CN102032861B - 大长径比管件内径多参数测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大长径比管件内径多参数测量装置，其特征是设置测量平台，在测量平台的两端分别设置管件的夹持机构与测量机构；测量机构包括：布置于测量平台一端的导轨，在导轨内水平设有由手轮驱动的丝杠，并在导轨上匹配设有由丝杠驱动的能够沿导轨水平滑动的滑块，滑块上可拆装地连接有向夹持机构所在处延伸的夹持杆，并在夹持杆的端部设置有传感器；管件由夹持机构水平固定夹持，且管件的轴线与传感器的轴线垂直。本发明可以同时给出被测量管件的内径、圆度、直线度。而传感器测头可以到达测量空间内的任意截面进行测量，没有测量死点。

Description

大长径比管件内径多参数测量装置及其测量方法

技术领域：

本发明涉及一种大长径比管件内径多参数测量装置及其测量方法。

背景技术：

轴类零件和孔类零件的测量在所有制造业中占有非常重要的地位，测量的结果直接会影响到配合的质量和产品的使用性能。由于受到工件尺寸和本身结构的影响，孔类零件无论是在加工精度还是测量精度上都比轴类零件要低。加上活动空间比较小，测量器具的尺寸受到严格的限制，使得量具本身零部件加工、装配难度加大，整体的测量精度不高。光学仪器的测量精度一般较高，但被测量为内表面，一般的光学方法，如投影法、衍射法等，不能使用，另外空间较小光路设计比较困难。目前工厂常用的内径的测量仪多是接触式机械测量仪，主要有：内径千分尺、内径百分表、内径千分表等。三坐标测量机是近年来迅速发展起来的新型精密测量仪器，用于各种零件形体几何参数测量及形位误差测量，在现代制造业的质量控制中具有重要地位与作用，目前三坐标测量机的功能愈来愈强、精度愈来愈高。三坐标测量机的测头在被测孔的圆周上任意的测量至少三个点的坐标，然后测量软件根据编好的算法，如最小二乘法，拟合出一个圆，给出圆的直径以及圆度误差。不过由于受到测杆长度的限制，只能测量孔口一小段的直径和圆度，另外，由于每件产品在测量时位置都有变化需要重新调平，手动测量一遍坐标系元素，因此三坐标测量机很难实现现代生产提出的快速、快捷、在线的测量要求。

发明内容：

为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种在精度上高于传统的内径测量仪，且制造成本低、操作方便快捷，计算方法先进的内孔多参数测量装置。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

大长径比管件内径多参数测量装置，其特征是设置测量平台，在所述测量平台的两端分别设置管件的夹持机构与测量机构；

所述测量机构包括：布置于所述测量平台一端的导轨，在所述导轨内水平设有由手轮驱动的丝杠，并在导轨上匹配设有由所述丝杠驱动的能够沿导轨水平滑动的滑块，所述滑块上可拆装地连接有向所述夹持机构所在处延伸的夹持杆，并在夹持杆的端部设置有传感器；所述管件由所述夹持机构水平固定夹持，且管件的轴线与所述传感器的轴线垂直。

本发明的结构特点也在于：

所述夹持机构包括：靠近所述测量机构一端的第一支架及远离所述测量机构一端的第二支架，所述第二支架上设有以对所述管件的一端部形成固定支撑的顶尖，所述第一支架上设有四抓卡盘，所述四抓卡盘的卡爪以对所述管件的另一端形成夹持固定，且第一支架上还设有能将所述传感器沿被测管件的轴线引入其内腔的导入装置。

所述传感器呈圆盘形，其盘面中部垂直连接于所述夹持杆的端部，在传感器盘面的圆周上等分分布有四根电感测微头，各电感测微头沿传感器盘面的径向伸入传感器内腔，并在传感器内腔设有与电感测微头固联的第一锲块，传感器内腔中可滑动的第二锲块的斜面与所述第一锲块的斜面相对，且所述第一锲块与第二锲块的斜面沿所述传感器盘面的径向设置。

采用本发明的测量装置对大长径比管件内径多参数测量的方法，包括如下步骤：

A、将待测管类零件水平夹持在第一支架及第二支架上；

B、摇动手轮驱动滑块、夹持杆及传感器朝向待测管类零件移动；

C、通过第二砌块微调电感测微头的伸出长度，使电感测微头的外端抵触被测管类零件的内壁；

D、摇动手轮驱动传感器继续向管类零件内腔行进，测量时电感测微头检测出被测内孔的信息，并产生感应信号，经信号放大单元放大后，传输到数据采集单元；

E、计算机对采集到的感应信号进行处理，先将每个电感测微头感应的变化转化为测微头的位置坐标，然后用最小二乘法拟合出一个圆，求出内孔的直径和圆度，并显示出来；电感测微头在被测内孔表面连续采样后，每个电感测头的变化量便是被测内孔的直线度。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明测量结构设计合理。电感测微头采用瑞士TESA生成的高精度电感传感器，技术参数为：分辨率为0.2μm，线性误差为0.2％，满量程为±0.5mm，整体精度较高。每根传感器上都带有微动调整装置，可以保证传感器的测头和被测孔孔壁良好接触。电感测头两两相对布置，成十字形装夹在测头上，这样布置不是为了获得两组直径，而是为了确定由加工和装配而引入的系统误差。

2、本发明计算方法更科学。数据采集卡采集到传感器输出的带有被测孔信息的信号后，并没有直接由示值的变化求出直径，而是先根据每个测微头示值的变化，分析有没有位置偏差，确定偏差大小，获得各个测微头端部的位置坐标，计算机对这些点的坐标进行最小二乘法拟合，求出孔的直径、圆度，并生成检验记录，方便打印或保存。

3、本发明可以测量内孔的多个参数。可以同时给出被测量孔类零件的内径、圆度、直线度。可对传感器测头可以达到测量范围内的任意截面进行测量，操作方便，测量速度快。

附图说明：

图1为本发明传感器的结构示意图；图2为图1的A-A剖视图；图3为本发明测量机构的结构示意图；图4为本发明的整体结构示意图。

图中标号：1平台，2导轨，3丝杠，4滑块，5夹持杆，6传感器，61传感器盘面，62电感测微头，63第一锲块，62第二砌块，7手轮，8第一支架，9第二支架，10顶尖，11四爪卡盘，12导入装置，13夹持机构，14测量机构，15管件。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。

具体实施方式：

实施例：本实施例的测量装置如图4所示，适于测量大长径比管件的内径、圆度、直线度等多参数，该测量装置包括：一个平整的测量平台1，在测量平台1的两端分别设置管件的夹持机构13与测量机构14。

参见图3，测量机构14包括：布置于测量平台一端的导轨2，在导轨内部水平设有丝杠3，丝杠3由手轮7驱动水平转动，并在导轨2上设有与其匹配的滑块4，滑块由丝杠3驱动能够沿导轨水平往复滑动，在滑块上可拆装地连接有向夹持机构13所在处延伸的夹持杆5，并在夹持杆5的端部设置有四个传感器6，传感器的轴线与夹持杆轴线垂直。

所述管件15由夹持机构13水平固定夹持，且管件的轴线与所述传感器的轴线垂直。

所述夹持机构包括：靠近测量机构14一端的第一支架8及远离测量机构一端的第二支架9，第二支架上设有以对管件15的一端部形成固定支撑的顶尖10，第一支架上设有四抓卡盘11，所述四抓卡盘的卡爪以对所述管件15的另一端形成夹持固定，且第一支架上还设有能将所述传感器沿被测管件的轴线引入其内腔的导入装置12。

参见图1、2，传感器6呈圆盘形，其盘面中部垂直连接于夹持杆5的端部，在传感器盘面61的圆周上等分分布有四根电感测微头62，各电感测微头沿传感器盘面的径向伸入传感器内腔，并在传感器内腔设有与电感测微头固联的第一锲块63，传感器内腔中可滑动的第二锲块64的斜面与所述第一锲块的斜面相对，且所述第一锲块与第二锲块的斜面沿所述传感器盘面61的径向设置。沿图2箭头所示的方向调整第二锲块64，第二砌块可驱动第一砌块63沿电感测微头的轴线方向滑动，并带动调整电感测微头的伸出长度。

参见图4，在实施测量的过程中，测量机构和夹持机构放置在测量平台1上，并且四爪卡盘11、顶尖10和传感器夹持杆5中心在同一条直线上。第一支架8和第二支架9之间的距离，可以根据被测管件的长度进行调节，满足不同长度产品的测量要求。整个装置的测量范围由丝杠3的工作长度决定，最大测量范围为两倍的丝杠工作长度，当超过一倍的工作长度时，可以将被测管件调头进行测量。

具体步骤如下所述：

首先将待测管类零件水平夹持在第一支架8及第二支架9上；通过第二砌块64微调电感测微头62的伸出长度，使电感测微头的外端抵触被测管类零件的内壁；相邻两根电感测微头轴线之间的夹角为90°。理想的状况下，四个测微头对应了四个基本的坐标点，(L₁，0)、(0，L₂)、(-L₃，0)、(0，-L₄)，L_i为测量时传感器盘面的中心至电感测微头端部长度。实际测量相对于被测圆的坐标存在误差，此时四个测头的坐标值为：(L₁，δ₁)、(δ₂，L₂)、(-L₃，δ₃)、(δ₄，-L₄)，利用这四个点的坐标采用最小二乘法拟合出一个圆，从而求出被测圆的直径。

根据最小二乘原理，得到一个目标函数：

$F(x_0,y_0,C)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i^2+y_i^2-2x_0{x}_i-2y_0{y}_i+C)}^2$

根据极值条件可以得到如下方程组：

$\frac{\∂F}{\∂x_0}=0,\frac{\∂F}{\∂y_0}=0,\frac{\∂F}{\∂C}=0$

解上列方程组可得：

$x_0=\frac{S_{12}{S}_{23}-S_{13}{S}_{22}}{S_{12}^2-S_{11}{S}_{22}}$

$y_0=\frac{S_{12}{S}_{13}-S_{11}{S}_{23}}{S_{12}^2-S_{11}{S}_{22}}$

$C=\frac{1}{N}[2x_0\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i+2y_0\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(x_i^2+y_i^2)]$

其中：

$S_{11}=2[\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2-\frac{1}{N}{\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\right)}^2]$

$S_{12}=2[\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i-\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i]$

$S_{13}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(x_i^3+x_i{y}_i^2)-\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(x_i^2+y_i^2)$

$S_{22}=2[\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i^2-\frac{1}{N}{\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\right)}^2]$

$S_{23}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(x_i^2{y}_i+y_i^3)-\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(x_i^2+y_i^2)$

可以求出直径值为：

$d=2\sqrt{x_0^2+y_0^2-C}.$

Claims (3)

1.大长径比管件内径多参数测量装置，其特征是设置测量平台(1)，在所述测量平台的两端分别设置管件的夹持机构(13)与测量机构(14)；

所述测量机构包括：布置于所述测量平台一端的导轨(2)，在所述导轨内水平设有由手轮(7)驱动的丝杠(3)，并在导轨上匹配设有由所述丝杠驱动的能够沿导轨水平滑动的滑块(4)，所述滑块上可拆装地连接有向所述夹持机构所在处延伸的夹持杆(5)，并在夹持杆的端部设置有传感器(6)；

所述管件(15)由所述夹持机构(13)水平固定夹持，且管件的轴线与所述传感器(6)的轴线垂直；

所述传感器(6)呈圆盘形，其盘面中部垂直连接于所述夹持杆(5)的端部，在传感器盘面(61)的圆周上等分分布有四根电感测微头(62)，各电感测微头沿传感器盘面的径向伸入传感器内腔，并在传感器内腔设有与电感测微头固联的第一锲块(63)，传感器内腔中可滑动的第二锲块(64)的斜面与所述第一锲块的斜面相对，且所述第一锲块与第二锲块的斜面沿所述传感器盘面(61)的径向设置。

2.根据权利要求1所述的大长径比管件内径多参数测量装置，其特征是所述夹持机构(13)包括：靠近所述测量机构一端的第一支架(8)及远离所述测量机构一端的第二支架(9)，所述第二支架上设有以对所述管件的一端部形成固定支撑的顶尖(10)，所述第一支架上设有四抓卡盘(11)，所述四抓卡盘的卡爪以对所述管件的另一端形成夹持固定，且第一支架上还设有能将所述传感器(6)沿管件的轴线引入其内腔的导入装置(12)。

3.一种采用权利要求2所述的测量装置对大长径比管件内径多参数测量的方法，其特征是包括如下步骤：

A、将待测管件水平夹持在第一支架(8)及第二支架(9)上；

B、摇动手轮驱动滑块(4)、夹持杆(5)及传感器(6)朝向待测管件移动；

C、通过第二锲块(64)微调电感测微头(62)的伸出长度，使电感测微头的外端抵触被测管件的内壁；

D、摇动手轮驱动传感器(6)继续向管件内腔行进，测量时电感测微头检测出被测内孔的信息，并产生感应信号，经信号放大单元放大后，传输到数据采集单元；

E、计算机对采集到的感应信号进行处理，先将每个电感测微头感应的变化转化为测微头的位置坐标，然后用最小二乘法拟合出一个圆，求出内孔的直径和圆度，并显示出来；电感测微头在被测内孔表面连续采样后，每个电感测头的变化量便是被测内孔的直线度。

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