本發(fā)明涉及管件測(cè)量設(shè)備領(lǐng)域，具體是一種用于大長徑比管件內(nèi)孔多參數(shù)測(cè)量設(shè)備及方法。

背景技術(shù)：

孔類零件在民用及國防領(lǐng)域都有十分廣泛的應(yīng)用，如內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸缸體、液壓缸的缸體、大型輸油管道、火炮的炮管等等。隨著我國現(xiàn)代裝備制造業(yè)的高速發(fā)展，在許多應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)孔類零件的內(nèi)徑、圓度、直線度進(jìn)行高精度、高效率的檢測(cè)對(duì)提高加工質(zhì)量及產(chǎn)品的性能具有十分重要的意義。而現(xiàn)有的檢測(cè)系統(tǒng)局限性較大，在對(duì)具有較大長徑比或孔徑較小的孔類零件進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，一種設(shè)備往往只能對(duì)單一參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，綜合檢測(cè)成本較高且無法滿足現(xiàn)代生產(chǎn)對(duì)檢測(cè)效率提出的更高要求。

目前，對(duì)大長徑比孔類零件，尤其是孔徑較小的零件的內(nèi)孔參數(shù)的精密檢測(cè)，由于測(cè)量空間較為局促及被測(cè)件軸向尺寸較大等多種因素的限制,仍然存在較大的困難?，F(xiàn)有的測(cè)量方案及測(cè)量設(shè)備絕大多數(shù)只能對(duì)被測(cè)零件的單一參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。隨著光、電傳感器在測(cè)量中的應(yīng)用日益廣泛，在傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量方法之外，也出現(xiàn)了許多非接觸式測(cè)量方法。目前較為常見測(cè)量工具或方法主要有：內(nèi)徑千分尺、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、圓度儀、氣動(dòng)量儀、電容傳感器、ccd圖像法及結(jié)構(gòu)光測(cè)量法。內(nèi)徑千分尺是最為常見的接觸式孔徑測(cè)量工具，但其通過人工操作，測(cè)量效率低，且測(cè)量范圍較為有限。傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、圓度儀等測(cè)量儀器的測(cè)量精度較高且能對(duì)內(nèi)孔的形狀誤差進(jìn)行評(píng)定，但由于其自身結(jié)構(gòu)的限制，對(duì)小尺寸深孔在全長范圍內(nèi)進(jìn)行完整測(cè)量十分困難。氣動(dòng)量儀測(cè)量精度高，但其測(cè)量間隙極小，對(duì)塞規(guī)的加工精度要求較高，且測(cè)量頭的通用性較差，對(duì)測(cè)量環(huán)境的清潔度與濕度也有較高的要求。

電容式傳感器測(cè)量內(nèi)徑時(shí)，對(duì)傳感器測(cè)量頭與被測(cè)孔的對(duì)中精度要求較高，若二者之間存在偏心，則偏心量會(huì)嚴(yán)重影響內(nèi)徑測(cè)量精度。ccd圖像測(cè)量法具有非接觸、效率高等優(yōu)點(diǎn)、但這種方法無法對(duì)被測(cè)件的特定截面進(jìn)行測(cè)量。圓結(jié)構(gòu)光測(cè)量法具有非接觸測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，測(cè)量效率較高，但由于光學(xué)系統(tǒng)存在像差、球差等現(xiàn)象，且該測(cè)量方法對(duì)孔表面的毛刺、雜物和邊緣缺陷較為敏感，測(cè)量精度受到較多因素的影響，精度及穩(wěn)定性較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本專利目的旨在提供一種用于大長徑比管件內(nèi)孔多參數(shù)測(cè)量設(shè)備及方法?？朔F(xiàn)有測(cè)量設(shè)備的局限，實(shí)現(xiàn)使用單套系統(tǒng)即可對(duì)被測(cè)大長徑比深孔零件的橫截面內(nèi)徑、圓度及內(nèi)孔直線度等多種幾何參數(shù)進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)，設(shè)備具有較高的測(cè)量精度、穩(wěn)定性以及測(cè)量效率。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

用于大長徑比管件內(nèi)孔多參數(shù)測(cè)量設(shè)備，其特征在于：包括測(cè)量單元和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述測(cè)量單元包括中心軸線沿z向的支撐筒，支撐筒上端共中心軸安裝有電機(jī)座，支撐筒下端共中心軸連接有軸承座，所述電機(jī)座上安裝有伺服電機(jī)，所述支撐筒內(nèi)共中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)安裝有主軸，主軸上端通過聯(lián)軸器與伺服電機(jī)輸出軸傳動(dòng)連接，主軸下部通過軸承轉(zhuǎn)動(dòng)安裝在軸承座內(nèi)，主軸下端從軸承座下端穿出，且主軸下端一側(cè)安裝有接觸式位移傳感器，所述支撐筒內(nèi)的主軸上還固定安裝有圓光柵盤，支撐筒內(nèi)還固定安裝有與圓光柵盤光學(xué)配合的光柵讀數(shù)頭，所述測(cè)量單元中支撐筒通過測(cè)桿與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)測(cè)量單元在z方向直線運(yùn)動(dòng)。

所述的用于大長徑比管件內(nèi)孔多參數(shù)測(cè)量設(shè)備，其特征在于：所述主軸為中空結(jié)構(gòu)，支撐筒內(nèi)還共中心軸設(shè)置有旋轉(zhuǎn)導(dǎo)電滑環(huán)，該旋轉(zhuǎn)導(dǎo)電滑環(huán)的轉(zhuǎn)子共中心軸固定安裝在主軸上，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)電滑環(huán)的定子通過固定在支撐筒內(nèi)壁上的限位螺釘限位，與支承筒保持靜止。所述接觸式位移傳感器的信號(hào)輸出電纜經(jīng)過主軸的中空內(nèi)部后與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)電滑環(huán)中轉(zhuǎn)子的輸入電纜連接，并由旋轉(zhuǎn)導(dǎo)電滑環(huán)中定子的輸出電纜輸出信號(hào)。

所述的用于大長徑比管件內(nèi)孔多參數(shù)測(cè)量設(shè)備，其特征在于：所述主軸從軸承座穿出的下端擴(kuò)徑形成盤體，接觸式位移傳感器沿盤體徑向安裝在盤體一側(cè)，其測(cè)量方向通過主軸中心軸線并與該軸線垂直。

所述的用于大長徑比管件內(nèi)孔多參數(shù)測(cè)量設(shè)備，其特征在于：所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為沿z向運(yùn)動(dòng)的線性位移平臺(tái)，線性位移平臺(tái)通過中心軸線沿z向的測(cè)桿與測(cè)量單元中電機(jī)座共中心軸連接，由線性位移平臺(tái)驅(qū)動(dòng)測(cè)量單元在z向直線運(yùn)動(dòng)，線性位移平臺(tái)的位移量由直線光柵進(jìn)行測(cè)量。

一種使用用于大長徑比管件內(nèi)孔多參數(shù)測(cè)量設(shè)備的測(cè)量方法，其特征在于：包括以下步驟：

（1）、將被測(cè)管件安放在測(cè)量位置上，并夾緊；

（2）、線性位移平臺(tái)驅(qū)動(dòng)測(cè)桿帶動(dòng)測(cè)量單元沿z方向進(jìn)入被測(cè)管件內(nèi)部，并在第一被測(cè)橫截面處停止；

（3）、此時(shí)接觸式位移傳感器與被測(cè)管件內(nèi)壁接觸，系統(tǒng)獲取此時(shí)接觸點(diǎn)測(cè)量值；

（4）、完成一個(gè)點(diǎn)的測(cè)量后，測(cè)量單元內(nèi)部的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)接觸式位移傳感器在測(cè)量平面內(nèi)轉(zhuǎn)過預(yù)設(shè)的角度間隔，實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)的由角度光柵讀數(shù)頭及圓光柵盤獲??；重復(fù)步驟（3）的操作。直至完成整個(gè)橫截面的測(cè)量，將該橫截面各測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即可獲得該橫截面的直徑及圓度。同時(shí)，直線光柵獲取該橫截面在z方向的位置。

（5）、完成一個(gè)截面的測(cè)量后，線性位移平臺(tái)驅(qū)動(dòng)測(cè)桿，帶動(dòng)測(cè)量單元繼續(xù)沿z方向行進(jìn)至下一被測(cè)橫截面處停止，并重復(fù)步驟（3）、（4）；

（6）、重復(fù)步驟（5），直至完成對(duì)被測(cè)管件全長范圍內(nèi)的測(cè)量，此時(shí)可獲取被測(cè)管件各被測(cè)橫截面擬合圓心的坐標(biāo)，結(jié)合直線光柵測(cè)得的線性位移平臺(tái)在z方向的位移數(shù)據(jù)，可對(duì)被測(cè)管件內(nèi)孔的直線度進(jìn)行評(píng)定。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

本發(fā)明使用單套系統(tǒng)即可對(duì)被測(cè)大長徑比深孔零件的橫截面內(nèi)徑、圓度及內(nèi)孔直線度等多種幾何參數(shù)進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)，設(shè)備具有較高的測(cè)量精度及測(cè)量效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明測(cè)量設(shè)備整體示意圖。

圖2為本發(fā)明測(cè)量設(shè)備的測(cè)量單元示意圖。

圖3為本發(fā)明測(cè)量設(shè)備的測(cè)量單元a-a剖面圖，其中：

圖3a為正視圖，圖3b為正剖視圖。

圖4為本發(fā)明測(cè)量設(shè)備中旋轉(zhuǎn)導(dǎo)電滑環(huán)定子限位示意圖。

圖5為本發(fā)明測(cè)量設(shè)備的測(cè)量單元測(cè)量過程示意圖，其中：

圖5a為立體視圖，圖5b為俯視圖。

具體實(shí)施方式

如圖1-圖5所示，用于大長徑比管件內(nèi)孔多參數(shù)測(cè)量設(shè)備，包括測(cè)量單元11和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)1，測(cè)量單元11包括中心軸線沿z向的支撐筒12，支撐筒12上端共中心軸安裝有電機(jī)座27，支撐筒12下端共中心軸連接有軸承座13，電機(jī)座27上安裝有伺服電機(jī)18，支撐筒12內(nèi)共中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)安裝有主軸16，主軸16上端通過聯(lián)軸器19與伺服電機(jī)18輸出軸傳動(dòng)連接，主軸16下部通過軸承轉(zhuǎn)動(dòng)安裝在軸承座13內(nèi)，主軸16下端從軸承座13下端穿出，且主軸16下端一側(cè)沿主軸16徑向安裝有接觸式位移傳感器14，支撐筒12內(nèi)的主軸16上還固定安裝有圓光柵盤25，支撐筒12內(nèi)還固定安裝有與圓光柵盤25光學(xué)配合的光柵讀數(shù)頭23，測(cè)量單元11中支撐筒12通過測(cè)桿10與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)1連接，由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)1驅(qū)動(dòng)測(cè)量單元11在z方向進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。

主軸16為中空結(jié)構(gòu)，支撐筒12內(nèi)還共中心軸設(shè)置有旋轉(zhuǎn)導(dǎo)電滑環(huán)，該旋轉(zhuǎn)導(dǎo)電滑環(huán)的轉(zhuǎn)子20共中心軸固定安裝在主軸16上，與主軸16一同旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)電滑環(huán)的定子21通過固定在支撐筒12內(nèi)壁上的限位螺釘22限位，與支承筒12保持靜止，如圖4所示。接觸式位移傳感器14的信號(hào)輸出電纜經(jīng)過主軸16的中空內(nèi)部后與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)電滑環(huán)中轉(zhuǎn)子20的輸入電纜連接，并由旋轉(zhuǎn)導(dǎo)電滑環(huán)中定子21的輸出電纜輸出信號(hào)。

主軸16從軸承座13穿出的下端擴(kuò)徑形成盤體，接觸式位移傳感器14接觸式位移傳感器沿盤體徑向安裝在盤體一側(cè)，其測(cè)量方向垂直于主軸16中心軸線并與該軸線相交。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)1為沿z向運(yùn)動(dòng)的線性位移平臺(tái)，線性位移平臺(tái)中位移平臺(tái)8通過中心軸線沿z向的測(cè)桿10與測(cè)量單元11中支撐筒12共中心軸連接，由線性位移平臺(tái)驅(qū)動(dòng)測(cè)量單元11在z向直線運(yùn)動(dòng)，位移平臺(tái)8在z方向的位移量由安裝在基座2上的直線光柵尺29配合安裝在位移平臺(tái)8上的直線光柵讀數(shù)頭28進(jìn)行測(cè)量。

如圖1所示，本發(fā)明中驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括基座2及z方向位移機(jī)構(gòu)，線性位移平臺(tái)中位移平臺(tái)8經(jīng)測(cè)桿10與測(cè)量單元11連接，伺服電機(jī)4通過絲杠6、絲杠螺母7及位移平臺(tái)8、測(cè)桿安裝塊9驅(qū)動(dòng)測(cè)桿10沿z方向的直線運(yùn)動(dòng)，測(cè)量開始后，測(cè)桿10可在伺服電機(jī)4的驅(qū)動(dòng)下，帶動(dòng)測(cè)量單元11到達(dá)被測(cè)件的待測(cè)橫截面處停止并進(jìn)行測(cè)量。位移平臺(tái)8在z方向的位移量由安裝在基座2上的直線光柵尺29和安裝在位移平臺(tái)8上的直線光柵讀數(shù)頭28進(jìn)行測(cè)量。

如圖2及圖3所示，測(cè)量單元11的主體結(jié)構(gòu)主要包括支撐筒12、電機(jī)座27、軸承座13、主軸16、測(cè)量單元下蓋17以及接觸式位移傳感器14。支撐筒12同時(shí)起到將測(cè)量單元11與測(cè)桿10連接的作用。

如圖3所示，測(cè)量單元11中，伺服電機(jī)18帶動(dòng)接觸式位移傳感器12在測(cè)量平面內(nèi)繞測(cè)桿軸線進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)并進(jìn)行測(cè)量，接觸式位移傳感器14旋轉(zhuǎn)角度由光柵讀數(shù)頭23及圓光柵盤25獲取。測(cè)量單元中，還包括一由旋轉(zhuǎn)滑環(huán)實(shí)現(xiàn)的走線方式，該方式可保證旋轉(zhuǎn)掃描測(cè)量單元的旋轉(zhuǎn)不受線纜約束，實(shí)現(xiàn)全角度測(cè)量。

測(cè)量單元11中，接觸式位移傳感器14安裝在旋轉(zhuǎn)主軸16上，接觸式位移傳感器14的測(cè)量方向通過主軸16的軸線，且與該軸線垂直，測(cè)量單元下蓋17起到固定接觸式位移傳感器的作用。伺服電機(jī)18驅(qū)動(dòng)主軸16進(jìn)而帶動(dòng)接觸式位移傳感器14繞主軸16的軸線進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)測(cè)量。

光柵讀數(shù)頭23和圓光柵盤25組成光柵角度測(cè)量系統(tǒng)。光柵讀數(shù)頭23通過讀數(shù)頭支架24固定安裝在電機(jī)座14底部，圓光柵盤25通過盤轂26固定安裝在旋轉(zhuǎn)主軸16上，并與主軸一同旋轉(zhuǎn)。主軸轉(zhuǎn)過的角度可由光柵角度測(cè)量系統(tǒng)精確測(cè)量，并用于后續(xù)計(jì)算。

如圖3所示，旋轉(zhuǎn)滑環(huán)走線方式為：旋轉(zhuǎn)主軸采用中空結(jié)構(gòu)以使線纜通過，旋轉(zhuǎn)滑環(huán)的轉(zhuǎn)子20與主軸剛性連接，與主軸一同旋轉(zhuǎn)，滑環(huán)定子21利用止轉(zhuǎn)片與限位螺釘22進(jìn)行限位，與支撐筒保持靜止，如圖4所示。測(cè)量單元中，接觸式位移傳感器14的信號(hào)輸出電纜經(jīng)過主軸中空部分后與滑環(huán)轉(zhuǎn)子的輸入電纜連接，由滑環(huán)定子的輸出電纜輸出信號(hào)，該結(jié)構(gòu)可保證旋轉(zhuǎn)掃描測(cè)量單元的旋轉(zhuǎn)不受纜線約束，實(shí)現(xiàn)單方向任意角度不間斷旋轉(zhuǎn)測(cè)量。

一種使用大長徑比管件內(nèi)孔多參數(shù)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行管件測(cè)量的測(cè)量方法，其測(cè)量過程如圖5所示，具體描述如下：

測(cè)量開始前，將被測(cè)管件15安放在測(cè)量位置上，并夾緊。同時(shí)完成測(cè)量單元的初始化。

測(cè)量單元完成初始化后，線性位移平臺(tái)中的伺服電機(jī)4驅(qū)動(dòng)測(cè)桿10在導(dǎo)軌3上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)測(cè)量單元11沿z方向進(jìn)入被測(cè)管件內(nèi)部，并停止于第一待測(cè)橫截面處。

測(cè)量單元到達(dá)待測(cè)橫截面位置后，此時(shí)接觸式位移傳感器14與被測(cè)管件內(nèi)壁接觸，系統(tǒng)獲取此時(shí)接觸點(diǎn)測(cè)量值。獲取此時(shí)接觸點(diǎn)的測(cè)量值后，系統(tǒng)將此測(cè)量值發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行計(jì)算，可得到被測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)值。

完成一個(gè)點(diǎn)的測(cè)量后，伺服電機(jī)18驅(qū)動(dòng)接觸式位移傳感器14在測(cè)量平面內(nèi)轉(zhuǎn)過設(shè)定的角度間隔，并獲取下一采樣點(diǎn)的測(cè)量值，接觸式位移傳感器實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度由光柵讀數(shù)頭23及圓光柵盤25獲取。如此重復(fù)，直至完成整個(gè)截面的測(cè)量。將該截面內(nèi)各測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的接觸式位移傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)角度值進(jìn)行處理，即可獲得該截面的直徑及圓度。同時(shí)，直線光柵讀數(shù)頭28配合直線光柵尺29獲取該橫截面在z方向的位置。

完成一個(gè)截面的測(cè)量后，線性位移平臺(tái)中的伺服電機(jī)4驅(qū)動(dòng)測(cè)桿10，帶動(dòng)測(cè)量單元11繼續(xù)沿z方向行進(jìn)至下一被測(cè)截面處停止，并執(zhí)行單一截面測(cè)量程序。如此重復(fù)，直至完成對(duì)被測(cè)管件全長的測(cè)量。

此時(shí)可獲取被測(cè)管件各被測(cè)截面擬合圓心的坐標(biāo)，結(jié)合直線光柵測(cè)得的線性位移平臺(tái)在z方向的位移數(shù)據(jù)，可對(duì)被測(cè)管件內(nèi)孔的直線度進(jìn)行評(píng)定。