專利名稱：基于高精度同軸定位的多參數(shù)內(nèi)徑測量系統(tǒng)與測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及工業(yè)大尺寸內(nèi)徑測量技術，特別是涉及一種基于高精度同軸定位的多 參數(shù)內(nèi)徑測量系統(tǒng)與測量方法，具體是非接觸式、高精度大尺寸內(nèi)徑測量系統(tǒng)。
背景技術：
隨著大型機械設備向著復雜化、精密化方向發(fā)展，對于這些設備所需要的大尺寸 工件的加工質(zhì)量的檢測要求也不斷提高，其測量范圍為幾米至幾十米，測量精度為10-5 10-6量級，而且絕大部分都要在制造現(xiàn)場進行測量，如火車輪、水輪機和汽輪機的主軸、大 型發(fā)電機組、大型軸承圈、各種工作輥等，都需要對其直徑進行高精度測量，以滿足在加工 過程中對直徑尺寸的控制。目前國內(nèi)外大多數(shù)內(nèi)徑測量儀器仍采用大型螺旋測微器、大型千分尺、鋼帶尺等 接觸式測量儀器，但這些量具復雜笨重、測量效率低、易受操作人員及測量環(huán)境影響。當然 采用多普勒效應法、滾輪法、標記法、激光干涉儀、激光杠桿法等非接觸式測量也可以獲得 很高的測量精度。但考慮到滾輪法、標記法需要轉動工件，不適合大型工件；激光干涉儀、多 普勒效應法需要導軌，現(xiàn)場使用不方便；光杠桿法測量范圍小等，不適合大型工件等存在的 現(xiàn)場測量的弱點。正是由于在國內(nèi)大型工件、管道等大直徑高精度的測量問題至今未能得 到妥善解決，以致在大型工件軸孔配合、管道接口裝配時，往往因為其內(nèi)外徑尺寸不符合公 差配合要求而返工，甚至報廢。所以研制一種測量精度能夠滿足工藝要求，結構簡單，能夠 實現(xiàn)現(xiàn)場測量大型工件內(nèi)徑測量技術和裝置非常重要和具有現(xiàn)實應用價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于高精度同軸定位的多參數(shù)內(nèi)徑測量系統(tǒng)與測量 方法。在高精度同軸定位的基礎上，提供一套全自動化的大尺寸內(nèi)徑檢測系統(tǒng)，首先通過 高精度自動定位機構在線得到與加工近似的測量基準軸線，然后由徑向對稱、軸向有一定 距離的成對高精度激光位移傳感器對2個固定距離被測孔截面進行掃描測量，同時記錄精 密伺服系統(tǒng)控制電機編碼器對應的角度值，并利用坐標處理方法，精確計算出孔徑尺寸等 參數(shù)，并由自動運動平臺負責運載系統(tǒng)在被測軸孔中的行走和精確定位，測量分辨力高達5 微米。該系統(tǒng)操作方便、測量精度高、使用范圍廣、效率高，對于工業(yè)大尺寸內(nèi)徑在線測量具 有重要意義。本發(fā)明提供的基于高精度同軸定位的多參數(shù)內(nèi)徑測量系統(tǒng)包括行走定位機構，用于系統(tǒng)的自動行走以及精密定位；激光位移傳感器，用于非接觸式測量以獲取內(nèi)徑數(shù)據(jù)；激光測距儀，用于非接觸式大尺寸測量和測量數(shù)據(jù)的藍牙傳輸；電機驅動裝置，用于控制電機的轉動；微控制模塊，用于數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測以及協(xié)調(diào)運動控制；無線傳輸網(wǎng)絡，用于測量數(shù)據(jù)的無線傳輸；
上位機軟件，用于參數(shù)設置、運動控制、數(shù)據(jù)處理和顯示；便攜式電源，用于提供系統(tǒng)所需能量；光學傾斜測角裝置，用于系統(tǒng)傾斜角度的測量和數(shù)據(jù)修正；以及多點測溫補償裝置，用于環(huán)境溫度的測量和數(shù)據(jù)修正。本發(fā)明主要包括硬件部分和軟件部分硬件部分行走定位機構、激光位移傳感器、激光測距儀、電機驅動裝置、微控制模 塊、無線傳輸網(wǎng)絡、上位機軟件、便攜式電源、光學傾斜測角裝置以及多點測溫補償裝置。軟件部分人機接口、多參數(shù)內(nèi)徑算法處理、溫度補償算法處理以及傾斜校正處理 部分。本發(fā)明的行走定位機構由支撐臂、輔助定位桿、雙錐體主軸及雙輪驅動結構組成， 兩個行走驅動電機通過螺釘固定在行走機構定位軸套上，并通過齒輪副傳動到行走輪上； 定位驅動電機通過螺釘固定在行走定位機構上，在軸向行走的過程中，四個行走輪和彈性 輔助行走輪接觸內(nèi)壁；定位驅動電機通過螺釘固定在行走定位機構上，其通過精密絲杠與 雙椎體主軸相連，前椎體與后椎體固定在雙椎體主軸上；激光位移傳感器是由兩個高精度 三角法激光測頭和一個傳感器控制器組成，激光測頭通過安裝螺栓固定在測量臂頂部的 “L”固定板上，傳感器控制器則裝于控制箱內(nèi)與系統(tǒng)的微控制模塊相連；測量臂旋轉驅動電 機通過螺釘與同步聯(lián)結桿相連，以傳遞測量臂旋轉驅動電機的運動，從而帶動兩個激光位 移傳感器的旋轉；所述的激光測距儀上設有安裝螺紋，通過螺栓固定在被測對象的一側端 面上；所述的微控制模塊安裝在控制機箱內(nèi)部，控制機箱通過螺釘固定在行走定位機構底 部；所述的無線傳輸網(wǎng)絡用于實現(xiàn)上位機和下位機數(shù)據(jù)、控制指令以及狀態(tài)信號的傳輸，其 中一個無線通訊模塊安裝在控制機箱內(nèi)部，一個無線通訊模塊與上位機相連，其余的無線 通訊模塊與溫度傳感器相連，固定在被測管道內(nèi)部；所述的便攜式電源通過安裝螺栓固定 在前定位機構上；所述的光學傾斜測角裝置通過安裝螺栓固定在被測管道的一端；所述的 多點測溫補償裝置安裝在被測管道的內(nèi)部。所述的行走定位機構是系統(tǒng)的載體和運動部件，行走輪靠行走機構定位軸套和導 向槽固定在兩側的支撐臂上，輔助行走輪通過彈簧固定在輔助定位桿上，可根據(jù)內(nèi)徑大小 自動調(diào)節(jié)伸縮量。在軸向行走的過程中，四個行走輪和彈性輔助行走輪接觸內(nèi)壁，保證機構 的穩(wěn)定性，采用兩后輪獨立驅動的方式驅動機構行走。在裝置行走到位后，定位驅動電機動 作，經(jīng)過精密絲杠的轉換，將電機的旋轉運動轉換為絲杠的直線運動，由絲杠推動雙錐體主 軸前進，由于柔性預緊機構提供的預緊力，使得截面I的三個同步支撐臂先定位，定位驅動 電機繼續(xù)推進，進而實現(xiàn)截面II上的三個同步支撐臂定位，支撐臂中心是具有自動收縮功 能的伸縮桿，可根據(jù)實際測量尺寸，選配合適的支撐臂，以保證系統(tǒng)能在被測軸孔中實現(xiàn)定 心。所述的激光位移傳感器是測量系統(tǒng)的核心測量部件，由兩個高精度三角法激光測 頭和一個傳感器控制器組成，激光測頭通過安裝螺栓固定在測量臂頂部的“L”固定板上，可 根據(jù)實際測量尺寸，選配相應尺寸的加長桿，以保證激光測頭與被測軸孔內(nèi)壁的距離在量 程范圍以內(nèi)，傳感器控制器通過螺栓固定在控制箱內(nèi)，并與系統(tǒng)的微控制模塊通過信號線 相連。所述的激光測距儀由非接觸大尺寸測量和測量數(shù)據(jù)藍牙傳輸功能部件組成，用于測量機構在管道中的位置。激光測距儀上設有安裝螺紋，通過螺栓固定在被測對象的一側 端面上。所述的電機驅動裝置是系統(tǒng)運動控制的核心部件，用于實現(xiàn)軸向雙輪獨立驅動行 走，兩個測頭同步旋轉以及雙錐體聯(lián)動定位機構先后定位的驅動。包括運動控制器、直流伺 服電機、電機驅動器以及外圍線路連接；運動控制器接受來自上位機的指令，根據(jù)指令進行 判斷，并向電機驅動器發(fā)出相應的運動指令以控制伺服電機的運動狀態(tài)；采用模塊化設計， 底盤行走模塊包括兩個行走驅動電機，用于驅動機構在軸向行走；同步聯(lián)動定心模塊包括 一個定位驅動電機，經(jīng)過精密絲杠的轉換將電機的旋轉運動轉換為絲杠的直線運動，由絲 杠驅動雙錐體主軸實現(xiàn)雙截面先后定位；旋轉測量模塊包括一個測量臂旋轉驅動電機，經(jīng) 過齒輪副的轉換后將帶動兩個成180°對稱的測量臂實現(xiàn)在兩個不同截面的同步測量。所述的微控制模塊用于整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測以及協(xié)調(diào)運動控制等功 能。所述的無線傳輸網(wǎng)絡用于實現(xiàn)上位機和下位機數(shù)據(jù)、控制指令以及狀態(tài)信號的傳 輸，能夠適應復雜的環(huán)境，避免了拖線。所述的便攜式電源，采用單個鋰電池組合技術和高精度穩(wěn)壓技術為微控制模塊、 電機以及傳感器提供能量，攜帶方便，耐用能力強。所述的光學傾斜測角裝置，通過安裝螺栓固定在被測管道的一端，用于測量系統(tǒng) 的傾斜角度。所述的多點測溫補償裝置，在被測對象內(nèi)部安放多個溫度傳感器，建立測溫網(wǎng)絡， 對因溫度變化產(chǎn)生的縮漲現(xiàn)象進行補償，實現(xiàn)不同溫度環(huán)境下測量結果的一致性。所述的上位機軟件是基于Visual C++6. 0實現(xiàn)的，包括人機接口和內(nèi)徑算法處理， 人機接口部分包括參數(shù)設置、控制按鈕以及數(shù)據(jù)顯示等功能。設置好初始化參數(shù)后，點擊 “運行”按鈕，系統(tǒng)根據(jù)預設參數(shù)掃描測量，在微控制模塊的作用下自動采集測距基準點到 目標點i的距離Pi,并根據(jù)內(nèi)徑測量原理(見圖4)，把第i點極坐標為(Qi, ρ i+H0)轉化 為直角坐標系，((PfHtlRc0Sei, (p JHtlRsinei),同時顯示在界面的相應位置，連續(xù)掃 描測量工件一周，得到N組測量點，利用數(shù)據(jù)處理算法得到工件的幾何參數(shù)，最后保存、打 印測量報告。本發(fā)明提供的基于高精度同軸定位的多功能內(nèi)徑測量的方法包括以下步驟1)根據(jù)被測軸孔內(nèi)徑，選擇合適的支撐臂和測量臂，并將測量系統(tǒng)放置在被測軸 孔之中。根據(jù)需要測量的截面設定測量系統(tǒng)的行走距離，并通過無線傳輸網(wǎng)絡，將上位機設 定好的初始值傳送給微控制模塊進行初始化設置。初始化結束后，上位機發(fā)送啟動命令，行 走驅動電機開始運動，測量系統(tǒng)由行走定位機構負責運動到目標位置。2)運動到位后，定位驅動電機開始旋轉并推動雙錐體主軸前進，支撐臂在此作用 下徑向向外伸出。支撐臂中心是具有自動收縮功能的伸縮桿，可根據(jù)實際測量尺寸，選配合 適的支撐臂，以保證系統(tǒng)能在被測軸孔中實現(xiàn)定心。由于彈性結構提供的預緊力，截面I的 三個同步支撐臂將先接觸到管道內(nèi)壁，定位驅動電機繼續(xù)推進，進而實現(xiàn)截面II上的三個 同步支撐臂接觸頂緊內(nèi)壁以實現(xiàn)定位。在內(nèi)徑定位的過程中，通過實時判斷定位驅動電機 電樞電流的大小從而達到監(jiān)測其工作轉矩的目的，即當電流達到預定數(shù)值時，通過伺服控 制保持電機電樞電流，使行走定位機構穩(wěn)定支撐起機構本體，并通過行走定位機構的軸線復現(xiàn)管道內(nèi)徑的加工軸線，減少了基準轉換的誤差，從測試的源頭保證了檢測的精度。3)內(nèi)徑定位完成后，激光位移傳感器開始工作，在測量臂旋轉驅動電機的帶動下， 激光位移傳感器將對管壁進行圓周掃描。激光位移傳感器獲取的內(nèi)徑數(shù)據(jù)通過總線傳輸給 微控制模塊，并最終通過無線傳輸網(wǎng)絡發(fā)送給上位機進行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理及分析。4)上位機軟件主要負責對下位機的控制及內(nèi)徑測量數(shù)據(jù)的處理和分析。上位機 的軟件是基于Visual C++6. 0實現(xiàn)的，包括人機接口和內(nèi)徑算法處理，人機接口部分包括 參數(shù)設置、控制按鈕以及數(shù)據(jù)顯示等功能。上位機設置好初始化參數(shù)后，點擊“運行”按 鈕，系統(tǒng)根據(jù)預設參數(shù)掃描測量，在微控制模塊的作用下自動采集測距基準點到目標點 i的距離Pi,并根據(jù)內(nèi)徑測量原理，把第i點極坐標為(Qi, P ,+H0)轉化為直角坐標系 ((P^^cos θ ρ (pi+H0)*sin θ J，同時顯示在界面的相應位置，連續(xù)掃描測量工件一 周，得到N組測量點，利用數(shù)據(jù)處理算法得到工件的幾何參數(shù)，最后保存、打印測量報告。5)在激光位移傳感器的運行過程中，激光測距儀將對測量機構的位置進行檢測， 并通過藍牙模塊將實測的位置無線傳輸給上位機；多點測溫補償裝置將測量測試環(huán)境及被 測體的溫度，通過在被測對象內(nèi)部安放多個溫度傳感器，建立測溫網(wǎng)絡，因而可以對因溫度 變化產(chǎn)生的縮漲現(xiàn)象進行補償，實現(xiàn)不同溫度環(huán)境下測量結果的一致性；光學傾斜測角裝 置可以得到了系統(tǒng)的傾斜角度，進而對數(shù)據(jù)進行修正處理。本發(fā)明提供的基于高精度同軸定位的多參數(shù)內(nèi)徑測量系統(tǒng)的電路包括以下部 分1)基于TI公司的TMS320F2812作為微控制模塊，其主要負責對電機的伺服運動控 制，激光位移傳感器的控制，內(nèi)徑測量信號的采集與處理，溫度信號的采集，位置信號的采 集與接收以及對無線傳輸網(wǎng)絡的控制。2)基于Copley公司的Accelnet系列全數(shù)字式伺服運動控制卡的伺服運動控制電 路，其主要負責對電機的伺服運動控制，通過CAN總線的結構及CANopen運動控制協(xié)議直接 控制各個電機的運動控制。3)基于Zigbee技術的無線傳輸網(wǎng)絡，其主要負責上位機與下位機的無線通訊，通 過先進的編碼、誤碼糾正技術保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?)便攜電源電路，其主要負責對電路穩(wěn)定并持續(xù)的供電；SCI總線接口電路，其主 要負責下位機微控制模塊與激光位移傳感器的通訊；CAN總線接口電路，其主要用于下位 機微控制模塊與電機驅動裝置的通訊。本發(fā)明的優(yōu)點在于實驗裝置結構簡單、現(xiàn)場操作方便、測量效率高、精度高、抗干 擾能力強，且為非接觸測量，特別適合復雜環(huán)境的大尺寸多參數(shù)內(nèi)徑測量。


圖1為本發(fā)明測量系統(tǒng)的總體結構裝配示意圖。圖2為本發(fā)明測量系統(tǒng)的測控系統(tǒng)結構框圖。圖3為本發(fā)明測量系統(tǒng)的測量原理圖。圖4為本發(fā)明測量系統(tǒng)的測控應用程序流程圖。圖5為本發(fā)明測量系統(tǒng)的上位機數(shù)據(jù)接收處理流程圖。圖6為本發(fā)明測量系統(tǒng)的內(nèi)徑算法程序流程圖。
圖7為本發(fā)明測量系統(tǒng)的應用程序操作界面。圖8為本發(fā)明測量系統(tǒng)的應用程序系統(tǒng)設置界面。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作詳細說明如圖1所示，為本發(fā)明測量系統(tǒng)的總體結構裝配示意圖。1-行走定位機構，2-激光 位移傳感器，3-激光測距儀，4-定位驅動電機，5-測量臂旋轉驅動電機，6-行走驅動電機， 7-控制機箱(包括微控制模塊，電機驅動裝置，無線通訊模塊)8-無線通訊模塊，9-上位機 軟件，10-便攜式電源，11-光學傾斜測角裝置，12-多點測溫補償裝置，13-激光器，14-前定 位機構，15-輔助行走輪，16-后定位機構，17-雙錐體主軸，18-前錐體，19-柔性預緊機構， 20-同步聯(lián)結桿，21-行走輪，22-行走機構定位軸套，23-后錐體。如圖1所示，本發(fā)明提供的實現(xiàn)高精度同軸定位的多參數(shù)內(nèi)徑自動測量系統(tǒng)包 括行走定位機構、激光位移傳感器、激光測距儀、電機驅動裝置、微控制模塊、無線傳輸網(wǎng) 絡、上位機軟件、便攜式電源、光學傾斜測角裝置以及多點測溫補償裝置。如圖1所示，所述的行走定位機構是系統(tǒng)的載體和執(zhí)行部件，由支撐臂、輔助定位 桿、雙錐體主軸及雙輪驅動結構組成。兩個行走驅動電機6通過螺釘固定在行走機構定位 軸套22上，并通過齒輪副傳動到行走輪21上；在軸向行走的過程中，四個行走輪和彈性輔 助行走輪15接觸內(nèi)壁。定位驅動電機4通過螺釘固定在行走定位機構1上，其通過精密絲 杠與雙椎體主軸17相連，前椎體18與后椎體23固定在雙椎體主軸17上。所述的激光位移 傳感器2是測量系統(tǒng)的核心測量部件，由兩個高精度三角法激光測頭和一個傳感器控制器 組成，激光測頭通過安裝螺栓固定在測量臂頂部的“L”固定板上，傳感器控制器則裝于控制 機箱7內(nèi)與系統(tǒng)的微控制模塊相連。測量臂旋轉驅動電機5通過螺釘與同步聯(lián)結桿20相 連，以傳遞測量臂旋轉驅動電機的運動，從而帶動兩個激光測頭的旋轉。所述的激光測距儀 3用于測量機構在管道中的位置，激光測距儀上設有安裝螺紋，通過螺栓固定在被測對象的 一側端面上。所述的微控制模塊用于整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測以及協(xié)調(diào)運動控制等 功能，其安裝在控制機箱7內(nèi)部，控制機箱通過螺釘固定在行走定位機構1底部。所述的無 線傳輸網(wǎng)絡用于實現(xiàn)上位機和下位機數(shù)據(jù)、控制指令以及狀態(tài)信號的傳輸，其中一個無線 通訊模塊安裝在控制機箱7內(nèi)部，一個無線通訊模塊與上位機相連，其余的無線通訊模塊 與溫度傳感器相連，固定在被測管道內(nèi)部。所述的便攜式電源10，通過安裝螺栓固定在前定 位機構14上。所述的光學傾斜測角裝置11通過安裝螺栓固定在被測管道的一端。所述的 多點測溫補償裝置12安裝在被測管道的內(nèi)部。如圖2所示，為本發(fā)明測量系統(tǒng)的測控系統(tǒng)結構框圖，包括伺服電機、自動定位 機構、激光位移傳感器、激光測距儀、便攜式電源、微控制模塊、無線傳輸網(wǎng)絡、溫度采集模 塊、傾斜校正模塊及上位機。其中兩個行走驅動電機安裝在行走定位機構的兩個主動輪 上，負責驅動系統(tǒng)的行走；一個定位驅動電機通過精密絲杠與雙錐體主軸相連，負責驅動系 統(tǒng)的自動定位；一個測量臂旋轉驅動電機安裝在同步聯(lián)結桿上，負責驅動兩個激光位移傳 感器的旋轉；激光測距儀安裝在被測管道的一端，負責測量系統(tǒng)在管道中的位置；微控制 模塊安裝在控制機箱內(nèi)部，負責整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測以及協(xié)調(diào)運動控制等功能； 便攜式電源安裝在行走定位機構的支撐臂上，負責為微控制模塊、電機以及傳感器提供能量；一個無線通訊模塊安裝在控制機箱內(nèi)部，一個無線模塊與上位機相連，其余的無線通訊 模塊與溫度傳感器相連，負責整個系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸；傾斜校正模塊安裝在被測管道的 一端，負責測量系統(tǒng)的傾斜角度，以對測量結果進行補償修正；溫度采集模塊安裝在被測管 道的內(nèi)部，負責建立測溫網(wǎng)絡，以對測量結果進行補償修正；上位機負責對系統(tǒng)進行運動控 制、狀態(tài)顯示及數(shù)據(jù)擬合等功能。所述的行走定位機構是系統(tǒng)的載體和執(zhí)行部件，在軸向行走的過程中，四個行走 輪和彈性輔助行走輪15接觸內(nèi)壁，保證機構的穩(wěn)定性，機構由兩個后輪獨立驅動，實時監(jiān) 測兩個行走輪的轉速和位移差并作出判斷調(diào)節(jié)兩個行走電機的轉速，以保證機構能夠在軸 孔內(nèi)直線行走，提高其運動的定位精度；當機構行走到位后，定位驅動電機動作，推動雙錐 體主軸17前進，由于彈性結構提供的預緊力，使得截面I的三個同步支撐臂先定位，電機繼 續(xù)推進，進而實現(xiàn)截面II上的三個同步支撐臂定位，支撐臂中心是具有自動收縮功能的伸 縮桿，可隨雙錐體主軸的運動而調(diào)節(jié)伸縮量。所述的激光位移傳感器2是測量系統(tǒng)的核心測量部件，由兩個高精度三角法激光 測頭和一個傳感器控制器組成，激光測頭通過安裝螺栓固定在測量臂頂部的“L”固定板上， 傳感器控制器則裝于控制箱7內(nèi)與系統(tǒng)的微控制模塊相連。所述的激光測距儀3用于測量 機構在管道中的位置。所述的電機驅動裝置是測量系統(tǒng)運動控制的核心，用于實現(xiàn)軸向雙 輪行走，兩激光測頭同步旋轉以及雙錐體聯(lián)動定位機構先后定位的驅動。所述的微控制模 塊用于測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測以及協(xié)調(diào)運動控制等功能。所述的無線傳輸網(wǎng)絡用 于實現(xiàn)上位機和下位機數(shù)據(jù)、控制指令以及狀態(tài)信號的傳輸，能夠適應復雜的環(huán)境，避免了 拖線。所述的便攜式電源，采用單個鋰電池組合技術和高精度穩(wěn)壓技術為微控制模塊、電機 以及傳感器提供能量，攜帶方便，耐用能力強。所述的光學傾斜測角裝置11是為了得到了系統(tǒng)的傾斜角度，進而對數(shù)據(jù)進行修 正處理。所述的多點測溫補償裝置12，在被測對象內(nèi)部安放多個溫度傳感器，建立測溫網(wǎng) 絡，對因溫度變化產(chǎn)生的縮漲現(xiàn)象進行補償，實現(xiàn)不同溫度環(huán)境下測量結果的一致性。所述 的上位機軟件則實現(xiàn)人機接口、內(nèi)徑算法處理以及保存打印測量報告功能。測量應用程序主要包括的步驟為微控制模塊和上位機之間的信息通訊、電機行 走定位控制、激光位移傳感器測量控制、測量距離及角度顯示、內(nèi)徑算法處理、數(shù)據(jù)及結果 保存，具體流程圖如圖4所示。在測量之前首先調(diào)整四個行走輪的徑向伸縮量，保證其穩(wěn)定接觸管壁，然后將測 量機構放入被測管道，同時調(diào)整輔助行走輪，使之接觸內(nèi)壁。待機械結構調(diào)整完畢后打開電 源，打開控制機箱的電源開關，啟動無線傳輸網(wǎng)絡7，8，12，建立與上位機的通訊網(wǎng)絡，待激 光位移傳感器2預熱完成以后，點擊上位機測量界面(見圖7)上的“系統(tǒng)設置”按鈕，選擇 管道的型號，不同型號蘊含了不同的初始化參數(shù)以及控制指令，然后點擊界面上的“運行” 按鈕，上位機自動把所選型號的初始化參數(shù)發(fā)送到微控制模塊，微控制模塊負責全程自動 測量，同時上位機軟件具有檢測功能和暫停、退出裝置等強制功能。正常情況下，微控制模 塊初始化完成以后，便啟動行走驅動電機6，使測量裝置沿軸向行走，同時檢測激光測距儀 3的參數(shù)，直至機構運動到目標截面，裝置行走到位后，微控制模塊控制定位驅動電機動作，推動雙椎體主軸前進，定位 支撐臂在雙椎體主軸的帶動下徑向向外伸出。由于彈性機構提供的預緊力，使得三個前定位支撐臂先于后定位面接觸管道內(nèi)壁，定位驅動電機繼續(xù)推進，進而實現(xiàn)三個后定位支撐 臂接觸管道內(nèi)壁，支撐起測試機構本體，頂緊管道內(nèi)壁，完成定位。定位完成后，微控制模塊控制測量臂旋轉驅動電機動作，該運動由前、后傳動軸 傳遞給傳動軸輸出齒輪副，并通過滑套的環(huán)齒帶動測量支撐臂及激光位移傳感器轉動。 系統(tǒng)定時采集激光位移傳感器2數(shù)據(jù)和測量臂旋轉驅動電機5編碼器信號，同時通過無 線傳輸網(wǎng)絡傳到上位機，上位機軟件根據(jù)數(shù)據(jù)提取程序(見圖幻提取數(shù)據(jù)，同時根據(jù)測 量原理(見圖幻把第i點極坐標為(Qi, ρ ,+H0)轉化為直角坐標系((PjHci)^cosei, (P i+Ho) *sin θ J，并顯示在界面的相應位置，連續(xù)掃描測量工件一周，得到N組測量點，最 后獲得光學傾斜測角裝置11的傾斜角度值及多點測溫補償裝置12的實時環(huán)境溫度值，用 于后續(xù)的誤差剔除及修正，然后利用內(nèi)徑數(shù)據(jù)處理方法(見圖6)得到工件的幾何參數(shù)，最 后保存、打印測量報告。測量動作完成后，定位支撐臂在定位驅動電機的帶動下徑向回收，機構重新由行 走定位機構支撐，行走驅動電機和伺服系統(tǒng)控制行走輪轉動，進而帶動測量機構本體前往 下一個檢測截面。應用實施例如圖1所示，將測量系統(tǒng)置于環(huán)規(guī)中，環(huán)規(guī)內(nèi)部有Imm的臺階，其內(nèi)徑尺寸為截面 I為582mm，截面II為584mm，打開控制機箱和無線通訊模塊的電源，以及上位機軟件，首先 點擊“系統(tǒng)設置”，如圖8所示，選擇被測工件的內(nèi)徑尺寸為582mm，設置測量系統(tǒng)的行走距 離為20cm，行走速度為0. 6m/min，行走加速度為6m/s2。設置完成后，點擊“運行”，此時測 量系統(tǒng)根據(jù)設置的行走距離，行走速度和行走加速度開始前進；當測量系統(tǒng)運動到目標位 置之后，行走定位機構開始動作；定心結束后，由測量臂旋轉驅動電機帶動2個激光測頭以 360° /min的轉速對環(huán)規(guī)的內(nèi)表面進行整周掃描，利用內(nèi)徑數(shù)據(jù)處理方法(圖6)可得到工 件截面I的內(nèi)徑為581. 9953mm,圓度誤差為0. 033mm，截面II的內(nèi)徑為583. 9975mm,圓度誤 差為0. 025mm，滿足測量系統(tǒng)精度要求；點擊“保存數(shù)據(jù)”，保存該次測量的所有數(shù)據(jù)及分析 結果。
權利要求
1.一種高精度同軸定位的多參數(shù)內(nèi)徑測量系統(tǒng)，其特征在于它包括 行走定位機構，用于系統(tǒng)的自動行走以及精密定位；激光位移傳感器，用于非接觸式測量以獲取內(nèi)徑數(shù)據(jù)；激光測距儀，用于非接觸式大尺寸測量和測量數(shù)據(jù)的藍牙傳輸；電機驅動裝置，用于控制電機的轉動；微控制模塊，用于數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測以及協(xié)調(diào)運動控制；無線傳輸網(wǎng)絡，用于測量數(shù)據(jù)的無線傳輸；上位機軟件，用于參數(shù)設置、運動控制、數(shù)據(jù)處理和顯示；便攜式電源，用于提供系統(tǒng)所需能量；光學傾斜測角裝置，用于系統(tǒng)傾斜角度的測量和數(shù)據(jù)修正；以及 多點測溫補償裝置，用于環(huán)境溫度的測量和數(shù)據(jù)修正。
2.一種高精度同軸定位的多參數(shù)內(nèi)徑測量系統(tǒng)，其特征在于它包括硬件部分和上位 機軟件部分硬件部分行走定位機構、激光位移傳感器、激光測距儀、電機驅動裝置、微控制模塊、 無線傳輸網(wǎng)絡、上位機軟件、便攜式電源、光學傾斜測角裝置以及多點測溫補償裝置；上位機軟件部分人機接口、多參數(shù)內(nèi)徑算法處理、溫度補償算法處理以及傾斜校正處 理部分。
3.按照權利要求2所述的多參數(shù)內(nèi)徑測量系統(tǒng)，其特征在于所述的行走定位機構由支 撐臂、輔助定位桿、雙錐體主軸及雙輪驅動結構組成，兩個行走驅動電機通過螺釘固定在行 走機構定位軸套上，并通過齒輪副傳動到行走輪上；在軸向行走的過程中，四個行走輪和彈 性輔助行走輪接觸內(nèi)壁；定位驅動電機通過螺釘固定在行走定位機構上，其通過精密絲杠 與雙椎體主軸相連，前椎體與后椎體固定在雙椎體主軸上。
4.按照權利要求2所述的多參數(shù)內(nèi)徑測量系統(tǒng)，其特征在于所述的激光位移傳感器是 由兩個高精度三角法激光測頭和一個傳感器控制器組成，激光測頭通過安裝螺栓固定在測 量臂頂部的“L”固定板上，傳感器控制器則裝于控制箱內(nèi)與系統(tǒng)的微控制模塊相連；測量 臂旋轉驅動電機通過螺釘與同步聯(lián)結桿相連，以傳遞測量臂旋轉驅動電機的運動，從而帶 動兩個激光位移傳感器的旋轉；所述的激光測距儀上設有安裝螺紋，通過螺栓固定在被測 對象的一側端面上；所述的微控制模塊采用32位控制器，安裝在控制機箱內(nèi)部，用于整個 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測以及協(xié)調(diào)運動控制功能；所述的便攜式電源采用單個鋰電池組 合和高精度穩(wěn)壓為微控制模塊、電機以及傳感器提供能量，安裝在行走定位機構的支撐臂 上。
5.按照權利要求2所述的多參數(shù)內(nèi)徑測量系統(tǒng)，其特征在于所述的電機驅動裝置包括 運動控制器、直流伺服電機、電機驅動器以及外圍線路連接；運動控制器接受來自上位機的 指令，根據(jù)指令進行判斷，并向電機驅動器發(fā)出相應的運動指令以控制伺服電機的運動狀 態(tài)；采用模塊化設計，底盤行走模塊包括兩個行走驅動電機，用于驅動機構在軸向行走；同 步聯(lián)動定心模塊包括一個定位驅動電機，經(jīng)過精密絲杠的轉換將電機的旋轉運動轉換為絲 杠的直線運動，由絲杠驅動雙錐體主軸實現(xiàn)雙截面先后定位；旋轉測量模塊包括一個測量 臂旋轉驅動電機，經(jīng)過齒輪副的轉換后將帶動兩個成180°對稱的測量臂實現(xiàn)在兩個不同 截面的同步測量。
6.按照權利要求2所述的多參數(shù)內(nèi)徑測量系統(tǒng)，其特征在于所述的無線傳輸網(wǎng)絡采用 通訊速率為2501A/S的低速數(shù)據(jù)傳輸，并且使用2. 4GHz免費頻段，其無線通訊模塊安裝在 控制機箱內(nèi)部、上位機及被測管道內(nèi)部，用于實現(xiàn)整個系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸。
7.按照權利要求2所述的多參數(shù)內(nèi)徑測量系統(tǒng)，其特征在于所述的上位機軟件是基 于ViSUalC++6.0實現(xiàn)的，包括人機接口和內(nèi)徑算法處理，人機接口部分包括參數(shù)設置、控 制按鈕以及數(shù)據(jù)顯示功能；設置好初始化參數(shù)后，點擊“運行”按鈕，系統(tǒng)根據(jù)預設參數(shù)掃 描測量，在微控制模塊的作用下自動采集測距基準點到目標點i的距離Pi,并根據(jù)內(nèi)徑測 量原理(見圖4)，把第i點極坐標為(θ y ρ i+H0)轉化為直角坐標系，((PJHc^cosei, (P JHtlRsin θ J，同時顯示在界面的相應位置，連續(xù)掃描測量工件一周，得到N組測量點， 利用數(shù)據(jù)處理算法得到工件的幾何參數(shù)，最后保存、打印測量報告。
8.按照權利要求2所述的多參數(shù)內(nèi)徑測量系統(tǒng)，其特征在于所述的光學傾斜測角裝置 安裝在被測管道的一端，通過測量系統(tǒng)的傾斜角度進而對測量數(shù)據(jù)進行修正處理；所述的 多點測溫補償裝置，在被測對象內(nèi)部安放多個溫度傳感器，建立測溫網(wǎng)絡，對因溫度變化產(chǎn) 生的縮漲現(xiàn)象進行補償，實現(xiàn)不同溫度環(huán)境下測量結果的一致性，采用PCB軟板，使得溫度 傳感器與被測對象內(nèi)壁貼合緊密，最大限度反映被測對象的實際溫度。
9.權利要求2所述的基于高精度同軸定位的多功能內(nèi)徑測量系統(tǒng)的測量方法，其特征 在于包括以下步驟1)根據(jù)被測軸孔內(nèi)徑，選擇合適的支撐臂和測量臂，并將測量系統(tǒng)放置在被測軸孔之 中，根據(jù)需要測量的截面設定測量系統(tǒng)的行走距離，并通過無線傳輸網(wǎng)絡，將上位機設定好 的初始值傳送給微控制模塊進行初始化設置；初始化結束后，上位機發(fā)送啟動命令，行走驅 動電機開始運動，測量系統(tǒng)由行走定位機構負責運動到目標位置；2)運動到位后，定位驅動電機開始旋轉并推動雙錐體主軸前進，支撐臂在此作用下徑 向向外伸出，支撐臂中心是具有自動收縮功能的伸縮桿，可根據(jù)實際測量尺寸，選配合適的 支撐臂，以保證系統(tǒng)能在被測軸孔中實現(xiàn)定心，由于彈性結構提供的預緊力，截面I的三個 同步支撐臂將先接觸到管道內(nèi)壁，定位驅動電機繼續(xù)推進，進而實現(xiàn)截面Π上的三個同步 支撐臂接觸頂緊內(nèi)壁以實現(xiàn)定位，在內(nèi)徑定位的過程中，通過實時判斷定位驅動電機電樞 電流的大小從而達到監(jiān)測其工作轉矩的目的，即當電流達到預定數(shù)值時，通過伺服控制保 持電機電樞電流，使行走定位機構穩(wěn)定支撐起機構本體，并通過行走定位機構的軸線復現(xiàn) 管道內(nèi)徑的加工軸線，減少了基準轉換的誤差，從測試的源頭保證了檢測的精度；3)內(nèi)徑定位完成后，激光位移傳感器開始工作，在測量臂旋轉驅動電機的帶動下，激光 位移傳感器將對管壁進行圓周掃描，激光位移傳感器獲取的內(nèi)徑數(shù)據(jù)通過總線傳輸給微控 制模塊，并最終通過無線傳輸網(wǎng)絡發(fā)送給上位機進行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理及分析；4)上位機設置好初始化參數(shù)后，點擊運行按鈕，系統(tǒng)根據(jù)預設參數(shù)掃描測量，在微控制 模塊的作用下自動采集測距基準點到目標點i的距離Pi,并根據(jù)內(nèi)徑測量原理，把第i點 極坐標為(θ ρ ρ JHq)轉化為直角坐標系((P JHt^cos θ ρ (pi+H0)*sin θ ，同時顯示在 界面的相應位置，連續(xù)掃描測量工件一周，得到N組測量點，利用數(shù)據(jù)處理算法得到工件的 幾何參數(shù)，最后保存、打印測量報告；5)在激光位移傳感器的運行過程中，激光測距儀將對測量機構的位置進行檢測，并通 過藍牙模塊將實測的位置無線傳輸給上位機；多點測溫補償裝置將測量測試環(huán)境及被測體的溫度，通過在被測對象內(nèi)部安放多個溫度傳感器，建立測溫網(wǎng)絡，對因溫度變化產(chǎn)生的縮 漲現(xiàn)象進行補償，實現(xiàn)不同溫度環(huán)境下測量結果的一致性；光學傾斜測角裝置可得到了系 統(tǒng)的傾斜角度，進而對數(shù)據(jù)進行修正處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于高精度同軸定位的多參數(shù)內(nèi)徑測量系統(tǒng)與測量方法，包括行走定位機構、激光位移傳感器、激光測距儀、電機驅動裝置、微控制模塊、無線傳輸網(wǎng)絡、上位機軟件、便攜式電源、光學傾斜測角裝置以及多點測溫補償裝置。系統(tǒng)由靠柔性件聯(lián)接的雙錐體聯(lián)動機構實現(xiàn)兩面六點定軸。激光位移傳感器用于測量相對位移量。激光測距儀用于測量軸向前進距離。四個伺服電機分別驅動定位機構、雙輪行走、測量臂旋轉。微控制模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)檢測、電機控制等。無線傳輸網(wǎng)絡實現(xiàn)下位機和上位機所有信息傳遞。上位機軟件用于數(shù)據(jù)處理和測量控制。便攜式電源為整個系統(tǒng)提供能量。本測量系統(tǒng)能夠自動測量圓孔、錐孔的直徑、圓度、圓柱度、圓錐度等綜合參數(shù)，測量效率高、量程大、使用范圍廣。
文檔編號G01B11/12GK102095384SQ20101056038
公開日2011年6月15日 申請日期2010年11月25日 優(yōu)先權日2010年11月25日
發(fā)明者張福民, 曲興華, 趙士磊, 趙陽, 邢書劍 申請人:天津大學