專利名稱：實(shí)現(xiàn)高精度多參數(shù)內(nèi)徑自動測量機(jī)構(gòu)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大孔徑的尺寸測量方法，特別是涉及一種實(shí)現(xiàn)高精度多參數(shù)內(nèi)徑自動 測量系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
隨著大型機(jī)械設(shè)備向著復(fù)雜化、精密化方向發(fā)展，對于這些設(shè)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(jìn)行測量，如火車輪、水輪機(jī)和汽輪機(jī)的主軸、大型 發(fā)電機(jī)組、大型軸承圈、各種工作輥等，都需要對其直徑進(jìn)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(fù)雜笨重、測量效率低、易受操作人員及測量環(huán)境影響。當(dāng)然 采用多普勒效應(yīng)法、滾輪法、標(biāo)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(biāo)記法需要轉(zhuǎn)動工件，不適合大型工件；激光干涉儀、多 普勒效應(yīng)法需要導(dǎo)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(diǎn)。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?yàn)槠鋬?nèi)外徑尺寸不符合公 差配合要求而返工，甚至報(bào)廢。所以研制一種測量精度能夠滿足工藝要求，結(jié)構(gòu)簡單，能夠 實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場測量大型工件內(nèi)徑測量技術(shù)和裝置非常重要和具有現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價值。
高精度測量過程中，測量與制造的基準(zhǔn)必須統(tǒng)一，這樣能減少測量定位時可能帶 來的基準(zhǔn)不重合誤差，提高測量精度。如圓型軸孔鏜孔過程中是以鏜桿軸線為制造基準(zhǔn)，加 工后軸孔的軸線與其吻合，因此，測量時就應(yīng)盡量選用該軸孔的軸線作為基準(zhǔn)，這樣測量基 準(zhǔn)與制造基準(zhǔn)吻合，不會產(chǎn)生基準(zhǔn)變換誤差，相應(yīng)的提高了測量精度。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種實(shí)現(xiàn)高精度多參數(shù)內(nèi)徑自動測量機(jī)構(gòu)和方法，利用 高精度測量與制造軸線吻合的定位機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)全自動化的大尺寸內(nèi)徑測量，測量范圍在 500-1000毫米，測量分辨力達(dá)5微米。該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎、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)明提供的實(shí)現(xiàn)高精度多參數(shù)內(nèi)徑自動測量機(jī)構(gòu)包括自動運(yùn)載機(jī)構(gòu)、輔助導(dǎo) 向機(jī)構(gòu)、高精度內(nèi)徑同軸自動定位機(jī)構(gòu)、傳感器自動掃描機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)測量裝置、系統(tǒng)控制裝 置與光學(xué)傾斜測角機(jī)構(gòu)。
所述的自動運(yùn)載機(jī)構(gòu)是系統(tǒng)的載體，包括機(jī)構(gòu)本體、運(yùn)載驅(qū)動電機(jī)、定位支撐臂及 行走輪。機(jī)構(gòu)本體為自動運(yùn)載機(jī)構(gòu)起著固定、支撐其他功能單元的作用，四個行走輪分別裝 在機(jī)構(gòu)本體底部的四個定位支撐臂上，通過螺紋及導(dǎo)向槽固定，行走輪在定位支撐臂上的 位置可調(diào)，其中后兩個行走輪為主動輪，由運(yùn)載驅(qū)動電機(jī)提供動力驅(qū)動機(jī)構(gòu)本體運(yùn)動；前兩個行走輪為從動輪。
所述的輔助導(dǎo)向機(jī)構(gòu)可以為自動運(yùn)載機(jī)構(gòu)的行走提供輔助導(dǎo)向，包括輔助導(dǎo)向 輪、輔助支撐臂及彈簧。在本體上增加了輔助導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，輔助支撐臂固定于機(jī)構(gòu)本體中心 軸，輔助導(dǎo)向輪在彈簧彈力的作用下保持與管道內(nèi)壁接觸，防止測量機(jī)構(gòu)在軸向行走過程 中的傾倒與爬行。
所述的高精度內(nèi)徑同軸自動定位機(jī)構(gòu)為測量機(jī)構(gòu)在測量過程中，提供高精度的測 量基準(zhǔn)及可靠穩(wěn)定的支撐，通過高精度內(nèi)徑同軸自動定位機(jī)構(gòu)的軸線復(fù)現(xiàn)管道內(nèi)壁的加工 基準(zhǔn)軸線。包括前、后兩個高精度定位圓錐體，精密定位中心軸，前、后定位支撐臂，定位支 撐臂套，彈性機(jī)構(gòu)、精密絲杠、高精度定位滾輪及定位驅(qū)動電機(jī)。前高精度定位圓錐體套在 精密定位中心軸上，可在軸上滑動，通過彈性機(jī)構(gòu)與精密定位中心軸中部的軸頸相連；后高 精度定位圓錐體固定于精密定位中心軸上。前、后兩個定位面的六個定位支撐臂位于定位 支撐臂套內(nèi)并通過高精度定位滾輪與前、后高精度定位圓錐體連接。定位驅(qū)動電機(jī)通過精 密絲杠驅(qū)動測量機(jī)構(gòu)精密定位。當(dāng)測量機(jī)構(gòu)行走到位后，定位驅(qū)動電機(jī)動作，推動精密定位 中心軸前進(jìn)，由于彈性機(jī)構(gòu)提供的預(yù)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(qū)動電機(jī)繼續(xù)推進(jìn)，三個后定位支撐臂接觸到管道內(nèi)壁，最終完成高精度定位。
所述的傳感器自動掃描機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)帶動兩個激光位移傳感器進(jìn)行同步圓周180°對 稱掃描。包括掃描驅(qū)動電機(jī)、掃描驅(qū)動電機(jī)輸出齒輪副、前側(cè)傳動軸、后側(cè)傳動軸、傳動軸輸 出齒輪副、測量支撐臂及測量支撐臂固定滑套。測量支撐臂通過測量支撐臂固定滑套固定 于機(jī)構(gòu)本體中心軸上并可繞本體中心軸軸線圓周轉(zhuǎn)動。掃描驅(qū)動電機(jī)輸出齒輪副由三個模 數(shù)相同的齒輪組成，包括一個掃描機(jī)構(gòu)主動齒輪及兩個掃描機(jī)構(gòu)從動齒輪。其中掃描機(jī)構(gòu) 主動齒輪與掃描驅(qū)動電機(jī)相連，兩個掃描機(jī)構(gòu)從動齒輪安裝于前、后傳動軸的首端并同時 與掃描機(jī)構(gòu)主動齒輪嚙合，以傳遞掃描驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)動。傳動軸輸出齒輪副由傳動軸輸出 齒輪及滑套上的環(huán)齒組成，傳遞來自掃描驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)動進(jìn)而帶動激光位移傳感器進(jìn)行同 步圓周對稱掃描。
所述的系統(tǒng)測量裝置是測量機(jī)構(gòu)的核心測量部件，包括兩個激光位移傳感器和一 個激光位移傳感器控制器。激光位移傳感器通過安裝螺栓固定在測量支臂頂部的固定板 上，負(fù)責(zé)對管道內(nèi)徑的參數(shù)進(jìn)行測量；激光位移傳感器控制器安裝于控制箱內(nèi)與系統(tǒng)的微 控制器相連，負(fù)責(zé)驅(qū)動并控制激光位移傳感器的測量與數(shù)據(jù)采集。
所述的系統(tǒng)控制裝置是測量機(jī)構(gòu)的運(yùn)動控制部件，包括兩個運(yùn)載驅(qū)動電機(jī)、一個 定位驅(qū)動電機(jī)、一個掃描驅(qū)動電機(jī)、便攜式電源、在線測量控制模塊。其中兩個運(yùn)載驅(qū)動電 機(jī)通過安裝螺釘固定在兩個后行走輪上，負(fù)責(zé)驅(qū)動機(jī)構(gòu)本體在軸向行進(jìn)；定位驅(qū)動電機(jī)與 精密絲杠相連，推動精密定位中心軸運(yùn)動實(shí)現(xiàn)雙截面先后定位；掃描驅(qū)動電機(jī)與掃描機(jī)構(gòu) 主動齒輪相連，通過掃描機(jī)構(gòu)從動齒輪傳遞掃描驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)動，帶動兩個激光位移傳感 器實(shí)現(xiàn)同步圓周對稱測量；便攜式電源固定在控制機(jī)箱內(nèi)部，采用鋰電池組合技術(shù)和高精 度穩(wěn)壓技術(shù)為在線測量控制模塊、電機(jī)以及激光位移傳感器提供持續(xù)及穩(wěn)定的能量；在線 測量控制模塊固定在控制機(jī)箱內(nèi)部，負(fù)責(zé)控制并協(xié)調(diào)運(yùn)載電機(jī)、定位驅(qū)動電機(jī)以及傳感器 掃描電機(jī)的運(yùn)行，并同時控制激光位移傳感器測量數(shù)據(jù)的采集與后續(xù)處理。
所述的光學(xué)傾斜測角機(jī)構(gòu)為剔除因機(jī)構(gòu)傾斜而造成的誤差提供了依據(jù)。包括激光 發(fā)射裝置、激光束接收裝置。其中激光發(fā)射裝置由半導(dǎo)體激光器、激光器固定裝置組成，激5光接收裝置由位置敏感器件PSD、透鏡組以及激光接收器固定裝置組成。半導(dǎo)體激光器通過 激光器固定裝置固定于測量機(jī)構(gòu)中心軸的前端面中心，以激光器發(fā)出的準(zhǔn)直光束表征機(jī)構(gòu) 測量臂旋轉(zhuǎn)掃描的軸線。位置敏感器件PSD及透鏡組由激光接收器固定裝置固定于管道外 側(cè)端面，通過激光器發(fā)出的準(zhǔn)直光束與激光接收裝置軸線的夾角表征測量機(jī)構(gòu)的在管道內(nèi) 的傾斜。
本發(fā)明提供的高精度多參數(shù)內(nèi)徑測量機(jī)構(gòu)的測量方法包括以下步驟
1)測量開始后，兩個運(yùn)載驅(qū)動電機(jī)開始工作，其帶動兩個主動輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而使 得測量機(jī)構(gòu)在被測管道內(nèi)前進(jìn)和后退。輔助支撐臂固定于機(jī)構(gòu)本體中心軸，輔助導(dǎo)向輪在 彈簧彈力的作用下保持與管道內(nèi)壁接觸，防止機(jī)構(gòu)傾倒與爬行。
2)當(dāng)測量機(jī)構(gòu)行走到位后，定位驅(qū)動電機(jī)動作，推動精密定位中心軸前進(jìn)，由于彈 性機(jī)構(gòu)提供的預(yù)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(qū)動電機(jī) 繼續(xù)推進(jìn)，三個后定位支撐臂接觸到管道內(nèi)壁，最終完成測量機(jī)構(gòu)在被測管道內(nèi)的高精度 定位。
3)當(dāng)測量機(jī)構(gòu)完成定位后，掃描驅(qū)動電機(jī)動作，掃描驅(qū)動電機(jī)輸出齒輪副由三個 模數(shù)相同的齒輪組成，包括一個掃描機(jī)構(gòu)主動齒輪及兩個掃描機(jī)構(gòu)從動齒輪。其中掃描機(jī) 構(gòu)主動齒輪與掃描驅(qū)動電機(jī)相連，兩個掃描機(jī)構(gòu)從動齒輪安裝于前、后傳動軸的首端并同 時與掃描機(jī)構(gòu)主動齒輪嚙合，以傳遞掃描驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)動。傳動軸輸出齒輪副由傳動軸輸 出齒輪及滑套上的環(huán)齒組成，傳遞來自掃描驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)動進(jìn)而帶動激光位移傳感器進(jìn)行 圓周對稱掃描。測量支撐臂通過測量支撐臂固定滑套固定于機(jī)構(gòu)本體中心軸上并可繞本體 中心軸軸線對被測管道進(jìn)行圓周360°掃描，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處 理，可得到管道的內(nèi)徑、圓度誤差等參數(shù)。
4)當(dāng)測量機(jī)構(gòu)完成測量后，光學(xué)傾斜測角機(jī)構(gòu)的激光器開始工作，由位置敏感器 件PSD及透鏡組接收激光器發(fā)出的準(zhǔn)直光束，其與激光接收裝置軸線的夾角即可表征測量 機(jī)構(gòu)的在管道內(nèi)的傾斜。
5)當(dāng)測量機(jī)構(gòu)完成傾角測量后，定位驅(qū)動電機(jī)再次開始動作，其通過反轉(zhuǎn)使得精 密定位中心軸后退，從而三個后定位支撐臂先于前定位面脫離管道內(nèi)壁，定位驅(qū)動電機(jī)繼 續(xù)反轉(zhuǎn)，三個前定位支撐臂也將脫離管道內(nèi)壁，此時整個單次測量過程結(jié)束。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡單、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎、現(xiàn)場操作方便、測量效率 高、精度高、抗干擾能力強(qiáng)，且為非接觸測量，特別適合工業(yè)大尺寸多參數(shù)內(nèi)徑在線測量。


圖1為本發(fā)明測量機(jī)構(gòu)的組成示意圖。
圖2為本發(fā)明測量機(jī)構(gòu)高精度同軸自動定位機(jī)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明測量機(jī)構(gòu)傳感器自動掃描機(jī)構(gòu)的示意圖。
圖4為本發(fā)明測量機(jī)構(gòu)輔助導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的示意圖。
圖5為本發(fā)明測量機(jī)構(gòu)的光學(xué)傾斜測角機(jī)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細(xì)說明6
如圖所示，1-自動運(yùn)載機(jī)構(gòu)、2-高精度內(nèi)徑同軸自動定位機(jī)構(gòu)、3-傳感器自動掃 描機(jī)構(gòu)、4-輔助導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、5-系統(tǒng)測量裝置、6-系統(tǒng)控制裝置(控制機(jī)箱)、7_光學(xué)傾斜 測角機(jī)構(gòu)、8-機(jī)構(gòu)本體、9-運(yùn)載驅(qū)動電機(jī)、10-定位支撐臂、11-行走輪、12-輔助支撐臂、 13-輔助導(dǎo)向輪、14-前高精度定位圓錐體、15-后高精度定位圓錐體、16-精密定位中心軸、 17-定位支撐臂套、18-彈性機(jī)構(gòu)、19-精密絲杠、20-高精度定位滾輪、21-定位驅(qū)動電機(jī)、 22-激光位移傳感器、23-掃描驅(qū)動電機(jī)、24-掃描驅(qū)動電機(jī)輸出齒輪副、25-前側(cè)傳動軸、 26-后側(cè)傳動軸、27-傳動軸輸出齒輪副、28-測量支撐臂、29-測量支撐臂固定滑套、30-掃 描機(jī)構(gòu)主動齒輪及、31，32-掃描機(jī)構(gòu)從動齒輪、33-傳動軸輸出齒輪、34-彈簧、35-半導(dǎo)體 激光器、36-激光器固定裝置、37-位置敏感器件PSD、38-透鏡組、39-激光接收器固定裝置。
如圖1所示，本發(fā)明提供的實(shí)現(xiàn)高精度多參數(shù)內(nèi)徑自動測量機(jī)構(gòu)包括自動運(yùn)載 機(jī)構(gòu)1、高精度內(nèi)徑同軸自動定位機(jī)構(gòu)2、傳感器自動掃描機(jī)構(gòu)3、輔助導(dǎo)向機(jī)構(gòu)4、系統(tǒng)測量 裝置5、系統(tǒng)控制裝置(控制機(jī)箱)6、光學(xué)傾斜測角機(jī)構(gòu)7。
如圖1所示，所述的自動運(yùn)載機(jī)構(gòu)1是系統(tǒng)的載體，包括機(jī)構(gòu)本體8、運(yùn)載驅(qū)動電機(jī) 9、定位支撐臂10及行走輪11。機(jī)構(gòu)本體8為自動運(yùn)載機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)，起著固定、支撐其他功 能單元的作用，四個行走輪11分別裝在機(jī)構(gòu)本體底部的四個定位支撐臂10上，通過螺紋及 導(dǎo)向槽固定，并且可以根據(jù)待檢測管道內(nèi)徑的大小調(diào)整行走輪在定位支撐臂上的位置，以 適應(yīng)不同內(nèi)徑測量的應(yīng)用，后兩個行走輪為主動輪，運(yùn)載驅(qū)動電機(jī)9通過安裝螺釘固定在 后面兩個行走輪上，提供動力驅(qū)動機(jī)構(gòu)本體運(yùn)動，前兩個行走輪為從動輪，在軸向行走的過 程中為防止機(jī)構(gòu)傾倒與爬行，增加輔助導(dǎo)向機(jī)構(gòu)4，由本體的輔助支撐臂12上安裝的輔助 導(dǎo)向輪13接觸管道內(nèi)壁，參與從動。
如圖2所示，高精度內(nèi)徑同軸自動定位機(jī)構(gòu)2為測量機(jī)構(gòu)在測量過程中，提供高精 度的測量基準(zhǔn)及可靠穩(wěn)定的支撐，通過高精度內(nèi)徑同軸自動定位機(jī)構(gòu)的軸線復(fù)現(xiàn)管道內(nèi)壁 的加工基準(zhǔn)軸線，包括前、后兩個高精度定位圓錐體14，15，精密定位中心軸16，定位支撐 臂10，定位支撐臂套17、彈性機(jī)構(gòu)18、精密絲杠19、高精度定位滾輪20及定位驅(qū)動電機(jī)21。 其中前高精度定位圓錐體14套在精密定位中心軸16上，可在軸上滑動，通過彈性機(jī)構(gòu)18 與精密定位中心軸16中部的軸頸相連，后高精度定位圓錐體15固定于精密定位中心軸16 上，前、后兩個定位面的六個定位支撐臂10位于定位支撐臂套17內(nèi)并通過高精度定位滾輪 20與前、后高精度定位圓錐體14，15連接，定位驅(qū)動電機(jī)21通過精密絲杠19驅(qū)動測量機(jī)構(gòu) 定位，當(dāng)測量機(jī)構(gòu)行走到位后，定位驅(qū)動電機(jī)動作，推動精密定位中心軸16前進(jìn)，由于彈性 機(jī)構(gòu)18提供的預(yù)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(qū)動電機(jī) 繼續(xù)推進(jìn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三個后定位支撐臂接觸管道內(nèi)壁，最終完成定位。
如圖3所示，傳感器自動掃描機(jī)構(gòu)3是帶動兩個激光位移傳感器23進(jìn)行同步圓周 180°對稱掃描的核心部件，包括掃描驅(qū)動電機(jī)23、掃描驅(qū)動電機(jī)輸出齒輪副24、前側(cè)傳動 軸25、后側(cè)傳動軸沈、傳動軸輸出齒輪副27、測量支撐臂觀及測量支撐臂固定滑套四。其 中測量支撐臂觀通過測量支撐臂固定滑套四固定于機(jī)構(gòu)本體8上并可繞本體中心軸軸線 圓周轉(zhuǎn)動，掃描驅(qū)動電機(jī)輸出齒輪副M由三個模數(shù)相同的齒輪組成，包括一個掃描機(jī)構(gòu)主 動齒輪30及兩個掃描機(jī)構(gòu)從動齒輪31，32，掃描機(jī)構(gòu)主動齒輪30與掃描驅(qū)動電機(jī)23相連， 兩個掃描機(jī)構(gòu)從動齒輪31，32安裝于前、后傳動軸25，26的首端并同時與掃描機(jī)構(gòu)主動齒 輪30嚙合，以傳遞掃描驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)動，傳動軸輸出齒輪副27由傳動軸輸出齒輪33及滑套上的環(huán)齒組成，傳遞來自掃描驅(qū)動電機(jī)23的運(yùn)動進(jìn)而帶動激光位移傳感器進(jìn)行同步圓 周對稱掃描。
如圖4所示，輔助導(dǎo)向機(jī)構(gòu)4可以為自動運(yùn)載機(jī)構(gòu)1的行走提供輔助導(dǎo)向，該機(jī)構(gòu) 由輔助導(dǎo)向輪13、輔助支撐臂12，彈簧34等組成，其中輔助支撐臂12固定于機(jī)構(gòu)本體8上， 輔助導(dǎo)向輪13在彈簧34彈力的作用下保持與管道內(nèi)壁接觸，防止機(jī)構(gòu)傾倒與爬行。
如圖5所示，所述的光學(xué)傾斜測角機(jī)構(gòu)7為剔除因機(jī)構(gòu)傾斜而造成的誤差提供了 依據(jù)，該機(jī)構(gòu)由激光發(fā)射裝置與激光束接收裝置組成，其中激光發(fā)射裝置由半導(dǎo)體激光器 35、激光器固定裝置36組成，激光接收裝置由位置敏感器件PSD37、透鏡組38以及激光接 收器固定裝置39組成，半導(dǎo)體激光器35通過激光器固定裝置36固定于測量機(jī)構(gòu)本體8的 前端面中心，以激光器發(fā)出的準(zhǔn)直光束表征機(jī)構(gòu)測量臂旋轉(zhuǎn)掃描的軸線，位置敏感器件PSD 37及透鏡組38由激光接收器固定裝置39固定于管道外側(cè)端面，通過激光器發(fā)出的準(zhǔn)直光 束與激光接收裝置軸線的夾角表征測量機(jī)構(gòu)的在管道內(nèi)的傾斜。
在測量之前首先調(diào)整四個行走輪11的徑向伸縮量，保證其穩(wěn)定接觸管壁，然后將 測量機(jī)構(gòu)放入被測管道，同時調(diào)整輔助導(dǎo)向輪，使之接觸內(nèi)壁。待機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整完畢后打開 電源，待激光位移傳感器預(yù)熱完成以后，測量機(jī)構(gòu)本體在微控制器的控制下驅(qū)動自動運(yùn)載 機(jī)構(gòu)，帶動測量裝置沿軸向行走，直至系統(tǒng)運(yùn)動到目標(biāo)截面。
裝置行走到位后，自動運(yùn)載機(jī)構(gòu)停止工作，微控制器控制定位驅(qū)動電機(jī)動作，推動 精密定位中心軸16前進(jìn)，定位支撐臂10在精密定位中心軸16的帶動下徑向向外伸出。由 于彈性機(jī)構(gòu)18提供的預(yù)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(qū) 動電機(jī)繼續(xù)推進(jìn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三個后定位支撐臂接觸管道內(nèi)壁，支撐起測試機(jī)構(gòu)本體，頂緊管 道內(nèi)壁，完成定位。
定位完成后，掃描驅(qū)動電機(jī)帶動掃描驅(qū)動電機(jī)輸出齒輪副運(yùn)動，該運(yùn)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(zhuǎn) 動。其中測量支撐臂觀通過測量支撐臂固定滑套四固定于機(jī)構(gòu)本體8上并可繞本體中心 軸軸線圓周轉(zhuǎn)動，掃描驅(qū)動電機(jī)輸出齒輪副M由三個模數(shù)相同的齒輪組成，包括一個掃描 機(jī)構(gòu)主動齒輪及30兩個掃描機(jī)構(gòu)從動齒輪31，32，掃描機(jī)構(gòu)主動齒輪30與掃描驅(qū)動電機(jī) M相連，兩個掃描機(jī)構(gòu)從動齒輪31，32安裝于前、后傳動軸25，26的首端并同時與掃描機(jī) 構(gòu)主動齒輪30嚙合，以傳遞掃描驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)動，傳動軸輸出齒輪副27由傳動軸輸出齒輪 33及滑套上的環(huán)齒組成，傳遞來自掃描驅(qū)動電機(jī)23的運(yùn)動進(jìn)而帶動傳感器進(jìn)行圓周對稱 掃描，得到內(nèi)徑尺寸參數(shù)。在測量的過程中，光學(xué)傾斜測角系統(tǒng)測出的傾斜角度值將用于后 續(xù)的誤差剔除及修正。
測量動作完成后，定位支撐臂在定位驅(qū)動電機(jī)的帶動下徑向回收，機(jī)構(gòu)重新又自 動運(yùn)載機(jī)構(gòu)支撐，運(yùn)載驅(qū)動電機(jī)控制行走輪轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動測量機(jī)構(gòu)本體前往下一個檢測 截面。
應(yīng)用實(shí)施例
如圖1所示，將測量機(jī)構(gòu)置于內(nèi)徑582mm的環(huán)規(guī)中，打開測量機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的電 源，激光位移傳感器工作在最佳距離30mm。由兩個運(yùn)載驅(qū)動電機(jī)帶動測量機(jī)構(gòu)在環(huán)規(guī)中 行走到待測位置后，定位驅(qū)動電機(jī)正轉(zhuǎn)直至測量機(jī)構(gòu)在環(huán)規(guī)中精密定位，此時掃描驅(qū)動電 機(jī)工作，其帶動前、后兩個激光位移傳感器對兩個不同截面進(jìn)行同步圓周測量，用最小二乘法原理求解出環(huán)規(guī)內(nèi)徑，其測量結(jié)果為581. 9953mm，再用最小區(qū)域法求解出圓度誤差為 0. 033mm，滿足測量系統(tǒng)精度要求。
權(quán)利要求
1.一種實(shí)現(xiàn)高精度多參數(shù)內(nèi)徑自動測量系統(tǒng)，其特征在于它包括自動運(yùn)載機(jī)構(gòu)、高 精度內(nèi)徑同軸自動定位機(jī)構(gòu)、傳感器自動掃描機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)測量裝置、系統(tǒng)控制裝置與光學(xué)傾 斜測角機(jī)構(gòu)。
2.按照權(quán)利要求1所述的內(nèi)徑自動測量機(jī)構(gòu)，其特征在于所述的自動運(yùn)載機(jī)構(gòu)包括機(jī) 構(gòu)本體、運(yùn)載驅(qū)動電機(jī)、定位支撐臂及行走輪；機(jī)構(gòu)本體為自動運(yùn)載機(jī)構(gòu)起著固定、支撐其 他功能單元的作用，四個行走輪分別裝在機(jī)構(gòu)本體底部的四個定位支撐臂上，通過螺紋及 導(dǎo)向槽固定，行走輪在定位支撐臂上的位置可調(diào)，其中后兩個行走輪為主動輪，由運(yùn)載驅(qū)動 電機(jī)提供動力驅(qū)動機(jī)構(gòu)本體運(yùn)動；前兩個行走輪為從動輪。
3.按照權(quán)利要求1所述的內(nèi)徑自動測量機(jī)構(gòu)，其特征在于所述的輔助導(dǎo)向機(jī)構(gòu)包括輔 助導(dǎo)向輪、輔助支撐臂及彈簧。輔助支撐臂固定于機(jī)構(gòu)本體中心軸，輔助導(dǎo)向輪在彈簧彈力 的作用下保持與測量管道內(nèi)壁接觸，防止機(jī)構(gòu)傾倒與爬行。
4.按照權(quán)利要求1所述的內(nèi)徑自動測量機(jī)構(gòu)，其特征在于所述的高精度內(nèi)徑同軸自動 定位機(jī)構(gòu)包括前、后兩個高精度定位圓錐體，精密定位中心軸，前、后定位支撐臂，定位支撐 臂套，彈性機(jī)構(gòu)、精密絲杠、高精度定位滾輪及定位驅(qū)動電機(jī)；前高精度定位圓錐體套在精 密定位中心軸上，可在軸上滑動，通過彈性機(jī)構(gòu)與精密定位中心軸中部的軸頸相連；后定位 圓錐體固定于精密定位中心軸上，前、后兩個定位面的六個定位支撐臂位于定位支撐臂套 內(nèi)并通過高精度定位滾輪與前、后高精度定位圓錐體連接；定位驅(qū)動電機(jī)通過精密絲杠驅(qū) 動機(jī)構(gòu)定位。
5.按照權(quán)利要求1所述的內(nèi)徑自動測量機(jī)構(gòu)，其特征在于所述的傳感器自動掃描機(jī)構(gòu) 包括掃描驅(qū)動電機(jī)、掃描驅(qū)動電機(jī)輸出齒輪副、前側(cè)傳動軸、后側(cè)傳動軸、傳動軸輸出齒輪 副、測量支撐臂及測量支撐臂固定滑套；測量支撐臂通過測量支撐臂固定滑套固定于機(jī)構(gòu) 本體中心軸上并可繞本體中心軸軸線圓周轉(zhuǎn)動；掃描驅(qū)動電機(jī)輸出齒輪副由三個模數(shù)相同 的齒輪組成，包括一個掃描機(jī)構(gòu)主動齒輪及兩個掃描機(jī)構(gòu)從動齒輪，其中掃描機(jī)構(gòu)主動齒 輪與掃描驅(qū)動電機(jī)相連，兩個掃描機(jī)構(gòu)從動齒輪安裝于前、后傳動軸的首端并同時與掃描 機(jī)構(gòu)主動齒輪嚙合，以傳遞掃描驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)動，傳動軸輸出齒輪副由傳動軸輸出齒輪及 滑套上的環(huán)齒組成，傳遞來自掃描驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)動進(jìn)而帶動傳感器進(jìn)行圓周對稱掃描。
6.按照權(quán)利要求1所述的內(nèi)徑自動測量機(jī)構(gòu)，其特征在于所述的系統(tǒng)測量裝置包括 兩個激光位移傳感器和一個激光位移傳感器控制器，激光位移傳感器通過安裝螺栓固定在 測量支臂頂部的固定板上，激光位移傳感器控制器則裝于控制機(jī)箱內(nèi)與系統(tǒng)的微控制器相 連。
7.按照權(quán)利要求1所述的內(nèi)徑自動測量機(jī)構(gòu)，其特征在于所述的系統(tǒng)控制裝置包括 兩個運(yùn)載驅(qū)動電機(jī)、一個掃描驅(qū)動電機(jī)、一個定位驅(qū)動電機(jī)、便攜式電源、在線測量控制模 塊，其中兩個運(yùn)載驅(qū)動電機(jī)通過安裝螺釘固定在后面兩個行走輪上，負(fù)責(zé)驅(qū)動機(jī)構(gòu)本體在 軸向行進(jìn)；定位驅(qū)動電機(jī)與精密絲杠相連，推動精密定位中心軸運(yùn)動實(shí)現(xiàn)雙截面先后定位； 掃描驅(qū)動電機(jī)與掃描機(jī)構(gòu)主動齒輪相連，通過掃描機(jī)構(gòu)從動齒輪傳遞掃描驅(qū)動電機(jī)的運(yùn) 動，帶動兩個激光位移傳感器實(shí)現(xiàn)同步對稱測量；便攜式電源固定在控制機(jī)箱內(nèi)部，采用鋰 電池組合技術(shù)和高精度穩(wěn)壓技術(shù)為在線測量控制模塊、電機(jī)以及傳感器提供持續(xù)及穩(wěn)定的 能量；在線測量控制模塊固定在控制機(jī)箱內(nèi)部，負(fù)責(zé)控制并協(xié)調(diào)運(yùn)載電機(jī)、定位驅(qū)動電機(jī)及 掃描驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)行，并同時控制激光位移傳感器測量數(shù)據(jù)的采集與后續(xù)處理。
8.按照權(quán)利要求1所述的內(nèi)徑自動測量機(jī)構(gòu)，其特征在于所述的光學(xué)傾斜測角機(jī)構(gòu)包 括激光發(fā)射裝置、激光束接收裝置，其中激光發(fā)射裝置由半導(dǎo)體激光器、激光器固定裝置組 成，激光接收裝置由位置敏感器件PSD、透鏡組以及激光接收器固定裝置組成，半導(dǎo)體激光 器通過激光器固定裝置固定于測量機(jī)構(gòu)中心軸的前端面中心，以激光器發(fā)出的準(zhǔn)直光束表 征機(jī)構(gòu)測量臂旋轉(zhuǎn)掃描的軸線，位置敏感器件PSD及透鏡組由激光接收器固定裝置固定于 管道外側(cè)端面，通過激光器發(fā)出的準(zhǔn)直光束與激光接收裝置軸線的夾角表征測量機(jī)構(gòu)的在 管道內(nèi)的傾斜。
9.一種內(nèi)徑自動測量系統(tǒng)的測量方法，其特征在于包括以下步驟1)測量開始后，運(yùn)載驅(qū)動電機(jī)開始工作，其帶動行走輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使得測量機(jī)構(gòu)在被測 管道內(nèi)前進(jìn)和后退；2)當(dāng)測量機(jī)構(gòu)行走到位后，定位驅(qū)動電機(jī)動作，推動精密定位中心軸前進(jìn)，使得前定位 支撐臂先于后定位面接觸管道內(nèi)壁，定位驅(qū)動電機(jī)繼續(xù)推進(jìn)，后定位支撐臂接觸到管道內(nèi) 壁，最終完成測量機(jī)構(gòu)在被測管道內(nèi)的高精度定位；3)當(dāng)測量機(jī)構(gòu)完成定位后，掃描驅(qū)動電機(jī)動作，帶動激光位移傳感器進(jìn)行圓周對稱掃 描，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可得到管道的內(nèi)徑、圓度誤差參數(shù)；4)當(dāng)測量機(jī)構(gòu)完成測量后，光學(xué)傾斜測角機(jī)構(gòu)的激光器開始工作，由位置敏感器件 PSD及透鏡組接收激光器發(fā)出的準(zhǔn)直光束，其與激光接收裝置軸線的夾角即可表征測量機(jī) 構(gòu)的在管道內(nèi)的傾斜；5)當(dāng)測量機(jī)構(gòu)完成傾角測量后，定位驅(qū)動電機(jī)再次開始動作，其通過反轉(zhuǎn)使得前、后定 位支撐臂全部脫離管道內(nèi)壁，此時整個單次測量過程結(jié)束。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)高精度多參數(shù)內(nèi)徑自動測量機(jī)構(gòu)和方法。由自動運(yùn)載機(jī)構(gòu)、高精度內(nèi)徑同軸自動定位機(jī)構(gòu)、傳感器自動掃描機(jī)構(gòu)、輔助導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)測量裝置、系統(tǒng)控制裝置、光學(xué)傾斜測角機(jī)構(gòu)組成。自動定位機(jī)構(gòu)為測量機(jī)構(gòu)提供高精度的測量基準(zhǔn)及穩(wěn)定支撐，通過內(nèi)徑同軸自動定位機(jī)構(gòu)的軸線復(fù)現(xiàn)內(nèi)徑加工基準(zhǔn)軸線。輔助導(dǎo)向機(jī)構(gòu)為自動運(yùn)載機(jī)構(gòu)的行走提供輔助導(dǎo)向并防止機(jī)構(gòu)傾倒與爬行。光學(xué)傾斜測角機(jī)構(gòu)為剔除因機(jī)構(gòu)傾斜而造成的誤差提供了依據(jù)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對大型軸孔的直徑，圓柱度、圓度、錐度等參數(shù)的自動測量，測量范圍在500-1000毫米，測量分辨力達(dá)5微米。設(shè)計(jì)新穎、精度高、使用范圍廣、效率高。
文檔編號G01B11/12GK102042811SQ20101056041
公開日2011年5月4日 申請日期2010年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月25日
發(fā)明者孫春生, 張福民, 曲興華, 楊福林, 王寶光, 趙士磊, 趙陽, 邢書劍, 門大春 申請人:天津大學(xué)