專利名稱：大尺寸軸孔內(nèi)徑測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大孔徑的尺寸測量方法，特別是涉及大尺寸軸孔內(nèi)徑測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在船舶制造過程中，需要加工大尺寸軸孔，所加工的軸孔尺寸范圍寬，內(nèi)徑尺寸Φ500mm-Φ1500mm，孔深達(dá)10m，尺寸精度圓度、圓柱度、錐度誤差測量分辨要求為10微米。軸孔的精度直接影響能否進(jìn)行最終的裝配及裝配效果，進(jìn)一步影響船舶動力傳動和整體性能。高精度軸孔的加工是造船的一項關(guān)鍵技術(shù)，而軸套的高精度檢測與控制是實現(xiàn)軸孔內(nèi)徑高精度加工的保障。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題，是提供一種能夠自動檢測大尺寸的直徑、圓度、圓柱度、錐度綜合指標(biāo)，測量分辨力達(dá)10微米高精度，快速測量的大尺寸軸孔內(nèi)徑測量系統(tǒng)。
采用的技術(shù)方案是大尺寸軸孔內(nèi)徑測量系統(tǒng)，包括測量機(jī)構(gòu)、激光測頭、激光測距儀、電控系統(tǒng)及工業(yè)控制計算機(jī)。所述的測量機(jī)構(gòu)是測量系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由測量車、測量架組成，測量機(jī)構(gòu)設(shè)四個步進(jìn)電機(jī)，四個步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動測量車于軸孔內(nèi)沿軸向行走、測量架平移、測量架升降和激光測頭旋轉(zhuǎn)，測量車的底板裝有后驅(qū)動輪，其前部裝有萬向滾珠，行走驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動后驅(qū)動輪行走，測量車的底板下面裝設(shè)有吸盤式電磁鐵，其兩側(cè)裝設(shè)有定位卡刀，測量工作執(zhí)行前吸盤式電磁鐵與被測孔壁吸合，所述定位卡刀通過壓縮彈簧使定位卡刀與被測孔內(nèi)壁卡緊，以使測量車與被測軸孔平行定位。測量架由平移臺、軸向絲桿、升降座、徑向絲桿、徑向?qū)е皞鲃育X輪組成。平移臺鋪設(shè)在測量車底板上所設(shè)的軸向?qū)к壣?，平移?qū)動電機(jī)驅(qū)動軸向絲桿帶動與其連接的平移臺沿軸向平移。平移臺上裝有傳動齒輪，升降驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動傳動齒輪，傳動齒輪帶動與其裝配的徑向絲桿旋轉(zhuǎn)，裝在徑向絲桿上的升降座通過絲母、絲桿傳動沿徑向?qū)е蚪怠?br> 所述的激光測頭，是測量系統(tǒng)的測量元件，激光測頭為兩個，兩個激光測頭通過旋轉(zhuǎn)臂分別裝在旋轉(zhuǎn)軸兩端，旋轉(zhuǎn)軸兩側(cè)分別裝有旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)和旋轉(zhuǎn)編碼器，所述旋轉(zhuǎn)軸裝在升降臺架上，升降臺架固定在所述升降座上，升降座上還連接一個激光軸向位置標(biāo)定盤，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)軸使旋轉(zhuǎn)臂帶動激光測頭做圓周運(yùn)動。
所述的激光測距儀，是用于檢測所述測量車的軸向前進(jìn)距離。所述的電控系統(tǒng)，是用于對步進(jìn)電機(jī)、激光測頭、工業(yè)控制計算機(jī)的電氣接口和開關(guān)控制，測量機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)和激光測頭由動力信號線連接電控系統(tǒng)，通過卷線機(jī)隨測量車的進(jìn)程將動力信號線釋放與回收。
所述的工業(yè)控制計算機(jī)，是用于測量系統(tǒng)測量過程的控制，其采集數(shù)據(jù)的過程是在工業(yè)控制計算機(jī)的控制下通過USB接口與激光測頭控制器通信控制激光測頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。測量機(jī)構(gòu)軸向的行走過程，是由上位機(jī)通過步進(jìn)電機(jī)控制卡向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器發(fā)出控制信號來完成。為保證測量機(jī)構(gòu)的運(yùn)行安全，設(shè)置了升降、平移限位開關(guān)。旋轉(zhuǎn)編碼器用于確定數(shù)據(jù)采集所對應(yīng)的角度位置。
上述的工業(yè)控制計算機(jī)，是采用C++語言，在VC.Net的環(huán)境下開發(fā)的測量系統(tǒng)控制軟件，采用模塊化系統(tǒng)設(shè)計，用戶可實時的對數(shù)據(jù)進(jìn)行交互式操作。測量系統(tǒng)控制軟件，包括人機(jī)交互控制主控模塊，主控模塊下分測量機(jī)構(gòu)運(yùn)動控制模塊、激光測頭設(shè)置模塊、掃描控制模塊、三維顯示基本模塊、測量數(shù)據(jù)處理模塊、測量數(shù)據(jù)報告模塊、文件I/O模塊、數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊。
上述的工業(yè)控制計算機(jī)的測量系統(tǒng)控件軟件，其軟件流程啟動控制界面，輸入工件基本參數(shù)預(yù)置；選擇激光測頭參數(shù)；自動調(diào)節(jié)測量機(jī)構(gòu)的升降臺架高度，使測量機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)中心線與被測軸心線重合；啟動測量程序開始測量；存貯激光測頭的掃描數(shù)據(jù)；
對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行操作實現(xiàn)交互顯示；在想要測量的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行特征提?。辉谒_定的若干測量點(diǎn)顯示各測量點(diǎn)測量結(jié)果；顯示/打印測量報告結(jié)束；當(dāng)測量沒有完成，調(diào)節(jié)測量機(jī)構(gòu)的運(yùn)動控制、調(diào)試激光測頭掃描、點(diǎn)運(yùn)顯示，最后坐標(biāo)系調(diào)整/顯示。
本發(fā)明取得的積極效果，是能夠自動檢測大尺寸軸孔內(nèi)徑的直徑、圓度、圓柱度、錐度等綜合參數(shù)指標(biāo)，可結(jié)束人工接觸性的費(fèi)時、費(fèi)力測量，測量快、精度高，測量裝置結(jié)構(gòu)緊湊、便于維修、功能完善、操作方便。


圖1為本發(fā)明測量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明測量機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為圖2的側(cè)視圖。
圖4為本發(fā)明測量控制系統(tǒng)框架圖。
圖5為本發(fā)明設(shè)計的軟件總體框架圖。
圖6為本發(fā)明軟件工作流程圖。
圖7為人機(jī)界面圖。
圖8為參數(shù)設(shè)定對話框圖。
圖9為三維顯示圖。
圖10為測量報告圖。
具體實施方式
大尺寸軸孔內(nèi)徑測量系統(tǒng)，包括測量機(jī)構(gòu)1、激光測頭2、激光測距儀3、電控系統(tǒng)4及工業(yè)控制計算機(jī)5。所述的測量機(jī)構(gòu)1是測量系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由測量車8、測量架14組成，測量機(jī)構(gòu)設(shè)四個步進(jìn)電機(jī)，四個步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動測量車8于軸孔7內(nèi)沿軸向行走、測量架14平移、測量架14升降和激光測頭2旋轉(zhuǎn)，測量車8的底板裝有后驅(qū)動輪9，其前部裝有萬向滾珠10，行走驅(qū)動電機(jī)11通過軟軸傳動驅(qū)動后驅(qū)動輪9行走，測量車8的底板下面裝設(shè)有吸盤式電磁鐵12，其兩側(cè)裝設(shè)有定位卡刀13，測量工作執(zhí)行前吸盤式電磁鐵12與被測孔壁吸合，所述定位卡刀13通過壓縮彈簧使定位卡刀13與被測孔內(nèi)壁卡緊，以使測量車與被測軸孔平行定位。測量架14由平移臺15、軸向絲桿16、升降座17、徑向絲桿18、徑向?qū)е?9及傳動齒輪20組成。平移臺15鋪設(shè)在測量車8底板上所設(shè)的軸向?qū)к?1上，平移驅(qū)動電機(jī)22驅(qū)動軸向絲桿16帶動與其連接的平移臺15沿軸向平移。平移臺15上裝有傳動齒輪20，升降驅(qū)動電機(jī)23驅(qū)動傳動齒輪20帶動與其裝配的徑向絲桿18旋轉(zhuǎn)，裝在徑向絲桿18上的升降座17通過絲母、絲桿傳動沿徑向?qū)е?9升或降。
所述的激光測頭，是測量系統(tǒng)的測量元件，測量并產(chǎn)生測量數(shù)據(jù)，激光測頭2為兩個，兩個激光測頭2通過旋轉(zhuǎn)臂24分別裝在旋轉(zhuǎn)軸25兩端，旋轉(zhuǎn)軸25兩側(cè)分別套裝有中空型旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)26和中空型旋轉(zhuǎn)編碼器27，所述旋轉(zhuǎn)軸25裝在升降臺架28上，升降臺架28固定在所述升降座17上，升降座17上還連接一個激光軸向位置標(biāo)定盤29，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)26驅(qū)動旋轉(zhuǎn)軸25使旋轉(zhuǎn)臂24帶動激光測頭2做圓周運(yùn)動。
所述的激光測距儀3，是用于檢測所述測量車8的軸向前進(jìn)距離。為測量機(jī)構(gòu)1的軸向運(yùn)動控制提供閉環(huán)檢測。所述的電控系統(tǒng)4，是用于對步進(jìn)電機(jī)、激光測頭2、工業(yè)控制計算機(jī)5的電氣接口和開關(guān)控制，測量機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)和激光測頭2由動力信號線30連接電控系統(tǒng)4，通過卷線機(jī)31隨測量車8的進(jìn)程將動力信號線30釋放與回收。
所述的工業(yè)控制計算機(jī)5，是用于測量系統(tǒng)測量過程的控制，見圖4所示。其采集數(shù)據(jù)的過程是在工業(yè)控制計算機(jī)5的控制下通過USB接口I與激光測頭控制器32通信控制激光測頭2進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。測量機(jī)構(gòu)1軸向的行走過程，是通過激光測距儀3檢測，并通過USB接口II與上位機(jī)通訊將距離信息進(jìn)行反饋以參與控制。測量機(jī)構(gòu)1的運(yùn)動控制過程，是由上位機(jī)通過步進(jìn)電機(jī)控制卡33經(jīng)接口卡38向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器34、35、36、37發(fā)出控制信號來完成行走驅(qū)動電機(jī)11、升降驅(qū)動電機(jī)23、平移驅(qū)動電機(jī)22、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)26的控制。為了保證測量機(jī)構(gòu)的運(yùn)行安全，設(shè)置了升降限位開關(guān)39和軸向平移限位開關(guān)40。旋轉(zhuǎn)編碼器27用于確定數(shù)據(jù)采集所對應(yīng)的角度位置。工業(yè)控制計算機(jī)，是采用C++語言，在VC.Net的環(huán)境下開發(fā)的測量系統(tǒng)控制軟件，采用面性對象的設(shè)計，使得軟件部分具有極大的可擴(kuò)展性。充分發(fā)揮C++語言的高效特性，保證測量系統(tǒng)的實時性。采用模塊化系統(tǒng)設(shè)計，便于更新和維護(hù)。三維數(shù)據(jù)顯示部分采用OpenGL技術(shù)，用戶可以在觸模屏6上進(jìn)行實時數(shù)據(jù)交互式操作?？刂茰y量系統(tǒng)的控制軟件(見圖5)，包括人機(jī)交互控制主控模塊，主控模塊下分測量機(jī)構(gòu)運(yùn)動控制模塊、激光測頭設(shè)置模塊、掃描控制模塊、三維顯示基本模塊、測量數(shù)據(jù)處理模塊、測量數(shù)據(jù)報告模塊、文件I/O模塊、數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊。工業(yè)控制計算機(jī)的測量系統(tǒng)控制軟件，其軟件流程見圖6。啟動人機(jī)界面(見圖7)，其人機(jī)界面采用WindowsXP風(fēng)格設(shè)計，分為主菜單、參數(shù)設(shè)置區(qū)、測量控制區(qū)、三維顯示區(qū)和測量結(jié)果區(qū)。通過參數(shù)設(shè)定對話框(見圖8)輸入工件基本參數(shù)預(yù)置；選擇激光測頭參數(shù)；自動調(diào)節(jié)測量機(jī)構(gòu)的升降臺架高度，使測量機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)中心線與被測軸心線重合；啟動測量程序開始測量；存貯激光測頭的掃描數(shù)據(jù)；對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行操作實現(xiàn)交互顯示(見圖9)；在想要測量的的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行特征提?。辉谒_定的若干測點(diǎn)顯示各測量點(diǎn)測量結(jié)果；顯示/打印測量報告(見圖10)結(jié)束。
權(quán)利要求
1.大尺寸軸孔內(nèi)徑測量系統(tǒng)，包括測量機(jī)構(gòu)(1)、激光測頭(2)、激光測距儀(3)、電控系統(tǒng)(4)及工業(yè)控制計算機(jī)(5)，其特征在于所述的測量機(jī)構(gòu)(1)是測量系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由測量車(8)、測量架(14)組成，測量機(jī)構(gòu)(1)設(shè)四個步進(jìn)電機(jī)，四個步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動測量車(8)于軸孔(7)孔徑內(nèi)沿軸向行走，測量架(14)平移、測量架(14)升降和激光測頭(2)旋轉(zhuǎn)，測量車(8)的底板裝有后驅(qū)動輪(9)，其前部裝有萬向滾珠(10)，行走驅(qū)動電機(jī)(11)驅(qū)動后驅(qū)動輪(9)行走，測量車(8)的底板下面裝設(shè)有吸盤式電磁鐵(12)，其兩側(cè)裝設(shè)有定位卡刀(13)，測量工作執(zhí)行前吸盤式電磁鐵(12)與被測孔壁吸合，所述定位卡刀(13)通過壓縮彈簧使定位卡刀(13)與被測孔內(nèi)壁卡緊，以使測量車(8)與被測軸孔平行定位，測量架(14)由平移臺(15)、軸向絲桿(16)、升降座(17)、徑向絲桿(18)、徑向?qū)е?19)及傳動齒輪(20)組成，平移臺(15)鋪設(shè)在測量車(8)底板上所設(shè)的軸向?qū)к?21)上，平移驅(qū)動電機(jī)(22)驅(qū)動軸向絲桿(16)帶動與其連接的平移臺(15)沿軸向平移，平移臺(15)上裝有傳動齒輪，升降驅(qū)動電機(jī)(23)驅(qū)動傳動齒輪(20)，傳動齒輪(20)帶動與其裝配的徑向絲桿(18)旋轉(zhuǎn)，裝在徑向絲桿(18)上的升降座(17)通過絲母、絲桿傳動沿徑向?qū)е?19)升或降；所述的激光測頭(2)，是測量系統(tǒng)的測量元件，激光測頭(2)為兩個，兩個激光測頭(2)通過旋轉(zhuǎn)臂(24)分別裝在旋轉(zhuǎn)軸(25)兩端，旋轉(zhuǎn)軸(25)兩側(cè)分別裝有旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)(26)和旋轉(zhuǎn)編碼器(27)，所述旋轉(zhuǎn)軸(25)裝在升降臺架(28)上，升降臺架(28)固定在所述升降座(17)上，升降座(17)上還連接一個激光軸向位置標(biāo)定盤(29)，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)(26)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)軸(25)使旋轉(zhuǎn)臂(24)帶動激光測頭(2)做圓周運(yùn)動；所述的激光測距儀(3)，是用于檢測所述測量車(8)的軸向前進(jìn)距離，所述的電控系統(tǒng)(4)，是用于對步進(jìn)電機(jī)、激光測頭(2)、工業(yè)控制計算機(jī)(5)的電氣接口和開關(guān)控制，測量機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)和激光測頭(2)由動力信號線(30)連接電控系統(tǒng)(4)，通過卷線機(jī)(31)隨測量車(8)的進(jìn)程將動力信號線(30)釋放與回收；所述的工業(yè)控制計算機(jī)(5)，是用于測量系統(tǒng)測量過程的控制，其采集數(shù)據(jù)的過程是在工業(yè)控制計算機(jī)(5)的控制下通過USB接口與激光測頭控制器(32)通信控制激光測頭(2)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測量機(jī)構(gòu)(1)軸向的行走過程，是由上位機(jī)通過步進(jìn)電機(jī)控制卡(33)向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器(34)、(35)、(36)、(37)發(fā)出控制信號來完成，為保證測量機(jī)構(gòu)的運(yùn)行安全，設(shè)置了升降、平移限位開關(guān)(39)、(40)，旋轉(zhuǎn)編碼器(27)用于確定數(shù)據(jù)采集所對應(yīng)的角度位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸軸孔內(nèi)徑測量系統(tǒng)，其特征在于所述的工業(yè)控制計算機(jī)，是采用C++語言，在VC.Net的環(huán)境下開發(fā)的測量系統(tǒng)控制軟件，采用模塊化系統(tǒng)設(shè)計，用戶可實時的對數(shù)據(jù)進(jìn)行交互式操作，測量系統(tǒng)控制軟件，包括人機(jī)交互控制主控模塊，主控模塊下分測量機(jī)構(gòu)運(yùn)動控制模塊、激光測頭設(shè)置模塊、掃描控制模塊、三維顯示基本模塊、測量數(shù)據(jù)處理模塊、測量數(shù)據(jù)報告模塊、文件I/O模塊、數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大尺寸軸孔內(nèi)徑測量系統(tǒng)，其特征在于所述的工業(yè)控制計算機(jī)的測量系統(tǒng)控件軟件，其軟件流程啟動控制界面，輸入工件基本參數(shù)預(yù)置；選擇激光測頭參數(shù)；自動調(diào)節(jié)測量機(jī)構(gòu)的升降臺架高度，使測量機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)中心線與被測軸心線重合；啟動測量程序開始測量；存貯激光測頭的掃描數(shù)據(jù)；對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行操作實現(xiàn)交互顯示；在想要測量的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行特征提取；在所確定的若干測量點(diǎn)顯示各測量點(diǎn)測量結(jié)果；顯示/打印測量報告結(jié)束；當(dāng)測量沒有完成，調(diào)節(jié)測量機(jī)構(gòu)的運(yùn)動控制、調(diào)試激光測頭掃描、點(diǎn)運(yùn)顯示，最后坐標(biāo)系調(diào)整/顯示。
全文摘要
本發(fā)明涉及大尺寸軸孔內(nèi)徑測量系統(tǒng)，包括測量機(jī)構(gòu)、激光測頭、激光測距儀、電控系統(tǒng)及工業(yè)控制計算機(jī)。測量機(jī)構(gòu)設(shè)四個步進(jìn)電機(jī)，分別驅(qū)動構(gòu)成測量機(jī)構(gòu)的測量車沿軸孔軸向行走、測量架平移、測量架升降及激光測頭旋轉(zhuǎn)。激光測頭用于測量并產(chǎn)生測量數(shù)據(jù)。激光測距儀用于檢測測量車軸向前進(jìn)距離。電控系統(tǒng)對步進(jìn)電機(jī)、激光測頭、工控機(jī)的電氣接口和開關(guān)控制，工控計算機(jī)用于數(shù)據(jù)的采集處理和測量過程的控制。本測量系統(tǒng)能夠自動檢測大型軸孔的直徑、圓度、圓柱度、錐度等綜合參數(shù)，可結(jié)束人工接觸性的費(fèi)時、費(fèi)力的測量，所設(shè)的工控計算機(jī)功能完善，操作方便，測量快、精度高，測量裝置結(jié)構(gòu)緊湊、便于維修，可廣泛應(yīng)用于大尺寸軸孔各項指標(biāo)的測量。
文檔編號G01B21/22GK1789907SQ20051013089
公開日2006年6月21日 申請日期2005年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月27日
發(fā)明者馬孜, 黃進(jìn), 胡英, 張旭, 李愛國, 韓仁通, 陳力, 趙鳳國 申請人:渤海船舶重工有限責(zé)任公司