角均为β，为了使经锥面内反射镜2反射后的光线沿平行于深孔轴线方向传播，则其角度应满足以下关系：

α+（180-2β）=90°；（1）

化简可得：

2β-α=90°；（2）

下面详细介绍本发明的测量原理。

如图2所示，假设δ为待测工件7的深孔半径与标准工件的半径差，x为待测工件7与标准工件产生的环形光斑的半径差。环形激光发射器4所在的O点出发的入射激光在标准工件和待测工件7的入射点分别为O'和O''，在锥面内反射镜2上的入射点分别为B点和A点，通过B的反射光线与光线O''A的交点为C。过O''点作法线与待测工件7表面相交于M点，过B点作入射光线OO'的平行线，与光线O'' A相交于D点；沿C点作通过A点的反射光线的垂线，与其相交于A'点，则有CA'=x，O '' M=δ。

∠A'CD=∠O''O'M=α，且O'O''=BD,则有：

；（3）

故有：

；（4）

在△BAD中，∠BAD=β，则有：

；（5）

即：

；（6）

在△BCD中，有：

；（7）

即：

；（8）

根据角度关系，有：

∠ABD=β-（90°-α）=β＋α-90°=3β-180°；（9）

∠DBC=90°-α=180°-2β；（10）

∠BCD=180°-2β；（11）

将式（6）、（8）、（9）~（11）代入式（4），有：

；（12）

因此，通过测量环形光斑的半径差x，可以根据式（12）计算得到待测工件7相对于标准工件的半径偏差δ。此外，从式（12）可以看出，当β大于60°时，x＞δ，即本实施例的环形光斑可以起到放大孔径偏差的作用。当β=75°时，放大倍数为1.732。

具体地，所述锥面内反射镜2的夹角2β满足条件：2β＞120°。

进一步地，本实施例还包括计算单元，所述计算单元用于对成像装置6采集的光斑图像进行计算，得到深孔孔径。

由于x等于待测工件7的光斑图像中的在对应圆周位置处的光斑半径S/2与标准工件对应的光斑图像中光斑半径的平均值S₀/2之差，即x=（S-S₀）/2，则根据式（12）可知，待测工件7的深孔孔径计算公式为：

； （13）

其中，表示待测工件7的孔径大小，/>表示锥面内反射镜2的夹角的一半，/>表示标准工件的孔径大小。上述仅对经过中心轴的一个截面进行了分析，若绕中心轴轴向旋转图2所示的截面，可以得到光斑不同圆周位置处对应的深孔孔径。此外，应注意的是，本实施例中，光斑直径越大，对应的工件孔径越小。

实施例二

本发明实施例二提供了一种基于激光反射的深孔检测方法，基于实施例一所述的一种深孔检测装置实现，包括以下步骤：

步骤一：根据待测工件7的标称孔径，找到标准工件，将所述深孔检测装置放入标准工件进行测量，多次获取光斑图像，并计算各个光斑图像中光斑直径大小的平均值S₁。

步骤二：将所述深孔检测装置放入待测工件7内，进行测量并获取光斑图像。

步骤三：根据光斑图像，计算待测工件7在对应深度下的多个圆周位置处的孔径大小，计算公式为：

；（14）

步骤四：改变所述深孔检测装置在待测工件7内的测量深度，重复步骤二和步骤三，得到待测工件7在不同测量深度下的光斑图像以及对应的多个圆周位置处的孔径大小。

此外，本实施例中，通过各个深度下的光斑图像，还可以获取深孔内部的圆度、圆柱度等参数，而且，光斑图像边界的清晰程度还可以反映深孔内壁的粗糙程度。例如在得到待测工件在各个角度下对应的孔径后，通过测量单个光斑图像对应的不同角度上的对应的半径，计算半径最大值与最小值之差，得到半径公差值作为待测工件7在该截面上的圆度。再通过提取多个截面的半径，可以得到待测工件7的圆柱度。

进一步地，本实施例所述的一种基于激光反射的深孔检测方法，还包括计算各个测量深度处的圆度的步骤以及计算待测工件7圆柱度的步骤。

具体地，计算圆度的步骤为：根据对应深度处测量得到的待测工件7在各个圆周位置处的孔径大小，计算各个圆周位置处对应的半径的最大值与最小值的差，得到半径公差作为对应测量深度处的圆度；

具体地，计算圆柱度的步骤为： 提取多个测量深度处对应的各个圆周位置处的孔径大小，计算对应的半径公差作为圆柱度。

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 (9)

1.一种基于激光反射的深孔检测装置，其特征在于，包括：定心器（1）、锥面内反射镜（2）、连接杆（3）、环形激光发射器（4）、计算单元、屏幕（5）和成像装置（6）；所述锥面内反射镜（2）和连接杆（3）的一端固定在定心器（1）的中心轴上，所述锥面内反射镜（2）的中心轴与定心器（1）的中心轴重合；所述环形激光发射器（4）固定设置在所述连接杆（3）外周，且其圆心位于定心器（1）的轴线上，用于向待测工件（7）深孔内壁发射环形光束，所述环形光束经所述待测工件（7）深孔内壁反射后，入射至所述锥面内反射镜（2），经所述锥面内反射镜（2）反射后形成平行的环形光束并入射至所述屏幕（5）；所述成像装置（6）设置在屏幕（5）另一侧，用于采集所述屏幕（5）上的光斑图像；所述定心器（1）用于使所述锥面内反射镜（2）、连接杆（3）、环形激光发射器（4）自动定心在待测工件（7）的深孔内；所述计算单元用于对成像装置（6）采集的光斑图像进行计算，得到深孔孔径，计算公式为：

；

其中，表示待测工件（7）的孔径大小，/>表示锥面内反射镜（2）的夹角的一半，S表示待测工件（7）在各个圆周位置处的光斑直径；S₀表示标准工件对应的光斑直径，/>表示标准工件的孔径大小。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光反射的深孔检测装置，其特征在于，还包括支撑底座（8），所述支撑底座（8）用于设置待测工件（7），所述支撑底座（8）一端设置有支撑杆（9），所述支撑杆（9）上设置有推杆（10），所述推杆（10）用于推动所述定心器（1）、锥面内反射镜（2）和连接杆（3）进入待测工件（7）的深孔中。

3.根据权利要求2所述的一种基于激光反射的深孔检测装置，其特征在于，所述屏幕（5）和成像装置（6）固定设置在所述支撑底座（8）上。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光反射的深孔检测装置，其特征在于，所述连接杆（3）为伸缩杆，伸缩杆上设置有刻度，不同刻度对应不同的测量孔径。

5.根据权利要求1所述的一种基于激光反射的深孔检测装置，其特征在于，所述环形激光发射器（4）发射的环形激光在待测工件（7）深孔内壁上的入射角α与锥面内反射镜（2）的夹角2β满足以下关系：

2β-α=90°。

6.根据权利要求1所述的一种基于激光反射的深孔检测装置，其特征在于，所述锥面内反射镜（2）的夹角2β满足条件：2β＞120°。

7.一种基于激光反射的深孔检测方法，基于权利要求1所述的一种基于激光反射的深孔检测装置实现，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：根据待测工件（7）的标称孔径，找到标准工件，将所述深孔检测装置放入标准工件进行测量，多次获取光斑图像，并计算各个光斑图像中光斑直径大小的平均值S₁；

步骤二：将所述深孔检测装置放入待测工件（7）内，进行测量并获取光斑图像；

步骤三：根据光斑图像，计算待测工件（7）在对应深度下的多个圆周位置处的孔径大小，计算公式为：

；

其中，表示待测工件（7）在各个圆周位置处的孔径大小，/>表示锥面内反射镜（2）的夹角的一半，S表示待测工件（7）在各个圆周位置处的光斑直径；/>表示标准工件的孔径大小；

步骤四：改变所述深孔检测装置在待测工件（7）内的测量深度，重复步骤二和步骤三，得到待测工件（7）在不同测量深度下的光斑图像以及对应的孔径大小。

8.根据权利要求7所述的一种基于激光反射的深孔检测方法，其特征在于，标准工件的孔径等于待测工件（7）的标称孔径。

9.根据权利要求7所述的一种基于激光反射的深孔检测方法，其特征在于，还包括计算各个测量深度处的圆度的步骤以及计算待测工件（7）圆柱度的步骤；

计算圆度的步骤为：根据对应深度处测量得到的待测工件（7）在各个圆周位置处的孔径大小，计算各个圆周位置处对应的半径的最大值与最小值的差，得到半径公差作为对应测量深度处的圆度；

计算圆柱度的步骤为： 提取多个测量深度处对应的各个圆周位置处的孔径大小，计算对应的半径公差作为圆柱度。