一种深孔圆度与直线度测量装置的制作方法

本发明涉及深孔检测技术领域，具体的说是一种深孔圆度与直线度测量装置。

背景技术：

机械制造业一般将长径比超过10的内孔称之为深孔。深孔加工加工复杂且特殊，除对刀具和加工方式的特殊需求外，加工部位与刀具状态难以观察、排屑困难、冷却液输送困难等问题导致深孔零件常出现孔轴线直线度差，内表面加工质量差等现象，因而深空零件的直线度和圆度对产品质量的好坏至关重要，目前常用的直线度测量方法有光轴法、超声波测壁厚法、感应片式应变片法等方法，常用的圆度测量方法有三点法和两步法，虽测量理论已日趋完善，但针对直线度和圆度测量的实际产品却寥寥无几，尤其集成了直线度和圆度同时测量的产品更为稀少。

中国专利文献cn110160462a公开了一种大型深孔零件镗削过程圆度与直线度的检测方法，先构建大型深孔零件圆度、直线度检测系统，激光位移传感器发射的激光经过反射棱镜，被分为两束光，一束光沿原光路返回至激光位移传感器，另一束光透过分光镜照射在位置敏感探测器上，激光位移传感器、位置敏感探测器将采集到的信息实时传输至数据采集卡，再通过数据储存模块、预处理模块的处理，最终在误差评定模块中对测得的圆度、直线度误差进行评定。该方法中圆度和直线度评定系统固定在刀杆上，而刀杆运行过程中，由于端部悬空，刀杆旋转过程中会产生振动，影响测量结果，降低测量精度。

中国专利文献cn110160464a公开了一种用于测量内孔圆柱度的装置及其使用方法，利用本发明的一种用于测量内孔圆柱度的装置对被测工件的被测内孔进行检测时，通过第一检测杆、第二检测杆和第三检测杆在不同测量截面检测得出测量值并计算出被测内孔在测量截面上的圆度误差，并根据每个测量截面处第一检测杆、第二检测杆、第三检测杆以及倾角传感器的测量值计算得出被测内孔中心线的直线度误差，根据所得出的各测量截面上的圆度误差及被测内孔中心线的直线度误差就能够计算得出被测内孔的圆柱度误差。该装置中检测杆悬空固定在待测孔内，并且当孔深较大时，相应检测杆需加长，而检测杆越长，其测量过程中晃动越严重，进而影响测量结果。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的问题，本发明公布了一种深孔圆度与直线度测量装置，解决了现有技术中测量装置测量精度低问题，保持测量装置与深孔零件同轴，减小测量过程中振动干扰，进一步提高了深孔圆度与直线度测量精度。

圆度测量原理为利用激光位移传感器测量某一深孔截面，可以得到测量截面轮廓在相对坐标系下的相对坐标。经过坐标变换后，可以转化为绝对坐标系中的实际坐标，得到测量截面轮廓的实际坐标。通过现有的圆度评估方法，例如最小区域法、最小二乘圆法，可得到圆度误差。

直线度测量原理为利用最小二乘法对测量界面轮廓的相对坐标进行拟合，得到拟合圆，将拟合圆的圆心视作所测深孔截面的圆心，即可得到截面圆心在相对坐标系下的坐标，通过坐标转换为绝对坐标系中的实际坐标。在确定深孔截面圆心实际坐标的基础上，依次连接各深孔截面圆心，将所得到的曲线视为深孔的实际轴线。在得出深孔实际轴线后，拟合出直径最小且能包覆实际轴线的圆柱面，该圆柱面的直径即为所测深孔的直线度。

本发明所公开的具体的技术方案如下：一种深孔圆度与直线度测量装置，包括轴线位置设有第一通孔的固定筒、连接轴、激光位移传感器、二维位置敏感传感器、倾角传感器、驱动电机和电机支撑块，所述第一通孔内固定连接所述电机支撑块的一端，所述电机支撑块另一端伸出第一通孔外侧；所述二维位置敏感传感器与倾角传感器固定在电机支撑块上，且二维位置敏感传感器与倾角传感器均位于第一通孔外侧；所述驱动电机位于第一通孔内，且驱动电机固定连接在电机支撑块上；所述连接轴位于第一通孔的端部，且所述连接轴一端连接所述驱动电机的驱动轴，连接轴另一端固定连接有安装架，所述安装架上固定连接所述激光位移传感器。

进一步的，所述连接轴与驱动电机之间设有减速器，所述减速器的输入轴与驱动电机的驱动轴固定连接，所述减速器的输出轴与连接轴固定连接。

进一步的，所述连接轴上设有轴承机构，所述轴承机构包括轴承、轴承固定套筒、端盖和轴承锁紧螺母，所述轴承固定套筒固定连接在第一通孔内；所述轴承位于轴承固定套筒内部，所述轴承锁紧螺母与连接轴螺纹连接，所述端盖与固定筒端部固定连接，通过轴承锁紧螺母与端盖将轴承固定在连接轴上。

进一步的，所述固定筒靠近连接轴的端面上设有接近开关，所述安装架上固定连接有定位片，所述定位片沿固定筒轴线每旋转一周，接近开关输出一个电信号。

进一步的，所述固定筒外表面沿周向均匀设有多组支撑行走机构，且所述支撑行走机构的轴线延长线与固定筒轴线相交。

进一步的，所述支撑行走机构包括弹簧、万向球、支撑外筒、第一垫片和第二垫片，所述支撑外筒内设有固定盲孔，所述固定盲孔的底部设有第二通孔；所述第一垫片位于固定盲孔的底部位置，所述第二垫片位于固定盲孔的开口位置，且第二垫片与固定盲孔螺纹连接；所述弹簧位于固定盲孔内第一垫片和第二垫片之间，且所述弹簧一端固定连接第一垫片，另一端固定连接第二垫片；所述万向球包括球体和固定座，所述球体嵌合在固定座一端，且球体可任意方向转动，所述固定座另一端穿过第二通孔与第一垫片固定连接。

进一步的，所述第一通孔的轴线与驱动电机上驱动轴的轴线、减速器上输入输出轴的轴线、连接轴的轴线重合。

进一步的，还包括激光发射器，所述激光发射器位于固定筒靠近二维位置敏感传感器一侧，用于为二维位置敏感传感器提供光源。

本发明同现有技术相比，具有如下优点：

1)本发明中的测量装置集成激光位移传感器、二维位置敏感探测器与倾角传感器，能够在一次测量过程中同时测量深孔零件的圆度与直线度，测量效率高，并且通过多个传感器可进一步提高测量结果的准确度，提升测量精度。

2)本发明中测量装置中设有轴承机构和支撑行走机构，通过轴承机构对连接轴同轴固定，从而避免连接轴晃动，通过支撑行走机构保持测量装置与深孔零件同轴，且移动过程中测量装置移动阻力小，降低移动过程中的振动，从而提高测量精度。

附图说明

图1是本发明实施例中一种深孔圆度与直线度测量装置的结构图；

图2是本发明实施例中支撑行走机构的结构图；

图3是本发明实施例中支撑行走机构沿固定筒周向的布置示意图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

需理解的是，本发明中所声称的“上”“下”“内”“外”等方位是基于附图中“上”“下”“内”“外”方位进行叙述，仅为叙述方便，不能对本发明中得到结构产生限定作用。

此外，术语“第一”“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

实施例：

结合图1-3所示，本实施例中公开的一种深孔圆度与直线度测量装置，包括轴线位置设有第一通孔的固定筒13、连接轴2、激光位移传感器1、二维位置敏感传感器7、倾角传感器8、驱动电机6和电机支撑块11，所述第一通孔内通过连接螺栓12固定连接所述电机支撑块11的一端，所述电机支撑块11另一端伸出第一通孔外侧；所述二维位置敏感传感器7与倾角传感器8固定在电机支撑块11上，且二维位置敏感传感器7与倾角传感器8均位于第一通孔外侧；所述驱动电机6位于第一通孔内，且驱动电机6固定连接在电机支撑块11上；所述连接轴2位于第一通孔的端部，且所述连接轴2一端连接有减速器5，所述减速器5的输入轴与驱动电机6的驱动轴固定连接，所述减速器5的输出轴与连接轴2固定连接，连接轴2另一端固定连接有安装架18，所述安装架18上固定连接所述激光位移传感器1。

所述连接轴2一方面用于连接激光位移传感器1和减速器5，将驱动电机6的扭矩传递至激光位移传感器1上，驱动激光位移传感器1对深孔零件内表面一周进行测量；另一方面用于定位激光位移传感器1的位置，使激光位移传感器1的旋转运动轴线与本发明中测量装置的整体轴线重合并固定，以避免测量过程中由于测量装置旋转产生轴向微小振动，影响测量结果。

所述连接轴2上设有轴承机构，所述轴承机构包括轴承3、轴承固定套筒15、端盖和轴承锁紧螺母14，所述轴承固定套筒15固定连接在第一通孔内；所述轴承3位于轴承固定套筒15内部，所述轴承锁紧螺母14与连接轴2螺纹连接，所述端盖与固定筒13端部固定连接，通过轴承锁紧螺母14与端盖将轴承3固定在连接轴2上。本实施例中轴承3优选采用了两个角接触球轴承，通过背对背的安装方式，减少了轴向窜动，增加了径向和轴向的支撑角度刚性，从而提高了连接轴的抗变形能力，有效避免了连接轴变形对测量结果造成影响。同时轴承3、轴承固定套筒15、端盖和轴承锁紧螺母14四者配合保证了连接轴2与固定筒13的轴线重合，且连接轴2的轴向无窜动，进一步确保测量精度。

所述固定筒13靠近连接轴的端面上设有接近开关16，所述安装架18上固定连接有定位片17，所述定位片17沿固定筒轴线每旋转一周，接近开关16输出一个电信号，所述电信号可参与控制驱动电机6的启停。由于测量装置内设有多条数据线以及电源线，因而可采用驱动电机正反转交替的方式，避免线路缠绕，但由于测量装置中驱动电机6、减速器5、连接轴2等零件配合安装时存在装配间隙，因此激光位移传感器1正反交替转动一周时，驱动电机6正反转动方向存在反向间隙，即驱动电机6实际转动时需首先消除装配间隙，才能驱动激光位移传感器1转动，为保证激光位移传感器1准确测量深孔截面轮廓，采用定位片17与接近开关16记录定位激光位移传感器1实际转动角度，消除反向间隙的影响。

所述固定筒13外表面沿周向均匀设有多个支撑行走机构4，且所述支撑行走机构4的轴线延长线与固定筒13轴线相交。本实施例中固定筒13沿轴向设有两组支撑行走机构4，每组支撑行走机构4沿固定筒13周向间隔120°布置有三个。

所述支撑行走机构4包括弹簧44、万向球41、支撑外筒42、第一垫片43和第二垫片45，所述支撑外筒42内设有固定盲孔，所述固定盲孔的底部设有第二通孔；所述第一垫片43位于固定盲孔的底部位置，所述第二垫片45位于固定盲孔的开口位置，且第二垫片45与固定盲孔螺纹连接；所述弹簧44位于固定盲孔内第一垫片43和第二垫片45之间，且所述弹簧44一端固定连接第一垫片43，另一端固定连接第二垫片45；所述万向球41包括球体和固定座，所述球体嵌合在固定座一端，且球体可任意方向转动，所述固定座另一端穿过第二通孔与第一垫片43固定连接。使用过程中万向球41和第一垫片43可沿支撑外筒42滑动，同时测量装置沿深孔轴线移动过程中，通过多个支撑行走机构4保持测量装置整体轴线与深孔轴线同轴，降低装置轴线与深孔截面圆心之间的偏差值，万向球与深孔内表面滚动接触减小测量装置的移动阻力，同时弹簧可降低移动过程中测量装置的振动，提高测量精度。

所述第一通孔的轴线与驱动电机6上驱动轴的轴线、减速器5上输入输出轴的轴线、连接轴2的轴线重合。

还包括激光发射器10，所述激光发射器10位于固定筒13靠近二维位置敏感传感器7一侧，在测试过程中，测量装置进行移动，而激光发射器10的位置保持固定。当激光照射到二维位置敏感传感器7的光敏面上某点时，横向电场使光产生载流子形成向两端电极流动的电流。当二维位置敏感传感器7发生位置变化时，二维位置敏感传感器7上的光斑在两极间移动，两端输出极的输出电流信号也将随之发生变化，根据电流信号的数值可以计算出光斑点位置坐标，从而得到二维位置敏感传感器7在空间中的位置，由于二维位置敏感传感器7与测量装置位置固定，从而间接获得测量装置的空间位置。

本实施例中为便于牵引测量装置，在激光位移传感器的侧面设有连接绳19和定滑轮20，且所述连接绳19和定滑轮20位于测量装置的轴线延长线上。

本发明中所述激光位移传感器1用于对深孔内表面的截面轮廓进行扫描，反映测量得到截面轮廓的坐标数据；所述二维位置敏感传感器7接收深孔外激光发射器发射的激光，反映测量装置在轴线上实际空间位置；所述倾角传感器8利用内置陀螺仪的角动量守恒原理，计算出倾角传感器在空间中的姿态，进而反映测量装置的实际空间姿态。通过计算机获取二维位置敏感传感器与倾角传感器的两者参数，从而可推知测量装置的空间位姿。

本测量装置的工作原理为：首先在深孔零件上选取多个测量截面，使测量装置在深孔零件内平稳移动，到达一个测量截面时装置停止，驱动电机驱动激光位移传感器对深孔截面轮廓进行扫描，获得测量截面轮廓的相对坐标，同时二维位置敏感传感器与倾角传感器记录测量装置的实际位姿。当截面轮廓测量完成后，根据二维位置敏感传感器和倾角传感器记录的实际位姿，利用计算机对采集的数据进行坐标变换得到测量点在绝对坐标系的实际坐标。

其中，坐标变换方法为：

首先以测量装置中二维敏感传感器的中心为原点建立相对坐标系o′-x′y′z′，以初始测量状态下，此时深孔零件与地面固定连接，测量装置位于深孔内但未进行测量，以此状态下的二维位置敏感传感器的中心为原点建立绝对坐标系o-xyz，此时相对坐标系与绝对坐标系重合。

当测量装置位于测量截面时，倾角传感器得到测量装置的欧拉角，设其旋转顺序为z-y-x，即相对坐标系o′-x′y′z′首先绕z轴旋转角度随后绕y轴旋转角度θ，最后绕x轴旋转角度ψ，得到最终的坐标系。其变换矩阵可表示为：

其中，

ry(θ)、rx(ψ)均为基本变换矩阵。

设二维位置敏感传感器得到的测量装置的位移变动量为(a，b)，沿轴线方向移动的距离为c，二维位置敏感传感器感光面中心与激光位移传感器上激光发射孔的水平距离为l。设激光位移传感器测得截面轮廓上一测量点的相对坐标为(x'，y'，z')，测量点对应在绝对坐标系o-xyz中的实际坐标为(x，y，z)。由于该测量点的相对坐标(x'，y'，z')可通过激光位移传感器直接测的，则根据变换矩阵可求得测量点的绝对坐标(x，y，z)：

圆度测量过程中，通过上述方法测量得到深孔截面一周的轮廓坐标点，通过最小区域法、最小二乘圆法或其他圆度评定方法得到深孔圆度。例如最小二乘圆法：以深孔截面轮廓上各测量点至圆周距离的平方和为最小的圆的圆心为圆心，所作包覆深孔截面轮廓的两同心圆的半径差即为深孔零件的圆度。

直线度测量过程中，首先利用上述方法分别测量得到多个深孔截面轮廓的坐标点，每个深孔截面轮廓分别利用最小二乘法拟合圆，将拟合圆的圆心作为当前深孔截面轮廓的圆心，通过坐标换算得到每个深孔界面轮廓圆心的绝对坐标后，依次连接各深孔截面轮廓的圆心，所得曲线为深孔零件的实际轴线，通过对实际轴线进行拟合，得到直径最小且能包覆实际轴线的圆柱面，该圆柱面即为所测深孔零件的直线度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。