基于 PSD 的深孔軸線度測(cè)量機(jī)器人設(shè)計(jì)
2020-6-3 來(lái)源：南京信息職業(yè)技術(shù) 南京信息職業(yè)技術(shù) 等 作者：趙海峰 郭燕 王國(guó)東
摘要 : 針對(duì)目前深孔軸線度測(cè)試技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)了一種基于 PSD 的自定心深孔軸線度測(cè)量機(jī)器人。通過(guò)螺旋管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)內(nèi)徑自定心裝置沿管道軸線前進(jìn)，置于定心軸端的激光頭發(fā)出激光束并照射到外置的四象限 PSD 面板，通過(guò)電路轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前管道位置的軸線位置，并完成所測(cè)深孔軸線的測(cè)量。與現(xiàn)有測(cè)量系統(tǒng)相比，該機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)精密儀器中深孔、盲孔任意截面直線度參數(shù)的測(cè)量。
關(guān)鍵詞: PSD; 深孔; 直線度; 測(cè)量機(jī)器人
1 、引言
精密儀器的孔徑加工和測(cè)試技術(shù)是影響零件和產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素之一。飛機(jī)、輪船、石油設(shè)備和大型醫(yī)療器械中都存在著直徑不一的深孔( 指長(zhǎng)度與直徑比大于 5 的孔) 或盲孔，這些孔類零件的加工和檢測(cè)技術(shù)直接影響零件的精度［1］。
目前，中小尺寸孔類零件的內(nèi)徑測(cè)量技術(shù)日趨完善，但是大尺寸內(nèi)徑測(cè)量，特別是大型工件內(nèi)徑的測(cè)量工作仍采用大型內(nèi)徑千分尺、臂桿法［2］、感應(yīng)式應(yīng)變片［3］等接觸式測(cè)量方法。這類測(cè)量方法操作不便，精度難以控制，且易受人為影響，穩(wěn)定性差。多普勒效應(yīng)法、激光干涉儀［4］、激光杠桿法、利用超聲波的反轉(zhuǎn)測(cè)量法等一些非接觸式測(cè)量方法精度很高，但由于測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，測(cè)試儀器組建不便的原因，不適合一些大型儀器的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量［5］。而且，上述方法都不適宜大型儀器深孔，尤其是盲孔內(nèi)徑參數(shù)的測(cè)量。
近年來(lái)，隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，不同領(lǐng)域的工業(yè)機(jī)器人相繼出現(xiàn)［6，7］?；诠艿雷詣?dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的內(nèi)徑非接觸測(cè)量機(jī)器人具有工作效率高、精度好等優(yōu)點(diǎn)，可適用于各種加工現(xiàn)場(chǎng)的大尺寸 內(nèi)徑測(cè)量［8］。Ma Zi 等［9，10］采用定位可調(diào)框架，使測(cè)量中心逼近管道軸線; 蘇麗梅等［11］采用雙橢圓環(huán)方式將測(cè)量機(jī)構(gòu)定位在中型管道中心，曲新華等［12，13］采用可調(diào)柔性連接機(jī)構(gòu)分步實(shí)現(xiàn)了相鄰 2 個(gè)截面軸線中心的定位。以上管道中心定位技術(shù)可以將測(cè)量機(jī)器人軸線定位于被測(cè)軸孔內(nèi)部，但測(cè)量中心定位機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，并不具備孔類軸線自平衡調(diào)節(jié)能力，測(cè)量時(shí)不能有效兼顧效率和精度。
本文在研究現(xiàn)有深孔測(cè)試技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)器人技術(shù)設(shè)計(jì)了一種基于 PSD 光電技術(shù)的深孔測(cè)量機(jī)器人。該機(jī)器人主要用于大型精密儀器中深孔、盲孔的任意位置軸孔直線度參數(shù)的測(cè)量，進(jìn)而為現(xiàn)代化機(jī)械產(chǎn)品的軸孔參數(shù)的測(cè)量檢測(cè)以及深孔加工技術(shù)中軸線的糾偏提供一種可行的測(cè)試技術(shù)方案和儀器。
2 、測(cè)量原理
本文采用基于 PSD( Position Sensitive Detector)的深孔軸線度測(cè)量機(jī)器人測(cè)試方法。如圖 1 所示，測(cè)量機(jī)器人主要由深孔行走機(jī)構(gòu)Ⅰ、軸線自定心裝置Ⅱ、激光發(fā)射裝置Ⅲ和光電( PSD) 信號(hào)探測(cè)、處理系統(tǒng)Ⅳ、PSD 位置調(diào)節(jié)裝置Ⅴ五部分構(gòu)成。
圖 1 基于 PSD 的深孔軸線度測(cè)量機(jī)器人
2. 1 深孔行進(jìn)機(jī)構(gòu)
深孔行進(jìn)機(jī)構(gòu)由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置、行走導(dǎo)向裝置、控制電路以及藍(lán)牙控制模塊組成，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 2。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)六棱柱轉(zhuǎn)子構(gòu)成，轉(zhuǎn)子的外壁上安裝有三組呈對(duì)稱布置的輪架，每
組輪架上安裝 2 個(gè)輪子，輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與轉(zhuǎn)子的軸線呈一螺旋角( 銳角) 。行走導(dǎo)向裝置在空心六棱柱外壁上安裝有三組呈對(duì)稱布置的導(dǎo)向輪架，每組導(dǎo)向輪架上也安裝 2 個(gè)輪子，輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與六棱柱的軸線相互垂直。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置與行走導(dǎo)向裝置兩部分通過(guò)軸套連接。
1． 鋰電池 2． 導(dǎo)向輪 3． 直流電機(jī) 4． 轉(zhuǎn)子
5． 螺旋輪 6． 導(dǎo)線 7． 控制及驅(qū)動(dòng)電路
圖 2 深孔行進(jìn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)
動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置轉(zhuǎn)子上的輪架和行走導(dǎo)向裝置上的導(dǎo)向輪架均為浮動(dòng)體，分別采用彈簧產(chǎn)生一定的徑向伸縮，使轉(zhuǎn)子輪架上的輪子和導(dǎo)向輪架上的所有輪子始終貼緊于管道的內(nèi)壁，以適應(yīng)一定范圍內(nèi)管道直徑的變化。行進(jìn)時(shí)，通過(guò)安裝于導(dǎo)向裝置內(nèi)部的控制器、驅(qū)動(dòng)器和藍(lán)牙信號(hào)接收裝置發(fā)出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，利用螺旋力帶動(dòng)裝置前進(jìn)和后退。
2. 2 深孔自定心裝置
如圖 3 所示，高精度深孔自定心裝置由雙向?qū)ΨQ的錐形圓臺(tái)( 兩個(gè)) 、滑軌、置于滑軌軌道內(nèi)的滑塊、找平塊、固定測(cè)頭、可換測(cè)頭、內(nèi)置的張力彈簧、定心軸、滾珠套筒以及起支撐作用的套筒、端蓋組成。
測(cè)量時(shí)，6 個(gè)可換測(cè)頭與筒壁接觸，當(dāng)孔徑變小時(shí)，在徑向帶動(dòng)滑塊擠壓與錐形圓臺(tái)相連的滑軌沿孔徑軸線向中間運(yùn)動(dòng); 當(dāng)錐形圓臺(tái)中間的受壓彈簧達(dá)到軸向受力平衡時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，從而可以精確確定當(dāng)前被測(cè)孔徑局部位置的軸線; 反之，彈簧伸張推動(dòng)錐形圓臺(tái)向兩側(cè)滑動(dòng)，滑臺(tái)與滑軌形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)，測(cè)頭沿徑向外移，直至與孔壁接觸受力達(dá)到平衡。
1． 端蓋 2． 套筒 3． 可換測(cè)頭 4． 找平塊 5． 滑塊 6． 錐形圓臺(tái)
7． 滑軌 8． 固定測(cè)頭 9． 滾珠套筒 10． 彈簧 11． 定心軸
圖 3 深孔自定心裝置
2. 3 激光發(fā)射裝置
如圖 4 所示，激光發(fā)射裝置由固定在軸線上的激光器套筒和點(diǎn)狀激光器組成。測(cè)量時(shí)激光器發(fā)射與軸線平行的點(diǎn)狀光斑，入射到光電探測(cè)器表面。
1． 點(diǎn)狀激光器 2． 激光器套筒
圖 4 激光發(fā)射裝置
2. 4 光電信號(hào)探測(cè)和處理系統(tǒng)
如圖 5 所示，光電信號(hào)探測(cè)和處理系統(tǒng)主要由四象限位置光電探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集模塊、上位機(jī)構(gòu)成。
四象限探測(cè)器作為一種常用的位置敏感器件( Position Sensitive Detector，PSD) ，是通過(guò)光刻把一個(gè)圓形光敏面分割成面積相等、形狀相同、位置對(duì)稱的四個(gè)相互隔離的區(qū)域( 象限) ，并分別鍍上前極，引出輸出線，而后極則仍為一個(gè)整片。實(shí)際上每個(gè)區(qū)域相當(dāng)于一個(gè)光電探測(cè)器，在理想狀態(tài)下每個(gè)區(qū)域的暗電流相等。當(dāng)入射光點(diǎn)落在器件感光面的不同位置時(shí)，四象限探測(cè)器的每個(gè)象限輸出不同幅度的電信號(hào)，通過(guò)對(duì)這些信號(hào)的幅度進(jìn)行計(jì)算，可以確定入射光斑中心在感光面上的位置。
四象限探測(cè)器每個(gè)象限的輸出取決于兩方面的因素，即入射光的能量 I 和光斑照射到該象限的面積。如果光斑的能量分布不均勻，則輸出也是位置 x，y) 的函數(shù)，可用 I( x，y) 表示。
通常目標(biāo)光斑幾何形狀對(duì)稱、能量分布均勻。當(dāng)其位于探測(cè)器中心時(shí)，各個(gè)象限由于光輻射量相同，輸出相等的光電流，偏差為 0。當(dāng)目標(biāo)光斑相對(duì)探測(cè)器中心產(chǎn)生偏移，四個(gè)象限由于光輻射量不同而產(chǎn)生不同的光電流。通過(guò)對(duì)光電流的偏差處理即可推知目標(biāo)光斑相對(duì)四象限探測(cè)器中心的偏移，從而對(duì)目標(biāo)光斑中心進(jìn)行定位。
1． 上位機(jī) 2． 數(shù)據(jù)采集盒 3． 四象限光電探測(cè)器
圖 5 光電信號(hào)探測(cè)和處理系統(tǒng)
數(shù)據(jù)采集模塊采用高精度 PSD 位置傳感器信號(hào)采集處理板，該信號(hào)處理器可提供 ＲS232、ＲS485、USB 接口，采用高速 18 位 AD 芯片，內(nèi)部集成高精密 PSD 偏置電壓，可處理一維、二維 PSD 位置傳感器及四象限探測(cè)器的光電信號(hào)。
2. 5 PSD 位置調(diào)節(jié)裝置
PSD 位置調(diào)節(jié)裝置采用典型的 X / Y / Z 三坐標(biāo)調(diào)節(jié)臺(tái)，用于完成光電探測(cè)器信號(hào)初始位置的調(diào)零，如圖 6 所示。
1． Z 坐標(biāo)調(diào)節(jié)旋鈕 2． X 坐標(biāo)調(diào)節(jié)旋鈕 3． Y 坐標(biāo)調(diào)節(jié)旋鈕
圖 6 PSD 位置調(diào)節(jié)裝置
3、 測(cè)量?jī)x器及測(cè)試方法
按上述設(shè)計(jì)思想制作的測(cè)量機(jī)器人如圖 7 所示。如圖 1 所示，測(cè)試時(shí)首先將測(cè)量機(jī)器人深孔行進(jìn)機(jī)構(gòu)Ⅰ、自定心裝置Ⅱ置于被測(cè)孔內(nèi)，激光測(cè)量頭Ⅲ發(fā)出點(diǎn)狀測(cè)量光斑并投射到四象限光電板，通過(guò)位置調(diào)節(jié)裝置Ⅴ完成測(cè)量初始位置校零，使測(cè)量光斑置于光電面板中心，同時(shí)顯示于上位機(jī)軟件測(cè)試圖像中心點(diǎn)。
利用手機(jī)藍(lán)牙驅(qū)動(dòng)行進(jìn)機(jī)構(gòu)Ⅰ開(kāi)始動(dòng)態(tài)測(cè)試。
當(dāng)行進(jìn)機(jī)構(gòu)前進(jìn)時(shí)，通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)自定心裝置Ⅱ沿管道軸線前進(jìn)。自定心裝置由于具有自我調(diào)節(jié)孔心功能，可以定出待測(cè)位置軸線。通過(guò)置于定心裝置軸線后端的激光器發(fā)出激光并投射到四象限光電板，四象限光電探測(cè)器捕捉光信號(hào)經(jīng)電路放大處理和采集后上傳并顯示于上位機(jī)，并記錄當(dāng)前位置數(shù)據(jù)。重復(fù)上述過(guò)程，可以完成通孔或盲孔的整個(gè)軸
線度測(cè)量。
圖 7 測(cè)量機(jī)器人實(shí)物
4 、結(jié)語(yǔ)
本文提出的基于 PSD 的深孔軸線度測(cè)量機(jī)器人，通過(guò)對(duì)稱分布的雙錐臺(tái)定心結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了被測(cè)孔徑的自適應(yīng)定心，通過(guò)四象限位置敏感器件實(shí)現(xiàn)了孔徑軸線位置的實(shí)時(shí)測(cè)量。尤其是通過(guò)創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)，還實(shí)現(xiàn)了深孔測(cè)量中盲孔不易測(cè)量功能。與現(xiàn)有深孔直線度測(cè)量方法相比，本文提出的測(cè)量方法可實(shí)現(xiàn)精密儀器中深孔、盲孔任意截面直線度參數(shù)的測(cè)量。
投稿箱：
如果您有機(jī)床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進(jìn)行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機(jī)床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進(jìn)行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相關(guān)信息
業(yè)界視點(diǎn)
| 更多
行業(yè)數(shù)據(jù)
| 更多
- 2025年1月 新能源汽車銷量情況
- 2024年12月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 基本型乘用車（轎車）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 軸承出口情況
- 2024年12月 分地區(qū)金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 分地區(qū)金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 軸承出口情況
- 2024年11月 基本型乘用車（轎車）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 新能源汽車銷量情況
- 2024年10月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)
博文選萃
| 更多
- 機(jī)械加工過(guò)程圖示
- 判斷一臺(tái)加工中心精度的幾種辦法
- 中走絲線切割機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)
- 國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床何去何從？
- 中國(guó)的技術(shù)工人都去哪里了？
- 機(jī)械老板做了十多年，為何還是小作坊？
- 機(jī)械行業(yè)最新自殺性營(yíng)銷，害人害己！不倒閉才
- 制造業(yè)大逃亡
- 智能時(shí)代，少談點(diǎn)智造，多談點(diǎn)制造
- 現(xiàn)實(shí)面前，國(guó)人沉默。制造業(yè)的騰飛，要從機(jī)床
- 一文搞懂?dāng)?shù)控車床加工刀具補(bǔ)償功能
- 車床鉆孔攻螺紋加工方法及工裝設(shè)計(jì)
- 傳統(tǒng)鉆削與螺旋銑孔加工工藝的區(qū)別