用于大长径比管件内孔多参数测量设备及方法与流程

本发明涉及管件测量设备领域，具体是一种用于大长径比管件内孔多参数测量设备及方法。

背景技术：

孔类零件在民用及国防领域都有十分广泛的应用，如内燃发动机气缸缸体、液压缸的缸体、大型输油管道、火炮的炮管等等。随着我国现代装备制造业的高速发展，在许多应用领域，对孔类零件的内径、圆度、直线度进行高精度、高效率的检测对提高加工质量及产品的性能具有十分重要的意义。而现有的检测系统局限性较大，在对具有较大长径比或孔径较小的孔类零件进行检测时，一种设备往往只能对单一参数进行测量，综合检测成本较高且无法满足现代生产对检测效率提出的更高要求。

目前，对大长径比孔类零件，尤其是孔径较小的零件的内孔参数的精密检测，由于测量空间较为局促及被测件轴向尺寸较大等多种因素的限制,仍然存在较大的困难。现有的测量方案及测量设备绝大多数只能对被测零件的单一参数进行检测。随着光、电传感器在测量中的应用日益广泛，在传统的接触式测量方法之外，也出现了许多非接触式测量方法。目前较为常见测量工具或方法主要有：内径千分尺、三坐标测量机、圆度仪、气动量仪、电容传感器、ccd图像法及结构光测量法。内径千分尺是最为常见的接触式孔径测量工具，但其通过人工操作，测量效率低，且测量范围较为有限。传统的三坐标测量机、圆度仪等测量仪器的测量精度较高且能对内孔的形状误差进行评定，但由于其自身结构的限制，对小尺寸深孔在全长范围内进行完整测量十分困难。气动量仪测量精度高，但其测量间隙极小，对塞规的加工精度要求较高，且测量头的通用性较差，对测量环境的清洁度与湿度也有较高的要求。

电容式传感器测量内径时，对传感器测量头与被测孔的对中精度要求较高，若二者之间存在偏心，则偏心量会严重影响内径测量精度。ccd图像测量法具有非接触、效率高等优点、但这种方法无法对被测件的特定截面进行测量。圆结构光测量法具有非接触测量的优点，测量效率较高，但由于光学系统存在像差、球差等现象，且该测量方法对孔表面的毛刺、杂物和边缘缺陷较为敏感，测量精度受到较多因素的影响，精度及稳定性较差。

技术实现要素：
本专利目的旨在提供一种用于大长径比管件内孔多参数测量设备及方法。克服现有测量设备的局限，实现使用单套系统即可对被测大长径比深孔零件的横截面内径、圆度及内孔直线度等多种几何参数进行同时检测，设备具有较高的测量精度、稳定性以及测量效率。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

用于大长径比管件内孔多参数测量设备，其特征在于：包括测量单元和驱动机构，所述测量单元包括中心轴线沿z向的支撑筒，支撑筒上端共中心轴安装有电机座，支撑筒下端共中心轴连接有轴承座，所述电机座上安装有伺服电机，所述支撑筒内共中心轴转动安装有主轴，主轴上端通过联轴器与伺服电机输出轴传动连接，主轴下部通过轴承转动安装在轴承座内，主轴下端从轴承座下端穿出，且主轴下端一侧安装有接触式位移传感器，所述支撑筒内的主轴上还固定安装有圆光栅盘，支撑筒内还固定安装有与圆光栅盘光学配合的光栅读数头，所述测量单元中支撑筒通过测杆与驱动机构连接，由驱动机构驱动测量单元在z方向直线运动。

所述的用于大长径比管件内孔多参数测量设备，其特征在于：所述主轴为中空结构，支撑筒内还共中心轴设置有旋转导电滑环，该旋转导电滑环的转子共中心轴固定安装在主轴上，旋转导电滑环的定子通过固定在支撑筒内壁上的限位螺钉限位，与支承筒保持静止。所述接触式位移传感器的信号输出电缆经过主轴的中空内部后与旋转导电滑环中转子的输入电缆连接，并由旋转导电滑环中定子的输出电缆输出信号。

所述的用于大长径比管件内孔多参数测量设备，其特征在于：所述主轴从轴承座穿出的下端扩径形成盘体，接触式位移传感器沿盘体径向安装在盘体一侧，其测量方向通过主轴中心轴线并与该轴线垂直。

所述的用于大长径比管件内孔多参数测量设备，其特征在于：所述驱动机构为沿z向运动的线性位移平台，线性位移平台通过中心轴线沿z向的测杆与测量单元中电机座共中心轴连接，由线性位移平台驱动测量单元在z向直线运动，线性位移平台的位移量由直线光栅进行测量。

一种使用用于大长径比管件内孔多参数测量设备的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）、将被测管件安放在测量位置上，并夹紧；

（2）、线性位移平台驱动测杆带动测量单元沿z方向进入被测管件内部，并在第一被测横截面处停止；

（3）、此时接触式位移传感器与被测管件内壁接触，系统获取此时接触点测量值；

（4）、完成一个点的测量后，测量单元内部的伺服电机驱动接触式位移传感器在测量平面内转过预设的角度间隔，实际转动的由角度光栅读数头及圆光栅盘获取；重复步骤（3）的操作。直至完成整个横截面的测量，将该横截面各测量点的测量数据进行处理，即可获得该横截面的直径及圆度。同时，直线光栅获取该横截面在z方向的位置。

（5）、完成一个截面的测量后，线性位移平台驱动测杆，带动测量单元继续沿z方向行进至下一被测横截面处停止，并重复步骤（3）、（4）；

（6）、重复步骤（5），直至完成对被测管件全长范围内的测量，此时可获取被测管件各被测横截面拟合圆心的坐标，结合直线光栅测得的线性位移平台在z方向的位移数据，可对被测管件内孔的直线度进行评定。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明使用单套系统即可对被测大长径比深孔零件的横截面内径、圆度及内孔直线度等多种几何参数进行同时检测，设备具有较高的测量精度及测量效率。

附图说明

图1为本发明测量设备整体示意图。

图2为本发明测量设备的测量单元示意图。

图3为本发明测量设备的测量单元a-a剖面图，其中：

图3a为正视图，图3b为正剖视图。

图4为本发明测量设备中旋转导电滑环定子限位示意图。

图5为本发明测量设备的测量单元测量过程示意图，其中：

图5a为立体视图，图5b为俯视图。

具体实施方式

如图1-图5所示，用于大长径比管件内孔多参数测量设备，包括测量单元11和驱动机构1，测量单元11包括中心轴线沿z向的支撑筒12，支撑筒12上端共中心轴安装有电机座27，支撑筒12下端共中心轴连接有轴承座13，电机座27上安装有伺服电机18，支撑筒12内共中心轴转动安装有主轴16，主轴16上端通过联轴器19与伺服电机18输出轴传动连接，主轴16下部通过轴承转动安装在轴承座13内，主轴16下端从轴承座13下端穿出，且主轴16下端一侧沿主轴16径向安装有接触式位移传感器14，支撑筒12内的主轴16上还固定安装有圆光栅盘25，支撑筒12内还固定安装有与圆光栅盘25光学配合的光栅读数头23，测量单元11中支撑筒12通过测杆10与驱动机构1连接，由驱动机构1驱动测量单元11在z方向进行直线运动。

主轴16为中空结构，支撑筒12内还共中心轴设置有旋转导电滑环，该旋转导电滑环的转子20共中心轴固定安装在主轴16上，与主轴16一同旋转。旋转导电滑环的定子21通过固定在支撑筒12内壁上的限位螺钉22限位，与支承筒12保持静止，如图4所示。接触式位移传感器14的信号输出电缆经过主轴16的中空内部后与旋转导电滑环中转子20的输入电缆连接，并由旋转导电滑环中定子21的输出电缆输出信号。

主轴16从轴承座13穿出的下端扩径形成盘体，接触式位移传感器14接触式位移传感器沿盘体径向安装在盘体一侧，其测量方向垂直于主轴16中心轴线并与该轴线相交。

驱动机构1为沿z向运动的线性位移平台，线性位移平台中位移平台8通过中心轴线沿z向的测杆10与测量单元11中支撑筒12共中心轴连接，由线性位移平台驱动测量单元11在z向直线运动，位移平台8在z方向的位移量由安装在基座2上的直线光栅尺29配合安装在位移平台8上的直线光栅读数头28进行测量。

如图1所示，本发明中驱动机构包括基座2及z方向位移机构，线性位移平台中位移平台8经测杆10与测量单元11连接，伺服电机4通过丝杠6、丝杠螺母7及位移平台8、测杆安装块9驱动测杆10沿z方向的直线运动，测量开始后，测杆10可在伺服电机4的驱动下，带动测量单元11到达被测件的待测横截面处停止并进行测量。位移平台8在z方向的位移量由安装在基座2上的直线光栅尺29和安装在位移平台8上的直线光栅读数头28进行测量。

如图2及图3所示，测量单元11的主体结构主要包括支撑筒12、电机座27、轴承座13、主轴16、测量单元下盖17以及接触式位移传感器14。支撑筒12同时起到将测量单元11与测杆10连接的作用。

如图3所示，测量单元11中，伺服电机18带动接触式位移传感器12在测量平面内绕测杆轴线进行360°旋转并进行测量，接触式位移传感器14旋转角度由光栅读数头23及圆光栅盘25获取。测量单元中，还包括一由旋转滑环实现的走线方式，该方式可保证旋转扫描测量单元的旋转不受线缆约束，实现全角度测量。

测量单元11中，接触式位移传感器14安装在旋转主轴16上，接触式位移传感器14的测量方向通过主轴16的轴线，且与该轴线垂直，测量单元下盖17起到固定接触式位移传感器的作用。伺服电机18驱动主轴16进而带动接触式位移传感器14绕主轴16的轴线进行360°旋转测量。

光栅读数头23和圆光栅盘25组成光栅角度测量系统。光栅读数头23通过读数头支架24固定安装在电机座14底部，圆光栅盘25通过盘毂26固定安装在旋转主轴16上，并与主轴一同旋转。主轴转过的角度可由光栅角度测量系统精确测量，并用于后续计算。

如图3所示，旋转滑环走线方式为：旋转主轴采用中空结构以使线缆通过，旋转滑环的转子20与主轴刚性连接，与主轴一同旋转，滑环定子21利用止转片与限位螺钉22进行限位，与支撑筒保持静止，如图4所示。测量单元中，接触式位移传感器14的信号输出电缆经过主轴中空部分后与滑环转子的输入电缆连接，由滑环定子的输出电缆输出信号，该结构可保证旋转扫描测量单元的旋转不受缆线约束，实现单方向任意角度不间断旋转测量。

一种使用大长径比管件内孔多参数测量设备进行管件测量的测量方法，其测量过程如图5所示，具体描述如下：

测量开始前，将被测管件15安放在测量位置上，并夹紧。同时完成测量单元的初始化。

测量单元完成初始化后，线性位移平台中的伺服电机4驱动测杆10在导轨3上运动，带动测量单元11沿z方向进入被测管件内部，并停止于第一待测横截面处。

测量单元到达待测横截面位置后，此时接触式位移传感器14与被测管件内壁接触，系统获取此时接触点测量值。获取此时接触点的测量值后，系统将此测量值发送至上位机进行计算，可得到被测点坐标值。

完成一个点的测量后，伺服电机18驱动接触式位移传感器14在测量平面内转过设定的角度间隔，并获取下一采样点的测量值，接触式位移传感器实际旋转角度由光栅读数头23及圆光栅盘25获取。如此重复，直至完成整个截面的测量。将该截面内各测量点的测量数据及对应的接触式位移传感器转动角度值进行处理，即可获得该截面的直径及圆度。同时，直线光栅读数头28配合直线光栅尺29获取该横截面在z方向的位置。

完成一个截面的测量后，线性位移平台中的伺服电机4驱动测杆10，带动测量单元11继续沿z方向行进至下一被测截面处停止，并执行单一截面测量程序。如此重复，直至完成对被测管件全长的测量。

此时可获取被测管件各被测截面拟合圆心的坐标，结合直线光栅测得的线性位移平台在z方向的位移数据，可对被测管件内孔的直线度进行评定。