基于三角法的小口徑大內(nèi)膛回轉(zhuǎn)體工件內(nèi)徑測量裝置設(shè)計(jì)

么波 劉玉梅 梁志宏

開發(fā)設(shè)計(jì)

基于三角法的小口徑大內(nèi)膛回轉(zhuǎn)體工件內(nèi)徑測量裝置設(shè)計(jì)

么波1劉玉梅1梁志宏2

（1.沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159 2.沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159）

小口徑大內(nèi)膛回轉(zhuǎn)體工件內(nèi)徑測量需要專門的裝置，通過對幾何光學(xué)三角法的分析研究，設(shè)計(jì)一種基于三角法的小口徑大內(nèi)膛回轉(zhuǎn)體工件內(nèi)徑測量裝置。該裝置以反射機(jī)構(gòu)為核心，運(yùn)用幾何光學(xué)三角法和幾何光學(xué)三點(diǎn)測距原理對待測回轉(zhuǎn)體工件內(nèi)徑進(jìn)行測量及計(jì)算。該裝置對內(nèi)徑為45～60 mm的小口徑大內(nèi)膛回轉(zhuǎn)體工件進(jìn)行測量，并與高精度三坐標(biāo)測量機(jī)測量結(jié)果對比，該裝置的測量精度小于0.03 mm，滿足中小企業(yè)對小口徑大內(nèi)膛回轉(zhuǎn)體工件內(nèi)徑測量的快速化、自動(dòng)化要求。

幾何光學(xué)三角法；小口徑大內(nèi)膛回轉(zhuǎn)體工件；幾何光學(xué)三點(diǎn)測距原理；內(nèi)徑；測量裝置

0 引言

小口徑大內(nèi)膛回轉(zhuǎn)體工件廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，其內(nèi)徑加工精度對提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義?，F(xiàn)有的小口徑大內(nèi)膛回轉(zhuǎn)體工件測量方法有接觸式和非接觸式。其中，接觸式測量一般采用通止規(guī)、內(nèi)徑千分尺、三坐標(biāo)測量機(jī)等設(shè)備。這些設(shè)備均存在測量時(shí)間長、對測量人員要求高等問題，尤其是三坐標(biāo)測量機(jī)，雖然其測量精度高，但因測量效率低且機(jī)器昂貴，無法適用于企業(yè)的流水線測量流程。非接觸式測量常利用數(shù)顯光柵尺傳感器[1-3]或光學(xué)方法，如CCD檢測法、激光光學(xué)三角法、激光干涉法等，這種測量方法因精度高、適應(yīng)性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)而成為未來的發(fā)展方向[4]。李博[5]利用CCD攝像機(jī)對金屬管內(nèi)徑測量進(jìn)行研究，通過圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)金屬管內(nèi)徑的精密測量。YANG等[6]利用激光三角法測量大口徑回轉(zhuǎn)體工件內(nèi)徑，為標(biāo)定激光束方向，提出一種標(biāo)定方法和數(shù)學(xué)模型，使測量誤差從±25 μm減小到±15 μm，相對誤差≤ 0.011%。徐熙平等[7]設(shè)計(jì)一種非接觸式測量內(nèi)徑的光電測量系統(tǒng)，測量誤差≤ 0.03 mm，重復(fù)性測量精度優(yōu)于± 0.03 mm。

本文針對小口徑大內(nèi)膛回轉(zhuǎn)體工件口部小，檢測傳感器元件無法進(jìn)入內(nèi)膛實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量；測量內(nèi)徑定心難；流水線內(nèi)徑測量快速的需求等問題，基于幾何光學(xué)三角法[8-9]設(shè)計(jì)一款小口徑大內(nèi)膛回轉(zhuǎn)體工件內(nèi)徑測量裝置。

1 測量裝置結(jié)構(gòu)

基于幾何光學(xué)三角法的小口徑大內(nèi)膛回轉(zhuǎn)體工件內(nèi)徑測量裝置包括深入到回轉(zhuǎn)體內(nèi)膛的光學(xué)反射機(jī)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)測量運(yùn)動(dòng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，三維圖如2所示。

1—固定支架；2—垂直驅(qū)動(dòng)器；3—升降支架；4—水平位移支架；5—水平驅(qū)動(dòng)器；6—第一激光測距傳感；7—光學(xué)反射機(jī)構(gòu)支架；8—第一測量桿；9—第二測量桿；10—第二激光測距傳感器；11—反射鏡；12—托架；13—回轉(zhuǎn)體工件；14—旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)；15—旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器。

圖2 測量裝置三維圖

測量裝置的固定支架上設(shè)置有滑動(dòng)軌道，通過升降支架內(nèi)置的滾珠絲杠控制水平位移支架沿軌道上下移動(dòng)，使測量桿上下伸縮。

第一測量桿固定連接第一激光測距傳感器，第一激光測距傳感器位于光學(xué)反射機(jī)構(gòu)支架上方。

第二測量桿與第一測量桿平行固定在同一個(gè)支架上，第二激光測距傳感器垂直安裝在第二測量桿末端。

小口徑大內(nèi)膛回轉(zhuǎn)體工件內(nèi)徑測量裝置要求如下：

1）第二激光測距傳感器測量與小口徑大內(nèi)膛回轉(zhuǎn)體工件口部距離70 mm后，第一測量桿與該工件口部精確對位，可保證第一測量桿順利伸入該工件內(nèi)；

2）第一測量桿可伸入小口徑大內(nèi)膛回轉(zhuǎn)體工件不同截面內(nèi)進(jìn)行測量；

3）測量小口徑大內(nèi)膛回轉(zhuǎn)體工件每個(gè)截面時(shí)，第一測量桿與該工件每旋轉(zhuǎn)120°測量一個(gè)值。

測量前，第二激光測距傳感器先對小口徑大內(nèi)膛回轉(zhuǎn)體工件口部進(jìn)行粗定位；再根據(jù)該工件與第二激光測距傳感器的長度進(jìn)行精確定位，完成第一激光測距傳感器與小口徑大內(nèi)膛回轉(zhuǎn)體工件口部的正對準(zhǔn)；光學(xué)反射機(jī)構(gòu)支架里的步進(jìn)電機(jī)控制反射機(jī)構(gòu)向下運(yùn)動(dòng)，伸入到小口徑大內(nèi)膛回轉(zhuǎn)體工件內(nèi)，開始測量。

測量時(shí)，第一激光測距傳感器發(fā)射激光光束，待感光元件接收反饋后，測得一個(gè)點(diǎn)；旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)帶動(dòng)小口徑大內(nèi)膛回轉(zhuǎn)體工件旋轉(zhuǎn)120°，再測得一個(gè)點(diǎn)；旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)再旋轉(zhuǎn)120°，測得最后一個(gè)點(diǎn)后，根據(jù)幾何光學(xué)三角法即可計(jì)算出所測小口徑大內(nèi)膛回轉(zhuǎn)體工件截面的內(nèi)徑。

2 設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

光學(xué)反射機(jī)構(gòu)由第一測量桿、托架和反射鏡組成，如圖3所示。

圖3 光學(xué)反射機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

第一測量桿一端連接托架，托架上安裝反射鏡，反射鏡與第一測量桿成45°固定角度。第一激光測距傳感器發(fā)射的光線，經(jīng)第一測量桿內(nèi)管道照射到反射鏡上；因反射鏡與第一測量桿內(nèi)管道成45°，光線由反射鏡反射到待測回轉(zhuǎn)體的測量點(diǎn)；再經(jīng)過漫反射，光線沿原路徑反射，并由第一激光測距傳感器的受光元件接收；利用幾何光學(xué)三角法將接收的光束信號(hào)通過三角函數(shù)計(jì)算陣列上的光點(diǎn)位置，從而得到反射鏡上反射點(diǎn)與被測件測量點(diǎn)之間的距離。光線反射示意圖如圖4所示。

第一激光測距傳感器每隔120°測得小口徑大內(nèi)膛回轉(zhuǎn)體工件截面內(nèi)反射鏡上的反射點(diǎn)與被測件測量點(diǎn)之間的距離，完成3段數(shù)據(jù)測量后，通過幾何光學(xué)三點(diǎn)測距原理可計(jì)算出被測小口徑大內(nèi)膛回轉(zhuǎn)體工件截面內(nèi)徑。

圖4 光線反射示意圖

3 幾何光學(xué)三點(diǎn)測距原理

幾何光學(xué)三點(diǎn)測距原理是通過測量3個(gè)點(diǎn)的位置，并運(yùn)用幾何光學(xué)三角法得到小口徑大內(nèi)膛回轉(zhuǎn)體工件的內(nèi)徑，且可消除定心帶來的測量誤差。測量原理如圖5所示。

圖5 幾何光學(xué)三點(diǎn)法測量原理圖

△外接圓的半徑是被測小口徑大內(nèi)膛回轉(zhuǎn)體工件的內(nèi)徑，△里面的圓是第一測量桿的運(yùn)動(dòng)路線。、、為小口徑大內(nèi)膛回轉(zhuǎn)體工件內(nèi)徑的測量點(diǎn)，將△里面的圓平均分為3部分，即∠= ∠= ∠= 120°，每120°第一激光測距傳感器測量一次。

第一測量桿進(jìn)入被測小口徑大內(nèi)膛回轉(zhuǎn)體工件的內(nèi)膛，被測工件旋轉(zhuǎn)一周，第一激光測距傳感器可測得線段、、長度，并形成一個(gè)測量圓。因線段、、是固定長度，即為第一測量桿與反射鏡上的反射點(diǎn)之間的垂直距離，故可求得線段、、長度。在△中，邊和邊夾角為120°，根據(jù)余弦定理可求出長度為

2 =2 +2 ? 2 ××× cos∠

同理可得、長度。在△中，∠B可通過余弦定理得到：

并根據(jù)sin2∠+cos2∠=1，求得sin∠的值。

最后根據(jù)正弦定理可計(jì)算被測回轉(zhuǎn)體工件內(nèi)徑為

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用該裝置對內(nèi)徑為45～60mm的小口徑大內(nèi)膛回轉(zhuǎn)體工件內(nèi)徑進(jìn)行測量，得到10組測量數(shù)據(jù)，與高精度三坐標(biāo)測量機(jī)測得的數(shù)值進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。

表1 內(nèi)徑45～60 mm回轉(zhuǎn)體工件測量結(jié)果 單位：mm

由表1結(jié)果可知，本文裝置測量精度≤0.03 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

本文采用非定心的幾何光學(xué)三角法對小口徑大內(nèi)膛回轉(zhuǎn)體工件內(nèi)徑進(jìn)行測量，解決測量內(nèi)徑定心難的問題，實(shí)現(xiàn)小口徑大內(nèi)膛回轉(zhuǎn)體工件內(nèi)徑的快速、自動(dòng)化測量。

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Design of Measuring Device for Inner Diameter of Small Bore Large Chamber Rotary Workpiece Based on Triangulation

YAO Bo1LIU Yumei1LIANG Zhihong2

(1.School of Mechanical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China 2.School of Equipment Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China)

A special device is needed for measuring the inner diameter of small bore large chamber rotary workpiece. Based on the analysis and research of geometric optical triangulation, a device for measuring the inner diameter of small bore large chamber rotary workpiece is designed. The device takes the reflection mechanism as the core, and uses the geometrical optical triangulation method and the geometrical optical three-point distance measuring principle to measure and calculate the inner diameter of the rotary workpiece to be measured. The device measuressmall bore large chamber rotary workpiece with an inner diameter of 45-60 mm, and compared with the measurement results of high-precision CMM, the measurement accuracy of the device is less than 0.03 mm, which meets the rapid and automatic requirements of small bore large chamber rotary workpiecefor small and medium-sized enterprises.

geometric optical triangulation; small bore large chamber rotary workpiece; geometrical optical three-point distance measuring principle; inner diameter; measuring device

TH122

A

1674-2605(2022)04-0005-04

10.3969/j.issn.1674-2605.2022.04.005

么波,劉玉梅,梁志宏.基于三角法的小口徑大內(nèi)膛回轉(zhuǎn)體工件內(nèi)徑測量裝置設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與信息工程,2022, 43(4):22-25.

YAO Bo, LIU Yumei, LIANG Zhihong. Design of measuring device for inner diameter of small bore large chamber rotary workpiece based on triangulation[J]. Automation & Information Engineering, 2022,43(4):22-25.

么波，男，1997年生，在讀碩士研究生，主要研究方向：機(jī)械系統(tǒng)檢測與精密儀器。E-mail: 2206533326@qq.com

梁志宏（通信作者），男，1967年生，碩士研究生，副教授，主要研究方向：機(jī)、電、液及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)集成生產(chǎn)線、機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備、液壓系統(tǒng)、自動(dòng)檢測系統(tǒng)等設(shè)計(jì)。E-mail: liangzhihong1967@163.com