CN103868476B - 基于光电无损检测的管状物内孔直线度自动检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光电无损检测的管状物内孔直线度自动检测系统及检测方法，它包括：管状物支架、激光发射器（5）、光电接收器（6）、滑台组件和工控机；激光发射器（5）通过安装支架A安装在被测管状物（4）的前端，光电接收器（6）通过安装支架B安装在滑台组件上，滑台组件安装在被测管状物（4）的膛内，激光发射器（5）和滑台组件与工控机的控制信号输出端相连接，光电接收器（6）与工控机的采集信号输入相连接。本发明检测精度高、自动化更强。

Description

基于光电无损检测的管状物内孔直线度自动检测系统及检测 方法

技术领域

本发明涉及一种检测系统，特别是涉及一种基于光电无损检测的管状物内孔直线度自动检测系统及检测方法。

背景技术

内孔直线度直接影响工件的加工精度和装配精度，目前，对管状物内孔直线度的检测系统主要有：

1、获中华人民共和国国家实用新型专利的内孔直线度检验规（申请日：2004.6.30，公开日：2005.6.15），其技术方案为：它包括壳体、测量环、长堵头、挂钩和短堵头，测量环安装在壳体上，长堵头和短堵头分别安装在壳体的两端，壳体的两端还分别安装有挂钩。上述发明创造具有操作方便、重量轻、易于加工等特点，但是，上述发明创造只能够定性判断被测管状物的内孔直线度，不能够得到具体的数据信息，因此，上述发明创造越来越不能满足现代工业对管状物内孔直线度检测的需要。

2、为了解决上述问题，获中华人民共和国国家实用新型专利的一种非接触内孔直线度测量装置（申请日：2013.03.28，公告日：2013.10.09），其技术方案为：它包括光源、光电传感器和气浮运动平台，所述的光源发出的光线照射在所述光电传感器的光敏面上，所述的光电传感器安装在所述气浮运动平台的中心，所述气浮运动平台通过中心支架安装在被测件的内孔中，并能够在被测件的内孔中移动。上述发明创造具有操作简单，稳定性强等优点，但是，上述发明创造测量精度降低，在测量过程过，需要测试人员手动调节气浮运动平台的移动步进，从而造成移动步进的不一致，不能有效全面地被测管状物的内孔直线度进行测量，同时，在测试过程中需要测试人员手动校准，由于手动操作存在较大的误差，从而降低了测试结果的准确度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种检测精度高、自动化更强的基于光电无损检测的管状物内孔直线度自动检测系统及检测方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于光电无损检测的管状物内孔直线度自动检测系统，它包括：

管状物支架：它包括前支架和后支架，用于支撑被测管状物；

激光发射器：用于产生激光，提供检测过程中所需光源；

光电接收器：用于接收由激光发射器发射的激光束，并将接收到的光信号转换成电信号；

滑台组件：用于驱动光电接收器到达指定的检测位置；

工控机：用于控制滑台组件的移动步长，同时接收光电接收器所接收到的电信号，并对接收到的电信号进行数据处理和存储；

激光发射器通过安装支架A安装在被测管状物的前端，光电接收器通过安装支架B安装在滑台组件上，滑台组件安装在被测管状物的膛内，激光发射器和滑台组件分别与工控机的控制信号输出端相连接，光电接收器与工控机的采集信号输入端相连接。

所述的管状物支架包括前支架、后支架以及连接前支架和后支架的连接桥，前支架和后支架上均设有用于调节前支架和后支架高度的螺母A和螺母B，前支架和后支架分别通过滚动轴承承载被测管状物，前支架上还安装有限位架。

所述的滑台组件包括步进电机和推杆，推杆安装在步进电机的输出轴上，光电接收器通过安装支架B安装在推杆上，步进电机的控制信号输入端与工控机相连接。

所述的光电接收器为位置敏感探测器。

它还包括与工控机信号输入端相连接的键盘、分别与工控机信号输出端相连接的打印机和显示设备。

基于光电无损检测的管状物内孔直线度自动检测方法，它包括以下步骤：

S1：将被测管状物固定在管状物支架上；

S2：将激光发射器和步进电机分别与工控机的控制信号输出端相连接，并建立光电接收器与工控机采集信号输入端之间的连接；

S3：工控机控制步进电机转动，从而带动推杆推动光电接收器按移动步长移动，使光电接收器移动至被测管状物膛内的检测位；

S4：工控机控制激光发射器发射激光，所发射的激光贯穿被测管状物的膛内，并打击在光电接收器的表面；

S5：光电接收器接收到由激光发射器发射的光信号，进行A/D转换和滤波，并将接收到的光信号转换成电信号，传送至工控机；

S6：工控机对接收到的电信号进行处理，得出直线度检测数据，并将其与预先设定的基准值进行对比，并生成直线度检测数据图形，通过显示设备显示。

它还包括一个在步骤S2和S3之间的检测前准备步骤，所述的检测前准备步骤包括以下步骤：

SS21：调节前支架和后支架的高度，使被测管状物的几何中心与激光发射器对准；

SS22：工控机控制步进电机转动，从而带动推杆推动光电接收器按步长移动，使光电接收器分别位于被测管状物的前端和后端进行校准。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1）采用工控机控制滑台组件的移动步进，进而控制光电接收器的移动位置，从而提高了滑台组件的移动准确度，避免了因测试人员手动校准而导致对光不准的情况，进而能够对被测管状物的内孔进行全面有效地检测，进而提高了检测结果的准确度；

2）采用激光发射器和位置敏感探测器，从而实现了非接触和光电无损耗直线度检测，进一步提高了检测结果的准确度；

3）管状物支撑架的前支架和后支架分别通过滚动轴承承载被测管状物，从而保证了在检测过程中，被测管状物能够灵活转动，同时，前支架上还安装有限位架，增强了被测管状物和管状物之间的连接强度，避免了被测管状物在检测过程中由于管状物支撑架的转动而掉落的情况；

4）采用激光发射器作为光源，由于激光的平行度好，从而进一步提高了检测过程中的准确度；

5）本系统操作简单、快捷、大大的缩短了检测时间，同时，该系统还能够通过工控机实现直线度误差评定、直线度检测数据的图形显示，评定结果的存储以及数据查询等功能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的前支架结构示意图；

图3为本发明的后支架结构示意图；

图4为本发明的工作原理框图；

图5为本发明的计算被测管状物的轴线直线度原理图；

图6为本发明的被测管状物的任意截面处的轴线直线度计算示意图；

图7为本发明的第一级控制菜单界面示意图；

图8为本发明的检测准备界面示意图；

图9为本发明的管状物检测界面示意图；

图中，1-前支架，2-后支架，3-连接桥，4-被测管状物，5-激光发射器，6-光电接收器，7-步进电机，8-推杆，9-滑道，10-工作台。11-螺母A，12-限位架，21-螺母B。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1、2、3和4所示，基于光电无损检测的管状物内孔直线度自动检测系统，它包括：

管状物支架：它包括前支架1和后支架2，用于支撑被测管状物4；

激光发射器5：用于产生激光，提供检测过程中所需光源；

光电接收器6：用于接收由被测管状物4内孔反射的入射光，并将接收到的光信号转换成电信号；

滑台组件：用于驱动光电接收器6到达指定的检测位置；

工控机：用于控制滑台组件的移动步长，同时接收光电接收器6所接收到的电信号，并对接收到的电信号进行数据处理和存储；

激光发射器5通过安装支架A安装在被测管状物4的前端，光电接收器6通过安装支架B安装在滑台组件上，滑台组件安装在被测管状物4的膛内，激光发射器5和滑台组件分别与工控机的控制信号输出端相连接，光电接收器6与工控机的采集信号输入端相连接。

本发明优选的，所述的管状物支架包括前支架1、后支架2以及连接前支架1和后支架2的连接桥3，前支架1和后支架2上均设有用于调节前支架1和后支架2高度的螺母A11和螺母B21，前支架1和后支架2分别通过滚动轴承承载被测管状物4，前支架1上还安装有限位架12。

本发明优选的，所述的滑台组件包括步进电机7和推杆8，推杆8安装在步进电机7的输出轴上，光电接收器6通过安装支架B安装在推杆8上，步进电机7的控制信号输入端与工控机相连接。

本发明优选的，所述的光电接收器6为位置敏感探测器，如PSD位置传感器。

本发明优选的，它还包括与工控机信号输入端相连接的键盘、分别与工控机信号输出端相连接的打印机和显示设备。

如图1、2和3所示，在实际使用过程中，管状物支架固定安装在测量用工作台10上，滑道9通过滑道支架C固定安装在测量用工作台10上，滑台组件安放在滑道9上；被测管状物4安装在管状物支架上，通过管状物支架的前支架1和后支架2进行固定，前支架1和后支架2分别支撑在被测管状物4的几何中心基面上，并通过滚动轴承承载被测管状物4，从而保证了被测管状物4的在检测过程中能够灵活转动，同时，在前支架1上还安装有限位架12，防止被测管状物4在检测过程中掉落；激光发射器5通过安装支架A安装在测量用工作台10上并位于被测管状物4的前端，光电接收器6通过安装支架B安装在滑台组件的推杆8上，推杆8与步进电机7的输出轴相连接，且滑台组件置于被测管状物4的膛内。在检测过程中，步进电机7驱动推杆8运动，从而驱动光电接收器6在被测管状物4的膛内移动。

如图4所示，激光发射器5和步进电机7与工控机的控制信号输出端相连接。在检测过程中，测试人员通过工控机控制激光发射器5发射激光，并控制步进电机7的移动步长，通过控制步进电机7的移动步长进而控制光电接收器6在被测管状物4的膛内移动，既保证了移动步长的精度，也保证了被测管状物4膛内每个位置都能检测到，提高了检测结果的准确度。

基于光电无损检测的管状物内孔直线度自动检测方法，它包括以下步骤：

S1：将被测管状物4固定在管状物支架上；

S2：将激光发射器5和步进电机7分别与工控机的控制信号输出端相连接，并建立光电接收器6与工控机采集信号输入端之间的连接；

S3：工控机控制步进电机7转动，从而带动推杆8推动光电接收器6按步长移动，使光电接收器6移动至被测管状物4膛内的检测位；

S4：工控机控制激光发射器5发射激光，所发射的激光贯穿被测管状物4的膛内，并打击在光电接收器6的表面；

S5：光电接收器6接收到由激光发射器5发射的光信号，进行A/D转换和滤波，并将接收到的光信号转换成电信号，传送至工控机；

S6：工控机对接收到的电信号进行处理，并结合与激光发射器5所发射信号的对比，对被测管状物4的内孔直线度进行误差评定，得出直线度检测数据，并生成直线度检测数据图形，通过显示设备显示；并将数据结果进行保存在工控机内，便于后续软件的调试所用，也可以根据实际情况将分析结果通过打印机进行打印备用。

本发明优选的，所述的基于光电无损检测的管状物内孔直线度自动检测方法，它还包括一个在步骤S2和S3之间的检测前准备步骤，所述的检测前准备步骤包括以下步骤：

SS21：通过螺母A11和螺母B12分别调节前支架1和后支架2的高度，使被测管状物4的几何中心与激光发射器5对准；

SS22：工控机控制步进电机7转动，从而带动推杆8推动光电接收器6按步长移动，使光电接收器6分别位于被测管状物4的前端和后端进行校准，以确保光电接收器6的坐标原点在被测管状物4的几何中心轴线上，保证测量的准确度。

被测管状物4的轴线直线度计算具体过程为：

如图5和6所示，光电接收器6与被测管状物4的几何中心对准，形成几何中心点P′,激光发射器5发射的激光束穿过被测管状物4前端端口的几何中心点O₁沿Z₁轴传播，并打击在光电接收器6的光敏面，形成入射点P；由点P′、O₁和P构成三角形O₁PP′，由于PP'＜＜O₁P'，所以

$\mathrm{\β}\≈\arcsin \frac{P{P}^{\′}}{O_1{P}^{\′}}=\frac{d}{L}---\left(I\right)$

式中：β为被测管状物4膛内激光束与基准轴线的夹角，当被测管状物4不存在弯曲时，β为零度。

管状物弯曲都是从身管不弯曲状态下开始的，根据管状物弯曲的原因，管状物弯曲的方向为向下偏右或偏左。将管状物弯曲的实际轴线看作是一条平滑的弧线，假设该弧线在一个平面内，在实际状态下该弧线上的点可能不在该平面上，但是这并不影响直线度的值。可以将身管不弯曲时所在的直线看作是身管弯曲时平滑弧线的切线。因此，被测管状物4的任意截面处的轴线直线度计算示意图如图6所示，任意截面处

P_iP_i'＝O₁P_i'sinβ （Ⅱ）

式中：O₁P_i'为被测管状物4的任意截面处激光发射器5发射激光点距光电接收器6几何中心的距离，可根据本体移动的距离得到。

利用工控机可测得点P_i的坐标为(x_i,y_i)，则所以P_i'点处的坐标为

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i^{\′}=(P_i{P_i}^{\′}-d_i)\frac{x_i}{d_i}\\ y_i^{\′}=(P_i{P_i}^{\′}-d_i)\frac{y_i}{d_i}\end{array}\right.---\left(\mathrm{III}\right)$

将式（Ⅱ）代入式（Ⅲ），得到

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i^{\′}=(O_1{P_i}^{\′}\sin \mathrm{\β}-d_i)\frac{x_i}{d_i}\\ y_i^{\′}=(O_1{P_i}^{\′}\sin \mathrm{\β}-d_i)\frac{y_i}{d_i}\end{array}\right.---\left(\mathrm{IV}\right)$

在管状物直线度定义的坐标系中，身管实际轴线上的离散坐标为式（4）坐标的相反数，则被测管状物4的任意截面处的轴线直线度值为

P_i＝O₁P_i'sinβ-d_i （Ⅴ）

将测量的被测管状物4的任意截面处的轴线直线度值与基准值轴线直线度进行作差，所得差值即为被测管状物4的直线度。

工控机的控制界面包括两级控制菜单，如图7所示，第一级控制菜单主要包括检测准备控件、管状物检测控件和退出系统控件，点击检测准备控件和管状物检测控件即可进入其对应的第二级控制菜单界面，点击退出系统控件即退出控制界面。

如图8所示，所示的检测准备界面主要包括运动至被测管状物前端口控件、运动至被测管状物后端口控件、运动至检测位控件、停止运动控件和打开串口控件；检测前，检测人员通过点击运动至被测管状物前端口控件和运动至被测管状物后端口控件，使光电接收器6分别移动至被测管状物4的前端口和后端口处，进行校准，以确保光电接收器6的坐标原点在被测管状物4的基准轴线上，保证测量的准确度；测试人员可以通过运动至检测位控件控制光电接收器6移动至检测位。

如图9所示，测试人员通过管状物检测界面对被测管状物进行检测，测试人员不仅能够通过软件本身设置好的步长进行选择，从而控制步进电机7的移动步长，而且能够根据具体情况设置步进电机7的移动步长，并通过按键输入步进电机7的移动步长，从而实现自动化检测，同时也保证了检测的准确度，适用于任何管状物的内孔直线度检测；测试人员根据具体检测情况点击相应的开始检测控件、停止检测控件、返回测试起点控件、打印报告控件或返回主菜单控件完成相应的操作，且能够直观的观察到测试结果图形。其中XYZ坐标分别表示管状物的三个轴，XYZ坐标中的曲线即是实际测量出来的被测管状物4的轴线直线度，它与基准轴线直线度的差值即为被测管状物4的直线度。XY坐标图形表示被测管状物4口部截面处半径最长点，也就是被测管状物4口部的最高点。

Claims (4)

1.基于光电无损检测的管状物内孔直线度自动检测系统，其特征在于：它包括：

管状物支架：它包括前支架(1)和后支架(2)，用于支撑被测管状物(4)；

激光发射器(5)：用于产生激光，提供检测过程中所需光源；

光电接收器(6)：用于接收由激光发射器(5)发射的激光束，并将接收到的光信号转换成电信号；

滑台组件：用于驱动光电接收器(6)到达指定的检测位置；

工控机：用于控制滑台组件的移动步长，同时接收光电接收器(6)所接收到的电信号，并对接收到的电信号进行数据处理和存储；

激光发射器(5)通过安装支架A安装在被测管状物(4)的前端，光电接收器(6)通过安装支架B安装在滑台组件上，滑台组件安装在被测管状物(4)的膛内，激光发射器(5)和滑台组件分别与工控机的控制信号输出端相连接，光电接收器(6)与工控机的采集信号输入端相连接；所述的管状物支架包括前支架(1)、后支架(2)以及连接前支架(1)和后支架(2)的连接桥(3)，前支架(1)和后支架(2)上均设有用于调节前支架(1)和后支架(2)高度的螺母A(11)和螺母B(21)，前支架(1)和后支架(2)分别通过滚动轴承承载被测管状物(4)，前支架(1)上还安装有限位架(12)，管状物支撑架的前支架(1)和后支架(2)分别通过滚动轴承承载被测管状物(4)，从而保证了在检测过程中，被测管状物(4)能够灵活转动，同时，前支架(1)上还安装有限位架(12)，增强了被测管状物(4)和管状物支撑架之间的连接强度，避免了被测管状物(4)在检测过程中由于管状物支撑架的转动而掉落的情况；所述的滑台组件包括步进电机(7)和推杆(8)，推杆(8)安装在步进电机(7)的输出轴上，光电接收器(6)通过安装支架B安装在推杆(8)上，步进电机(7)的控制信号输入端与工控机相连接，采用工控机控制滑台组件的移动步进，进而控制光电接收器(6)的移动位置，从而提高了滑台组件的移动准确度，避免了因测试人员手动校准而导致对光不准的情况，进而能够对被测管状物(4)的内孔进行全面有效地检测，进而提高了检测结果的准确度；

工控机控制激光发射器(5)发射激光，所发射的激光贯穿被测管状物(4)的膛内，并打击在光电接收器(6)的表面；光电接收器(6)接收到由激光发射器(5)发射的光信号，进行A/D转换和滤波，并将接收到的光信号转换成电信号，传送至工控机；工控机对接收到的电信号进行处理，得出直线度检测数据，并将其与预先设定的基准值进行对比，并生成直线度检测数据图形，通过显示设备显示。

2.根据权利要求1所述的基于光电无损检测的管状物内孔直线度自动检测系统，其特征在于：所述的光电接收器(6)为位置敏感探测器。

3.根据权利要求1所述的基于光电无损检测的管状物内孔直线度自动检测系统，其特征在于：它还包括与工控机信号输入端相连接的键盘、分别与工控机信号输出端相连接的打印机和显示设备。

4.基于光电无损检测的管状物内孔直线度自动检测方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1：将被测管状物(4)固定在管状物支架上；

S2：将激光发射器(5)和步进电机(7)分别与工控机的控制信号输出端相连接，并建立光电接收器(6)与工控机采集信号输入端之间的连接；

S3：工控机控制步进电机(7)转动，从而带动推杆(8)推动光电接收器(6)按移动步长移动，使光电接收器(6)移动至被测管状物(4)膛内的检测位；

S4：工控机控制激光发射器(5)发射激光，所发射的激光贯穿被测管状物(4)的膛内，并打击在光电接收器(6)的表面；

S5：光电接收器(6)接收到由激光发射器(5)发射的光信号，进行A/D转换和滤波，并将接收到的光信号转换成电信号，传送至工控机；

S6：工控机对接收到的电信号进行处理，得出直线度检测数据，并将其与预先设定的基准值进行对比，并生成直线度检测数据图形，通过显示设备显示；

被测管状物的轴线直线度计算的具体过程：

被测管状物(4)的轴线直线度计算具体过程为：光电接收器(6)与被测管状物(4)的几何中心对准，形成几何中心点P',激光发射器(5)发射的激光束穿过被测管状物(4)前端端口的几何中心点O₁沿Z₁轴传播，并打击在光电接收器(6)的光敏面，形成入射点P；由点P'、O₁和P构成三角形O₁PP'，由于PP'＜＜O₁P'，所以

$\mathrm{\β}\≈arcsin\frac{{\mathrm{PP}}^{\′}}{O_{1}P}=\frac{d}{L}---\left(1\right)$

式中：β为被测管状物(4)膛内激光束与基准轴线的夹角，当被测管状物(4)不存在弯曲时，β为零度；

被测管状物(4)的任意截面处

P_iP_i'＝O₁P_i'sinβ (Ⅱ)

式中：O₁P_i'为被测管状物(4)的任意截面处激光发射器(5)发射激光点距光电接收器(6)几何中心的距离；

利用工控机测得点P_i的坐标为(x_i,y_i)，则则点P_i'处的坐标为

$\left\{\begin{array}{c}{x_i}^2=(P_i{P_i}^{\′}-d_i)\frac{x_i}{d_i}\\ {y_i}^2=(P_i{P_i}^{\′}-d_i)\frac{y_i}{d_i}\end{array}\right.---\left(III\right)$

将式Ⅱ代入式Ⅲ，得到

$\left\{\begin{array}{c}{x_i}^{\′}=(O_1{P_i}^{\′}sin\mathrm{\β}-d_i)\frac{x_i}{d_i}\\ {y_i}^{\′}=(O_1{P_i}^{\′}\sin \mathrm{\β}-d_i)\frac{y_i}{d_i}\end{array}\right.---\left(IV\right)$

在管状物直线度定义的坐标系中，身管实际轴线上的离散坐标为式Ⅳ坐标的相反数，则被测管状物(4)的任意截面处的轴线直线度值为

P_i＝O₁P_i'sinβ-d_i (Ⅴ)

将测量的被测管状物(4)的任意截面处的轴线直线度值与基准值轴线直线度进行作差，所得差值即为被测管状物(4)的直线度；

它还包括一个在步骤S2和S3之间的检测前准备步骤，所述的检测前准备步骤包括以下步骤：

SS21：调节前支架(1)和后支架(2)的高度，使被测管状物(4)的几何中心与激光发射器(5)对准；

SS22：工控机控制步进电机(7)转动，从而带动推杆(8)推动光电接收器(6)按步长移动，使光电接收器(6)分别位于被测管状物(4)的前端和后端进行校准。