激光非接触式大尺寸内径自动测量系统

    0 引 言

    长期以来， 内径是孔测量中的一项重要测量参数， 国内外学者对内径测量进行了大量的研究。 目前，对中小尺寸的内径测量技术日趋完善，但是大尺寸的内径测量， 特别是大型工件内外径的测量技术发展却毫无进展^[1]。 许多大型加工现场的大尺寸内径测量工作仍采用大型内径千分尺等接触式测量方法。 这种方法测量效率低、测量参数少、测量可重复性差、稳定性不高^[2]，易受环境和操作人员的影响 。 多普勒效应法、激光干涉仪^[3]、激光杠杆法等非接触式测量的精度很高，但由于现场环境和组建的原因，不适合大型工件的现场测量^[4]。 而且 ，上述方法都不适宜进行纵深测量，例如：当孔轴向很深时，这些测量手段都没有效果。 近年来，管道机器人发展迅速^[5-7]，不同领域的各类管道机器人相继出现， 促进了大尺寸管道内径测量技术的发展^[8-9]。 基于管道自动运动机构的内径非接触测量方法具有工作效率高、精度高等优势，可适用于各种加工现场的大尺寸内径测量^[10]。

    大尺寸工件的轴孔配合， 轴孔内外尺寸应符合公差配合要求，这就要求精确测量其内外直径尺寸。 在船舶制造过程中，所加工的轴孔尺寸范围为 Ф500～1000mm，孔深达 10 m，要求尺寸的精度和圆度误差都为 10μm。为了解决这类轴孔内径的高精度检测问题，本课题组研制出一种通用型的大尺寸内径非接触式测量系统。 该系统不仅能实时获取管道内径的相关数据， 而且能快速生成管道内径的评估参数。 其精度能够满足工艺要求，结构简单，可以实现长距离无线测量，是一种高精度、高自由度、高灵活性的通用管道大尺寸内径测量系统。

    文中提出了一种基于精密自动定心机构的激光大尺寸内径测量系统^[11]。 精密自动定心机构保证了孔内垂直轴线的截面形貌的测量准确性， 提高了几何形貌分析的可靠性。 采用激光的方法进行非接触式测量，有效地保证了系统测量的精度，减小了测量误差、测量不确定性等问题，而且自动化程度高、操作方便。

    1 系统介绍

    大尺寸内径测量系统的机械结构模型如图 1 所示，a 为轴向运动机构；b 为高精度同轴定位机构；c为传感器扫描机构；d 为电路控制箱。

    1.1 轴向运动机构

    轴向运动机构包括 2 个主动轮、2 个从动轮、行走伺服电机、齿轮副和固定支撑机构等。 行走伺服电机带动主动轮实现机构的轴向高灵活性、 高精度的行走定位，爬越具有一定坡度和台阶的管道。 4 个行走轮分别通过支撑臂上的导向槽和螺纹固定， 固定位置可以根据待检测管道内径的大小进行调整，以适应不同的检测场合。 这个驱动机构除了实现运载整个系统之外，还可以精确定位轴向行进位置，并且给测量系统提供了一个稳定的测量环境。 其主动轮运动机构如图 2所示。