一种非接触3点测量圆孔内径的装置和方法与流程

1.本发明属于材料测量技术领域，具体是一种非接触3点测量圆孔内径的装置和方法。


背景技术：

2.在对圆孔工件的内孔进行精密加工过程中，内孔的直径是衡量工件加工质量的重要性能指标，为保证加工精度，需要对内孔径进行快速无损检测，目前对小孔工件的直径检测大都采用塞规、三爪内径千分尺及三坐标测量机等，但是这些方法都属于接触测量，容易对工件表面造成损伤，且须人工操作，测量效率较低，难以实现快速无损的自动化检测，气动量仪虽然是一种非接触式内径检测方法，但是受到其工作距离较短的限制，也容易与被测工件发生接触从而带来表面损伤的问题，影像测量仪是一种非接触测量，但是受到检测范围和分辨率的限制，一般精度很难达到5微米以下，且仪器体积较大，难以实现工业现场的自动化测量，因此需要研制一种高精度的圆孔工件内径在线测量装置和方法，实现对圆孔工件内径的现场快速无损测量。
3.内径测量中还存在的一个问题是对于内径在五毫米至数十毫米的小孔工件，常规的直径检测仪器无法伸入内孔，导致测量困难，日本专利(jp特开2011
‑
196899a,2011.10.06)中公开了一种基于三棱反射镜的3点式内径测量装置，三束激光首先沿着被测工件轴线方向从工件外部射向放置在工件内部的三棱反射镜，3束激光分别经三棱反射镜的三个反射面水平射向工件内壁上同一个水平截面上的3点，其反射光再经三棱反射镜射出工件，由工件外部的接收器分析得到激光的位移量，最后由3点定圆原理得到工件内径测量结果。
4.cn105043278b专利中公开了一种非接触3点或4点测量圆孔内径的方法，3个或4个激光位移传感器以一定的间隔布置在被测工件内部，对激光位移传感器的测量光轴进行调整，使之满足一定的预设条件，再根据外接三角形公式获取被测圆孔的半径；上述2个专利均假设，通过光轴调整，在工件的径向截面上的激光测量光轴的延长线可交于一点，但是实际情况下，激光测量光轴很难通过调整完全满足交于一点的条件，且微小的激光光轴偏角误差就会对测量结果产生较大的影响。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对以上问题，本发明提供了一种非接触3点测量圆孔内径的装置和方法，通过构建由3个激光位移传感器组成的测量探头组，使用倾斜台和平移台对激光位移传感器的测量光轴的方向进行调整，使激光射入四棱台反射镜的3个面后再射向标准圆孔工件内壁上3个圆球的球心点；旋转标准圆孔工件，使激光经四棱台反射后射向工件内壁上3点，获取3个位移传感器的测量值后计算3个激光测量光轴的偏角误差，并最终计算得到精确的内径测量结果的优点。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种非接触3点测量圆孔内径的装
置，包括三个激光位移传感器，三个所述激光位移传感器的外侧均固定安装有传感器支撑架，三个所述传感器支撑架的底部均固定安装有二轴倾斜台，三个所述二轴倾斜台的底部均固定安装有二轴平移台，位于所述激光位移传感器折角中部区域的底部放置有工件承载座，所述工件承载座的顶部固定安装有被测圆孔工件，所述工件承载座内部的中部固定安装有顶部设置有四棱台反射镜的反射镜承载座，所述标准圆孔工件内壁侧面圆周角为0
°
、90
°
和180
°
位置上固定安装有3个直径为已知的圆球。
7.作为本发明的一种优选技术方案，三个所述激光位移传感器的大小结构完全一致且三者组成了一个倒t形结构，三个所述激光位移传感器组成了探头测量组，所述激光位移传感器、传感器支撑架、二轴倾斜台与二轴平移台组成了一个简易的检测装置且该检测装置共设置有三组，该所述激光位移传感器测量光轴的出射方向和位置可通过二轴倾斜台和二轴平移台调整。
8.作为本发明的一种优选技术方案，三组所述检测装置及反射镜承载座与工件承载座的底部设置有底板，该所述底板表面平整无凹凸面。
9.作为本发明的一种优选技术方案，所述四棱台反射镜侧向外围的四面均设置有大小相一致的倾斜等腰梯形面，该所述倾斜等腰梯形面与底板的水平面呈四十五度夹角，相邻两个所述倾斜等腰梯形面的法线夹角均为九十度，所述四棱台反射镜的倾斜等腰梯形面能够反射激光束。
10.作为本发明的一种优选技术方案，包括以下步骤：
11.1)构建由3个激光位移传感器组成的测量探头组；
12.2)放置标准圆孔工件，调整反射镜承载座和工件承载座的高度，使四棱台反射镜的反射面中心正对圆孔工件的内壁；
13.3)使用倾斜台和平移台对激光位移传感器的测量光轴的方向进行调整，使激光沿着圆孔工件轴线方向从工件外部射向四棱台反射镜的3个面后再射向标准圆孔工件内壁上3个圆球的球心点；如图3所示，3束激光射入四棱台反射镜的射入点分别为d1,d2,d3，经过90度反射后水平射向圆球的球心点s1,s2,s3；
14.4)旋转标准圆孔工件，使激光经四棱台反射后避开圆球射向工件内壁；
15.5)读取3个激光位移传感器测量值；
16.6)计算3个激光测量光轴的偏角误差；
17.7)取下标准圆孔工件，放置被测圆孔工件，如图4所示，使激光经四棱台反射后射向工件内壁上3点a，b和c，根据3点定圆原理获得被测圆孔工件的内径；
18.如图4所示，以球心点s1和s3的连线为x轴，过s2作x轴的垂线为y轴，建立直角坐标系，由于标准圆孔工件的内径和内嵌的3个圆球的直径和位置已知，则3个球心点s1,s2,s3的水平截面内的xy坐标值分别为(x
s1
,y
s1
),(x
s2
,y
s2
),(x
s3
,y
s3
)，3束激光射入四棱台反射镜的射入点分别为d1,d2,d3，过s1,s2,s3点后射向工件内壁，与内壁的交点分别为a,b,c点，3个激光测量光轴的偏角误差定义为α1是s1a与x轴的夹角；α2是s2b与y轴的夹角；α3是s3c与x轴的夹角，设3个激光位移传感器的测量值为m1,m2,m3，则a，b，c点的坐标可由下式表达：
[0019][0020]
将上式代入下式即可得到3个激光测量光轴的偏角误差α1,α2和α3，
[0021][0022]
其中，x0,y0为标准工件所处位置的圆心坐标，
[0023]
上述步骤7)所述的计算被测圆孔工件的内径，其基本方法如下：
[0024]
设激光束与被测工件的交点为a，b，c，其坐标可由式(1)求得。
[0025]
再通过下式即可求得被测工件的半径r
p
，
[0026][0027]
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
[0028]
1、本发明采用基于四棱台反射镜的非接触3点测量，传感器探头无需置入被测孔径内，适合小孔径工件的内径测量，且非接触避免了工件表面损伤；放入被测工件时，无需工件与四棱台反射镜的严格对心操作，提高了测量效率。
[0029]
2、本发明发明了一种使用标准圆孔工件的方法，该标准工件的固定位置具有3个圆球，便于使用倾斜台和平移台对激光位移传感器的测量光轴的方向进行调整，并可基于已知半径的标准工件，计算出激光测量光轴的偏角误差，最终提高被测工件的测量精度。
附图说明
[0030]
图1为本发明结构的非接触3点测量圆孔内径装置示意图；
[0031]
图2为本发明标准圆孔工件从上往下视角得到的俯视示意图；
[0032]
图3为本发明3个位移传感器的3束激光沿着圆孔工件轴线方向从工件外部射向四棱台反射镜的3个面的俯视示意图；
[0033]
图4为本发明3个位移传感器的3束激光最终射向圆孔工件内壁3点的俯视示意图；
[0034]
图5为本发明测量步骤流程图。
[0035]
图中：1、激光位移传感器；2、传感器支撑架；3、二轴倾斜台；4、二轴平移台；5、四棱台反射镜；6、反射镜承载座；7、被测圆孔工件、标准圆孔工件；8、工件承载座；9、圆球；10、激光束。
具体实施方式
[0036]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0037]
如图1至图5所示，本发明提供一种非接触3点测量圆孔内径的装置和方法，包括三个激光位移传感器1，三个激光位移传感器1的外侧均固定安装有传感器支撑架2，三个传感器支撑架2的底部均固定安装有二轴倾斜台3，三个二轴倾斜台3的底部均固定安装有二轴平移台4，位于激光位移传感器1折角中部区域的底部放置有工件承载座8，工件承载座8的顶部固定安装有被测圆孔工件7，工件承载座8内部的中部固定安装有顶部设置有四棱台反射镜5的反射镜承载座6，标准圆孔工件7内壁侧面圆周角为0
°
、90
°
和180
°
位置上固定安装有3个直径为已知的圆球9，所述被测圆孔工件7达标状态下指的就是标准圆孔工件7，工件承载座8在下面，标准圆孔工件7和被测圆孔工件7的位置都是在工件承载座8上，该工件承载座8要么放标准圆孔工件7，要么放被测圆孔工件7。
[0038]
其中，三个激光位移传感器1的大小结构完全一致且三者组成了一个倒t形结构，三个激光位移传感器1组成了探头测量组，激光位移传感器1、传感器支撑架2、二轴倾斜台3与二轴平移台4组成了一个简易的检测装置且该检测装置共设置有三组，该激光位移传感器1测量光轴的出射方向和位置可通过二轴倾斜台3和二轴平移台4调整。
[0039]
其中，三组检测装置及反射镜承载座6与工件承载座8的底部设置有底板，该底板表面平整无凹凸面。
[0040]
其中，四棱台反射镜5侧向外围的四面均设置有大小相一致的倾斜等腰梯形面，该倾斜等腰梯形面与底板的水平面呈四十五度夹角，相邻两个倾斜等腰梯形面的法线夹角均为九十度，四棱台反射镜5的倾斜等腰梯形面能够反射激光束10。
[0041]
其中，包括以下步骤：
[0042]
1)构建由3个激光位移传感器组成的测量探头组；
[0043]
2)放置标准圆孔工件，调整反射镜承载座和工件承载座的高度，使四棱台反射镜的反射面中心正对圆孔工件的内壁；
[0044]
3)使用倾斜台和平移台对激光位移传感器的测量光轴的方向进行调整，使激光沿着圆孔工件轴线方向从工件外部射向四棱台反射镜的3个面后再射向标准圆孔工件内壁上3个圆球的球心点；如图3所示，3束激光射入四棱台反射镜的射入点分别为d1,d2,d3，经过90度反射后水平射向圆球的球心点s1,s2,s3；
[0045]
4)旋转标准圆孔工件，使激光经四棱台反射后避开圆球射向工件内壁；
[0046]
5)读取3个激光位移传感器测量值；
[0047]
6)计算3个激光测量光轴的偏角误差；
[0048]
7)取下标准圆孔工件，放置被测圆孔工件，如图4所示，使激光经四棱台反射后射向工件内壁上3点a，b和c，根据3点定圆原理获得被测圆孔工件的内径；
[0049]
如图4所示，以球心点s1和s3的连线为x轴，过s2作x轴的垂线为y轴，建立直角坐标系，由于标准圆孔工件的内径和内嵌的3个圆球的直径和位置已知，则3个球心点s1,s2,s3的水平截面内的xy坐标值分别为(x
s1
,y
s1
),(x
s2
,y
s2
),(x
s3
,y
s3
)，3束激光射入四棱台反射镜的射入点分别为d1,d2,d3，过s1,s2,s3点后射向工件内壁，与内壁的交点分别为a,b,c点，3个激光测量光轴的偏角误差定义为α1是s1a与x轴的夹角；α2是s2b与y轴的夹角；α3是s3c与x轴的夹角，设3个激光位移传感器的测量值为m1,m2,m3，则a，b，c点的坐标可由下式表达：
[0050][0051]
将上式代入下式即可得到3个激光测量光轴的偏角误差α1,α2和α3，
[0052][0053]
其中，x0,y0为标准工件所处位置的圆心坐标，
[0054]
上述步骤7所述的计算被测圆孔工件的内径，其基本方法如下：
[0055]
设激光束与被测工件的交点为a，b，c，其坐标可由式(1)求得，再通过下式即可求得被测工件的半径r
p
，
[0056][0057]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0058]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。