CN109163680A - 一种非接触式深孔直线度检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式深孔直线度检测装置，包括一根测杆、激光发射器和光电位置传感器等，测杆沿被固定后检测件的轴心线设置，测杆一端周向外侧设置有激光位移传感器形成检测端，其端部安装光电位置传感器形成误差补偿端。本申请还公开了一种采用了该检测装置实现的检测方法。本申请具有能够提高检测效率，避免孔壁损伤，分离检测装置的移动误差以提高检测精度等优点。

Description

一种非接触式深孔直线度检测装置和方法

技术领域

本发明涉及深孔类零件直线度检测技术领域；特别是涉及一种非接触式深孔直线度检测装置。

背景技术

长径比大于5的孔类零件称为深孔类零件。深孔类零件在军工、机械、航天、石油化工、管道运输等行业应用越来越广泛。如机械领域的气缸，油缸，兵器中的火炮身管等。直线度误差将直接影响零部件的配合及旋转的精度，而导致震颤、磨损、噪声等。因此，深孔直线度经常作为深孔类零部件的验收依据。

现阶段，大多深孔直线度检测方法属于接触式检测，即检测装置需要和孔壁接触并沿孔壁移动，这样测量装置在内孔移动过程中容易划伤内壁，并且由于需要间断的移动，导致检测效率不高。其次，一些非接触式检测方法大多都将检测装置的移动误差引入到直线度误差中，增大了直线度检测误差。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：怎样提供一种能够提高检测效率，避免孔壁损伤，提高深孔直线度检测精度的检测装置和方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种非接触式深孔直线度检测装置，包括底座，底座上设置有检测件固定工装，还设置有直线度检测机构，其特征在于，所述直线度检测机构包括一根测杆，测杆沿被固定后检测件的轴心线设置，测杆一端周向外侧设置有激光位移传感器形成检测端，激光位移传感器外端端部到测杆轴心线距离小于检测件孔半径，还包括和激光位移传感器通讯连接的计算机，测杆另一侧可转动地安装在一个安装座上，安装座上设置有旋转电机，旋转电机和测杆传动连接并能够带动测杆旋转；安装座和底座之间还设置有安装座平动控制机构，所述安装座平动控制机构用于带动安装座沿测杆长度方向平动并能够使得测杆从固定后检测件内孔一端穿到另一端。

这样，本装置使用时，将待检测的检测件安装在检测件固定工装上，然后依靠直线电机带动安装座在导轨上移动，使得测杆检测端逐渐深入到检测件的孔内，然后依靠旋转电机带动测杆旋转，这样激光位移传感器可以检测出检测件内孔壁周向上任意方向位置到激光位移传感器的距离，由于测杆为沿检测件轴心线设置，故可换算为内壁周向上的半径大小，进而可以换算检测出深孔的直线度误差。这样本装置结构简单，检测方便，且为非接触式测量，可以避免孔壁损伤，保证了被检测构件的完整。

进一步地，所述激光位移传感器为三个且沿测杆周向上均匀分布。

这样，采用三个检测点同时检测，然后计算均值误差的方式，可以更好地提高检测精度。同时采用三个检测点可以同时采集深孔内壁三条母线，可以方便采用采集母线数据的方式计算检测直线度。

进一步地，所述安装座平动控制机构包括固定在底座上且和被固定后的检测件轴心线平行设置的导轨，还包括一个配合在导轨上的直线电机，安装座固定在直线电机上。这样，无需另外设置传动机构，结构简单，平动控制稳定可靠。

进一步地，安装座背离检测件固定工装一侧安装所述旋转电机，所述测杆端部可转动地安装在安装座上且和旋转电机输出轴相连。

这样，结构简单且传动更加稳定可靠。当然实施时也可以设置其他的安装座结构。

进一步地，还包括测杆跳动检测装置，测杆跳动检测装置包括一个用于检测测杆跳动情况的测杆跳动检测构件；测杆跳动检测构件用于和计算机相连。

这样，可以依靠测杆跳动检测构件检测出测杆自身在前进和旋转过程中，由于跳动等原因引起的轴心线偏移量，带入计算即可补偿误差，极大地提高检测精度。

进一步地，所述测杆跳动检测装置还包括一个激光发射器，激光发射器沿被固定后检测件轴心线设置在检测件背离直线度检测机构一端外侧，激光发射器的激光发射方向正对被固定后检测件轴心线设置，所述测杆跳动检测构件为设置在测杆正对激光发射器一端端部的光电位置传感器。

这样，由光电位置传感器接收激光发射器所发出的光束，当检测时测杆前进和转动过程中，可以依靠光电位置传感器检测到激光照射位置的变化情况，进而得到测杆自身偏离轴心线的误差。带入计算即可实现误差补偿，提高检测精度。由于激光发射器自身为固定设置，检测过程中不会产生偏差，故能够很好地检测出由于测杆单端固定带来的偏移误差，尤其是跳动误差。进行误差补偿后，就可以极大地提高了检测精度。故采用本结构的测杆跳动检测装置，具有结构简单，跳动检测可靠方便快捷精确的优点，提高了深孔直线度检测精度。

进一步地，激光发射器安装在一个固定于底座的激光发射器安装座上。

这样结构简单，方便安装调整。

本发明还公开了一种深孔直线度检测方法，包括以下步骤，

a、先获取如上所述的检测装置，将待检测的检测件安装固定在检测件固定工装并开始检测；

b、依靠直线电机带动测杆从深孔的首端连续移动到末端，利用均布于测杆的激光位移传感器检测内壁的变化，不同位置激光位移传感器检测的距离为r_k，r-代表激光位移传感器检测出的半径、k-表示三个激光位移传感器之一，采集得到深孔内壁的三条母线；该过程中，同时以固定在末端的激光发射器所发出的激光作为基准，由测杆上光电位置传感器采集测杆的跳动，生成跳动曲线；

c、测杆从首端移动到末端后旋转60°，再从末端回复移动到首端，该过程中重复b步骤中的检测内容，共检测出6条母线和对应的两条跳动曲线；

d、检测结果导入计算机，并实现对任意轴向距离z_i截面的误差补偿计算，z-表示检测截面到端面的距离、i表示第i个检测截面：由差值原理可以得到z_i处激光位移传感器所检测内壁坐标点为x_kj(r_kjsinθ，r_kjcosθ)；k-表示三个激光位移传感器之一，j-表示所检测的1～6条母线，θ-表示激光位移传感器分布的角度；测杆跳动(Δx_i，Δy_i)，Δx-表示在水平轴方向的跳动量、Δy-表示在竖直轴方向上的变动量、i-表示第i个截面处测杆的跳动；通过误差补偿后内壁坐标点为

e、中心点拟合：基于最小二乘法拟合圆，对z_i处所检测内壁6个坐标点 进行圆拟合，其圆心坐标为O_i(x_i，y_i，z_i)，O-表示检测截面的中心、i-表示第i个检测截面，x-表示X轴的坐标、y-表示Y轴的坐标、z-表示Z轴的坐标；

f、直线度求解：根据以上一系列圆心坐标O₀,O₁,…,O_n-1,O_n，O表示个检测截面中心、n-表示所检测截面有n个，采用两端点连线法求解直线度。

这样，通过一进一退的往复即可得到六条母线，六个点拟合圆心进行计算，再依靠对应的两条跳动曲线补偿检测装置移动误差，故检测方便快捷且精确可靠。

本发明有以下优点。1、本发明采用非接触式检测方法，不会在检测过程中划伤深孔内壁。2、本发明检测效率快，将激光位移传感器安装在长测杆上，由直线电机带动测杆沿深孔中心移动，可以很快检测出深孔直线度。3、本发明采用了误差补偿方法，分离了检测装置检测过程中的移动误差，可以提高检测精度。4、本发明检测装置回程时，通过旋转一定的角度，能够额外检测三条深孔母线。因此，一个截面中心有6个点拟合圆心，相较于三个点拟合圆心，提高了检测精度。5、本发明在检测过程中所得到的6条母线是通过对深孔母线的采样所得出的。因此，可以通过插值原理得出任意多个截面中心点O_i，更能接近深孔实际中心线。

综上所述，本申请具有能够提高检测效率，避免孔壁损伤，分离出检测装置的移动误差提高检测精度等优点。

附图说明

图1为本发明的检测装置的实施例的结构正视图。

图2为图1的A-A剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明

实施例：参见图1-2，一种非接触式深孔直线度检测装置，包括底座9，底座9上设置有检测件固定工装10，还设置有直线度检测机构，其中，所述直线度检测机构包括一根测杆5，测杆5沿被固定后检测件2的轴心线设置，测杆一端周向外侧设置有激光位移传感器4形成检测端，激光位移传感器4外端端部到测杆轴心线距离小于检测件孔半径，还包括和激光位移传感器4通讯连接的计算机(计算机图中未显示)，测杆5另一侧可转动地安装在一个安装座上，安装座上设置有旋转电机6，旋转电机6和测杆5传动连接并能够带动测杆5旋转；安装座和底座之间还设置有安装座平动控制机构，所述安装座平动控制机构用于带动安装座沿测杆长度方向平动并能够使得测杆从固定后检测件内孔一端穿到另一端。

这样，本装置使用时，将待检测的检测件安装在检测件固定工装上，然后依靠直线电机带动安装座在导轨上移动，使得测杆检测端逐渐深入到检测件的孔内，然后依靠旋转电机带动测杆旋转，这样激光位移传感器可以检测出检测件内孔壁周向上任意方向位置到激光位移传感器的距离，由于测杆为沿检测件轴心线设置，故可换算为内壁周向上的半径大小，进而可以换算检测出深孔的直线度误差。这样本装置结构简单，检测方便，且为非接触式测量，可以避免孔壁损伤，保证了被检测构件的完整。其中，激光位移传感器4和计算机通讯连接，方便采集的数据可以直接带入计算机进行自动计算，提高计算效率。

本实施例中，所述激光位移传感器为三个且沿测杆周向上均匀分布。

这样，采用三个检测点同时检测，然后计算均值误差的方式，可以更好地提高检测精度。同时采用三个检测点可以同时采集深孔内壁三条母线，可以方便采用采集母线数据的方式计算检测直线度。

其中，所述安装座平动控制机构包括固定在底座上且和被固定后的检测件轴心线平行设置的导轨8，还包括一个配合在导轨8上的直线电机7，安装座固定在直线电机7上。这样，无需另外设置传动机构，结构简单，平动控制稳定可靠。

其中，安装座背离检测件固定工装一侧安装所述旋转电机6，所述测杆端部可转动地安装在安装座上且和旋转电机输出轴相连。

这样，结构简单且传动更加稳定可靠。当然实施时也可以设置其他的安装座结构。

其中，还包括测杆跳动检测装置，测杆跳动检测装置包括一个用于检测测杆跳动情况的测杆跳动检测构件3；测杆跳动检测构件用于和计算机相连。

这样，可以依靠测杆跳动检测构件检测出测杆自身在前进和旋转过程中，由于跳动等原因引起的轴心线偏移量，带入计算即可补偿误差，极大地提高检测精度。

其中，所述测杆跳动检测装置还包括一个激光发射器1，激光发射器1沿被固定后检测件轴心线设置在检测件背离直线度检测机构一端外侧，激光发射器的激光发射方向正对被固定后检测件轴心线设置，所述测杆跳动检测构件3为设置在测杆正对激光发射器一端端部的光电位置传感器。

这样，由光电位置传感器接收激光发射器所发出的光束，当检测时测杆前进和转动过程中，可以依靠光电位置传感器检测到激光照射位置的变化情况，进而得到测杆自身偏离轴心线的误差。带入计算即可实现误差补偿，提高检测精度。由于激光发射器自身为固定设置，检测过程中不会产生偏差，故能够很好地检测出由于测杆单端固定带来的偏移误差，尤其是跳动误差。进行误差补偿后，就可以极大地提高了检测精度。故采用本结构的测杆跳动检测装置，具有结构简单，跳动检测可靠方便快捷精确的优点，提高了深孔直线度检测精度。

其中，激光发射器安装在一个固定于底座的激光发射器安装座上。

这样结构简单，方便安装调整。

本发明还公开了一种深孔直线度检测方法，包括以下步骤，

a、先获取如上所述的检测装置，将待检测的检测件安装固定在检测件固定工装并开始检测；

b、依靠直线电机带动测杆从深孔的首端连续移动到末端，利用均布于测杆的激光位移传感器检测内壁的变化，不同位置激光位移传感器检测的距离为r_k，r-代表激光位移传感器检测出的半径、k-表示三个激光位移传感器之一，采集得到深孔内壁的三条母线；该过程中，同时以固定在末端的激光发射器所发出的激光作为基准，由测杆上光电位置传感器采集测杆的跳动，生成跳动曲线；

c、测杆从首端移动到末端后旋转60°，再从末端回复移动到首端，该过程中重复b步骤中的检测内容，共检测出6条母线和对应的两条跳动曲线；

d、检测结果导入计算机，并实现对任意轴向距离z_i截面的误差补偿计算，z-表示检测截面到端面的距离、i表示第i个检测截面：由差值原理可以得到z_i处激光位移传感器所检测内壁坐标点为x_kj(r_kjsinθ，r_kjcosθ)；k-表示三个激光位移传感器之一，j-表示所检测的1～6条母线，θ-表示激光位移传感器分布的角度；测杆跳动(Δx_i，Δy_i)，Δx-表示在水平轴方向的跳动量、Δy-表示在竖直轴方向上的变动量、i-表示第i个截面处测杆的跳动；通过误差补偿后内壁坐标点为

e、中心点拟合：基于最小二乘法拟合圆，对z_i处所检测内壁6个坐标点 进行圆拟合，其圆心坐标为O_i(x_i，y_i，z_i)，O-表示检测截面的中心、i-表示第i个检测截面，x-表示X轴的坐标、y-表示Y轴的坐标、z-表示Z轴的坐标；

f、直线度求解：根据以上一系列圆心坐标O₀,O₁,…,O_n-1,O_n，O表示个检测截面中心、n-表示所检测截面有n个，采用两端点连线法求解直线度。

这样，通过一进一退的往复即可得到六条母线，六个点拟合圆心进行计算，再依靠对应的两条跳动曲线补偿检测装置移动误差，故检测方便快捷且精确可靠。

Claims (8)

1.一种非接触式深孔直线度检测装置，包括底座，底座上设置有检测件固定工装，还设置有直线度检测机构，其特征在于，所述直线度检测机构包括一根测杆，测杆沿被固定后检测件的轴心线设置，测杆一端周向外侧设置有激光位移传感器形成检测端，激光位移传感器外端端部到测杆轴心线距离小于检测件孔半径，还包括和激光位移传感器通讯连接的计算机，测杆另一侧可转动地安装在一个安装座上，安装座上设置有旋转电机，旋转电机和测杆传动连接并能够带动测杆旋转；安装座和底座之间还设置有安装座平动控制机构，所述安装座平动控制机构用于带动安装座沿测杆长度方向平动并能够使得测杆从固定后检测件内孔一端穿到另一端。

2.如权利要求1所述的非接触式深孔直线度检测装置，其特征在于，所述激光位移传感器为三个且沿测杆周向上均匀分布。

3.如权利要求1或2所述的非接触式深孔直线度检测装置，其特征在于，所述安装座平动控制机构包括固定在底座上且和被固定后的检测件轴心线平行设置的导轨，还包括一个配合在导轨上的直线电机，安装座固定在直线电机上。

4.如权利要求2所述的非接触式深孔直线度检测装置，其特征在于，安装座背离检测件固定工装一侧安装所述旋转电机，所述测杆端部可转动地安装在安装座上且和旋转电机输出轴相连。

5.如权利要求4所述的非接触式深孔直线度检测装置，其特征在于，还包括测杆跳动检测装置，测杆跳动检测装置包括一个用于检测测杆跳动情况的测杆跳动检测构件；测杆跳动检测构件用于和计算机相连。

6.如权利要求5所述的非接触式深孔直线度检测装置，其特征在于，所述测杆跳动检测装置还包括一个激光发射器，激光发射器沿被固定后检测件轴心线设置在检测件背离直线度检测机构一端外侧，激光发射器的激光发射方向正对被固定后检测件轴心线设置，所述测杆跳动检测构件为设置在测杆正对激光发射器一端端部的光电位置传感器。

7.如权利要求6所述的非接触式深孔直线度检测装置，其特征在于，激光发射器安装在一个固定于底座的激光发射器安装座上。

8.一种深孔直线度检测方法，其特征在于，包括以下步骤，

a、先获取如权利要求6所述的检测装置，将待检测的检测件安装固定在检测件固定工装并开始检测；

b、依靠直线电机带动测杆从深孔的首端连续移动到末端，利用均布于测杆的激光位移传感器检测内壁的变化，不同位置激光位移传感器检测的距离为r_k，r-代表激光位移传感器检测出的半径、k-表示三个激光位移传感器之一，采集得到深孔内壁的三条母线；该过程中，同时以固定在末端的激光发射器所发出的激光作为基准，由测杆上光电位置传感器采集测杆的跳动，生成跳动曲线；

c、测杆从首端移动到末端后旋转60°，再从末端回复移动到首端，该过程中重复b步骤中的检测内容，共检测出6条母线和对应的两条跳动曲线；

d、检测结果导入计算机，并实现对任意轴向距离z_i截面的误差补偿计算，z-表示检测截面到端面的距离、i表示第i个检测截面：由差值原理可以得到z_i处激光位移传感器所检测内壁坐标点为x_kj(r_kjsinθ，r_kjcosθ)；k-表示三个激光位移传感器之一，j-表示所检测的1～6条母线，θ-表示激光位移传感器分布的角度；测杆跳动(Δx_i，Δy_i)，Δx-表示在水平轴方向的跳动量、Δy-表示在竖直轴方向上的变动量、i-表示第i个截面处测杆的跳动；通过误差补偿后内壁坐标点为

e、中心点拟合：基于最小二乘法拟合圆，对z_i处所检测内壁6个坐标点 进行圆拟合，其圆心坐标为O_i(x_i，y_i，z_i)，O-表示检测截面的中心、i-表示第i个检测截面，x-表示X轴的坐标、y-表示Y轴的坐标、z-表示Z轴的坐标；

f、直线度求解：根据以上一系列圆心坐标O₀,O₁,…,O_n-1,O_n，O表示个检测截面中心、n-表示所检测截面有n个，采用两端点连线法求解直线度。