一种旋压过程中的筒型件外径在线检测装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种旋压过程中的筒型件外径在线检测装置，包括位于旋压机床导轨上的环形架机构、环形架轴向移动机构、环形架横向移动机构、环形架竖直移动机构；环形架机构包括圆环和支撑圆环的支撑座，圆环内径大于筒型件外径；圆环上安装有至少一个位移传感器，旋压机床芯轴的床头或床尾端的端面安装有角度传感器；位移传感器和角度传感器连接有信号调理模块，信号调理模块连接有上位机，上位机内置有数据采集模块和数据处理分析模块。本发明为大直径圆筒件旋压加工的外径高精度在线测量提供了可靠的检测装置，为其质量的控制提供了测量基础，具有实时检测加工件的外径，测量精度高，无需频繁停机人工检查，劳动强度低等优点。
【专利说明】
一种旋压过程中的筒型件外径在线检测装置
技术领域
[0001] 本发明属于进行直径测量的专用检测设备，具体涉及一种旋压过程中的筒型件外 径在线检测装置，尤其适用于大直径薄壁筒型件。
【背景技术】
[0002] 在直径的检测领域中，因产品结构及精度需要，主要有在线、在机及离线三种模 式。在机及离线的检测模式可用常规的检测方法如外径千分尺、尺及环规等方式进行。
[0003] 当旋压加工所涉及的薄壁圆筒件具有大直径、大长度等特点（例如直径达〇 600mm，壁厚0.5，长度达4000mm，且精度要求为± 0.05mm)时，其结构的特殊性决定其旋压加 工必须高要求，检测方式必须高标准。因此，对其采取在线检测方式，达到对其加工过程的 实时监控及尺寸检测的目的。
[0004] 目前，在线检测主要有结构光法、机器视觉法、激光扫描法结合CCD摄像机。机器视 觉法以及激光扫描结合CCD摄像机法常用于锻压件棒料等精度要求不高的场合。结构光法 对于大直径的测量则需要很大的测量位置空间，因此，只适用于〇200mm以内的直径测量 中，这项检测技术常用于机床主轴的精度测量，很少用于产品加工过程的在线测量。
[0005] 现有技术对于大直径的在线测量，尚未进入到实际工程应用。基于上述问题，对于 大直径筒型件旋压过程，迫切需要一种新的外径检测方法及装置，实现对该旋压件外径在 线检测，给加工过程提供数据基础。
【发明内容】
[0006] 针对上述问题，本发明旨在提供一种能够在旋压加工过程中高精度、方便快捷测 量大直径筒型件直径的在线检测装置。
[0007] 本发明解决问题的技术方案是:一种旋压过程中的筒型件外径在线检测装置，包 括位于旋压机床导轨上的环形架机构、环形架轴向移动机构、环形架横向移动机构、环形架 竖直移动机构；
[0008] 所述环形架机构包括圆环和支撑圆环的支撑座，圆环内径大于筒型件外径；
[0009] 所述圆环上安装有至少一个位移传感器，旋压机床芯轴的床头或床尾端的端面安 装有角度传感器；
[0010] 所述位移传感器和角度传感器连接有信号调理模块，信号调理模块连接有上位 机，上位机内置有数据采集模块和数据处理分析模块。
[0011] 信号调理模块现有技术中对于在线的非接触式测量，电涡流位移传感器或激光位 移传感器是一种非接触的线性优化计量工具，具有静态和动态地非接触、高线性度、高分辨 率的特点，可作为实现旋压件的在线测量硬件。由精密导轨和精确的位置调控装置调整位 移传感器在机床中的位置，利用相应传感器的测量原理，就可以得到与待测件表面之间的 距离，且能得到足够高的位置精度。然后通过上位机的数据处理系统，则可完成该大直径筒 型件的外径测量。
[0012] 具体的，所述环形架横向移动机构包括上板、固定于上板的横向导轨；
[0013] 所述支撑座下端与横向导轨卡合且可沿横向导轨滑动;支撑座的横向侧连接有驱 动支撑座滑动的螺纹推杆机构，该螺纹推杆机构包括固定在上板一端的带螺纹孔支座、带 外螺纹的第一螺纹推杆，第一螺纹推杆穿过螺纹孔与支撑座横向侧连接。
[0014] 驱动第一螺纹推杆移动既可以采用电机驱动，也可以手动。采用电机驱动时可与 上位机电连接。
[0015] 具体的，所述环形架竖直移动机构包括位于上板下方的下板，下板的两端分别设 有T形槽区域，T形槽区域上设有垫块，垫块两端开有通孔，垫块和上板之间设有调整螺母，T 型螺栓下端卡接在T形槽内并从下至上依次穿过垫块上的通孔、调整螺母、上板，将上板和 下板连接，通过设置调整螺母在T型螺栓上的高度来调整上板和下板之间的距离，从而调整 环形架机构的竖直位置。
[0016] 具体的，所述环形架轴向移动机构包括位于下板下方的轴向导轨、与轴向导轨配 合且可在轴向导轨上滑动的导轨滑块，该导轨滑块的顶部与下板底部固定连接；
[0017]下板底部还固定连接有用于驱动下板移动的滚珠丝杠机构，滚珠丝杠机构与上位 机电连接，滚珠丝杠机构与上位机之间还设有控制器，轴向导轨两端固定连接有用于支承 滚珠丝杠机构的安装座，滚珠丝杠机构带动下板在轴向导轨上移动，实现环形架机构轴向 位置的调整。所述控制器用以执行上位机的指令而控制滚珠丝杠机构动作。
[0018] 进一步的，所述下板与导轨滑块之间、以及下板与滚珠丝杠机构之间设有振动补 偿器，该振动补偿器包括传感器、激振器、功率放大器、滤波器、工控机。
[0019] 上述方案中，所述振动补偿器为现有设备。设计振动补偿器的目的在于能够消除 环形架轴向移动时产生的振动对测量精度的影响。
[0020] 为了使得横向移动时能够准确得知移动量的大小，所述上板横向边沿设有尺寸刻 度线。
[0021 ] 具体的，所述环形架机构包括上、下两个半圆弧形架，二者通过凹、凸止口配合连 接形成圆环，下面的半圆弧形架下端连接有倒T形支撑座。
[0022] 优选的，所述圆环上设有用于调整位移传感器在圆环径向方向与被测物之间距离 的调整装置，该调整装置包括与圆环固定的固定座、可在固定座上滑动的滑块、推动滑块滑 动的第二螺纹推杆，固定座与滑块之间设有轨道，所述位移传感器安装于滑块上。
[0023] 为了使得位移传感器径向移动时能够准确得知移动量的大小，所述固定座侧边设 有尺寸刻度线。
[0024]优选的，所述角度传感器通过外向联轴器与旋压机床芯轴连接，以省去直接连接 需要对中的步骤。
[0025]本发明在线检测装置的测量原理及操作步骤如下：
[0026] (1)安装在线检测装置。
[0027] 将在线检测装置安装在旋压机床导轨上，调整轴向导轨与机床导轨的平行度，允 差1000mm范围内0.01mm。角度传感器通过外向联轴器安装在旋压机床芯轴的床头或床尾端 的端面。
[0028] (2)选择测量基准并调整位移传感器空间位置。
[0029] 选择芯轴上一固定位置作为参照，要求该位置直径尺寸为已知。将位移传感器以 此参照位置为基准调整其空间位置。
[0030] 调整位移传感器的空间位置时，通过上位机发出指令给滚珠丝杠机构，滚珠丝杠 机构带动下板在轴向导轨上移动，从而带动环形架机构轴向移动，实现环形架机构上的位 移传感器轴向位置的调整；
[0031] 通过调整第一螺纹推杆的旋入长度，带动支撑座沿横向导轨移动，从而带动环形 架机构横向移动，实现环形架机构上的位移传感器横向位置的调整；
[0032] 通过调整第二螺纹推杆的旋入长度，带动滑块沿固定座移动，从而实现滑块上的 位移传感器径向位置的调整；
[0033] 通过调整上板和下板之间的调整螺母在T型螺栓上的高度位置，从而调整上板相 对于下板的高度，实现环形架机构上的位移传感器竖向位置的调整。
[0034] (3)数据采集。
[0035] 旋压加工开始，即可开始检测。上位机得到的角度传感器的信号作为各截面的初 始采集位置，在位移传感器完成一圈或n圈测量后，暂停采集;并同时由上位机向滚珠丝杠 机构发送轴向运动指令;滚珠丝杠机构根据指令带动环形架上的位移传感器轴向移动微位 移。
[0036] 如此循环，完成数据采集，并将数据以截面为单元保存。
[0037] (4)数据处理分析。
[0038]结合数据采集模块得到的数据，通过对数据采取3S数据剔除法完成粗大数据剔 除，然后通过小波或低通滤波方法进行干扰数据处理，之后通过FFT算法进行位移数据频谱 分析，最后提取0频位移数据，即为待测件截面轮廓的真实位移数据。将数据以截面为单元 保存。
[0039] (5)模型重构。
[0040] 结合相应测量点的三维空间坐标，利用曲线重构算法完成截面轮廓曲线重构，然 后根据轴向位置，完成轴向曲面轮廓重构，得到待测件部分及全部的外形轮廓。
[0041] (6)信息提取。
[0042] 对所关心位置的特征信息提取，从而在线完成外径的实时或历史数据检测。
[0043]本发明的显著效果是：
[0044] 1.为大直径圆筒件旋压加工的外径高精度在线测量提供了可靠的检测装置，为其 质量的控制提供了测量基础。
[0045] 2.实现了非接触式的外径测量，在该筒型件旋压加工时，实时检测加工件的外径， 无需频繁停机人工检查，减轻了劳动强度。
[0046] 3.该检测装置中，各个位置中测量位移传感器可实现位置调控，利用导轨副、电 机、上位机的控制模式实现了测量位置的自动定位，免去了人工定位的麻烦，提高了测量精 度，提升了生产效率。
[0047] 4.该检测装置精度高、机构简单可靠，良好的操作性和可调性，效率与自动化程度 较高，与传统n尺及外径千分尺测量相比，该装置具有更准确、更快、可操作性的特点。可推 广应用到其他大直径高精度的外径在线检测中，具有很强的工程应用及推广应用价值。
【附图说明】
[0048] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0049] 图1为本发明在线检测装置的使用状态图。
[0050] 图2为本发明在线检测装置的主体结构图。
[0051 ]图3为本发明在线检测装置的测量原理图。
[0052]图中：1-第二螺纹推杆，2-固定座，3-滑块，4-圆环，5-筒型件，6-支撑座，7-横向导 轨，8-上板，9-第一螺纹推杆，10-带螺纹孔支座，11-调整螺母，12-垫块，13-导轨滑块，14-下板，16-轴向导轨，17-T型螺栓，18-滚珠丝杠机构，19-安装座，20-电机，21-振动补偿器， 22-位移传感器，23-角度传感器，24-信号调理模块，25-上位机，26-控制器，27-芯轴。
【具体实施方式】
[0053] 如图1~2所示，一种旋压过程中的筒型件外径在线检测装置，其特征在于:包括位 于旋压机床导轨上的环形架机构、环形架轴向移动机构、环形架横向移动机构、环形架竖直 移动机构。
[0054] 所述环形架机构包括上、下两个半圆弧形架，二者通过凹、凸止口配合连接形成圆 环4,下面的半圆弧形架下端连接有倒T形支撑座6。圆环4内径大于筒型件5外径。
[0055] 所述圆环4上安装有3~4个位移传感器22,旋压机床芯轴27的床头或床尾端的端 面通过外向联轴器安装有角度传感器23。
[0056]所述位移传感器22和角度传感器23连接有信号调理模块24,信号调理模块24连接 有上位机25，上位机25内置有数据采集模块和数据处理分析模块。
[0057]所述环形架横向移动机构包括上板8、固定于上板8的横向导轨7。所述支撑座6下 端与横向导轨7卡合且可沿横向导轨7滑动;支撑座6的横向侧连接有驱动支撑座6滑动的螺 纹推杆机构，该螺纹推杆机构包括固定在上板8-端的带螺纹孔支座10、带外螺纹的第一螺 纹推杆9,第一螺纹推杆9穿过螺纹孔与支撑座6横向侧连接。
[0058] 所述上板8横向边沿设有尺寸刻度线。
[0059] 所述环形架竖直移动机构包括位于上板8下方的下板14,下板14的两端分别设有T 形槽区域，T形槽区域上设有垫块12,垫块12两端开有通孔，垫块12和上板8之间设有调整螺 母11，T型螺栓17下端卡接在T形槽内并从下至上依次穿过垫块12上的通孔、调整螺母11、上 板8,将上板8和下板14连接，通过设置调整螺母11在T型螺栓17上的高度来调整上板8和下 板14之间的距离，从而调整环形架机构的竖直位置。
[0060] 所述环形架轴向移动机构包括位于下板14下方的轴向导轨16、与轴向导轨16配合 且可在轴向导轨16上滑动的导轨滑块13,该导轨滑块13的顶部与下板14底部固定连接。 [0061]下板14底部还固定连接有用于驱动下板14移动的滚珠丝杠机构18,滚珠丝杠机构 18包括电机20及滚珠丝杠，电机20与上位机25电连接，电机20与上位机25之间还设有控制 器26，轴向导轨16两端固定连接有用于支承滚珠丝杜机构18的安装座19，滚珠丝杜机构18 带动下板14在轴向导轨16上移动，实现环形架机构轴向位置的调整。
[0062]所述下板14与导轨滑块13之间、以及下板14与滚珠丝杠机构18之间设有振动补偿 器，该振动补偿器包括传感器、激振器、功率放大器、滤波器、工控机。所述振动补偿器为现 有设备。
[0063] 所述圆环4上设有用于调整位移传感器22在圆环4径向方向与被测物之间距离的 调整装置，该调整装置包括与圆环4固定的固定座2、可在固定座2上滑动的滑块3、推动滑块 3滑动的第二螺纹推杆1，固定座2与滑块3之间设有轨道，所述位移传感器22安装于滑块3 上。
[0064]所述固定座2侧边设有尺寸刻度线。
[0065]如图3所示，本发明在线检测装置的测量原理及操作步骤如下：
[0066] (1)安装在线检测装置。
[0067] 将在线检测装置安装在旋压机床导轨上，调整轴向导轨16与机床导轨的平行度， 允差1000mm范围内0.01mm。角度传感器23通过外向联轴器安装在旋压机床芯轴27的床头或 床尾端的端面。
[0068] (2)选择测量基准并调整位移传感器空间位置。
[0069] 选择芯轴27上一固定位置作为参照，要求该位置直径尺寸为已知。将位移传感器 22以此参照位置为基准调整其空间位置。
[0070]调整位移传感器22的空间位置时，通过上位机25发出指令给控制器26,控制器26 控制滚珠丝杠机构18动作，滚珠丝杠机构18带动下板14在轴向导轨16上移动，从而带动环 形架机构轴向移动，实现环形架机构上的位移传感器22轴向位置的调整；
[0071]通过调整第一螺纹推杆9的旋入长度，带动支撑座6沿横向导轨7移动，从而带动环 形架机构横向移动，实现环形架机构上的位移传感器22横向位置的调整；
[0072] 通过调整第二螺纹推杆1的旋入长度，带动滑块3沿固定座2移动，从而实现滑块3 上的位移传感器22径向位置的调整；
[0073] 通过调整上板8和下板14之间的调整螺母11在T型螺栓17上的高度位置，从而调整 上板8相对于下板14的高度，实现环形架机构上的位移传感器22竖向位置的调整。
[0074] (3)数据采集。
[0075]旋压加工开始，即可开始检测。上位机25得到的角度传感器23的信号作为各截面 的初始采集位置，在位移传感器22完成一圈或n圈测量后，暂停采集;并同时由上位机25向 滚珠丝杠机构18发送轴向运动指令;滚珠丝杠机构18根据指令带动环形架上的位移传感器 22轴向移动微位移。
[0076]如此循环，完成数据采集，并将数据以截面为单元保存。
[0077] (4)数据处理分析。
[0078]结合数据采集模块得到的数据，通过对数据采取3S数据剔除法完成粗大数据剔 除，然后通过小波或低通滤波方法进行干扰数据处理，之后通过FFT算法进行位移数据频谱 分析，最后提取0频位移数据，即为待测件截面轮廓的真实位移数据。将数据以截面为单元 保存。
[0079] (5)模型重构。
[0080]结合相应测量点的三维空间坐标，利用曲线重构算法完成截面轮廓曲线重构，然 后根据轴向位置，完成轴向曲面轮廓重构，得到待测件部分及全部的外形轮廓。其重构实施 步骤如下：
[0081 ] 第一步:设置基准，建立已知的空间坐标系；
[0082]第二步:采集点的原始数据为〇^，0丄将其进行基准转换，转换成(P^，0丄其中， Pij = R+d+Lij.................................................(1)；
[0083] 第三步:在第二步的基础上进一步转换成截面直角坐标系，转换公式为： X.. =/J.-cos(<9.)
[0084] 1 ,、 ...........
[0085]第四步:在第三步的基础上进一步转换成空间坐标系，转换公式为： Xjj = P-^ ?COS^(；)
[0086] < C .sin(A) z. = Z._1 + h
[0087]第五步:进行截面曲线重构；
[0090]第六步:通过Delaunay三角法，用三角面片连接相邻两条轮廓上的点，同步前进重 构；
[0091 ]第七步:对曲面进行裁剪、修整，以形成完整的几何三维模型，实现重构；
[0092]上述公式（1)~(5)中，R为测量基准面半径;d为传感器与基准面之间安装距离;Uj 为传感器实时采集的位移，Pu为基准转换后的位移，i为轴向截面计数，j为截面采集点计 数，h为某点采集的角度;n为一个截面采集的点的个数;u、v分别为重构的圆心横坐标和纵 坐标;轴向移动以基准位置为Z向零点，每次以h步距向前运动；
[0093] (6)信息提取。
[0094] 对所关心位置的特征信息提取，从而在线完成外径的实时或历史数据检测。
[0095] 该装置尤其适用于检测范围：590mm-620mm，检测精度±0.01mm。
【主权项】
1. 一种旋压过程中的筒型件外径在线检测装置，其特征在于:包括位于旋压机床导轨 上的环形架机构、环形架轴向移动机构、环形架横向移动机构、环形架竖直移动机构； 所述环形架机构包括圆环(4)和支撑圆环（4)的支撑座(6)，圆环(4)内径大于筒型件 (5)外径； 所述圆环(4)上安装有至少一个位移传感器(22)，旋压机床芯轴（27)的床头或床尾端 的端面安装有角度传感器(23); 所述位移传感器(22)和角度传感器(23)连接有信号调理模块(24)，信号调理模块(24) 连接有上位机(25)，上位机(25)内置有数据采集模块和数据处理分析模块。2. 根据权利要求1所述的旋压过程中的筒型件外径在线检测装置，其特征在于:所述环 形架横向移动机构包括上板(8)、固定于上板(8)的横向导轨(7); 所述支撑座(6 )下端与横向导轨(7 )卡合且可沿横向导轨(7 )滑动;支撑座(6 )的横向侧 连接有驱动支撑座(6)滑动的螺纹推杆机构，该螺纹推杆机构包括固定在上板(8)-端的带 螺纹孔支座（10)、带外螺纹的第一螺纹推杆(9)，第一螺纹推杆(9)穿过螺纹孔与支撑座(6) 横向侧连接。3. 根据权利要求2所述的旋压过程中的筒型件外径在线检测装置，其特征在于:所述环 形架竖直移动机构包括位于上板(8)下方的下板（14)，下板（14)的两端分别设有T形槽区 域，T形槽区域上设有垫块（12)，垫块（12)两端开有通孔，垫块（12)和上板(8)之间设有调整 螺母（11)，T型螺栓（17)下端卡接在T形槽内并从下至上依次穿过垫块（12)上的通孔、调整 螺母（11)、上板(8)，将上板(8)和下板（14)连接，通过设置调整螺母（11)在T型螺栓（17)上 的高度来调整上板(8)和下板(14)之间的距离，从而调整环形架机构的竖直位置。4. 根据权利要求3所述的旋压过程中的筒型件外径在线检测装置，其特征在于:所述环 形架轴向移动机构包括位于下板（14)下方的轴向导轨（16)、与轴向导轨（16)配合且可在轴 向导轨（16)上滑动的导轨滑块(13)，该导轨滑块(13)的顶部与下板(14)底部固定连接； 下板（14)底部还固定连接有用于驱动下板（14)移动的滚珠丝杠机构（18)，滚珠丝杠机 构（18)与上位机(25)电连接，滚珠丝杠机构（18)与上位机(25)之间还设有控制器(26)，轴 向导轨（16)两端固定连接有用于支承滚珠丝杜机构（18)的安装座（19)，滚珠丝杜机构（18 ) 带动下板(14)在轴向导轨(16)上移动，实现环形架机构轴向位置的调整。5. 根据权利要求4所述的旋压过程中的筒型件外径在线检测装置，其特征在于:所述下 板（14)与导轨滑块（13)之间、以及下板（14)与滚珠丝杠机构（18)之间设有振动补偿器，该 振动补偿器包括传感器、激振器、功率放大器、滤波器、工控机。6. 根据权利要求2所述的旋压过程中的筒型件外径在线检测装置，其特征在于:所述上 板(8)横向边沿设有尺寸刻度线。7. 根据权利要求1所述的旋压过程中的筒型件外径在线检测装置，其特征在于:所述环 形架机构包括上、下两个半圆弧形架，二者通过凹、凸止口配合连接形成圆环(4)，下面的半 圆弧形架下端连接有倒T形支撑座(6)。8. 根据权利要求1所述的旋压过程中的筒型件外径在线检测装置，其特征在于:所述圆 环(4)上设有用于调整位移传感器(22)在圆环(4)径向方向与被测物之间距离的调整装置， 该调整装置包括与圆环(4)固定的固定座（2)、可在固定座（2)上滑动的滑块(3)、推动滑块 (3)滑动的第二螺纹推杆（1)，固定座(2)与滑块(3)之间设有轨道，所述位移传感器(22)安 装于滑块(3)上。9. 根据权利要求8所述的旋压过程中的筒型件外径在线检测装置，其特征在于:所述固 定座(2)侧边设有尺寸刻度线。10. 根据权利要求1所述的旋压过程中的筒型件外径在线检测装置，其特征在于:所述 角度传感器(23)通过外向联轴器与旋压机床芯轴(27)连接。
【文档编号】G01B21/10GK105928479SQ201610249802
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月20日
【发明人】谭建平, 文学, 黄涛, 李新和, 刘溯奇, 曾乐
【申请人】中南大学