一种圆筒形缸体内壁激光熔覆几何智能检测装置及方法

摘要

本发明一种圆筒形缸体内壁激光熔覆几何智能检测装置及方法涉及激光熔覆加工中的几何检测领域，特别涉及一种圆筒状缸体内壁的几何形状及公差尺寸的检测，尤其涉及一种圆筒形缸体内壁激光熔覆几何智能检测装置及方法，包括本体及固定设置在本体上的驱动装置，所述驱动装置通过自适应伞托机构连接有用于检测的检测机构；所述检测机构包括至少三组检测装置；本发明采用三点定心原理测量内孔直径，测量装置的本体置于孔外，检测机构进入孔内，通过驱动装置驱动自适应伞托机构与待测工件的内表面进行对中，然后通过距离传感器测量并分析待测表面的直径和圆柱度等评价参数，该发明具有智能化、低成本和可实现在线检测的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及激光熔覆加工中的几何检测领域，特别涉及一种圆筒状缸体内壁的几何形状及公差尺寸的检测，尤其涉及一种圆筒形缸体内壁激光熔覆几何智能检测装置及方法。

背景技术

近年来，随着我国再制造业的快速升级与发展，激光熔覆再制造技术被广泛应用于几个典型行业领域，并获得了较为广阔的市场规模。但是激光熔覆修复后的几何参数检测尚不成熟，特别是对缸体零件修复后的内壁几何参数几乎无法直接在线测量，故我们无法获取修复后的缸筒内壁的几何参数，即对激光熔覆再制造后的性能无法直接进行评估，也影响了后续加工的实施困难。

目前工业领域常用的内孔测量仪如人工千分表、三坐标测量机或者圆柱度仪等，无法实现激光熔覆后缸体内壁加工面（粗糙度大）的实时在线检测，目前工业界对于中大孔径（100-1000mm）、较深内壁孔件缺乏合适的直径及圆柱度检测方法，现有近似方法的代表性的研究如下：

例如：在文献“大孔径管道4自由度内部检测机器人系统[J] .机械工程学报，2009,267:273)”中，使用多个电机构建了结合行走机构、回转机构、激光调整机构等的检测系统。该系统通过计算激光行程时间来实现径向距离检测，能够应用到直径500-1000mm的大孔径检测作业中。该装置由于回转机构本身限制，无法做到小型化而适应激光熔覆零件在线表面测量，并且需要在每一个截面检测时严格对中调整，降低了检测效率。此外，由于没有位姿检测系统，多个截面之间无法相关联从而直接构建出孔件的轴线和圆柱度信息。

在文献“深孔类零件内表面三维综合测量技术的研究[D] .中国科学技术大学，2018”中，将CCD相机与环形激光发生器、滚珠丝杠及石英管相结合，滚珠丝杠进给的同时CCD连续拍摄内孔截面图像，然后结合图像处理技术计算出截面的各个几何量信息，针对100mm以下小孔径，径向理论精度较好。但由于相机拍摄的是整个孔径的图像，此系统对激光熔覆表面的算法处理分辨难度大即精度较低，且无法应用在长度在米量级的深孔中，会导致圆柱度综合检测结果误差较大、重复性较差。

在专利“一种适应变孔径的深孔圆柱度检测设备及方法[P]，申请号202110412570 .1，华中科技大学，2021”中，公开了一种适应变孔径的深孔圆柱度检测设备与方法，该装置由三对自定心装置的滚轮实现沿内壁自动行走，由无衍射光发生器及位姿测量装置实现直径测量。但该装置变径方式采用弹性元件变形，变径范围非常小，且激光反射测量法对内表面的要求高，不适应激光熔覆后的表面，此外该设备采用了三级传动方式在内壁行走，不适用于在线监测。

基于此，本发明开发了一种基于驱动装置的伞托伸缩结构的自动对心且大尺度变直径检测机构，并采用超声测距法解决了熔覆表面粗糙测量的问题，该装置可采用手持方式或自动方式，方便快捷的实现在线检测缸体内壁激光熔覆面的直径及圆柱度。

发明内容

本发明提出一种主要用于圆筒状缸体内壁表面几何参量检测的伞爪式检测装置，其通过对产品修复后内壁轮廓检测和数据分析，后经数据处理，得出测量结果，实现对柱形缸体内壁的智能检测，该发明具有智能化、低成本和可实现在线检测的特点。

本发明一种圆筒形缸体内壁激光熔覆几何智能检测装置，包括本体及固定设置在本体上的驱动装置，所述驱动装置通过自适应伞托机构连接有用于检测的检测机构；

所述检测机构包括至少三组检测装置，所述检测装置包括安装座，所述安装座上设置有球型探头和距离传感器；

所述安装座均与同一连接装置滑动相连，所述安装座沿连接装置的周向均布，且位于同一高度，所述距离传感器设置在安装座朝向连接装置的一端上，所述球型探头设置在安装座远离连接座的一端上；

所述自适应伞托机构包括动平台和自适应对中连接装置，自适应对中连接装置数量包括与检测装置数量相同的连接臂，所述安装座分别通过连接臂与动平台相连；

所述驱动装置上连接有输出轴，输出轴通过升降装置与所述动平台相连；

当动平台移动，通过自适应对中连接装置带动安装座沿缸体径向移动。

优选地，连接装置包括平衡台和连接杆，所述连接杆沿平衡台周向均布，且连接杆的数量与安装座的数量相同；

所述安装座上均设置有一滑块，所述连接杆的一端与平衡台的周面固定相连，另一端与安装座内的滑块组成一副移动副。

优选地，连接臂包括连杆和摇杆，所述连杆的一端穿过顶盖后与动平台铰接，另一端与摇杆的中部铰接，所述摇杆的一端均与顶盖铰接，另一端分别与安装座铰接，所述顶盖与本体固定相连。

优选地，顶盖上设置有数目与连杆数量相同的穿过孔，穿过孔设置的位置与连杆与动平台铰接的位置相对应；

当球型探头与缸体内壁接触时，连杆在穿过孔内的位移小于连杆在穿过孔内的最大位移。

优选地，穿过孔与连杆的运动轨迹相匹配。

优选地，升降装置包括竖直设置的丝杠和套接在丝杠上与丝杠相连的丝杠螺母，所述动平台中心部位设置有通孔，通孔直径大于丝杠的外径，所述动平台套接在丝杠上，且与丝杠螺母固定相连；

丝杠的一端通过柔性联轴器与驱动装置相连，另一端穿过动平台的通孔后与顶盖中心处通过深沟球轴承轴向固定相连；

所述驱动装置通过中间固定板与本体固定相连；

所述检测装置设置为三组。

优选地，驱动装置为驱动电机。

优选地，本体为中空圆柱状本体，本体的底部固定连接有底板，所述顶盖盖合在本体的顶部，所述驱动电机、丝杠及中间固定板均位于本体内。

优选地，距离传感器为超声波测距传感器。

一种圆筒形缸体内壁激光熔覆几何智能检测方法，采用一种圆筒形缸体内壁激光熔覆几何智能检测装置进行检测，具体方法包括以下步骤：

步骤1，将一种圆筒形缸体内壁激光熔覆几何智能检测装置放入待测量的缸体内；

步骤2，启动驱动装置，驱动装置的输出轴带动丝杠旋转，从而带动丝杠螺母向下移动；

步骤3，丝杠螺母的移动带动自适应伞托机构的动平台向下运动，从而三组连杆拉动三组摇杆均向外侧摆动；

步骤4，摇杆的摆动驱动检测机构的安装座分别在连接杆上向远离平衡台的方向滑动；

步骤5，当其中一个检测机构上的球型探头与待测量缸体内表面接触时，自动驱动自适应伞托机构与待测量缸体进行对中；

步骤6，待检测机构的三个球型探头均与待测量缸体内表面接触时产生预压，通过连接臂和升降装置将驱动力传递给驱动装置，当预压力大于驱动装置在扭矩驱动模式下的设定扭矩时驱动装置停止转动；

步骤7，三组距离传感器测出三组直径值，计算出待测缸体内壁的直径D和圆柱度方差D’,即：

D=（D1+D2+D3）/3

D’=[(D1-D)

其中：D1,D2,D3为三组距离传感器的测试值；

步骤8，驱动装置反向转动，带动丝杠螺母旋转至丝杠的最上端后停止，自适应伞托机构收缩后即完成一次测量。

本发明采用一种三点定心原理测量内孔直径的测量装置。测量装置的本体置于孔外，检测机构进入孔内，通过驱动装置驱动自适应伞托机构与待测工件的内表面进行对中，然后通过距离传感器测量并分析待测表面的直径和圆柱度等评价参数，该发明具有智能化、低成本和可实现在线检测的特点，其应用范围广泛。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的驱动装置结构示意图。

图3是本发明的自适应伞托机构结构示意图。

图4是本发明的检测机构结构示意图。

附图标记：1-驱动装置，1-1-底板，1-2-驱动电机，1-3-本体，1-4-中间固定板，1-5-柔性联轴器，1-6-丝杠螺母，1-7-丝杠，1-8-顶盖，1-9-深沟球轴承，1-10-控制显示单元，2-自适应伞托机构，2-1-动平台，2-2-连杆，2-3-摇杆，3-检测机构，3-1-安装座，3-2-球型探头，3-3-超声波测距传感器，3-4-平衡台。

具体实施方式

本发明一种圆筒形缸体内壁激光熔覆几何智能检测装置，包括本体1-3及固定设置在本体1-3上的驱动装置1，所述驱动装置1通过自适应伞托机构2连接有用于检测的检测机构3；

所述检测机构3包括至少三组检测装置，所述检测装置包括安装座3-1，所述安装座3-1上设置有球型探头3-2和距离传感器；

所述安装座3-1均与同一连接装置滑动相连，所述安装座3-1沿连接装置的周向均布，且位于同一高度，所述距离传感器设置在安装座3-1朝向连接装置的一端上，所述球型探头3-2设置在安装座3-1远离连接座的一端上；

所述自适应伞托机构2包括动平台2-1和自适应对中连接装置，自适应对中连接装置数量包括与检测装置数量相同的连接臂，所述安装座3-1分别通过连接臂与动平台2-1相连；

所述驱动装置1上连接有输出轴，输出轴通过升降装置与所述动平台2-1相连；

当动平台2-1移动，通过自适应对中连接装置带动安装座3-1沿缸体径向移动。

连接装置包括平衡台3-4和连接杆，所述连接杆沿平衡台3-4周向均布，且连接杆的数量与安装座3-1的数量相同；

所述安装座3-1上均设置有一滑块，所述连接杆的一端与平衡台3-4的周面固定相连，另一端与安装座3-1内的滑块组成一副移动副。

连接臂包括连杆2-2和摇杆2-3，所述连杆2-2的一端穿过顶盖1-8后与动平台2-1铰接，另一端与摇杆2-3的中部铰接，所述摇杆2-3的一端均与顶盖1-8铰接，另一端分别与安装座3-1铰接，所述顶盖1-8与本体1-3固定相连。

顶盖1-8上设置有数目与连杆2-2数量相同的穿过孔，穿过孔设置的位置与连杆2-2与动平台2-1铰接的位置相对应；

当球型探头3-2与缸体内壁接触时，连杆2-2在穿过孔内的位移小于连杆2-2在穿过孔内的最大位移。

穿过孔与连杆2-2的运动轨迹相匹配。

升降装置包括竖直设置的丝杠1-7和套接在丝杠1-7上与丝杠1-7相连的丝杠螺母1-6，所述动平台2-1中心部位设置有通孔，通孔直径大于丝杠1-7的外径，所述动平台2-1套接在丝杠1-7上，且与丝杠螺母1-6固定相连；

丝杠1-7的一端通过柔性联轴器1-5与驱动装置1相连，另一端穿过动平台2-1的通孔后与顶盖1-8中心处通过深沟球轴承1-9轴向固定相连；

所述驱动装置1通过中间固定板1-4与本体1-3固定相连；

所述检测装置设置为三组。

驱动装置1为驱动电机1-2。

本体1-3为中空圆柱状本体1-3，本体1-3的底部固定连接有底板1-1，所述顶盖1-8盖合在本体1-3的顶部，所述驱动电机1-2、丝杠1-7及中间固定板1-4均位于本体1-3内。

距离传感器为超声波测距传感器3-3。

距离传感器为超声波测距传感器3-3。根据需要可以在本体1-3周面上设置控制显示单元1-10，控制显示单元1-10与检测装置的距离传感器相连，用于显示相应的测量数据。

一种圆筒形缸体内壁激光熔覆几何智能检测方法，采用一种圆筒形缸体内壁激光熔覆几何智能检测装置进行检测，具体方法包括以下步骤：

步骤1，将一种圆筒形缸体内壁激光熔覆几何智能检测装置放入待测量的缸体内；

步骤2，启动驱动装置1，驱动装置1的输出轴带动丝杠1-7旋转，从而带动丝杠螺母1-6向下移动；

步骤3，丝杠螺母1-6的移动带动自适应伞托机构2的动平台2-1向下运动，从而三组连杆2-2拉动三组摇杆2-3均向外侧摆动；

步骤4，摇杆2-3的摆动驱动检测机构3的安装座3-1分别在连接杆上向远离平衡台3-4的方向滑动；

步骤5，当其中一个检测机构3上的球型探头3-2与待测量缸体内表面接触时，自动驱动自适应伞托机构2与待测量缸体进行对中；

步骤6，待检测机构3的三个球型探头3-2均与待测量缸体内表面接触时产生预压，通过连接臂和升降装置将驱动力传递给驱动装置1，当预压力大于驱动装置1在扭矩驱动模式下的设定扭矩时驱动装置1停止转动；

步骤7，三组距离传感器测出三组直径值，计算出待测缸体内壁的直径D和圆柱度方差D’,即：

D=（D1+D2+D3）/3

D’=[(D1-D)

其中：D1,D2,D3为三组距离传感器的测试值；

步骤8，驱动装置1反向转动，带动丝杠螺母1-6旋转至丝杠1-7的最上端后停止，自适应伞托机构2收缩后即完成一次测量。