大型回转类工件内壁尺寸的现场测量装置、系统及方法

摘要

本发明公开了一种大型回转类工件内壁尺寸的测量装置，包括底座，用于支撑装置其它部件；安装架，用于将装置安装于待测工件上；回转机构，安装于底座与安装架之间，用于带动激光位移传感器在水平面上回转；纵向移动机构，用于调整激光位移传感器在竖直方向的位置；横向移动机构，用于在水平方向上调整激光位移传感器相对工件测点的距离；调平机构，用于调节激光位移传感器的姿态使其发出的激光束水平入射工件测点；激光位移传感器，用于测量工件测点到传感器的距离。本发明还提供了基于该测量装置的测量系统和方法。本发明利用激光三角测量原理确定测点的空间坐标，测量精度高；能够自动调整测量位置，适用于各种大型回转壳体类零件的现场测量。

权利要求

1.一种大型回转类工件内壁尺寸的测量系统，包括测量装置和控制中心；

所述测量装置包括

底座，用于支撑装置其它部件；

安装架，用于将装置安装于工件上；

回转机构，安装于底座与安装架之间，用于带动激光位移传感器在水平面上回转；

纵向移动机构，安装于回转机构上，用于调整激光位移传感器在竖直方向的位置；

横向移动机构，安装于纵向移动机构上，用于在水平方向上调整激光位移传感器相对工件测点的距离；

调平机构，安装于横向移动机构上，用于调节激光位移传感器的姿态使其发出的激光束水平入射工件测点；以及激光位移传感器，安装于调平机构上，用于测量工件测点到传感器的距离；

所述控制中心，分别连接回转机构、纵向移动机构、横向移动机构和激光位移传感器，用于控制回转机构、纵向移动机构、横向移动机构的运动以移动激光位移传感器至目标位置，接收回转机构、纵向移动机构、横向移动机构反馈的激光位移传感器的位置信息，接收激光位移传感器采集的工件测点与传感器间的距离信息，结合激光位移传感器的位置信息和工件测点与传感器间的距离信息计算得到测点的空间坐标；

所述控制中心包括运动控制卡和激光检测模块，激光检测模块包括CAD模型导入模块、测点路径规划模块、测量参数输入模块、数据通信模块和测量数据处理模块；

CAD模型导入模块，用于导入待测工件的CAD模型；

测点路径规划模块，用于依据CAD模型的几何信息确定测点分布，规划测量路径，进而生成测量指令，将测量指令传送给运动控制卡；

测量参数输入模块，用于输入激光位移传感器的工作参数；

数据通信模块，用于接收回转机构、纵向移动机构、横向移动机构反馈的激光位移传感器的位置信息，接收激光位移传感器采集的工件测点与传感器间的距离信息；

测量数据处理模块，用于结合激光位移传感器的位置信息和工件测点与传感器间的距离信息计算得到测点的空间坐标；

运动控制卡，用于接收来自测点路径规划模块的测量指令，依据测量指令控制回转机构、纵向移动机构、横向移动机构的运动以移动激光位移传感器至目标位置。

2.根据权利要求1所述的大型回转类工件内壁尺寸的测量系统，其特征在于，所述回转机构包括主轴箱、主轴、用于驱动主轴回转的第一伺服电机以及用于测量回转角度的第一光栅尺；主轴的底端连接底座，主轴的顶端安装第一光栅尺后连接主轴箱，主轴箱安装于支撑架上；

所述纵向移动机构包括滚珠丝杠、用于驱动滚珠丝杠旋转的第二伺服电机以及用于测量激光传感器通过滚珠丝杠旋转带动产生的纵向移动距离的第二光栅尺，滚珠丝杠安装于主轴内,第二伺服电机安装于主轴箱内，第二光栅尺安装于主轴上；

所述横向移动机构包括横臂、齿轮齿条传动机构、用于驱动横臂横向伸缩的第三伺服电机以及用于测量横向伸缩距离的第三光栅尺，横臂通过齿轮齿条传动机构连接第三伺服电机，横臂通过安装块连接滚珠丝杠，齿轮齿条传动机构和第三伺服电机安装于安装块内，第三光栅尺安装于横臂上。

3.根据权利要求1所述的大型回转类工件内壁尺寸的测量系统，其特征在于，所述调平机构包括调平台和调整螺母，调平台的上表面安装有激光位移传感器，调平台的下表面安装有调整螺母。

4.根据权利要求1或2或3所述的大型回转类工件内壁尺寸的测量系统，其特征在于，所述激光位移传感器为点光源激光位移传感器。

5.根据权利要求1所述的大型回转类工件内壁尺寸的测量系统，其特征在于，所述测量参数输入模块还用于输入待测工件的材质信息，所述测量数据处理模块还用于依据待测工件的材质信息和激光位移传感器的入射角度对激光位移传感器采集的工件测点与传感器间的距离信息进行修正。

说明书

大型回转类工件内壁尺寸的现场测量装置、系统及方法

技术领域

[0001] 本发明属于先进测量技术领域，旨在提供一种大型回转类工件内壁尺寸的现场测量装置、系统及方法。

背景技术

[0002] 随着现代制造加工技术的不断发展，大型回转类工件的应用越来越广泛，而且随着机床加工精度的不断提高，对大型回转类工件的测量也提出了更高的要求。

[0003] 对于大型复杂曲面类工件，往往尺寸巨大，而且表面工况复杂，无法用传统的测量机测量，而且对于含有内腔的大型旋转类工件，传统的接触式测量机更是无法深入到内腔内进行测量。例如发电设备、压力容器等大型回转体类工件，其重量通常达到几顿或者十几吨，直径可达十米，对于大型回转类工件，需要检测这类工件在制造和使用过程中产生的结构缺陷的情况，从而及时发现故障，分析缺陷和故障的成因和规律，改进制造工艺，提高产品质量，以保证设备安全、高效、可靠的运行。

[0004] 目前，对于回转体工件的测量往往是在工件加工完成之后，以离线定点手工方式进行检测，这种检测方式操作者主观性大，容易产生漏检，而且离线测量方式还导致整个工件的生产工序长，生产效率低，生产成本高等问题。

发明内容

[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种大型回转类工件内壁尺寸的现场测量装置、系统及方法，实现对大型回转类工件内壁尺寸的精确测量。

[0006] 一种大型回转类工件内壁尺寸的测量装置，其特征在于，包括

[0007] 底座，用于支撑装置其它部件；

[0008] 安装架，用于将装置安装于待测工件上；

[0009] 回转机构，安装于底座与安装架之间，用于带动激光位移传感器在水平面上回转；

[0010] 纵向移动机构，安装于回转机构上，用于在竖直方向上调整激光位移传感器相对工件测点的位置；

[0011] 横向移动机构，安装于纵向移动机构上，用于在水平方向上调整激光位移传感器相对工件测点的位置，以使得激光位移传感器到工件内壁的距离在合适的量程范围内；

[0012] 调平机构，安装于横向移动机构上，用于调节激光位移传感器的姿态使其发出的激光束水平入射工件测点；

[0013] 激光位移传感器，安装于调平机构上，用于测量工件测点到传感器的距离。

[0014] 进一步地，所述回转机构包括主轴箱、主轴、用于驱动主轴回转的第一伺服电机以及用于测量回转角度的第一光栅尺；主轴的底端连接底座，主轴的顶端安装第一光栅尺后连接主轴箱，主轴箱安装于支撑架上。

[0015] 进一步地，所述纵向移动机构包括滚珠丝杠、用于驱动滚珠丝杠旋转的第二伺服电机以及用于测量激光传感器通过滚珠丝杠旋转带动产生的纵向移动距离的第二光栅尺，滚珠丝杠安装于主轴内,第二伺服电机安装于主轴箱内，第二光栅尺安装于主轴上。

[0016] 进一步地，所述横向移动机构包括横臂、齿轮齿条传动机构、用于驱动横臂横向伸缩的第三伺服电机以及用于测量横向伸缩距离的第三光栅尺，横臂通过齿轮齿条传动机构连接第二伺服电机，横臂通过安装块连接滚珠丝杠，齿轮齿条传动机构和第三伺服电机安装于安装块内，第三光栅尺安装于横臂上。

[0017] 进一步地，所述调平机构包括调平台和调整螺母，调平台的上表面安装有激光位移传感器，调平台的下表面安装有调整螺母。

[0018] 进一步地，所述激光位移传感器为点光源激光位移传感器。

[0019] 一种大型回转类工件内壁尺寸的测量系统，包括

[0020] 底座，用于支撑装置其它部件；

[0021] 安装架，用于将装置安装于工件上；

[0022] 回转机构，安装于底座与安装架之间，用于带动激光位移传感器在水平面上回转；

[0023] 纵向移动机构，安装于回转机构上，用于调整激光位移传感器在竖直方向的位置；

[0024] 横向移动机构，安装于纵向移动机构上，用于在水平方向上调整激光位移传感器相对工件测点的距离；

[0025] 调平机构，安装于横向移动机构上，用于调节激光位移传感器的姿态使其发出的激光束水平入射工件测点；以及

[0026] 激光位移传感器，安装于调平机构上，用于测量工件测点到传感器的距离。

[0027] 控制中心，分别连接回转机构、纵向移动机构、横向移动机构和激光位移传感器，用于控制回转机构、纵向移动机构、横向移动机构的运动以移动激光位移传感器至目标位置，接收回转机构、纵向移动机构、横向移动机构反馈的激光位移传感器的位置信息，接收激光位移传感器采集的工件测点与传感器间的距离信息，结合激光位移传感器的位置信息和工件测点与传感器间的距离信息计算得到测点的空间坐标。

[0028] 进一步地，控制中心包括运动控制卡和激光检测模块，激光检测模块包括CAD模型导入模块、测点路径规划模块、测量参数输入模块、数据通信模块和测量数据处理模块；

[0029] CAD模型导入模块，用于导入待测工件的CAD模型；

[0030] 测点路径规划模块，用于依据CAD模型的几何信息确定测点分布，规划测量路径，进而生成测量指令，将测量指令传送给运动控制卡；

[0031] 测量参数输入模块，用于输入激光位移传感器的工作参数；

[0032] 数据通信模块，用于接收回转机构、纵向移动机构、横向移动机构反馈的激光位移传感器的位置信息，接收激光位移传感器采集的工件测点与传感器间的距离信息；

[0033] 测量数据处理模块，用于结合激光位移传感器的位置信息和工件测点与传感器间的距离信息计算得到测点的空间坐标；

[0034] 运动控制卡，用于接收来自测点路径规划模块的测量指令，依据测量指令控制回转机构、纵向移动机构、横向移动机构的运动以移动激光位移传感器至目标位置。

[0035] 进一步地，所述测量参数输入模块还用于输入待测工件的材质信息，所述测量数据处理模块还用于依据待测工件的材质信息和激光位移传感器的入射角度对激光位移传感器采集的工件测点与传感器间的距离信息进行修正。

[0036] 一种大型回转类工件内壁尺寸的测量方法，具体为：

[0037] 导入待测工件的CAD模型；

[0038] 依据CAD模型的几何信息确定测点分布，规划测量路径；

[0039] 依据测量路径移动激光位移传感器至目标位置；

[0040] 启动激光位移传感器，得到工件测点与传感器间的距离信息；

[0041] 结合激光位移传感器的位置信息和工件测点与传感器间的距离信息计算得到测点的空间坐标。

[0042] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明利用激光三角测量原理确定测点的空间坐标，测量精度高；该装置采用安装架安放在工件之上，实现现场测量；该装置能够根据回转类工件内壁凹凸程度自动调节激光位移传感器到内壁的距离，保证内壁在测头的量程范围内；该装置可用于大型回转壳体类零件现场加工时的余量估计、加工完成的大型壳体类零件进行质量评估以及检测大型壳体类零件在使用过程中的磨损、失圆等缺陷分布。

附图说明

[0043] 图1为本发明测量装置结构示意图；

[0044] 图2为本发明测量装置的工作流程图；

[0045] 图3为本发明测量系统的控制中心结构图。

[0046] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

[0047] 1-门架  2-主轴箱  3-主轴  4-移动机构  5-横臂  6-水平调节装置  7-激光位移传感器  8-底座

具体实施方式

[0048] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0049] 本发明的技术思路是：点的坐标测量是基于激光三角测量原理，激光位移传感器发出的激光束投射到被测物体表面发生反射，传感器中的CCD元件通过接收反射光线来确定被测点到传感器的距离，然后结合传感器的位置和测点到传感器的距离来确定测点的空间坐标。

[0050] 基于上述技术思路，本发明提供了一种大型回转类工件内壁尺寸的现场测量装置的较佳实施方式（不局限该方式），如图1所示，该装置包括龙门架1、主轴箱2、主轴3、纵向移动机构4、横向移动机构5、调平机构6、激光位移传感器7和底座8。

[0051] 主轴3的底端连接底座8，主轴3的顶端连接主轴箱2，主轴3的中部安装有纵向移动机构4，纵向移动机构4通过横向移动机构5连接调平机构6，调平机构6上安装有激光位移传感器7；主轴箱2固定于龙门架1上；

[0052] 该龙门式测量机构安装在大型回转类工件之上，底座8安装在底部的工作台上，用于固定和支撑主轴3。激光位移传感器为点光源激光位移传感器。主轴箱2和主轴3构成了回转机构，带动激光位移传感器7在水平面回转。主轴的底端连接底座，主轴的顶端安装第一光栅尺后连接主轴箱，主轴箱安装于支撑架上。第一光栅尺采用圆光栅尺。纵向移动机构4包括滚珠丝杠、用于驱动滚珠丝杠旋转的第二伺服电机以及用于测量纵向移动距离的第二光栅尺，滚珠丝杠安装于主轴内,第二伺服电机安装于主轴箱内，第二光栅尺安装于主轴3上，第二伺服电机驱动滚珠丝杠带动激光位移传感器7在竖直面上下移动，第二光栅尺采集激光位移传感器7的纵向位置信息。横向移动机构5包括横臂、齿轮齿条传动机构、用于驱动横臂横向伸缩的第三伺服电机以及用于测量横向移动距离的第三光栅尺，横臂通过齿轮齿条传动机构连接第三伺服电机，横臂通过丝母座连接滚珠丝杠，齿轮齿条传动机构和第三伺服电机安装于安装块内，第三光栅尺安装于横臂上，第三伺服电机通过齿轮齿条传动机驱动横臂横向伸缩，从而在水平方向上调整激光位移传感器相对工件测点的距离。第二和三光栅尺采用长光栅尺。调平机构包括调平台和调整螺母，调平台的上表面安装有激光位移传感器，调平台的下表面安装有调整螺母，通过旋转调整螺母调节激光位移传感器的姿态使其发出的激光束水平入射工件测点。

[0053] 开始测量时，首先通过主轴3内的滚珠丝杠来调整激光位移传感器7在竖直方向上的位置，到达设定位置之后，调整横臂5的左右移动，使激光位移传感器到内壁的距离在合适的量程范围内，然后通过调平机构6来微调，保证激光束水平的打在内壁上。机构调整完毕之后开始进行测量，首先在电脑上将回转类工件模型沿轴向分割为若干份圆周截面，同时在每一个圆周截面上等分选取多个点，激光位移传感器绕主轴转动，对一圆周截面的各点检测，记录下载截面上对应点的数值，然后通过滚珠丝杠将水平轴移至下一圆周截面，再测量截面上的点。

[0054] 本发明装置能够适应各种直径的回转类工件，可以对回转类零件内腔的加工精度进行检测，也可以检测失圆度和磨损情况。

[0055] 参见图2，利用上述测量装置进行测量的过程具体为：

[0056] 首先将导入工件CAD模型，经解释、翻译后提取出模型的几何特征并实时的显示仿真模型的状态，根据模型的几何信息规划测量路径和和测点的分布，生成测量指令，依据测量指令控制测量装置的各电机带动激光位移传感器进行测量，结合激光位移传感器的位置信息和工件测点与传感器间的距离信息计算得到测点的空间坐标。当工件检测完毕后，依据测量坐标值建立工件实际的三维模型，然后与原始模型上的对应的标准点进行比较和筛选，计算出回转类工件各截面上的加工质量参数，用所得结果指导工件的加工和修复。

[0057] 在本发明中，激光位移传感器采用回转式的测量，激光测头绕主轴回转，沿着圆周上的等分点采集数据，然后建立起回转类工件的实际模型。该实际模型与理论模型进行匹配后对比，可以得出工件加工的质量信息，使用后的内壁磨损信息、失圆度信息。

[0058] 基于上述测量装置和测量方法，本发明还提供了一种大型回转类工件内壁尺寸的测量系统，包括上述测量装置和控制中心。控制中心包括运动控制卡和激光检测模块，激光检测模块包括CAD模型导入模块、测点路径规划模块、测量参数输入模块、数据通信模块和测量数据处理模块；

[0059] CAD模型导入模块，用于导入待测工件的CAD模型；

[0060] 测点路径规划模块，用于依据CAD模型的几何信息确定测点分布，规划测量路径，进而生成测量指令，将测量指令传送给运动控制卡；

[0061] 测量参数输入模块，用于输入激光位移传感器的工作参数；

[0062] 数据通信模块，用于接收回转机构、纵向移动机构、横向移动机构反馈的激光位移传感器的位置信息，接收激光位移传感器采集的工件测点与传感器间的距离信息；

[0063] 测量数据处理模块，用于结合激光位移传感器的位置信息和工件测点与传感器间的距离信息计算得到测点的空间坐标；

[0064] 运动控制卡，用于接收来自测点路径规划模块的测量指令，依据测量指令控制回转机构、纵向移动机构、横向移动机构的运动以移动激光位移传感器至目标位置。

[0065] 优选地，所述测量参数输入模块还用于输入待测工件的材质信息，所述测量数据处理模块还用于依据待测工件的材质信息和激光位移传感器入射角度对激光位移传感器采集的工件测点与传感器间的距离信息进行修正，具体修正方法如下：事先通过实验的方式对激光位移传感器测量不同角度和不同材质的误差进行反复的验证，绘制误差曲线，设计例如差值算法的修正算法嵌入到测量数据处理模块中。由于工件的原始模型已知，激光束在各个测点上的入射角度就是已知的，利用设计的算法就能够对误差进行修正，使得修正后的测量值尽可能的接近真实值。

[0066] 参见图3，控制中心作为硬件平台的核心，控制着整个硬件平台，使得测量装置完成各项功能。控制中心的激光检测模块加载于PC上位机上，PC上位机上连接运动控制卡。通过光栅尺反馈的信息，控制中心能够精确的控制回转机构、纵向移动机构和横向移动机构的运动，进而实现激光位移传感器在空间中的精确定位。

[0067] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。