一种多点激光内径测量仪及其测量计算方法与流程

本发明涉及内径测量领域，具体涉及一种多点激光内径测量仪及其测量计算方法。

背景技术：

传统的内径检测采用通规止规，无法量化测量数值；内径测量采用的游标卡尺或内径千分尺也仅限于孔口内径测量；对于内径百分表或千分表的接触式测量，需要先轴向摇晃测量找到轴向最小值，再圆周方向晃动找到径向最大值，测量过程繁琐，测量值因个人经验而测量值不唯一；另一方面，这些都为接触式测量，接触式测量过程中容易对高精度加工工件表面造成划痕，从而损伤工件。

长期以来，内径是孔测量中的一项重要测量参数，国内外学者对内径测量进行了大量的研究。目前，对中小尺寸的内径测量技术日趋完善，但是大尺寸的内径测量，特别是大型工件内外径的测量技术发展却毫无进展。许多大型加工现场的大尺寸内径测量工作仍采用大型内径千分尺等接触式测量方法。这种方法测量效率低、测量参数少、测量可重复性差、稳定性不高，易受环境和操作人员的影响。多普勒效应法、激光干涉仪、激光杠杆法等非接触式测量的精度很高，但由于现场环境原因，不适合大型工件的现场测量。而且上述方法都不适宜进行纵深测量。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种多点激光内径测量仪及其测量计算方法，本发明采用高精度激光测量，测量精度高，且不直接接触，测量过程对工件无损伤。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种多点激光内径测量，包括手柄、主控盒、连接杆、旋杆、球状测头，其特征在于：所述的手柄一端与主控盒连接，另一端与连接杆连接；所述的连接杆与旋杆通过螺纹连接；所述的球状测头为上底面为平面，下部为球状；所述的球状测头上底面设有连接孔；所述的连接孔贯穿球状测头，所述的球状测头通过螺钉穿过连接孔固定于旋杆顶端；所述的球状测头上还设有激光测距仪；所述的激光测距仪位于球状测头侧面上，所述的激光测距仪数量为4个；四个激光测距仪共球状测头最大球平面；所述的四个激光测距仪呈正方形顶点位置分布；所述的手柄内设有电源；所述的主控盒内设有控制芯片；所述的控制芯片与激光测距仪连接；所述的控制芯片控制激光测距仪记录测量值并计算。

进一步的，所述手柄一面设有控制键；所述的控制键与控制芯片连接。

进一步的，所述的主控盒设有显示屏；所述的显示屏与控制芯片连接。

进一步的，所述的控制芯片内设有存储器，所述的存储器存储所述的内径值；所述的显示屏显示存储器中的内径值。

进一步的，所述的激光测距仪分为激光发射器与激光接收器。

进一步的，所述的一种多点激光内径测量仪及其测量计算方法还包括辅助支座，所述的辅助支座夹持手柄。

一种多点内径测量计算方法，其特征在于：在测量截面上分布有四个测距器，所述的四个测距器呈正方形顶点分布，各顶点至正方形的中心距离值为r；在一次测量被测物的内径过程中，旋转测量截面，四个测距器连续测量得到被测物n组值分别为{L1_i、L2_i、L3_i、L4_i}_{i＝1，2……n}；所述的被测物在本次测量中得到的内径值所述的R′₁₂₃、R′₁₂₄、R′₁₃₄、R′₂₃₄为{L1_i、L2_i、L3_i、L4_i}_{i＝1，2……n}的轮换因式，其中R′₁₂₃＝min{(√((L1_i+r)^2+(L2_i+r)^2)√((L1_i+r)^2+(L3_i+r)^2)((L2_i+r)+(L3_i+r)))/√((√((L1_i+r)^2+(L2_i+r)^2)+√((L1_i+r)^2+(L3_i+r)^2)+(L2_i+r)+(L3_i+r))(√((L1_i+r)^2+(L2_i+r)^2)+√((L1_i+r)^2+(L3_i+r)^2)-((L2_i+r)+(L3_i+r)))(√((L1_i+r)^2+(L2_i+r)^2)+(L2_i+r)+(L3_i+r)-√((L1_i+r)^2+(L3_i+r)^2))(√((L1_i+r)^2+(L3_i+r)^2)+(L2_i+r)+(L3_i+r)-√((L1_i+r)^2+(L2_i+r)^2)))}，i＝1，2……n；轴向旋转四个测距器的角度或移动测量截面与被测物的相对位置多次测量得到R′_P(_{p＝1，2……k})，最终的被测物内径值

本发明的有益效果是：本发明提供一种多点激光内径测量仪及其测量计算方法，采用非接触式激光测量，通过翻转球状测头连续测量，四个激光测距仪测量工件内壁得到四点距离组，解出各四点距离组中任意三点组成的三角形对应的测量截平面内径值，并对解出内径值取几何平均数，比较解出内径中的最小值，即为工件径向平面内径值；本测量仪测量精度高，操作过程简便，有效消除传统接触式测量带来的人为误差，为工件深孔测量提供一种快速而精准的测量工具及方法。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明的一种多点激光内径测量仪装配立体示意图；

图2是本发明的一种多点激光内径测量仪侧面示意图；

图3是本发明的一种多点激光内径测量仪测量应用局部示意图；

图4是本发明的一种多点激光内径测量仪测量应用正视图；

图5是本发明的多点激光内径测量计算方法测量原理示意图1；

图6是本发明的多点激光内径测量计算方法测量原理示意图2；

图7是本发明的多点激光内径测量计算方法测量原理示意图3；

图中标号说明：手柄1、主控盒2、连接杆3、旋杆4、球状测头5、激光测距仪6、被测物8、控制键11、显示屏21、连接孔51、激光发射器61、激光接收器62。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

参照图1-7所示，一种多点激光内径测量仪，包括手柄1、主控盒2、连接杆3、旋杆4、球状测头5；手柄1一端与主控盒2连接，另一端与连接杆3连接；连接杆3与旋杆4通过螺纹连接；球状测头5为上底面为平面，下部为球状；球状测头5上底面设有连接孔51；连接孔51贯穿球状测头5，球状测头5通过螺钉穿过连接孔51固定于旋杆4顶端；球状测头5上还设有激光测距仪6；激光测距仪6位于球状测头5侧面上，激光测距仪6数量为4个；四个激光测距仪6共球状测头5最大球平面；四个激光测距仪6呈正方形顶点位置分布；手柄1内设有电源；主控盒2内设有控制芯片；控制芯片与激光测距仪6连接；控制芯片控制激光测距仪6记录测量值并计算。如图2所示，手柄1端部设有旋盖12，旋开旋盖12更换电源。

如图1、图2所示，手柄1一面设有控制键11；控制键11与控制芯片连接。控制键11包括电源键、校准键、测量键、计算键、显示键。主控盒2设有显示屏21，显示屏21与控制芯片连接。如图2所示，激光测距仪6分为激光发射器61与激光接收器62。

进一步的，控制芯片内设有存储器，存储器存储内径值；显示屏21显示存储器中的内径值。

进一步的，一种多点激光内径测量仪还包括辅助支座，辅助支座起辅助支撑作用，辅助支座夹持手柄1，无需人工手持。

下面结合图3-7，来讨论四个激光测距仪5呈正方形顶点位置分布的情况时的多点激光内径测量仪使用实施例及其测量计算方法：

如图7所示，点A、B、C、H分别为四个激光测距仪，即四边形ABCH为正方形，则AH⊥BC，AH交BC与点D，分别延长DA、DB、DC、DH交圆0于点E、F、G、K；已知外环41半径值为r，则推出DA＝DB＝DC＝DH＝r，被测物8被四个激光测距仪6测量所测得的值分别为L1、L2、L3、L4，即AE＝L1，BF＝L2，CG＝L3，HK＝L4，令DE＝a＝L1+r，DF＝b＝L2+r，DG＝c＝L3+r，DK＝d＝L4+r；则FG＝w＝b+c，EK＝z＝a+d；以△EFG为例，已知△EFG，则△EFG外接圆0唯一，外接圆0内径值为被测物8内径值，利用海伦公式，可得被测物8内径值带入得R′₁₂₃＝(√((L1+r)^2+(L2+r)^2)√((L1+r)^2+(L3+r)^2)((L2+r)+(L3+r)))/√((√((L1+r)^2+(L2+r)^2)+√((L1+r)^2+(L3+r)^2)+(L2+r)+(L3+r))(√((L1+r)^2+(L2+r)^2)+√((L1+r)^2+(L3+r)^2)-((L2+r)+(L3+r)))(√((L1+r)^2+(L2+r)^2)+(L2+r)+(L3+r)-√((L1+r)^2+(L3+r)^2))(√((L1+r)^2+(L3+r)^2)+(L2+r)+(L3+r)-√((L1+r)^2+(L2+r)^2)))。

如图7可知，同理得到根据△EKG、△EFK、△KFG计算得出的半径值，与△EFG一并组成(R′₁₂₃、R′₁₂₄、R′₁₃₄、R′₂₃₄)，并对(R′₁₂₃、R′₁₂₄、R′₁₃₄、R′₂₃₄)求标准差与几何平均值。

如图5、图6可知，当四个激光测距仪6形成的测量平面与被测物8呈一定夹角θ时，所测得的为短径为R、长径为R/cosθ的椭圆，当且仅当在测量平面与被测物8轴线垂直时，所测得的图形为圆，如图6、图7所示，椭圆完全包含圆，延长DE、DF、DG、DK，分别交椭圆与E′、F′、G′、K′，当且仅当即测量平面翻转时，EE′＝FF′＝GG′＝KK′＝0时，R值最小，为被测物8的内径值。在单次测量中，翻转球状测头5，被测物8被四个激光测距仪测量n次所测得的n组值分别为{L1_i、L2_i、L3_i、L4_i}_{i＝1，2……n。}；被测物8内径值分别为(R′₁₂₃、R′₁₂₄、R′₁₃₄、R′₂₃₄)，R′₁₂₃、R′₁₂₄、R′₁₃₄、R′₂₃₄为{L1_i、L2_i、L3_i、L4_i}_{i＝1，2……n}的轮换因式，其中R′₁₂₃＝min{(√((L1_i+r)^2+(L2_i+r)^2)√((L1_i+r)^2+(L3_i+r)^2)((L2_i+r)+(L3_i+r)))/√((√((L1_i+r)^2+(L2_i+r)^2)+√((L1_i+r)^2+(L3_i+r)^2)+(L2_i+r)+(L3_i+r))(√((L1_i+r)^2+(L2_i+r)^2)+√((L1_i+r)^2+(L3_i+r)^2)-((L2_i+r)+(L3_i+r)))(√((L1_i+r)^2+(L2_i+r)^2)+(L2_i+r)+(L3_i+r)-√((L1_i+r)^2+(L3_i+r)^2))(√((L1_i+r)^2+(L3_i+r)^2)+(L2_i+r)+(L3_i+r)-√((L1_i+r)^2+(L2_i+r)^2)))}，i＝1，2……n；令R′为(R′₁₂₃、R′₁₂₄、R′₁₃₄、R′₂₃₄)的几何平均数；旋转角度多次测量被测物(8)得到R′_p(_{p＝1，2……k})，对R′_p(_{p＝1，2……k})做几何均值，得到最终的被测物(8)内径值R。

使用前先确保本激光内径测量仪电源充足；使用时，开启电源键，使用标准件或校准仪器，按下校准键对四个激光测距仪6进行校准，校准后。手握手柄1将激光内径测量仪的球状测头5伸入被测物8中，球状测头5的测量截平面与被测物8径向截面不易过大，按住测量键，球状测头5上的激光发射器61发射激光，同时激光接收器62记录下四点的距离值，同时移动手柄1使球状测头5翻转，存储器记录距离数值组，按下计算键，控制芯片算出各距离数值组对应的内径值的几何平均数和标准差，比较得出最小值即为本次测量的内径值R’，通过移动或旋转手柄1更换测量位置，如距离不够时，可旋转旋杆4，使之伸长后测量，得到多次测量的内径值R′_p(_{p＝1,2……k})，对R′_p(_{p＝1,2……k})做几何均值，得到最终的被测物8内径值R。按下显示键，显示屏21显示最终的R值。

下面对直径100mm的标准件做测量验证试验得到以下数据：

可从以上数据可知，θ值越大，R'离R值相差越大，标准差为0附近时，接近θ＝0°，即为被测物8的内径值R值。

本发明提供一种多点激光内径测量仪及其测量计算方法，采用非接触式激光测量，通过翻转球状测头连续测量，四个激光测距仪测量工件内壁得到四点距离组，解出各四点距离组中任意三点组成的三角形对应的测量截平面内径值，并对解出内径值取几何平均数，比较解出内径中的最小值，即为工件径向平面内径值；本测量仪测量精度高，操作过程简便，有效消除传统接触式测量带来的人为误差，为工件深孔测量提供一种快速而精准的测量工具及方法。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。