孔系多参数检测系统及方法与流程

本发明涉及孔系检测技术领域，具体涉及一种孔系多参数检测系统及方法。

背景技术：

大孔径(大于100mm)孔系是装载机前车架、压路机振动轮、挖掘机大臂、旋挖钻机钻桅、起重机转台等工程机械核心零部件中的关键形面，其直径、圆度、同轴度等几何指标直接影响着工程机械主机的装配与使用性能。目前，由于缺乏检测手段，在上述孔系加工过程中主要依赖加工设备保证制造精度，严重地限制了产品质量提升。

发明人发现，现有技术中：目前国内存在一些检测设备，能单独实现孔系直径、圆度、同轴度其中一个参数的检测，若需要检测其他的参数，则需要更换检测设备，使用非常不便。

技术实现要素：

本发明的其中一个目的是提出一种孔系多参数检测系统及方法，用以简便地实现孔系直径、圆度、同轴度多个参数的检测。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明实施例提供了一种孔系多参数检测系统，包括激光发射器、安装组件、激光接收装置以及角度测量装置；所述激光接收装置通过所述安装组件可伸缩地设于被测工件的待检测孔内；其中所述激光接收装置能接收所述激光发射器发射的激光，所述角度测量装置能测量所述激光接收装置的转动角度。

在可选或优选的实施例中，所述激光接收装置与所述安装组件可伸缩连接。

在可选或优选的实施例中，所述安装组件包括安装架和可伸缩设于所述安装架的伸缩部，所述激光接收装置与所述伸缩部固定相连；所述安装架设于所述待检测孔内，且所述安装架具有两个用于与待检测孔内壁线接触的圆柱面，以使得所述激光接收装置的激光接收面垂直于所述待检测孔的中心轴线。

在可选或优选的实施例中，所述安装架包括杆件和设于所述杆件的支腿，所述支腿通过所述伸缩部设有所述激光接收装置。

在可选或优选的实施例中，所述伸缩部包括限位块、限位杆、安装板、弹性件和变幅杆；所述限位块设于所述支腿，所述限位块设有所述限位杆，所述限位杆设有所述安装板，所述安装板和所述限位块之间夹设有所述弹性件，所述安装板设有用于抵顶在所述待检测孔内壁的所述变幅杆；当所述待检测孔内径变化时，所述变幅杆能在所述弹性件的弹力下伸出或回缩，以带动与所述安装板固定相连的所述激光接收装置伸出或回缩。

在可选或优选的实施例中，所述变幅杆用于抵顶所述待检测孔内壁的端部设有耐磨件。

在可选或优选的实施例中，所述杆件至少为两根，两根所述杆件通过底座相连，所述支腿设于所述底座。

在可选或优选的实施例中，所述杆件的长度长于所述底座的长度，所述杆件与所述待检测孔内壁接触，所述底座不与所述待检测孔的内壁接触。

在可选或优选的实施例中，所述杆件有磁性。

在可选或优选的实施例中，孔系多参数检测系统还包括驱动部件，所述驱动部件与所述激光接收装置驱动连接，用于驱动所述激光接收装置转动；

所述角度测量装置用于测量所述驱动部件转轴的转动角度。

在可选或优选的实施例中，所述驱动部件能驱动所述激光接收装置绕着所述驱动部件转轴的中轴线转动。

在可选或优选的实施例中，所述驱动部件包括电机，所述电机设于所述安装组件，所述电机的转轴与所述激光接收装置驱动连接。

在可选或优选的实施例中，孔系多参数检测系统还包括支撑架，所述激光发射器可升降地设于所述支撑架。

在可选或优选的实施例中，孔系多参数检测系统还包括平台，所述激光发射器及所述被测工件均设于所述平台。

在可选或优选的实施例中，孔系多参数检测系统还包括控制器，所述控制器与所述激光接收装置电连接，所述控制器用于计算所述激光发射器发射到所述激光接收装置的光斑坐标。

在可选或优选的实施例中，所述耐磨件的外表面是弧形的，以与所述待检测孔内壁面面接触。

本发明实施例还提供一种孔系多参数检测方法，包括以下步骤：

通过激光发射器向激光接收装置发出激光，测量激光光斑坐标值和激光接收装置的初始角度；

转动激光接收装置，并测量转动后的激光光斑坐标值以及所述激光接收装置的转动角度；

重复上一步骤，以得到多组数据，每组数据包括光斑坐标值和所述激光接收装置的转动角度；

根据得到的多组数据以及所述激光接收装置与该激光接收装置用于与待检测孔内壁接触点之间的距离，在激光坐标系下拟合得到拟合圆；

根据该拟合圆计算得到待检测孔的圆心坐标及直径。

在可选或优选的实施例中，孔系多参数检测方法还包括以下步骤：

根据该拟合圆计算得到待检测孔的圆心坐标以及激光坐标系下离散点的坐标，计算各离散点到圆心距离的最大值和最小值之差，得到待检测孔的圆度。

在可选或优选的实施例中，孔系多参数检测方法还包括以下步骤：

根据各待检测孔激光坐标系下的圆心坐标，利用最小二乘法计算得到待检测孔系的同轴度。

基于上述技术方案，本发明实施例至少可以产生如下技术效果：

开始检测之前，将激光接收装置的激光接收面调整至与待检测孔的中心轴线垂直、将检测激光发射器发射的激光调整至与待检测孔的中心轴线平行。

在测量时，首先测量第一个位置对应的激光在激光接收装置上光斑的坐标，然后转动激光接收装置并记录转动角度，测出待检测孔内壁第二个位置对应的激光在激光接收装置上光斑的坐标；同理，再次转动激光接收装置并记录转动角度，测出第三个位置对应光斑的坐标。重复上述步骤完成多组数据的采集。每组数据包括光斑坐标值以及转动角度。初始转动角度为零。

根据测量得到的转动角度与激光接收装置和该激光接收装置用于与待检测孔内壁接触点之间的距离，将测量得到的光斑坐标变换至激光坐标系后计算得待检测孔的拟合圆，根据该拟合圆计算得到待检测孔的圆心位置、直径等参数。根据最小二乘法计算该待检测孔的圆度。

对于下一个待检测孔也采用同样的方式，测量得到该下一个待检测孔的拟合圆，根据该拟合圆计算得该下一个待检测圆的圆心坐标、直径等参数。根据各待检测孔的圆心坐标，可以判断出孔系的同轴度。

可见，通过上述一个系统就能检测孔系直径、圆度、同轴度多种参数，对提高工程机械核心零部件制造水平，对把控产品质量十分很有益处。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的孔系多参数检测系统使用示意图；

图2为本发明实施例提供的孔系多参数检测系统安装组件以及激光接收装置主视示意图；

图3为本发明实施例提供的孔系多参数检测系统安装组件以及激光接收装置侧视示意图；

图4为本发明另一实施例提供一种孔系多参数检测方法流程示意图。

附图标记：

1、平台；2、控制器；3、支撑架；4、激光发射器；5、激光；6、RS232电缆；7、被测工件；8、安装组件；9、杆件；10、底座；11、支腿；12、驱动部件；13、固定座；14、限位杆；15、限位块；16、激光接收装置；17、弹性件；18、安装板；19、螺栓；20、限位螺母；21、调节螺母；22、变幅杆；23、耐磨件；81、安装架；82、伸缩部。

具体实施方式

下面结合图1～图4对本发明提供的技术方案进行更为详细的阐述。

孔系的参数主要包括孔系直径、圆度、同轴度。本发明实施例提供的孔系多参数检测系统，只采用一个系统就能对孔系直径、圆度、同轴度多个参数进行检测。另外，本发明实施例提供的孔系多参数检测系统尤其适用于大、深孔径孔系的测量。

参见图1至图3，本发明实施例提供一种孔系多参数检测系统，包括安装组件8、激光发射器4、激光接收装置16以及角度测量装置(图未示出)。激光接收装置16通过安装组件8可伸缩地设于被测工件7待检测孔内；其中激光接收装置16能接收激光发射器4发射的激光，所述角度测量装置能测量所述激光接收装置16的转动角度。

角度测量装置能采用多种结构形式，比如采用角度传感器，或者设置特定角度装置，每转动一次对应特定的角度，比如5度。

激光接收装置16通过安装组件8可伸缩地设于被测工件7的待检测孔内，具体来说，有两种方式：其中一种是将安装组件8本身包括可伸缩结构和不可伸缩结构，将激光接收装置16设于可伸缩结构，当可伸缩结构相对于不可伸缩结构伸缩时，会带动激光接收装置16同步伸缩。另一种方式是激光接收装置16与安装组件8之间的连接方式是可伸缩连接，在待检测孔径发生变化时，激光接收装置16相对于安装组件8伸缩。

另外，可伸缩是相对于待检测孔的内径而言的，这种伸缩可以是自动伸缩，比如在待检测孔内径变化时，安装组件8自动调整至适应待检测孔内径的变化，在这种调整过程中，激光接收装置16随着安装组件8位置的改变而改变。当然，也可以设置为控制模式，在检测到孔径发生变化时，控制安装组件8的某一部分伸出或回缩，以适应待检测孔内径的变化。本实施例中，采用自适应待检测孔内径的方式，具体方式参见后文所述。

下面介绍采用上述孔系多参数检测系统测量孔多参数的方法。

开始检测之前，将激光接收装置的激光接收面调整与待检测孔的中心轴线垂直、将检测激光发射器发射的激光调整与待检测孔的中心轴线平行。

在测量时，首先测量第一个位置对应的激光在激光接收装置上光斑的坐标，然后转动激光接收装置并记录转动角度，测出待检测孔内壁第二个位置对应的激光在激光接收装置上光斑的坐标；同理，再次转动激光接收装置并记录转动角度，测出第三个位置对应光斑的坐标。重复上述步骤完成多个数据的采集。

根据测量得到的各个坐标值坐标变换至激光坐标系后计算得待检测孔的拟合圆，根据该拟合圆计算得到待检测孔的圆心位置、直径等参数。根据最小二乘法或其他已知方法计算该待检测孔的圆度。激光坐标系是指以激光方向作为Z轴，以垂直于Z轴建立X轴、Y轴得到的坐标系。通过坐标系转换以及已知的激光接收装置16与该激光接收装置16用于与待检测孔内壁接触点之间的距离，可以得到待检测孔内壁上所测量点的坐标值，进而拟合得到待检测孔的拟合圆。

对于下一个待检测孔也采用同样的方式，测量得到该下一个待检测孔的拟合圆，根据该拟合圆计算得该下一个待检测圆的圆心坐标、圆度、直径等参数。根据两个待检测孔的圆心坐标，可以判断出这两个圆的同轴度。

可见，通过上述一个系统就能检测孔系直径、圆度、同轴度多种参数，上述技术方案，对提高工程机械核心零部件制造水平，对把控产品质量十分很有益处。

在检测时，激光发射器4发出的激光平行于待检测孔的中心轴线，且垂直于激光接收装置16的激光接收面。本实施例中，采用上述方式使得激光接收装置16的激光接收面垂直于待检测孔的中心轴线：

参见图2和图3，安装组件8包括安装架81和可伸缩设于安装架81的伸缩部82，激光接收装置16与伸缩部82相连。安装架81设于待检测孔内，且安装架81具有两个用于与待检测孔内壁线接触的圆柱面，以使得激光接收装置16的激光接收面垂直于待检测孔的中心轴线。

安装架81可设置可滑移杆或可滑移部件，将激光接收装置16与可滑移杆或可滑移部件连接，在可滑移杆或可滑移部件随着待检测孔内径变化的过程中，激光接收装置16随之运动。安装架81具有两个用于与待检测孔内壁线接触的圆柱面，这使得安装架81设于待检测孔内后不需要另外设置支座或其他支撑部件，就能使得激光接收装置16的PSD面(即激光接收面)垂直于待检测孔的中心轴线。

参见图3，安装架81包括杆件9和设于杆件9的支腿11，支腿11通过伸缩部82设有激光接收装置16。

杆件9与待检测孔内壁接触，杆件9作为承载部件，且杆件9与待检测孔内壁线接触。支腿11作为连接部件，通过支腿11便于设置激光接收装置16。

参见图2和图3，支腿11设有限位块15，限位块15设有限位杆14，限位杆14设有安装板18，安装板18和限位块15之间夹设有弹性件17，安装板18设有用于抵顶在待检测孔内壁的变幅杆22。当待检测孔内径变化时，变幅杆22能在弹性件17的弹力下伸出或回缩。其中，激光接收装置16设于安装板18。上述方式简便地实现了安装组件对待检测孔内径的自适应，使得激光接收装置16的位置跟随待检测孔内径的变化而变化。

参见图2和图3，变幅杆22用于抵顶待检测孔内壁的端部设有耐磨件23。在实际检测孔系参数的过程中，需要转动激光接收装置16以检测孔壁不同位置对应的光斑坐标值，设置耐磨件23可以减少摩擦对变幅杆22的磨损，提高产品使用寿命。

进一步地，耐磨件23的外表面是弧形的，以与待检测孔内壁面面接触，这样可以减小耐磨件23与待检测孔内壁之间的应力。

参见图2和图3，杆件9至少为两根，两根杆件9通过底座10相连，支腿11设于底座10。设置底座10是为了方便支腿11的设置。放置时，杆件9平行于待检测孔的轴线。两根杆件9实现了孔系多参数检测系统在待检测孔内的定位。

参见图2和图3，杆件9的长度长于底座10的长度，杆件9与待检测孔内壁接触，底座10不与待检测孔的内壁接触。底座10不与待检测孔内壁接触，设置底座10是为了方便支腿11的设置。实际应用中，只有杆件9与待检测孔内壁接触。这样可以防止底座10与待检测孔内壁接触造成的位置误差。

参见图2和图3，杆件9带有磁性。杆件9比如采用磁铁。杆件9能吸附在待检测孔内壁上，保证了安装组件8在测量过程中不晃动、不移位，进而保证了检测的准确性。

参见图2和图3，孔系多参数检测系统还包括驱动部件12，驱动部件12用于驱动激光接收装置16转动。角度测量装置用于测量驱动部件12转轴的转动角度，角度测量装置可以采用编码器或类似的传感器测量驱动部件12转轴的转动角度。

驱动部件12比如为步进电机，步进电机安装在支腿11上，步进电机的转轴与激光接收装置16连接，以驱动激光接收装置16转动，进而实现一圈多个位置的光斑坐标值的测定，进而判断待检测孔的圆心位置。

本实施例中，驱动部件12能驱动激光接收装置16绕着驱动部件12转轴的中轴线转动。实际设置中，可以将驱动部件12的转轴中心轴线与被测工件7的中心轴线共线。

本实施例中，具体地，步进电机的转轴与限位块15固定相连，限位杆14与限位块15固定相连，安装板18与限位杆14固定相连，激光接收装置16与安装板18固定相连。与安装板18固定相连的变幅杆22的一端抵顶在待检测孔内壁上，在待检测孔内径发生变化时，比如待检测孔内径变小时，会挤压变幅杆22朝着图2所示下方移动，从而挤压弹性件17。步进电机的驱动轴继续转动，待检测孔内径比如变大，在弹性件17的作用下，变幅杆22会朝着图2所示上方移动。在变幅杆22上下移动的过程中，激光接收装置16同步上下移动，从而使得激光接收装置16检测到的激光发射器4发出的激光光斑反应了待检测孔内径的变化。

参见图1，进一步地，孔系多参数检测系统还包括支撑架3，激光发射器4可升降地设于支撑架3。通过支撑架3可在检测之初调制激光发射器4的位置，使之发出的激光尽量位于待检测孔的中心轴线上。

进一步地，孔系多参数检测系统还包括控制器2，控制器2与激光接收装置16电连接，控制器2用于计算激光发射器4发射到激光接收装置16的光斑坐标。通过控制器2能快速、准确地计算光斑坐标，并据此计算出待检测孔的圆心坐标。

参见图2和图3，孔系多参数检测系统还包括平台1，激光发射器4及被测工件7均设于平台1。移动平台1就移动了整个孔系多参数检测系统，这样使得整个孔系多参数检测系统便于移动，且不需为被测工件7单独设置检测工位。

可见上述技术方案，提供了一种便携式大孔径孔系直径、圆度、同轴度复合检测系统，应用该系统，能够快速、精确地实现装载机前车架、压路机振动轮、大吨位挖掘机大臂、旋挖钻机钻桅、起重机转台等工程机械核心零部件中的大孔径孔系直径、圆度、同轴度复合检测与统计过程控制，并与MES系统互联通信，促进智能制造进程。

下面介绍一个具体实例。

该孔系多参数检测系统包括平台1、控制器2、支撑架3、激光发射器4、激光5、RS232电缆6、激光接收装置16。控制器2具体可采用工控机。控制器2、支撑架3、被测工件7均布置在平台1上。激光发射器4通过支撑架3进行固定。支撑架3可以根据不同待测孔径，调整激光发射器4的高度。激光接收装置16通过安装架81固定于待测孔内，适用孔直径范围为￠100mm～￠1000mm。

安装架81包括杆件9、底座10和支腿11。驱动部件12具体包括步进电机。杆件9、底座10、支腿11构成安装架81，确保驱动部件12轴线与待测孔轴线平行、激光接收装置16的PSD平面与待测孔轴线垂直。驱动部件12通过固定座13固定在支腿11上。

参见图2，限位块15通过固定座13支承，与驱动部件12转轴相连。驱动部件12转动，会带动限位块15以及与限位块15连接的安装板18、与安装板18连接的激光接收装置16一同转动。限位杆14通过孔间隙配合布置在限位块15上，其上依次套有弹性件17、安装板18，另一端拧有限位螺母20。基于上述装置，实现安装板18在弹性件17作用下，沿着限位杆14顶在限位螺母20上；当有外力作用于耐磨件23时，安装板18沿着限位杆14滑动，用以反馈孔径变化。弹性件17具体为弹簧。

参见图2和图3，安装板18前端通过螺栓19连接激光接收装置16、中部通过调节螺母21连接变幅杆22。变幅杆22前端布置耐磨件23。

在检测过程中，激光发射器4发射激光5，激光接收装置16接收激光5信号，通过RS232电缆6将检测信息传输给控制器2，控制器2采用数据处理软件计算待测孔系的直径、圆度、同轴度；基于计算数据，进行统计过程控制，并将数据传输给MES系统。

本发明实施例的技术方案，结构简单、易于实现；操作方便、便于携带、检测机动灵活；覆盖被测孔径范围为￠100mm～￠1000mm，可实现连续孔、间歇孔、短孔等孔系检测，适用范围广；一次检测操作，同时获得直径、圆度、同轴度三个关键指标，节约检测设备与检测成本；能够实现统计过程控制、监控孔系加工质量；与MES系统互联通信，为孔系智能制造奠定技术基础。

参见图4，本发明另一实施例提供一种孔系多参数检测方法，可采用上述任一技术方案提供的孔系多参数检测系统实现。该方法包括以下步骤：

步骤S10、通过激光发射器向激光接收装置发出激光，测量激光的光斑坐标值和激光接收装置的初始角度。

开始检测之前，将激光接收装置的激光接收面调整与待检测孔的中心轴线垂直、将检测激光发射器发射的激光调整与待检测孔的中心轴线平行。初始角度可以记为零。

步骤S20、转动激光接收装置，并测量转动后的激光光斑坐标值以及所述激光接收装置的转动角度。

步骤S30、重复上一步骤，以得到多组数据，每组数据包括光斑坐标值和激光接收装置的转动角度。

具体来说，在测量时，首先测量第一个位置对应的激光在激光接收装置上光斑的坐标，然后转动激光接收装置并记录转动角度，测出待检测孔内壁第二个位置对应的激光在激光接收装置上光斑的坐标；同理，再次转动激光接收装置并记录转动角度，测出第三个位置对应光斑的坐标。重复上述步骤完成多组数据的采集。每组数据包括光斑坐标值以及转动角度。

步骤S40、根据得到的多组数据以及所述激光接收装置与该激光接收装置用于与待检测孔内壁接触点之间的距离，将测量得到的光斑坐标变换至激光坐标系后计算得待检测孔的拟合圆。

孔系多参数检测系统结构确定后，激光接收装置用于与待检测孔内壁接触点是确定的，激光接收装置与接触点之间的距离也是确定的。激光接收装置若能直接与待检测孔接触，那么接触点是激光接收装置的一个点；若激光接收装置不能直接与待检测孔接触，则接触点是与激光接收装置连接的、且能随着待检测孔孔径变化的点。在本实施例中，接触点是指耐磨件23与待检测孔内壁接触的点。

步骤S50、根据该拟合圆计算得到待检测孔的圆心坐标及直径。

在上述步骤S40和步骤S50中，根据测量得到的各个坐标值以及激光接收装置与该激光接收装置用于与待检测孔内壁接触点之间的距离，将测量得到的光斑坐标变换至激光坐标系后计算得待检测孔的拟合圆。根据该拟合圆计算得到待检测孔的圆心位置、直径等参数。根据最小二乘法计算该待检测孔的圆度。

在可选或优选的实施例中，孔系多参数检测方法还包括以下步骤：根据该拟合圆计算得到待检测孔的圆心坐标以及激光坐标系下离散点的坐标，计算各离散点到圆心距离的最大值和最小值之差，得到待检测孔的圆度。

若有多个孔同轴度需要判断，在可选或优选的实施例中，孔系多参数检测方法还包括以下步骤：根据各待检测孔激光坐标系下的圆心坐标，利用最小二乘法计算得到待检测孔系的同轴度。对于每个待检测孔也采用同样的方式，测量得到每个待检测孔的拟合圆，根据该拟合圆计算得该下一个待检测圆的圆心坐标、圆度、直径等参数。

在激光坐标系下，根据两个待检测孔的圆心坐标的X、Y值，可以计算得出这两个圆心之间的距离，然后以距离表征两个孔的同轴度。

在激光坐标系下，根据多个待检测孔的圆心坐标的X、Y、Z值，可以计算得出这孔系的同轴度。具体来说，根据待检测孔系的圆心坐标，采用最小二乘法计算获得公共轴线，计算圆心点到公共轴线距离最大值二倍，表征孔系同轴度。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。