自定心孔径测量机器人的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种自定心孔径测量机器人，包括定心测量装置、行进装置、控制装置和控制终端，行进装置通过万向连轴器与定心测量装置的定心轴相连，行进装置包括驱动电机、驱动转轴、第二套筒、轮架和行走轮，所述驱动电机连接驱动转轴，驱动转轴连接第二套筒，第二套筒的侧壁设置多组轮架，每条轮架的自由端安装行走轮，行走轮的转动轴线与第二套筒的轴线呈一锐角倾斜角；驱动转轴驱动第二套筒旋转，带动定心装置移动；控制装置分别连接控制终端、定心测量装置的第一电机、测距传感器和行进装置的驱动电机。本发明相比于现有的测量装置，使用螺旋式行进装置来驱动定心测量装置在孔内移动，测量精度高、安装方便、移动灵活、适用范围广。
【专利说明】
自定心孔径测量机器人
技术领域
[0001 ]本发明涉及孔径测量技术领域，具体涉及一种自定心孔径测量机器人。
【背景技术】
[0002]在飞机、轮船、卡车等大型精密仪器生产中，零部件的内径测量是一项非常重要的工序。为此，国内外学者对零件加工过程中的内径测量进行了大量的研究。目前，常见的内径测量法有内径千分尺接触式测量法、多普勒效应法、激光干涉仪测量法、激光杠杆法等非接触测量方法。内径千分尺测量法测量效率低、测量参数少、测量可重复性差、稳定性不高，同时易受环境和操作人员的影响。多普勒效应法、激光干涉仪法、激光杠杆法等非接触式测量方法测量精度较高，但由于现场环境以及仪器组建的复杂性不适合工件的现场测量。而且，上述的几种方法大都不适合深孔的孔径测量。
[0003]名为“一种自定心深孔参数测量装置”(公开号为CN105371775A)的专利公开了一种自定心深孔参数测量装置，包括定心装置、测量记录装置和行进装置。定心装置位于工件的深孔中，包括套筒、定心轴、两个锥形体、六个测杆和弹簧。测量记录装置包括固定在定心轴两端的两个测距传感器，两个测距传感器均与控制终端电连接。行进装置包括第二电机、卷筒和柔性绳索，柔性绳索的一端与定心轴的一端连接，另一端缠绕在卷筒上，卷筒的转轴与第二电机的输出轴连接。在弹簧恢复力作用下两个锥形体向两侧移动，测杆在滑槽中滑动，导致测杆沿筒体径向向外移动，直至测杆的测头与工件深孔的内壁相抵触，使得两个锥形体处于受力平衡状态，此时定心轴位于件深孔的轴线上，达到深孔定轴的目的，保证工件深孔相关参数的精确测量。而其中定心装置是通过柔性绳索拖曳实现在孔内沿轴线方向移动的，此种移动方式具有较大的局限性，测量范围有限且不方便，而当深孔的轴线发生变化时，定心装置移动困难且测量精度低，且无法实现盲孔的孔径测量。
【发明内容】
[0004]为解决上述问题，本发明提出了一种自定心孔径测量机器人，在满足工件深孔参数的精确测量前提下，又能在孔径轴线发生变化时顺利拐弯，在孔内自由移动，也可实现较深盲孔的孔径参数测量。
[0005]本发明的具体技术方案如下:一种自定心孔径测量机器人，包括定心测量装置、行进装置、控制装置和控制终端。
[0006]定心测量装置包括第一套筒、定心轴、两个锥形体、六个测杆和第一弹簧，定心轴位于第一套筒的轴线上，且定心轴通过轴承与第一套筒连接，第一套筒的筒壁上开设有两组通孔，每组通孔为三个，且三个通孔沿圆周均匀分布;两个锥形体和第一弹簧位于第一套筒中，且活动式套设在定心轴上，两个锥形体的锥部分别朝向定心轴的两端，第一弹簧设置在两个锥形体之间；所述每个锥形体的锥面均匀开设有三个滑槽，且三个滑槽分别沿锥形体沿母线方向开设，六个测杆分别穿过套筒筒壁上的通孔;每个测杆的一端卡设在一个滑槽中。当定心装置位于工件的深孔内进行测量时，六个测杆分别穿过第一套筒筒壁上的通孔;每个测杆的一端卡设在一个滑槽中，另一端与工件深孔的内壁接触，第一弹簧处于压缩状态。第一套筒上固定设置有第一电机，第一电机的输出轴通过齿轮机构与定心轴连接，第一电机通过齿轮机构驱动定心轴转动。
[0007]行进装置包括驱动电机、驱动转轴、第二套筒、轮架和行走轮，所述驱动电机连接驱动转轴，驱动转轴连接第二套筒，第二套筒通过万向连轴器与定心测量装置的定心轴相连;第二套筒的侧壁设置一组及以上的轮架，每组轮架有三条，且三条轮架沿第二套筒的周向均匀分布，每条轮架的一端与第二套筒连接，另一端安装行走轮，所有行走轮的转动轴线相互平行且与第二套筒的轴线呈锐角倾斜角；驱动转轴驱动第二套筒旋转，带动定心装置移动；
[0008]控制装置分别连接控制终端、行进装置的驱动电机、定心测量装置的测距传感器和第一电机。控制装置用于接收控制终端的控制信号，控制行进装置的移动以及定心轴的转动，并将距离传感器测得的数据传输给控制终端。
[0009]作为本发明的进一步改进，所述第二套筒侧壁上设置两组轮架。
[0010]轮架组数越多，行进装置在孔内行走时稳定性越好，但行走轮越多，与孔内壁的摩擦也就越大，行走需要较大的驱动力，介于稳定性与驱动力的考虑，设置两组轮架较为合适。
[0011 ]作为本发明的进一步改进，所述第二套筒侧壁设有通孔，轮架上套设第二弹簧，轮架的一端穿过通孔与卡持件连接，卡持件用于将轮架限制在第二套筒侧壁上。
[0012]轮架与第二套筒侧壁通过孔轴连接，可旋转轮架来调整行走轮的转动轴线与第二套筒的轴线之间的倾斜角，即螺旋角，也可调整轮架伸入第二套筒的长度来调整行走轮到第二套筒的距离。轮架上套设第二弹簧，在第二弹簧的作用下，行走装置能够适应管径变化，在行进过程中行走轮始终与孔内壁紧贴，即使在孔径变化的孔内也能移动流畅。
[0013]作为本发明的进一步改进，所述行进装置还包括调整电机、螺杆和三叉元机构，所述调整电机固定设置在第二套筒内，调整电机连接螺杆，螺杆上套设三叉元机构，三叉元机构的每个连接杆均连接有U型杆，U型杆的两臂分别连接处于同一轴线上的两个轮架的侧壁，调整电机驱动螺杆旋转，三叉元机构在螺杆上移动，通过三个U型杆带动六个轮架转动相同角度;所述控制装置连接调整电机。
[0014]调整电机驱动螺杆转动一定角度，由于三叉元机构与螺杆之间为螺纹连接，三叉元机构在螺杆上移动，从而带动三个U型杆移动，继而使六个轮架向同一方向转动同一角度，达到可以控制螺旋角和步距的目的。机器人无需测量时可以加快行进速度，或者碰到障碍时，也可以通过控制螺旋角偏转，退出管道，还可以通过调整轮架偏转方向实现在孔内既可前进也可后退。
[0015]作为本发明的进一步改进，所述控制装置与驱动电机、调整电机、第一电机和测距传感器之间为有线连接，与控制终端之间为无线连接。
[0016]控制装置、驱动电机、第一电机、调整电机与测距传感器均安装在机器人上，它们之间距离短，使用有线连接简单方便，而控制终端在孔外部，若使用有线连接，在深孔内或轴线发生变化的孔内，布线有可能会影响机器人在孔内移动，故控制终端与机器人使用无线通信较为合适。
[0017]作为本发明的进一步改进，所述驱动电机为直流减速电机，所述第一电机为步进电机，所述调整电机为步进电机。
[0018]驱动电机用于驱动机器人在孔内行走，一般选用只要加上合适的电压就能转动的直流电机即可，但是直流电机转速很高，对于控制系统的实时性要求高，而加了减速装置的直流减速电机，其转速被大大降低，有利于控制。第一电机用于驱动定心轴转动从而可测量孔内整个截面的数据，使用步进电机可通过控制其转动角度来控制定心轴的转动角度，有利于提高测量精度。驱动电机用于调整螺旋角的大小，即行走轮的转轴与第二套筒的轴线之间的夹角，使用步进电机更为合适。
[0019]作为本发明的进一步改进，所述控制装置安装在第二套筒的内腔中。
[0020]将控制装置安装在第二套筒的腔体内，一是不占用额外空间，二是第二套筒起到保护控制装置的作用。
[0021 ]采用本发明进行孔参数测定的过程如下:
[0022]1)、根据待测孔的内径，选择相应长度的测杆，将六个测杆分别穿过第一套筒上对应的通孔，安装在锥形体锥面上的六个滑槽中，将测量机器人放入工件的深孔中，在第一弹簧的恢复力作用下两个锥形体受到朝向定心轴端部的推力而分别向两侧移动，但是因为测杆穿过第一套筒上的通孔，则测杆相对第一套筒轴线方向的位置是固定的，那么两个锥形体向两侧移动时，测杆在滑槽中滑动，导致测杆沿第一套筒径向向外移动，直至测杆的测头与工件深孔的内壁相抵触，最终使得两个锥形体处于受力平衡状态，相对第一套筒静止，此时，定心轴位于工件孔的轴线上，定心装置与工件孔同轴，保证测量精度。控制终端发送采集数据信号给控制装置，控制装置控制分别设置在定心轴两端的两个测距传感器，测出工件孔当前截面当前角度的孔径尺寸量，并将测量数据传输给控制终端，控制终端对测量数据进行记录、显示。
[0023]2)、控制终端发送第一电机控制信号给控制装置，控制装置控制第一电机通过齿轮机构驱动定心轴旋转，每转过一定角度记录当前的孔径尺寸，从而完成整个截面的数据测量。
[0024]3)、当前截面的所有数据记录完成后，控制终端发送移动控制信号给控制装置，控制装置控制驱动电机驱动第二套筒转动，带动定心装置沿工件孔的轴线方向移动，进行下一个截面的参数测量。
[0025]本发明的有益效果:本发明相比于现有的自定心深孔参数测量装置，使用了螺旋式的行进装置来驱动定心测量装置在孔内移动，通过控制驱动电机正、反转来控制测量机器人在孔内分别向前、后方向移动，不需通过外部拽拉实现移动，可测量盲孔的孔径;采用万向连轴器连接行进装置与定心装置，使测量机器人能够通过弯道，实现了测量机器人在孔轴线发生变化的孔内也能顺利行进并进行测量。本发明不仅保留了现有自定心深孔参数测量装置的测量精度高、安装方便等优势，还具有移动灵活、适用范围广等优点。
【附图说明】
[0026]图1是本发明自定心孔径测量机器人位于待测孔内的示意图。
[0027]图2是本发明实施例1中行进装置的结构示意图。
[0028]图3是本发明实施例2中行进装置的结构示意图。
[0029I图4是图3中三叉元机构的示意图。
[0030]图中标记:
[0031 ] 1.定心测量装置，11.定心轴，21.第一电机，22.测距传感器，30.驱动电机，31.驱动转轴，32.第二套筒，33.轮架，34.行走轮，35.第二弹簧，36.调整电机，37.螺杆，38.三叉元机构，39.U型杆，4.万向连轴器，51.控制装置，52.电池。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图与具体实施例对本发明做进一步说明。
[0033]实施例一
[0034]如图1所示，一种自定心孔径测量机器人，包括定心测量装置1、行进装置和控制装置51。定心测量装置I包括第一套筒、定心轴11、两个锥形体、两个轴承、六个测杆和第一弹簧，定心轴11位于第一套筒的轴线上，且定心轴11通过两个轴承与第一套筒连接，第一套筒的筒壁上开设有两组通孔，每组通孔为三个，且三个通孔均布在与第一套筒轴线垂直的截面上;两个锥形体和第一弹簧位于第一套筒中，且活动式套设在定心轴11上，两个锥形体背向设置，且两个锥形体的锥部分别朝向定心轴11的两端，第一弹簧设置在两个锥形体之间；每个锥形体的锥面上沿母线方向均匀开设有三个滑槽，六个测杆分别穿过第一套筒筒壁上的通孔，测杆包括套杆和测头，测头与套杆螺纹连接，套杆的一端卡设在一个滑槽中，第一弹簧处于压缩状态，一个锥形体上沿其轴线方向开设有卡槽，第一套筒上设置有销钉，销钉的一端活动式卡设在锥形体的卡槽中。定心轴11的两端各设置一个测距传感器22，第一套筒上固定设置有第一电机21，第一电机21的输出轴通过齿轮机构与定心轴11连接。
[0035]如图2所示，本实施例中行进装置包括驱动电机30、驱动转轴31、第二套筒32、轮架33和行走轮34，所述驱动电机30连接驱动转轴31，驱动转轴31连接第二套筒32，第二套筒32的侧壁设置一组或一组以上轮架33，其中沿周向均匀设置的三条轮架为一组，每条轮架的一端连接第二套筒的侧壁，另一端安装行走轮34，所有行走轮34的转动轴线相互平行且与第二套筒32的轴线呈一锐角倾斜角，这样行走轮与孔内壁接触点的运动轨迹为沿着孔轴线的空间螺旋线，第二套筒32与定心轴11通过万向连轴器4连接。驱动转轴在驱动电机的驱动下转动，进而带动第二套筒转动，在第二套筒上行走轮34与孔内壁的摩擦作用下，行进装置沿孔的轮廓移动，通过万向连轴器4的牵引，拉动定心装置沿孔轴线移动。而当遇到孔轴线发生变化时，在万向连轴器4的配合下，行进装置先行拐弯，然后再拉拽定心装置I进行拐弯。
[0036]本实施例中设置有两组共六条轮架，第二套筒的侧壁设有对应的六个通孔，每条轮架33套设有第二弹簧35，轮架33的一端穿过通孔与卡持件连接，卡持件用于将轮架限制在第二套筒的侧壁上，防止掉落。通过旋转轮架来调整行走轮的转动轴线与第二套筒的轴线之间的倾斜角，即螺旋角，也可调整轮架伸入第二套筒内的长度来调整行走轮与第二套筒之间的距离。轮架上33套设第二弹簧35，在第二弹簧的作用下当遇到孔径变化时，轮架会在第二弹簧的作用下，自适应性调整伸入第二套筒的长度，从而使得行走轮34在整个移动过程中始终与管道内壁相接触，保证测量机器人的顺利行进。
[0037]控制装置51与电池52安装在第二套筒32的内腔中，控制装置51分别连接行进装置的驱动电机30和测量记录装置的第一电机21、测距传感器22及控制终端(图中未标出)。控制装置用于接收控制终端的控制信号，控制行进装置的移动以及定心轴的转动，并将距离传感器测得的数据传输给控制终端。
[0038]本实施例中，控制装置与驱动电机、第一电机和测距传感器之间为有线连接，与控制终端之间为无线连接，驱动电机选用直流减速电机，第一电机选用步进电机。
[0039]实施例二
[0040]如图3所示，本实施例与实施例一的区别在于行进装置还包括调整电机36、螺杆37和三叉元机构38，所述调整电机36固定设置在第二套筒32内，调整电机36的输出轴通过联轴器与螺杆37连接，图4为三叉元机构的示意图，三叉元机构的中心设有螺纹孔，螺杆37与三叉元机构38螺纹连接，三叉元机构38的每个连接杆均连接有U型杆39，U型杆39的两个短轴分别连接处于同一轴线上的两个轮架33的侧壁，U型杆39与轮架33也通过螺纹连接，调整电机36连接控制装置51。本实施例中，控制装置与调整电机之间为有线连接，调整电机为步进电机。控制装置控制调整电机带动螺杆转动一定角度，由于三叉元机构与螺杆是通过螺纹连接，三叉元机构在螺杆上移动，从而带动三个U型杆移动，继而使六个轮架向同一方向转动同一角度，达到可以控制螺旋角和步距的目的。
[0041 ]采用实施例二进行孔参数测定的过程如下:
[0042]1)、根据待测孔的内径，选择相应长度的测杆，将六个测杆分别穿过筒体上对应的通孔，安装在锥形体锥面上的六个滑槽中，将测量机器人放入工件的深孔中，在弹簧的恢复力作用下两个锥形体受到朝向定心轴端部的推力而分别向两侧移动，但是因为测杆穿过筒体上的通孔，则测杆相对筒体轴线方向的位置是固定的，那么两个锥形体向两侧移动时，测杆在滑槽中滑动，导致测杆沿筒体径向向外移动，直至测杆的测头与工件深孔的内壁相抵触，最终使得两个锥形体处于受力平衡状态，相对筒体静止，此时，定心轴位于工件孔的轴线上，定心装置与工件孔同轴，保证测量精度。控制终端发送采集数据信号给控制装置，控制装置控制分别设置在定心轴两端的两个测距传感器，测出工件孔当前截面、当前角度的孔径尺寸量，并将测量数据传输给控制终端，控制终端对测量数据进行记录、显示。
[0043]2)、控制终端发送第一电机转动角度信息给控制装置，控制装置通过脉冲控制第一电机驱动定心轴旋转控制终端发送的角度，每转过一定角度记录当前的孔径尺寸，从而完成整个截面的数据测量。
[0044]3)、当前截面的所有数据记录完成后，控制终端发送驱动电机转动圈数及进给位置信号给控制装置，控制装置控制驱动电机驱动第二套筒转动，带动定心装置沿工件孔的轴线方向移动，进行下一个截面的参数测量。
[0045]4)、孔内测量结束后，控制终端发送调整电机转动角度信息给控制装置，控制装置通过脉冲控制调整电机经过中间一系列传动机制调整行走轮的螺旋角，加快行进速度退出所测孔。
[0046]本发明不仅保留了现有自定心深孔参数测量装置的测量精度高、安装方便等优势，还具有移动灵活、适用范围广等优点。
【主权项】
1.一种自定心孔径测量机器人，包括定心测量装置、行进装置和控制终端，所述定心测量装置包括定心轴、测距传感器和第一电机，其特征在于:所述行进装置包括驱动电机、驱动转轴、第二套筒、轮架和行走轮，所述驱动电机连接驱动转轴，驱动转轴连接第二套筒，第二套筒通过万向连轴器与定心测量装置的定心轴相连;第二套筒的侧壁设置一组及以上的轮架，每组轮架有三条，且三条轮架沿第二套筒的周向均匀分布，每条轮架的一端与第二套筒连接，另一端安装行走轮，所有行走轮的转动轴线相互平行且与第二套筒的轴线呈锐角倾斜角；驱动转轴驱动第二套筒旋转，带动定心装置移动;所述机器人还包括控制装置，所述控制装置分别连接控制终端、行进装置的驱动电机、定心测量装置的第一电机和测距传感器。2.根据权利要求1所述的自定心孔径测量机器人，其特征在于:所述第二套筒侧壁设置两组轮架。3.根据权利要求2所述的自定心孔径测量机器人，其特征在于:所述第二套筒侧壁设有通孔，轮架上套设第二弹簧，轮架的一端穿过通孔与卡持件连接，卡持件用于将轮架限制在第二套筒侧壁上。4.根据权利要求3所述的自定心孔径测量机器人，其特征在于:所述行进装置还包括调整电机、螺杆和三叉元机构，所述调整电机固定设置在第二套筒内，调整电机连接螺杆，螺杆上套设三叉元机构，三叉元机构的每个连接杆均连接有U型杆，U型杆的两臂连接处于同一轴线上的两个轮架；调整电机驱动螺杆旋转，三叉元机构在螺杆上移动，通过三个U型杆带动六个轮架转动相同角度;所述控制装置连接调整电机。5.根据权利要求4所述的自定心孔径测量机器人，其特征在于:所述控制装置与驱动电机、调整电机、第一电机和测距传感器之间为有线连接，与控制终端之间为无线连接。6.根据权利要求4所示的自定心孔径测量机器人，其特征在于:所述驱动电机为直流减速电机，所述调整电机为步进电机，所述第一电机为步进电机。7.根据权利要求1所示的自定心孔径测量机器人，其特征在于:所述控制装置安装在第二套筒的内腔中。
【文档编号】G01B21/14GK106066165SQ201610591282
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年7月25日
【发明人】赵海峰, 郭燕, 段向军, 单以才, 朱方园, 王国东, 殷学强
【申请人】南京信息职业技术学院