一种管壁结构件内外径测量装置及方法与流程

本发明属于精密测试技术领域，主要涉及以轴承为代表的、具有内外径结构工件尺寸的测量，具体为一种管壁结构件内外径测量装置及方法。

背景技术：

管壁结构件，特指具有内外圆孔结构的工件，常见于国民生产、日常生活和军事技术领域的各行各业，尤其是交通、航空、航海、军事等领域；最为典型的管壁结构件为轴承，其在众多领域得到广泛应用，可以说凡是运动机械，几乎都离不开轴承这种管壁结构件。在管壁结构件的加工生产、组装应用、检修维护等等各环节中，其内外径测量都是一个最为基础而非常重要的问题。以高铁行业中高速轴承为例，为确保高铁高速安全运转，对轴承质量和检修等提出苛刻要求，对于百毫米量级内外径，测量精度要求到达微米量级，相对精度到达0.01%；目前，对于高精度管壁结构件的内外径尺寸测量，尤其是具有较大轴长等工件的测量，主要采用人工方式，利用内外径千分尺，进行人工读数，这种方式不仅花费大量人力、时间，测量结果精度也随着实际操作人员的素质和状态而有起伏，此外，这种传统测量方法只能得到尺寸大小值，无法获得管壁结构件内外径同心度等其他重要参数。鉴于此，如何有效解决上述管壁结构件内外径传统测量方法的不足，提高测量精度和自动化水平，是实际工程中迫切需要解决的现实问题。

针对上述难题，国内有不同仪器设备或者测试方法解决：如采用三坐标测量机，按照所设定的路径或者程序进行测量，进而计算得到内外径尺寸。然而，这类装置价格较贵，且测量时间较长，不利于高效测量。

通过检索，发现目前存在以下技术：

专利1：中国专利申请号cn201610660161.2，公开号cn106289141b的专利，公开了一种圆管内外径测量仪，包括三个滚轮、两个测量臂和角位移传感器，两个测量臂可旋转连接，且连接处设置其中一个滚轮，两个测量臂的外端部各设置另外一个滚轮，滚轮通过轮轴固定到测量臂上，且可滚动，两个测量臂的轮轴孔之间的间距相等。本发明还公开了一种圆管外径方法和圆管内径方法。本发明可广泛应用于需要高空作业、单手作业、场地限制区域的大直径圆管内外径的测量，如原圆形铁塔、卧倒在地面的大直径输油、输气管道、地下管网等的内外径。

专利2：中国专利申请号cn201810714425.7，公开号cn108613643a的专利，公开了一种高精度轴承内外径测量装置，包括支撑底板、竖梁、轴承外径测量机构和轴承内径测量机构，支撑底板的一侧安装有竖梁，竖梁上安装有轴承外径测量机构和轴承内径测量机构，轴承外径测量机构包括第一横梁、第一外径夹板、第二外径夹板、第一滚珠丝杆、第一丝杆螺母和第一手轮、第一横梁的一端与第一竖梁的侧面焊接，第一横梁的另一端安装有第一外径夹板，第一横梁的中间活动安装有第二外径夹板，第一横梁的上部设置有第一滚珠丝杆，并且第一滚珠丝杆的一端与第二外径夹板固定，第一滚珠丝杆的另一端与竖梁另一侧的第一手轮连接。本发明测量精度高，工作效率高，使用方便。

专利3：中国专利申请号cn201310719769.4,公开号cn104729416a的专利，公开了一种自动调整旋转半径的钢管管端内外径测量方法，这是一种针对激光测距探头围绕管端旋转的管端内外径测量装置的测量方法。本发明提供的测量方法，通过在旋转测量过程中自动调整旋转半径的方式，弥补了激光三角法测距探头测量范围有限的不足，极大的降低了旋转台转动中轴线和钢管中轴线之间的对齐精度需求，扩大了可测量管径变化的动态范围，有利于降低辅机的设备成本和增强设备的稳定性及实用性。同时操作时针对不同尺寸的钢管，不再需要预先调整探头固定臂的位置，减少了操作步骤，降低了维护成本。

技术实现要素：

本发明的目的是针对以上问题，提供一种管壁结构件内外径测量装置及方法，可以有效解决管壁结构件内外径传统测量方法的不足，提高测量精度和自动化水平。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：

一种管壁结构件内外径测量装置，包括抓持部件（6）、外径测微部件（2）、内径测微部件（4）、转动部件（5）、调节部件（7）以及提供支撑的支撑部件（3）；所述调节部件（7）置于支撑部件（3）中；所述内径测微部件（4）、所述转动部件（5）以及外径测微部件（2）置于支撑部件（3）上，且从内到外依次分布；所述外径测微部件（2）包括至少三块弧形板状的外径测微辅助板（201）以及设置在外径测微辅助板（201）中的外径测微装置（202），所述内径测微部件（4）包括至少三块弧形板状的内径测微辅助板（401）以及设置在内径测微辅助板（401）中的内径测微装置（402），所述内径测微辅助板（401）、外径测微辅助板（201）以及转动部件（5）可形成对测量管壁结构件（1）进行放置的标准环槽结构。

进一步的，所述内径测微装置（402）、外径测微装置（202）在每块内径测微辅助板（401）、外径测微辅助板（201）中至少设置有三处，且分布在最末端以及中间；所述内径测微装置（402）、外径测微装置（202）均包括测微头以及连接弹簧，所述测微头在作用时与待测量管壁结构件（1）的内外壁分别挤压接触，不同的测微头相互配合形成标准圆环，所述标准圆环内外圆的圆度和同心度优于1μm。

进一步的，所述支撑部件（3）包括支撑桶（301）、支撑夹层板（302）、第二支撑板（303）、第一支撑板（304）；所述第一支撑板（304）设置在最底层，所述外径测微辅助板（201）竖立在第一支撑板（304）上；所述支撑桶（301）设置在第一支撑板（304）上，所述支撑夹层板（302）设置在支撑桶（301）的中间部分，所述支撑夹层板（302）向支撑桶（301）外延伸形成第二支撑板（303），所述内径测微辅助板（401）竖立在第二支撑板（303）上。

进一步的，所述调节部件（7）包括对内径测微辅助板（401）进行移动的第一移动装置（701）以及对外径测微辅助板（201）进行移动的第二移动装置（702），所述第一移动装置（701）设置在支撑夹层板（302）上，所述第二移动装置（702）设置在支撑桶（301）底部。

进一步的，所述第一移动装置（701）包括第一主锥齿轮（7011）、第一副锥齿轮（7012）、第一丝杆（7013）、第一电机（7014），所述第一主锥齿轮（7011）连接有第一电机（7014）并与第一副锥齿轮（7012）啮合，所述第一副锥齿轮（7012）上固定有第一丝杆（7013），所述第一丝杆（7013）穿过支撑桶（301）壁并与内径测微辅助板（401）一一对应螺纹连接。

进一步的，所述第二移动装置（702）包括第二主锥齿轮（7021）、第二副锥齿轮（7022）、第二丝杆（7023）、第二电机（7024），所述第二主锥齿轮（7021）连接有第二电机（7024）并与第二副锥齿轮（7022）啮合，所述第二副锥齿轮（7022）上固定有第二丝杆（7023），所述第二丝杆（7023）穿过支撑桶（301）壁并与外径测微辅助板（201）一一对应螺纹连接。

进一步的，所述转动部件（5）包括放置底板（501）、滚动轴承（502）以及电机，所述放置底板（501）固定在内径测微辅助板（401）的外壁上，且每块内径测微辅助板（401）上至少设置有一个，所述滚动轴承（502）嵌入在放置底板（501）中并与待测量管壁结构件（1）底部滚动摩擦，所述滚动轴承（502）与电机相连。

进一步的，抓持部件（6）包括抓持盘（601）、抓持爪（602）以及伸缩气缸（603），所述抓持爪（602）至少设置有三个，所述抓持爪（602）设置在抓持盘（601）中并与对应伸缩气缸（603）相连。

一种管壁结构件内外径测量方法，该方法利用一种管壁结构件内外径测量装置进行计算，该方法包括以下步骤：

s1、准备工作：抓持部件（6）抓持待测量管壁结构件（1），外径测微部件（2）以及内径测微部件（4）的测微头处于初始状态，转动部件（5）处于初始位置状态，信号控制处理模块发出信号给抓持部件（6），将待测量管壁结构件（1）载入调整好的标准圆环内，做好测试准备；

s2、测量：信号控制处理模块发出控制信号给内径测微装置（402）和外径测微装置（202），使其测微头弹簧以及待测量管壁结构件（1）的压迫下处于压缩状态，信号控制处理模块采样内径测微装置（402）和外径测微装置（202）的输出信号进行模数转换，并采用三点或多点接触式圆径测量方法，根据内径测微装置（402）和外径测微装置（202）测得的待测管壁结构件内外孔径与标准圆环内外径参考值rri、rre的偏差值△rr、△re进行圆径解算，得到待测管壁结构件在位置θ1处的内外径测量结果rmi=rri+△ri、rme=rre+△re，完毕后，内径测微装置（402）和外径测微装置（202）的测微头均收缩状态，完成此步骤待测管壁结构件的内外径测量；

s3、转换角度重复测量：信号控制处理模块发出信号，控制转动部件（5）带动待测量管壁结构件（1）相对于上一个位置θ1旋转角度△θ，重复步骤2，完成待测管壁结构件位置θ2=θ1+△θ的内外圆径测量，得到新位置的内外径测量结果；

s4、计算测量结果：完成所有设定各位置点的待测管壁结构件的内外径测量结果，采用多次内、外圆径测量值得平均值作为待测管壁结构件内、外径测量最终值，进行显示输出，控制抓持部件（6）将待测管壁结构件搬离标准圆环，测量完成。

进一步的，所述步骤s2中三点或多点接触式圆径测量方法，具体为：设内径测微装置（402）和外径测微装置（202）的多个测微头测得的待测管壁结构件内外径相比于标准圆环内外径尺寸rri、rre的偏差分别为△mdin(n=1,2…n)及△mden(n=1,2…n)，n表示内、外径测微头数量，则待测管壁结构件内、外圆径测量值计算方法为：rmi=rri+∑△mdin/n、rme=rre+∑△mden/n。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种管壁结构件内外径测量装置及方法，针对精密测试技术领域。

1、本发明通过测量待测管壁结构件内外径与标准底座内外径的偏差，将大尺度测量转换为小尺度测量，从而可有效提高测量精度和测量结果稳定性，同时降低了系统成本；

2、本发明具有同时测量管壁结构件内外径尺寸的功能，弥补了传统工程实际中内、外径需要分开测量的弊端；

3、本发明采用多点自由式圆径测量方法，避免传统两点固定、单点测量方案中的固定点磨损问题，可有效提高系统运行寿命，保证精度；

4、本发明采用自动化控制手段，最低程度测量过程减少人工参与，提高了效率；

5、本发明中内径测微辅助板以及外径测微辅助板的直径可调，可以对不同大小的待测管壁结构件进行测量。

附图说明

图1为本发明第一视角立体结构示意图。

图2为本发明第二视角立体结构示意图。

图3为本发明主视图。

图4为本发明俯视图。

图5为本发明中图3部分的a-a截面示意图。

图6为本发明中图4部分的b-b截面示意图。

图7为本发明中调节部件安装立体结构示意图。

图8为本发明中转动部件结构示意图。

图9为本发明测量方式示意图。

图中所述文字标注表示为：1、待测量管壁结构件；2、外径测微部件；3、支撑部件；4、内径测微部件；5、转动部件；6、抓持部件；7、调节部件；201、外径测微辅助板；202、外径测微装置；301、支撑桶；302、支撑夹层板；303、第二支撑板；304、第一支撑板；401、内径测微辅助板；402、内径测微装置；501、放置底板；502、滚动轴承；601、抓持盘；602、抓持爪；603、伸缩气缸；701、第一移动装置；702、第二移动装置；7011、第一主锥齿轮；7012、第一副锥齿轮；7013、第一丝杆；7014、第一电机；7021、第二主锥齿轮；7022、第二副锥齿轮；7023、第二丝杆；7024、第二电机。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

如图1-图9所示，本发明的具体结构为：

一种管壁结构件内外径测量装置，包括抓持部件6、外径测微部件2、内径测微部件4、转动部件5、调节部件7以及提供支撑的支撑部件3；调节部件7置于支撑部件3中；内径测微部件4、转动部件5以及外径测微部件2置于支撑部件3上，且从内到外依次分布；外径测微部件2包括至少三块弧形板状的外径测微辅助板201以及设置在外径测微辅助板201中的外径测微装置202，内径测微部件4包括至少三块弧形板状的内径测微辅助板401以及设置在内径测微辅助板401中的内径测微装置402，内径测微辅助板401、外径测微辅助板201以及转动部件5可形成对测量管壁结构件1进行放置的标准环槽结构；在内径测微辅助板401、外径测微辅助板201的弧度足够大时，内径测微辅助板401、外径测微辅助板201以及转动部件5可形成对测量管壁结构件1进行放置的标准环槽结构。

在本实施例中，内径测微装置402、外径测微装置202在每块内径测微辅助板401、外径测微辅助板201中至少设置有三处，且分布在最末端以及中间；内径测微装置402、外径测微装置202均包括测微头以及连接弹簧，测微头在作用时与待测量管壁结构件1的内外壁分别挤压接触，不同的测微头相互配合形成标准圆环，标准圆环内外圆的圆度和同心度优于1μm；当待测量管壁结构件1的外径比外径测微辅助板201的直径大时，此时与待测量管壁结构件1挤压接触的是两端的测微头，反之；当待测量管壁结构件1的内径比径测微辅助板401的直径大时，此时与待测量管壁结构件1挤压接触的是中间的探测头；各探测头相互配合方可形成一标准的圆环从而为后续测量做好准备。

在本实施例中，支撑部件3包括支撑桶301、支撑夹层板302、第二支撑板303、第一支撑板304；第一支撑板304设置在最底层，外径测微辅助板201竖立在第一支撑板304上；支撑桶301设置在第一支撑板304上，支撑夹层板302设置在支撑桶301的中间部分，支撑夹层板302向支撑桶301外延伸形成第二支撑板303，内径测微辅助板401竖立在第二支撑板303上，内径测微辅助板401、外径测微辅助板201的底面错落分布在不同高度，二者的移动不会产生干涉。

在本实施例中，调节部件7包括对内径测微辅助板401进行移动的第一移动装置701以及对外径测微辅助板201进行移动的第二移动装置702，第一移动装置701设置在支撑夹层板302上，第二移动装置702设置在支撑桶301底部。

在本实施例中，第一移动装置701包括第一主锥齿轮7011、第一副锥齿轮7012、第一丝杆7013、第一电机7014，第一主锥齿轮7011连接有第一电机7014并与第一副锥齿轮7012啮合，第一副锥齿轮7012上固定有第一丝杆7013，第一丝杆7013穿过支撑桶301壁并与内径测微辅助板401一一对应螺纹连接；第二移动装置702包括第二主锥齿轮7021、第二副锥齿轮7022、第二丝杆7023、第二电机7024，第二主锥齿轮7021连接有第二电机7024并与第二副锥齿轮7022啮合，第二副锥齿轮7022上固定有第二丝杆7023，第二丝杆7023穿过支撑桶301壁并与外径测微辅助板201一一对应螺纹连接；第一主锥齿轮7011、第二主锥齿轮7021在第一电机7014、第二电机7024的驱动下会发生转动，从而带动相应的第一副锥齿轮7012、第二副锥齿轮7022的转动，第一丝杆7013、第二丝杆7023被限制在支撑桶301壁上的相应孔中，故第一副锥齿轮7012、第二副锥齿轮7022无法公转，只能发生自转，从而反作用给对应的内径测微辅助板401、外径测微辅助板201处，利用其螺纹连接发生转动。

在本实施例中，转动部件5包括放置底板501、滚动轴承502以及电机，放置底板501固定在内径测微辅助板401的外壁上，且每块内径测微辅助板401上至少设置有一个，滚动轴承502嵌入在放置底板501中并与待测量管壁结构件1底部滚动摩擦，滚动轴承502与电机相连，滚动轴承502的滚动在摩擦力的作用下便可以带动待测量管壁结构件1的转动。

在本实施例中，抓持部件6包括抓持盘601、抓持爪602以及伸缩气缸603，抓持爪602至少设置有三个，抓持爪602设置在抓持盘601中并与对应伸缩气缸603相连，伸缩气缸603对抓持爪602的伸缩便可以控制抓持爪602对待测量管壁结构件1的抓持。

一种管壁结构件内外径测量方法，该方法利用一种管壁结构件内外径测量装置进行计算，该方法包括以下步骤：

s1、准备工作：抓持部件6抓持待测量管壁结构件1，外径测微部件2以及内径测微部件4的测微头处于初始状态，转动部件5处于初始位置状态，信号控制处理模块发出信号给抓持部件6，将待测量管壁结构件1载入调整好的标准圆环内，做好测试准备；

s2、测量：信号控制处理模块发出控制信号给内径测微装置402和外径测微装置202，使其测微头弹簧以及待测量管壁结构件1的压迫下处于压缩状态，随后，信号控制处理模块采样内径测微装置402和外径测微装置202的输出信号进行模数转换，并采用三点或多点接触式圆径测量方法，根据内径测微装置402和外径测微装置202测得的待测管壁结构件内外孔径与标准圆环内外径参考值rri、rre的偏差值△rr、△re进行圆径解算，得到待测管壁结构件在位置θ1处的内外径测量结果rmi=rri+△ri、rme=rre+△re，完毕后，内径测微装置402和外径测微装置202的测微头均处于收缩状态，完成此步骤待测管壁结构件的内外径测量；

s3、转换角度重复测量：信号控制处理模块发出信号，控制转动部件5带动待测量管壁结构件1相对于上一个位置θ1旋转角度△θ，重复步骤2，完成待测管壁结构件位置θ2=θ1+△θ的内外圆径测量，得到新位置的内外径测量结果；

s4、计算测量结果：直到完成所有设定各位置点的待测管壁结构件的内外径测量结果，采用多次内、外圆径测量值得平均值作为待测管壁结构件内、外径测量最终值，进行显示输出，控制抓持部件6将待测管壁结构件搬离标准环槽结构，测量完成。

在本实施例中，步骤s2中三点或多点接触式圆径测量方法，具体为：设内径测微装置402和外径测微装置202的多个测微头测得的待测管壁结构件内外径相比于标准圆环内外径尺寸rri、rre的偏差分别为△mdin(n=1,2…n)及△mden(n=1,2…n)，n表示内、外径测微头数量，则待测管壁结构件内、外圆径测量值计算方法为：rmi=rri+∑△mdin/n、rme=rre+∑△mden/n。

具体使用时：

测量开始前，根据待测量管壁结构件1内外径大小与内径测微辅助板401、外径测微辅助板201的直径大小进行比较，然后信号控制处理模块发出控制信号给调节部件7，调节部件7通过对第一主锥齿轮7011、第二主锥齿轮7021的转动驱动相应的第一副锥齿轮7012、第二副锥齿轮7022的齿轮转动，从而带动内径测微辅助板401、外径测微辅助板201的移动，直到调节到所需的测微头配合形成了一标准圆环，测量前的准备工作完成。

开始测量，信号控制处理模块发出控制信号给抓持部件6，抓持部件6抓持待测量管壁结构件1，此时外径测微部件2以及内径测微部件4的测微头处于初始状态，转动部件5处于初始位置状态，而后，信号控制处理模块发出信号给抓持部件6，将待测量管壁结构件1载入调整好的标准环槽结构内；信号控制处理模块发出控制信号给内径测微装置402和外径测微装置202，使其作用的测微头弹簧在待测量管壁结构件1的压迫下处于压缩状态，随后，信号控制处理模块采样内径测微装置402和外径测微装置202的输出信号，进行模数转换，并采用三点或多点接触式圆径测量方法，根据内径测微装置402和外径测微装置202测得的待测管壁结构件内外孔径与标准环槽内外径参考值rri、rre的偏差值△rr、△re进行圆径解算，得到待测管壁结构件在位置θ1处的内外径测量结果rmi=rri+△ri、rme=rre+△re，完毕后，内径测微装置402和外径测微装置202的测微头均收缩状态，完成初次待测管壁结构件的内外径测量；随后信号控制处理模块发出信号，控制转动部件5带动待测量管壁结构件1相对于上一个位置θ1旋转角度△θ，重复步骤2，完成待测管壁结构件位置θ2=θ1+△θ的内外圆径测量，得到新位置的内外径测量结果；重复上述步骤，直到完成所有设定各位置点的待测管壁结构件的内外径测量结果，采用多次内、外圆径测量值得平均值作为待测管壁结构件内、外径测量最终值，进行显示输出，控制机械臂1将待测管壁结构件搬离标准环槽结构，测量完成；信号控制处理模块发出控制信号给抓持部件6，抓持部件6将待测量管壁结构件1抓持出来。

最后，根据测量的多次结果进行相应的计算。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。