一種高精度非接觸工件內徑測量裝置和方法
【專利摘要】一種高精度非接觸工件內徑測量裝置和方法，所述裝置包括固定支架、第一測量桿、第一驅動機構、第一激光測距傳感器和反射鏡，固定支架設置有滑動軌道，第一測量桿的上部連接有滑塊，滑塊與所述滑動軌道連接，第一驅動機構驅動滑塊沿滑動軌道移動，使得第一測量桿的底部能夠進入被測工件的內膛；第一測量桿設置第一激光測距傳感器，第一測量桿的底部設置反射鏡，第一激光測距傳感器能夠發(fā)出測量激光，反射鏡能夠將測量激光反射到被測工件內壁，并將經過漫反射的測量激光反射到第一激光測距傳感器，第一激光測距傳感器根據接受到的光線信息得到被測工件內壁的測量結果。本發(fā)明為非接觸檢測，避免了因接觸而引起的物體變形、干擾、工作中斷等不利影響。
【專利說明】一種高精度非接觸工件內徑測量裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及激光精密測量【技術領域】，尤其涉及一種高精度非接觸工件內徑測量裝置和方法。
【背景技術】
[0002]大型工件檢測技術是關系工件生產質量的重大關鍵性技術，隨著研制與生產效率的提高，對檢測的精度和效率提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)的大型工件尺寸檢測采用手工測量方法，即將卡尺卡在工件尺寸需要檢測的位置，通過人工讀數來判斷工件尺寸是否合格。這種手工測量方法，不僅費時費力，并且精度不高，滿足不了現代生產自動化的需要。
[0003]目前，激光傳感技術被廣泛應用于精密測量，其核心是采用激光測距傳感器，即利用光電技術對距離進行非接觸精確測量的一種新型傳感器。但是，對于小口徑大內膛的工件，由于口徑非常小，導致激光測距傳感器無法放入內膛，進而無法對工件內膛的尺寸進行精確測量。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術問題是，提供一種高精度非接觸工件內徑測量裝置和方法，能夠對小口徑大內膛工件的內膛尺寸進行精確測量。
[0005]采用的技術方案是:
一種高精度非接觸工件內徑測量裝置，包括固定支架、第一測量桿、第二測量桿、第一驅動機構、第二驅動機構、第一激光測距傳感器、第二激光測距傳感器、第三激光測距傳感器、旋轉架和反射鏡。所述的固定支架設置有滑動軌道，第一測量桿置于旋轉架中，旋轉架的外壁固定連接有滑塊，滑塊與固定支架所設滑動軌道連接，所述第一驅動機構驅動滑塊沿滑動軌道上下移動，使得所述第一測量桿的底部能夠通過被測工件的口部進出所述被測工件的內膛。所述第二驅動機構連接在第一測量桿的頂部，第二驅動機構驅動第一測量桿在旋轉架中旋轉。所述第一測量桿固定設置第一激光測距傳感器，并且第一激光測距傳感器位于滑塊的下方，第一測量桿的底部固定設置所述反射鏡，第一激光測距傳感器能夠發(fā)出測量激光，反射鏡能夠將測量激光反射到被測工件內壁，再將經過漫反射的測量激光反射到第一激光測距傳感器，第一激光測距傳感器根據接受到的光線信息得到被測工件內壁的測量結果。
[0006]上述的第一測量桿的底部設置有托架，托架的上表面與第一測量桿的軸線之間的夾角呈45°角，托架的上表面固定設置反射鏡，以使反射鏡的鏡面與第一測量桿的軸線之間的夾角呈45°角，使得第一激光測距傳感器發(fā)出的測量激光與第一測量桿的軸線平行。
[0007]上述的反射鏡的鏡面的面積為I平方厘米。
[0008]上述的第一測量桿的橫切面呈為圓弧型。
[0009]上述的滑塊上面設置有吊環(huán)，吊環(huán)通過鉸鏈與配重機構連接，滑塊位于固定支架的第一側面，配重機構位于固定支架的第二側面，第一側面和第二側面的位置相對。[0010]上述的第二激光測距傳感器設置在第一測量桿上，第二激光測距傳感器位于第一激光測距傳感器和反射鏡之間，第二激光測距傳感器用于測量反射鏡與被測工件底部的距離。
[0011]上述的第三激光測距傳感器設置在第二測量桿上，第二測量桿的頂部與第一測量桿連接，第二測量桿的軸線與第一測量桿的軸線呈一定角度，第二測量桿的底部與第二測量桿的水平距離大于第一閾值，第三激光測距傳感器用于對所述被測工件的外壁進行測量。
[0012]本發(fā)明提供了一種高精度非接觸工件內徑測量方法，應用于上述裝置，所述方法包括下列步驟:
步驟一，控制第一測量桿按預設的速度下降，進入被測工件的內部；
步驟二，當下降到指定的位置時，停止下降；
步驟三，控制第一激光測距傳感器發(fā)出測量激光，以使第一激光測距傳感器根據反射鏡反饋的光線信息得到被測工件內壁的測量結果。
[0013]上述的步驟二在下降到指定的位置時，控制第一測量桿旋轉；
上述的步驟三在至少三個預設的角度，獲取測量結果，根據獲取的測量結果采用三點測量法得到校正測量結果。
[0014]本發(fā)明采用光電技術對距離進行非接觸測量的一種新型傳感器，它以其高方向性、高亮度、高單色性等眾多優(yōu)點而成為激光最廣泛的應用之一，具有測量速度快、精度高、抗干擾能力強、測量點小、適用范圍廣等優(yōu)點，并越來越受到國內外的重視。非接觸檢測可以克服接觸式檢測的不足，對于各種測量目標都可以進行高靈敏度、高精度、高效率的數據采集，從而實現對被測物各種參數的非接觸檢測。檢測時并不與工件直接接觸，避免了因接觸而引起的物體變形、干擾、工作中斷等不利影響。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明提供的工件測量裝置的結構示意圖。
[0016]圖2是本發(fā)明提供的工件測量方法的原理示意圖。
[0017]圖3是本發(fā)明提供的工件測量裝置第一測量桿的橫向剖面圖。
【具體實施方式】
[0018]一種高精度非接觸工件內徑測量裝置，包括固定支架1、第一測量桿2、第二測量桿14、第一驅動機構3、第二驅動機構8、第一激光測距傳感器4、第二激光測距傳感器13、第三激光測距傳感器15、旋轉架7和反射鏡5。所述的固定支架I設置有滑動軌道，第一測量桿2的橫切面呈為圓弧型，第一測量桿2置于旋轉架7中，旋轉架7的外壁固定連接有滑塊6，滑塊6與固定支架I所設滑動軌道連接，滑塊6上面設置有吊環(huán)10，吊環(huán)10通過鉸鏈11與配重機構12連接，滑塊6位于固定支架I的第一側面，配重機構12位于固定支架I的第二側面，第一側面和第二側面的位置相對。所述第一驅動機構3，驅動滑塊6沿滑動軌道上下移動，使得所述第一測量桿2的底部能夠通過被測工件16的口部進出所述被測工件的內膛。所述第二驅動機構8連接在第一測量桿2的頂部，第二驅動機構8驅動第一測量桿2在旋轉架7中旋轉。所述第一測量桿2固定設置第一激光測距傳感器4，并且第一激光測距傳感器4位于滑塊6的下方，第一測量桿2的底部設置有托架9，托架9的上表面與第一測量桿2的軸線之間的夾角呈45°角，托架9的上表面固定設置面積為I平方厘米的反射鏡5，以使反射鏡5的鏡面與第一測量桿2的軸線之間的夾角呈45°角，使得第一激光測距傳感器發(fā)出的測量激光與第一測量桿的軸線平行。第一激光測距傳感器4能夠發(fā)出測量激光，反射鏡5能夠將測量激光反射到被測工件16內壁，再將經過漫反射的測量激光反射到第一激光測距傳感器，第一激光測距傳感器4根據接受到的光線信息得到被測工件16內壁的測量結果。所述第二激光測距傳感器13設置在第一測量桿2上，第二激光測距傳感器13位于第一激光測距傳感器4和反射鏡5之間，第二激光測距傳感器13用于測量反射鏡5與被測工件16底部的距離。所述第三激光測距傳感器15設置在第二測量桿14上，第二測量桿14的頂部與第一測量桿2連接，第二測量桿14的軸線與第一測量桿2的軸線呈一定角度，第二測量桿14的底部與第二測量桿2的水平距離大于第一閾值，第三激光測距傳感器15用于對所述被測工件16的外壁進行測量，達到非接觸工件內徑及外徑的測量。
[0019]本發(fā)明提供了一種高精度非接觸工件內徑測量方法，應用于上述裝置，所述方法包括下列步驟:
步驟一，控制第一測量桿按預設的速度下降，進入被測工件的內部；
步驟二，當下降到指定的位置時，停止下降，在下降到指定的位置時，控制第一測量桿旋轉；
步驟三，控制第一激光測距傳感器發(fā)出測量激光，以使第一激光測距傳感器根據反射鏡反饋的光線信息得到被測工件內壁的測量結果，在至少三個預設的角度，獲取測量結果，根據獲取的測量結果采用三點測量法得到校正測量結果。
[0020]測量過程中系統(tǒng)定位采用工件口部作為基準定位，由第三激光測距傳感器15以工件口部定位，首先根據工件高度值進行粗定位，傳感器以I毫米步進下降，當第三激光測距傳感器15測到數值時已經越過工件口部位置，再以0.1毫米步進返回，完成精確定位。第一測量桿2帶動第一激光測距傳感器4進行分步測量，旋轉280度角進行三組采樣，為了提高測試速度，第一激光測距傳感器4開始移動速度較快，但是速度不穩(wěn)定，在第一激光測距傳感器4開始加速到勻速的20度角范圍內不予采樣，進入勻速區(qū)時進行多組數據采樣，在3度角范圍內采樣100次后求平均，第一激光測距傳感器4在開始運動的20度加速區(qū)和結束運動的20度減速區(qū)內不予采樣。為了提高測量速度和效率，第一激光測距傳感器4所用的采樣頻率、移動速度及上位機的通信速率之間的合適關系是數據穩(wěn)定的關鍵。在3度角范圍內連續(xù)采樣100次，傳感器的移動速度快，對應傳感器的采樣頻率也高，這樣才能滿足在3度角范圍內采樣100次；若傳感器的移動速度慢，對應傳感器的采樣頻率低，如果這時采樣頻率太高，由于上位機的通信速率的限制，不能將全部數據返回到工控機，出現數據不夠穩(wěn)定的現象。因此，傳感器的移動速度、采樣頻率、上位機的通信速率之間要相匹配。
[0021]采用上述結構的裝置，第一激光測距傳感器4按順序上下移動或轉動測量后，通過質量分析測量軟件直接測定工件內徑并判斷是否合格。本方法的核心是巧妙的利用三點法原理和反射鏡相結合來實現工件內部尺寸測量。由于這種小口徑大內膛工件受到小口徑的限制，高精度的傳感器不能直接深入到內部進行直接測量；利用這種設計方法解決了口徑小的瓶頸，解決了同類產品測量內膛直徑的問題，滿足實際工業(yè)生產中的需要，相比以往的測量方法，提高了測量精度，可用于批量工件尺寸的精確測量。具體的三點法原理如下:如圖2所示，外圓是工件的內膛示意圖，內圓是反射鏡的運行軌跡，A、B、C三點分別為第一激光測距傳感器4發(fā)射激光達到反射鏡的位置，它們之間的關系是三等分內圓，相當于第一激光測距傳感器4每相隔120°采樣一組。AD，BE, CF可以通過第一激光測距傳感器4測量得到，由于內圓的運行軌跡已知，O點是測量芯軸的中心，所以AO，BO, CO也可知，從而算出 E0，F0, DO, ZEOF= ZDOF= ZBOE= 12CP。
[0022]在_!^中，EO和FO已知，它們之間的夾角為120°。根據余弦定理可求出EF的長度。即，JFa = JCP-1-JOa-2xJOxJOxcos^aiW ο 同理，可得 DF, DE。在 AfiHF 中，
ZfiOF可通過余弦定理得出。在外接圓EDF中，根據正弦定理，即可算出工件內徑。SP，
【權利要求】
1.一種高精度非接觸工件內徑測量裝置，包括固定支架(1)、第一測量桿(2)、第二測量桿(14)、第一驅動機構(3)、第二驅動機構(8)、第一激光測距傳感器(4)、第二激光測距傳感器(13)、第三激光測距傳感器(15)、旋轉架(7)、和反射鏡(5)，其特征在于所述的固定支架(1)設置有滑動軌道，第一測量桿(2)置于旋轉架(7)中，旋轉架(7)的外壁固定連接有滑塊(6)，滑塊(6)與固定支架(1)所設滑動軌道連接，所述第一驅動機構(3)驅動滑塊(6)沿滑動軌道上下移動，使得所述第一測量桿(2)的底部能夠通過被測工件(16)的口部進出所述被測工件的內膛；所述第二驅動機構(8)連接在第一測量桿(2)的頂部，第二驅動機構(8)驅動第一測量桿(2)在旋轉架(7)中旋轉；所述第一測量桿(2)固定設置第一激光測距傳感器(4)，并且第一激光測距傳感器(4)位于滑塊(6)的下方，第一測量桿(2)的底部固定設置所述反射鏡(5)，第一激光測距傳感器(4)能夠發(fā)出測量激光，反射鏡(5)能夠將測量激光反射到被測工件(16)內壁，再將經過漫反射的測量激光反射到第一激光測距傳感器，第一激光測距傳感器根據接受到的光線信息得到被測工件內壁的測量結果。
2.根據權利要求1所述的一種高精度非接觸工件內徑測量裝置，其特征在于所述的第一測量桿(2)的底部設置有托架(9)，托架(9)的上表面與第一測量桿(2)的軸線之間的夾角呈45°角，托架(9)的上表面固定設置反射鏡(5)，以使反射鏡(5)的鏡面與第一測量桿(2)的軸線之間的夾角呈45°角，使得第一激光測距傳感器發(fā)出的測量激光與第一測量桿的軸線平行。
3.根據權利要求1所述的一種高精度非接觸工件內徑測量裝置，其特征在于所述的反射鏡(5)的鏡面的面積為I平方厘米。
4.根據權利要求1所述的一種高精度非接觸工件內徑測量裝置，其特征在于所述的第一測量桿(2)的橫切面呈為圓弧型。
5.根據權利要求1所述的一種高精度非接觸工件內徑測量裝置，其特征在于所述的滑塊(6)上面設置有吊環(huán)(10)，吊環(huán)(10)通過鉸鏈(11)與配重機構(12)連接，滑塊(6)位于固定支架(1)的第一側面，配重機構(12)位于固定支架(1)的第二側面，第一側面和第二側面的位置相對。
6.根據權利要求1所述的一種高精度非接觸工件內徑測量裝置，其特征在于所述的第二激光測距傳感器(13 )設置在第一測量桿(2 )上，第二激光測距傳感器(13 )位于第一激光測距傳感器(4)和反射鏡(5)之間，第二激光測距傳感器(13)用于測量反射鏡(5)與被測工件(16)底部的距離。
7.根據權利要求1所述的一種高精度非接觸工件內徑測量裝置，其特征在于所述的第三激光測距傳感器設置在第二測量桿上，第二測量桿的頂部與第一測量桿連接，第二測量桿的軸線與第一測量桿的軸線呈一定角度，第二測量桿的底部與第二測量桿的水平距離大于第一閾值，第三激光測距傳感器用于對所述被測工件的外壁進行測量。
8.一種高精度非接觸工件內徑測量方法，其特征在于包括下列步驟: 步驟一，控制第一測量桿按預設的速度下降，進入被測工件的內部； 步驟二，當下降到指定的位置時，停止下降； 步驟三，控制第 一激光測距傳感器發(fā)出測量激光，以使第一激光測距傳感器根據反射鏡反饋的光線信息得到被測工件內壁的測量結果。
9.根據權利要求8所述的一種高精度非接觸工件內徑測量方法，其特征在于所述的步驟二在下降到指定的位置時，控制第一測量桿旋轉。
10.根據權利要求8所述的一種高精度非接觸工件內徑測量方法，其特征在于所述的上步驟三在至少三個預設的角度，獲取測量結果，根據獲取的測量結果采用三點測量法得到校正測量 結果。
【文檔編號】G01B11/12GK103968768SQ201410139277
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月8日 優(yōu)先權日:2014年4月8日
【發(fā)明者】姜月秋, 劉曉云, 梁志宏, 高宏偉 申請人:沈陽理工大學