CN107726998A - 深孔圆柱度、锥度激光检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于孔轴线圆度、锥度激光检测的技术领域，特别涉及一种锥形孔圆度、锥度检测装置，解决现有深孔检测技术不能检测微位移变动和微转角变动的问题，包括前、后定心结构、激光检测系统以及动力部分，前、后定心结构分别设置于激光检测系统两端并与之连接，前、后定心结构与孔壁保持接触适应深孔孔径变化分别实现激光检测系统前、后两端的中心线与深孔轴线重合；激光检测系统包括光电发射器、小锥透镜、大锥透镜、光电接收器以及无线信号收发器，检测装置沿轴线运动的位置信息与反射光斑的位置变化数据构成函数关系，得到沿轴向不同位置的孔形貌参数。本发明结构简单，成本低廉，使用方便，可以实现全程动态检测深孔直径随轴线位置的变化。

Description

深孔圆柱度、锥度激光检测装置

技术领域

本发明属于孔轴线圆度、锥度激光检测的技术领域，特别涉及一种深孔圆柱度、锥度激光检测装置。

背景技术

深孔加工复杂且特殊，难以观察加工部位和刀具状况，加工过程受诸如刀杆变形、系统颤振、工件材质、钻头参数、切削参数、油液压力、排屑困难等多方面因素的影响，深孔零件常出现轴线偏斜的现象，一旦偏斜到某种程度，深孔零件轴线的圆度误差将产生急剧变化，造成钻头损坏、工件报废、产品精度低、质量不合格等不良后果。由于深孔加工服务于装备制造行业，深孔工件的质量直接影响装备制造业的发展，也限制了深孔向其他领域拓展的空间。

圆度检测贯穿于整个深孔加工过程中，是深孔领域控制产品质量的重要手段，圆度好的零件也可以使自身在与其他零件配合使用时发挥出最大的性能，提高总装精度。圆度是深孔加工必须考虑的一项基本指标，对于孔类零件，通常所说的圆度是指零件实际轴线相对于理论轴线的偏差。在深孔行业，轴线偏斜表现为实际轴线相对于理论轴线发生微位移变动或者微转角变动。

国内外在深孔圆度检测与纠偏技术方面的研究不断加深，但是相对其他计量项目而言，圆度检测技术显得落后，尤其表现在对大长工件孔轴线圆度检测方面，到目前为止，尚没有用于检测深孔轴线圆度偏差的成熟产品。实际中，工人师傅经常通过用卡尺在孔的两端沿不同径向方向测量壁厚的方法判定圆度好坏，这种方法不能测得深孔内部轴线偏差，也即不能实现对深孔零件圆度的全程连续动态检测，很不精准，容易陷入以点概面的误区。而一些激光圆度检测仪器，不能实现同时检测微位移变动和微转角变动的功能。

轴线偏斜严重制约孔类零件的质量，提高深孔圆度检测技术水平，为深孔加工过程提供参考依据，进而提高深孔零件质量，推动装备制造水平的提升。因此，研究一种可以同时检测微位移变动的深孔圆度检测仪器显得尤为重要。

发明内容

本发明为了解决现有深孔检测不能检测微位移变动和微转角变动的问题，提供了一种利用激光技术和光电传感器全程动态检测深孔实际孔壁相对于理论轴线的微位移变化的深孔圆柱度、锥度激光检测装置，本发明通过光斑在光电传感器上的变化计算出孔轴线圆度、锥度值和粗糙度，使得锥形深孔形貌检测更便捷。

本发明采用如下的技术方案实现：

一种深孔圆柱度、锥度激光检测装置，其特征在于包括前、后定心结构、激光检测系统以及动力部分，

所述的前、后定心结构分别设置于激光检测系统两端并与之连接，所述的前、后定心结构与孔壁保持接触适应深孔孔径变化分别实现激光检测系统前、后两端的中心线与深孔轴线重合；

所述的激光检测系统包括激光安装件，所述的激光安装件上沿轴线方向依次安装有光电发射器、小锥透镜、大锥透镜以及光电接收器，激光安装件上还设置有无线信号收发器，所述的光电发射器发射激光，经过小锥透镜折射，照射在孔壁表面，孔壁表面反射激光，经过大锥透镜折射，反射光斑的位置变化被光电接收器接收，接收器接收、处理的反射光斑位置变化数据经由无线信号收发器与计算机实时通讯、传输，

动力部分为激光检测系统沿深孔轴线直线进给提供动力，检测装置沿轴线运动的位置信息也传输给计算机，所述检测装置以锥孔的理想轴线为基准，在锥孔特定深度的位置根据激光三角法检测原理，利用激光装发射置和CCD元件测得该位置下被测锥孔截面的形貌参数，与理想孔径对比，分析得到圆度参数。

所述检测装置沿着孔轴线运动，记录此过程中光斑的位移变化，间接得知已检测沿锥孔轴线法向截得截面的直径。光电编码器检测得知电机转动参数，得知该过程中装置的行走距离，即被测截面的间距。依据锥度的定义，可由计算机计算得到锥孔的锥度。

所述的激光安装件为台阶结构，还包括细部的光杆，所述的前定心结构包括依次设置于光杆上的弹簧Ⅱ、楔形体、弹簧Ⅲ以及套筒，还包括与孔壁保持接触的杠杆系，所述的杠杆系沿周向均布，数量为三组或三组以上，

所述的套筒套于弹簧Ⅱ、楔形体以及弹簧Ⅲ之外并与激光安装件的台阶面固定并产生弹簧Ⅱ和弹簧Ⅲ的预压缩量，弹簧Ⅱ与弹簧Ⅲ之间夹着楔形体，套筒和楔形体之间设置有防止二者发生相对旋转的防转销钉，

所述的杠杆系包括杆Ⅰ，杆Ⅰ两端分别设置有可相对其转动的滚动钢珠，杆Ⅰ由楔形杆铰接并支撑，楔形杆底部为斜面与楔形体接触配合。

所述的后定位装置包括与激光安装件端部连接的安装轴，安装轴上自外到内依次设置有螺母、弹簧Ⅰ、滑块以及连杆组，

所述的螺母与安装轴螺纹连接调节弹簧Ⅰ的预压缩量，

所述的连杆组沿周向均布，数量为三组或三组以上，所述的连杆组包括连杆Ⅰ和连杆Ⅱ，连杆Ⅰ和连杆Ⅱ中部铰接，连杆Ⅱ一端与安装轴铰接，连杆Ⅱ顶部为弧面设计，连杆Ⅰ的另一端和滑块铰接。

所述的动力部分包括铜线，所述的铜线从滚筒牵出，绕过定滑轮连接在激光安装件的一端，所述的滚筒与电机输出端连接，电机设置有光电编码器，光电编码器获取电机转动数据从而得到检测装置沿轴线运动的位置信息。

所述的光电发射器、小锥透镜、大锥透镜以及光电接收器沿周向布置三组。

所述的滑块与安装轴以导槽形式连接，滑块底部两侧有凸缘，与安装轴的凹槽配合。

所述的楔形体小端端部有环形凸台。

所述的楔形体的斜面角度为在15°至70°之间。

所述的深孔圆柱度、锥度激光检测装置，用于深孔零件，所述的深空零件固定于水平位置。

本发明的工作原理：前后定心结构通过螺栓与激光检测系统连接，后定心结构利用激光安装件的光杆将弹簧与楔形体定位。楔形体与滚动钢珠、楔形杆、杠杆系相互配合，依据孔壁定心、确保后定位装置轴线与孔轴线重合。两只弹簧均对楔形体产生作用力，使楔块有保持向右运动的趋势。杠杆系受楔块斜面的挤压，沿着径向向外侧滑移，保持滚动钢珠与孔壁紧密接触，进而实现定心作用。前定心结构利用螺母、弹簧、曲柄滑块机构进行定位。螺母旋入挤压，弹簧受压缩而推动滑块，连杆绕铰链转动，三个连杆的顶端与孔壁同时接触并保持有一定接触力，实现定心。接触压力通过螺母旋进量间接调节。激光发生器的光束经过小锥透镜照射到孔壁上，进而漫反射到接收器。接收器记录光斑的位移随时间或沿轴线方向位移的变化。光电编码器记录电机的转速，间接记载铜线的位移，即检测器沿锥孔轴线的位移随时间的变化。两组数据构成函数关系，记载到计算机中，通过数据分析得到锥形孔的锥度、长度、粗糙度等几何数据和相关参数。本发明可适应适当直径、不同锥度的孔，并保证装置轴线相对于孔轴线的重合度。

工作时，电机驱动滚筒和铜线，牵引检测装置随孔的轴线沿直线运动。后定心结构的螺母预紧使弹簧产生预压缩量，形成的弹簧压力推动连杆-滑块机构动作，三个连杆绕铰链同时旋转并且连杆末端与孔壁均保持一定的接触力，利用三点定心和力平衡原理实现到检测装置中心轴与深孔轴线重合的目的。工作过程中，当孔径变大，弹簧推动滑块朝着固定铰链、沿轴线移动，带动长连杆开张并与孔壁保持接触，以适应于孔径的增加；当孔径变小时，长连杆在锥孔孔壁压迫下绕固定铰链转动，推动滑块并压缩弹簧。轴向布置的弹簧实现了势能的转化利用和同孔壁的稳定接触力。前定心装置的弹簧作用力推动楔块沿轴线运动，通过楔块斜面使杠杆系沿径向动作，以保持滚动钢珠与孔壁间的接触压力。孔径的变化使滑块和楔形杆产生沿楔块斜面的直线位移，挤压楔形体、安装轴产生沿轴向的运动趋势，改变弹簧压缩量。本发明所述的光电接收器接收激光发射器发出的光线，用来检测零件孔的圆度、锥度相对于理论轴线的微位移变化，工作时，若孔的实际形貌相对于理论轴线只有微位移变化，光斑在光电接收器上产生一个微量变化，该变量就是微位移变化，反映该位置下孔半径相对理想半径的偏差，进而计算出圆度。

本发明所述的光电接收器接收激光发射器发出的光线，可检测零件孔的实际半径相对于理论半径的微量变化，工作时，若实际半径相对于理论半径只有微量变化，光斑在光电接收器上产生一个变动量，根据反射放大原理，采用函数即可将该变动量转换为半径或者孔形貌的微量变化。

本发明所述的电机与光电编码器连接到计算机，实现光电编码器的数据存储和转换。光电接收器的数据在试验完成后导入到计算机中，与光电传感器的数据对应，构造孔径及其它参数关于轴线位置的函数。

本发明所述光电发射器、大小锥透镜、光电接收器在安装环外侧，沿轴向布置，沿着周向布置三组光电收发装置，确保测量精度。

本发明所述滚动钢珠、杠杆系、楔形杆配合楔形体构成前定心结构。滚动钢珠与孔壁呈滚动接触，有利于减小行进中的摩擦力，提高检测精度。杠杆系对不同锥度的孔具备一定适应性。弹簧Ⅱ、弹簧Ⅲ安装在激光安装件的细部的光杆上。楔形体设置在两个弹簧之间，受楔形杆的压力与弹簧推力平衡。楔形杆在斜面作用下传递给滚动钢珠顶紧孔壁。滚动钢珠凭借楔形杆铰接支撑形成的杠杆平衡作用，可以适应不同锥度的锥孔。三个楔形杆17同时受来自弹簧和楔形体斜面的径向推力，与孔壁保持良好接触，实现前定位器中心线与孔轴线重合。同时由于钢珠与孔壁呈点接触，以及其滚动性，使得钢珠和孔的摩擦更小。为防止楔形体在套筒内自转，设计防转销钉，以免楔形杆随楔形体转动而损坏装置。

本发明所述后定心结构的安装轴与激光安装件通过螺钉连接。螺母螺纹连接于安装轴并旋入，调节弹簧的伸缩量。在弹簧作用力下，滑块沿轴线方向滑动，改变了两个连杆各自铰链的间距，使连杆绕铰链转动。三个连杆组的连杆顶端与深孔零件的孔内壁始终接触，据三点定圆原理，实现后定心机构中心线与深孔轴线重合。

本发明本发明所述检测装置在电机驱动、铜线牵引作用下，沿着孔的轴线进给。所述的铜线绕过定滑轮连接在激光定位件末端的光杆上，从而将电机动力传递给检测装置，定滑轮改变铜线传动方向，使电机安装适应性更强。

本发明集机、电、光于一体，采用激光技术和光电传感器，构建基于弹簧-楔块体系的装置，结构简单，成本低廉，使用方便，可以实现全程动态检测深孔直径随轴线位置的变化，推算出圆柱度、锥度，使对深孔零件进行圆度、锥度检测的手段趋于高精化，是深孔检测技术上的重要突破。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，

图2为图1的B-B剖视图，

图3为图1的A-A剖视图，

图中：1.工件；2.螺母；3.弹簧Ⅰ；4.连杆组；5滑块；6.安装轴；7.螺钉；8.光电发射器；9.1大锥透镜；9.2小锥透镜；10.光电接收器；11.激光安装件；12.弹簧Ⅱ；13.套筒；14.楔形体；15.滚动钢珠；16.杠杆系；17.楔形杆；18.弹簧Ⅲ；19.铜线；20.计算机；21.定滑轮；22.电机及光电编码器；23.滚筒；24. 时间与速度反馈信号数据线；25.防转销钉。

具体实施方式

结合附图对本发明的实施方式作进一步描述，本实施例是用来说明本发明的，而不是对本发明做任何限制。

深孔圆柱度、锥度激光检测装置，包括前、后定心结构、激光检测系统以及动力部分，所述的前、后定心结构分别设置于激光检测系统两端并与之连接，所述的前、后定心结构与孔壁保持接触适应深孔孔径变化分别实现激光检测系统前、后两端的中心线与深孔轴线重合。用于深孔零件，所述的深孔零件固定于水平位置。

所述的激光检测系统包括激光安装件，所述的激光安装件上沿轴线方向依次安装有光电发射器8、小锥透镜9.1、大锥透镜9.2以及光电接收器10，激光安装件上还设置有无线信号收发器26，所述的光电发射器8发射激光，经过小锥透镜9折射，照射在孔壁表面，孔壁表面反射激光，经过大锥透镜折射，反射光斑的位置变化被光电接收器10接收，接收器接收、处理的反射光斑位置变化数据经由无线信号收发器26与计算机20实时通讯、传输，动力部分为激光检测系统沿深孔轴线直线进给提供动力，检测装置沿轴线运动的位置信息也传输给计算机20，检测装置沿轴线运动的位置信息与反射光斑的位置变化数据构成函数关系，得到沿轴向不同位置的孔形貌参数。

具体的来说：所述的激光安装件为台阶结构，还包括细部的光杆，所述的前定位装置包括依次设置于光杆上的弹簧Ⅱ12、楔形体14、弹簧Ⅲ18以及套筒13，还包括与孔壁保持接触的杠杆系，所述的杠杆系沿周向均布，数量为三组或三组以上，所述的套筒套于弹簧Ⅱ12、楔形体14以及弹簧Ⅲ18之外并与激光安装件的台阶面固定并产生弹簧Ⅱ12和弹簧Ⅲ18的预压缩量，弹簧Ⅱ12与弹簧Ⅲ18之间夹着楔形体14，套筒13和楔形体14之间设置有防止二者发生相对旋转的防转销钉25，防转销钉25避免套筒13与楔形体14的相对转动。所述的杠杆系包括杆Ⅰ，杆Ⅰ两端分别设置有可相对其转动的滚动钢珠15，杆Ⅰ由楔形杆17铰接并支撑，楔形杆17底部为斜面与楔形体14接触配合。套筒固定产生弹簧预压缩量，弹簧Ⅱ、弹簧Ⅲ与楔形体相互作用，经过斜面作用于楔形杆17和杠杆系，保证滚动钢珠15与孔壁良好接触。楔形体14受弹簧Ⅱ、弹簧Ⅲ以及楔形杆17的力而保持受力平衡。楔形体的斜面角度为在15°至70°之间。

所述的后定位装置包括与激光安装件端部连接的安装轴6，安装轴6上自外到内依次设置有螺母2、弹簧Ⅰ3、滑块5以及连杆组4，所述的螺母2与安装轴6螺纹连接调节弹簧Ⅰ3的预压缩量，所述的连杆组4沿周向均布，数量为三组或三组以上，所述的连杆组4包括连杆Ⅰ和连杆Ⅱ，连杆Ⅰ和连杆Ⅱ中部铰接，连杆Ⅱ一端与安装轴6铰接，连杆Ⅱ顶部为弧面设计，连杆Ⅰ的另一端和滑块5铰接。所述滑块5与安装轴6以导槽形式连接，滑块5底部两侧有凸缘，与安装轴6的凹槽配合，防止滑块5脱离安装轴6。螺母2可调节弹簧Ⅰ的压缩量，弹簧Ⅰ推动滑块5，改变滑块5与固定铰链的间距，间接驱动连杆组4绕铰链转动。

针对锥孔或不同直径的普通孔，在弹簧作用下滑块沿滑槽运动、楔形杆沿径向直线运动以适应孔径的改变。

所述的动力部分包括铜线，所述的铜线从滚筒23牵出，绕过定滑轮21连接在激光安装件11的一端，所述的滚筒与电机22输出端连接，电机22设置有光电编码器，光电编码器获取电机转动数据从而得到检测装置沿轴线运动的位置信息。

所述的光电发射器8、小锥透镜9.1、大锥透镜9.2以及光电接收器10沿周向布置三组。

Claims (9)

1.一种深孔圆柱度、锥度激光检测装置，其特征在于包括前、后定心结构、激光检测系统以及动力部分，

所述的前、后定心结构分别设置于激光检测系统两端并与之连接，所述的前、后定心结构与孔壁保持接触适应深孔孔径变化分别实现激光检测系统前、后两端的中心线与深孔轴线重合；

所述的激光检测系统包括激光安装件，所述的激光安装件上沿轴线方向依次安装有光电发射器（8）、小锥透镜（9.1）、大锥透镜（9.2）以及光电接收器（10），激光安装件上还设置有无线信号收发器（26），所述的光电发射器（8）发射激光，经过小锥透镜（9）折射，照射在孔壁表面，孔壁表面反射激光，经过大锥透镜折射，反射光斑的位置变化被光电接收器（10）接收，接收器接收、处理的反射光斑位置变化数据经由无线信号收发器（26）与计算机（20）实时通讯、传输，

动力部分为激光检测系统沿深孔轴线直线进给提供动力，检测装置沿轴线运动的位置信息也传输给计算机（20）。

2.根据权利要求1所述的深孔圆柱度、锥度激光检测装置，其特征在于所述的激光安装件为台阶结构，还包括细部的光杆，所述的前定心结构包括依次设置于光杆上的弹簧Ⅱ（12）、楔形体（14）、弹簧Ⅲ（18）以及套筒（13），还包括与孔壁保持接触的杠杆系，所述的杠杆系沿周向均布，数量为三组或三组以上，

所述的套筒套于弹簧Ⅱ（12）、楔形体（14）以及弹簧Ⅲ（18）之外并与激光安装件的台阶面固定并产生弹簧Ⅱ（12）和弹簧Ⅲ（18）的预压缩量，弹簧Ⅱ（12）与弹簧Ⅲ（18）之间夹着楔形体（14），套筒（13）和楔形体（14）之间设置有防止二者发生相对旋转的防转销钉（25），

所述的杠杆系包括杆Ⅰ，杆Ⅰ两端分别设置有可相对其转动的滚动钢珠（15），杆Ⅰ由楔形杆（17）铰接并支撑，楔形杆（17）底部为斜面与楔形体（14）接触配合。

3.根据权利要求1所述的深孔圆柱度、锥度激光检测装置，其特征在于，所述的后定位装置包括与激光安装件端部连接的安装轴（6），安装轴（6）上自外到内依次设置有螺母(2)、弹簧Ⅰ（3）、滑块（5）以及连杆组（4），

所述的螺母（2）与安装轴（6）螺纹连接调节弹簧Ⅰ（3）的预压缩量，

所述的连杆组（4）沿周向均布，数量为三组或三组以上，所述的连杆组（4）包括连杆Ⅰ和连杆Ⅱ，连杆Ⅰ和连杆Ⅱ中部铰接，连杆Ⅱ一端与安装轴（6）铰接，连杆Ⅱ顶部为弧面设计，连杆Ⅰ的另一端和滑块（5）铰接。

4.根据权利要求1所述的深孔圆柱度、锥度激光检测装置，其特征在于，所述的动力部分包括铜线，所述的铜线从滚筒（23）牵出，绕过定滑轮（21）连接在激光安装件（11）的一端，所述的滚筒与电机（22）输出端连接，电机（22）设置有光电编码器，光电编码器获取电机转动数据从而得到检测装置沿轴线运动的位置信息。

5.根据权利要求1所述的深孔圆柱度、锥度激光检测装置，其特征在于，所述的光电发射器（8）、小锥透镜（9.1）、大锥透镜（9.2）以及光电接收器（10）沿周向布置三组。

6.根据权利要求1所述的深孔圆柱度、锥度激光检测装置，其特征在于，滑块（5）与安装轴（6）以导槽形式连接，滑块（5）底部两侧有凸缘，与安装轴（6）的凹槽配合。

7.根据权利要求1所述的深孔圆柱度、锥度激光检测装置，其特征在于，楔形体小端端部有环形凸台。

8.根据权利要求1所述的深孔圆柱度、锥度激光检测装置，其特征在于，楔形体的斜面角度为在15°至70°之间。

9.根据权利要求1至7之一所述的深孔圆柱度、锥度激光检测装置，其特征在于，用于深孔零件，所述的深空零件固定于水平位置。