一种封头内表面形状公差的测量装置

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1.本发明属于大尺寸范围三维球曲面内表面形貌测量技术领域，具体涉及压力容器领域内的封头内表面形状公差的测量装置。

背景技术：

2.现有的三维曲面表面形貌测量研究，针对不同对象和不同尺寸大小采用的测量方法都不同，但其主要的研究对象都限于微尺寸和小尺寸范围。对于大尺寸椭球形、球形曲面的封头内表面形状尺寸的检测，一般采用手工测量。如球形和椭球形球曲面封头内表面形状尺寸测量一般采用全尺寸的内样板，即将内样板放入曲面内，通过直尺或塞尺测量样板与封头间隙，判断是否在公差范围之内。
3.采用样板测量封头内表面的形状偏差，虽然简单易行，但这种人工测量方法并不能直观和准确地反映封头各点的形状偏差，且封头大小规格不同，所需样板规格也不同，不仅成本高，而且效率低下，远远满足不了智能制造的要求。在智能制造背景下，急需一种封头内表面形状公差的在线测量装置，以提高封头生产效率和产品质量，提高装备的自动化水平。

技术实现要素：

4.针对以上情况，本发明提出了封头内表面形状公差激光测量装置。
5.本发明提出的一种封头内表面形状公差的测量装置，包括支撑架、激光扫描机构和放置被测封头的平台，支撑架的横梁沿封头的径向水平放置。
6.所述激光扫描机构包括安装架、支架，所述安装架通过支撑架的横梁悬挂在被测封头的平台上方，并可沿支撑架的横梁水平往复移动，所述安装架设有步进电机，步进电机的输出端竖直向下与同心的主动轴固定连接，所述主动轴的中部和下端分别设有沿径向突出的上托盘和下托盘，所述支架可转动的悬挂在主动轴下端的下托盘上，所述主动轴在上托盘的下侧及支架的上方分别固定有不同时通电的电磁离合器一和电磁离合器二，电磁离合器一与上托盘之间的主动轴上套装可转动的小齿轮，所述支架、小齿轮分别悬浮在下托盘和电磁离合器二之间、上托盘和电磁离合器一之间，电磁离合器一和电磁离合器二得电时分别向上和向下扩张，使小齿轮和支架分别贴合上托盘、下托盘后随主动轴旋转；
7.在所述支架下方悬挂有垂直于主动轴且可转动的从动轴，在主动轴的侧面设置有平行于主动轴且可转动的中间轴，所述从动轴与中间轴的下端、所述中间轴的上端与小齿轮之间各通过传动件耦合传动；
8.所述从动轴上安装有激光扫描，所述激光扫描仪发出的垂直于从动轴的光束，所述从动轴上还安装有旋转编码器。
9.下托盘与支架和电磁离合器二、上托盘与小齿轮和电磁离合器一均分别采用互相排斥的磁性材料制成。
10.旋转编码器测量并反馈从动轴的旋转角度。
11.所述支撑架的横梁上设置有滑轨，滑台卡在滑轨上，在滑轨上设置有丝杠和驱动电动机，驱动电机的输出端与丝杠端部固定连接，丝杠上滚动连接有螺母副，螺母副外周与滑台底部固定连接，所述安装架悬挂安装在滑台的侧边。
12.支架包括可转动的悬挂在主动轴下端的基盘，从动轴与设于基盘下侧平行于主动轴的一对耳板一转动连接，中间轴与设于基盘侧面垂直于主动轴的一对耳板二转动连接，各耳板均贯穿有通孔，各个通孔内安装有轴承。
13.主动轴的延长线与从动轴相交，中间轴和从动轴的延长线相交。
14.在所述中间轴的上端固定有大齿轮，大齿轮与主动轴上的小齿轮相互啮合；在所述中间轴的下端固定有小锥齿轮，在所述从动轴靠近中间轴的端部固定有大锥齿轮，小锥齿轮与大锥齿轮相互啮合。
15.本发明实施后的有益效果是：本装置通过两级齿轮减速和大小锥齿轮换向完成激光扫描仪对封头横断面扫描，通过主动轴旋转完成激光扫描仪在水平面的分度运动。激光扫描仪通过水平面的分度和横断面扫描完成对封头的网格式扫描，分次采集封头内表面各点的坐标信息，经过数据处理和曲面重构，与控制系统中的封头标准公差带进行对比，获得封头内表面形状尺寸公差。本装置具有结构简单，测量方便，工作效率高的特点。
附图说明
16.图1为本发明测量装置的整体结构示意图；
17.图2为本发明测量装置的激光扫描机构的结构示意图；
18.图3为本发明测量装置的安装架的结构示意图；
19.图4为本发明测量装置的支架的结构示意图；
20.图5为本发明测量装置扫描曲线示意图；
21.图6为封头的型曲面结构图；
22.1-支撑架，2-激光扫描机构，3-封头，4-激光扫描仪，5-旋转编码器，6-从动轴，7-支架，8-安装架，9-主动轴，10-步进电机，11-小齿轮，12-电磁离合器一，13-大齿轮，14-电磁离合器二，15-中间轴，16-小锥齿轮，17-大锥齿轮，19-滑轨，20-滑台，21-耳板一，22-耳板二。
具体实施方式
23.如图1至图4所示，本发明的一种封头公差的检测装置包括支撑架1、激光扫描机构2和放置被测封头的平台。
24.如图1和图3所示，支撑架1固定在地基上，用来支撑激光扫描机构2，在支撑架1的横梁上设置有滑轨19，滑台20卡在滑轨19上，在滑轨19上还设置有丝杠和驱动电动机，驱动电机的输出端安装在丝杠端部，丝杠上连接有螺母副，螺母副的外周与滑台19底部固定连接，激光扫描机构2悬挂安装在滑台19的侧边。当滑台20上的驱动电机通电后可驱动丝杠旋转，从而带动滑台20在滑轨19上做直线运动，以调节激光扫描机构2在被测封头中心的位置，适应不同尺寸封头内表面形状公差的测量。
25.如图2和图3所示，激光扫描机构2包括安装架8、支架7和传动组件等，步进电机10安装在安装架8顶部，步进电机10的输出端竖直向下与同心的主动轴9固定连接，在主动轴9
的中部和下端分别设有沿径向突出的上托盘和下托盘，支架7可转动的悬挂在主动轴9下端的下托盘上，在主动轴9的上托盘和支架7之间安装有随主动轴9转动的电磁离合器一12和电磁离合器二14，电磁离合器一12和电磁离合器二14不同时通电，电磁离合器一12与上托盘之间的主动轴9上套装可转动的小齿轮11，支架7悬浮在下托盘和电磁离合器二14之间，小齿轮11悬浮在上托盘和电磁离合器一12之间，电磁离合器一12得电时向上扩张，将小齿轮11与上托盘压紧，使小齿轮11贴合上托盘后随主动轴9旋转，电磁离合器二14得电时向下扩张，将支架7与下托盘压紧，使支架7贴合下托盘后随主动轴9旋转。上托盘、下托盘分别与小齿轮和电磁离合器一12、支架和电磁离合器二14通过磁力相斥等手段互相隔开微小距离。
26.在支架7下方悬挂有垂直于主动轴9且可转动的从动轴6，在主动轴9的侧面设置有平行于主动轴9且可转动的中间轴15，从动轴6与中间轴15的下端，在中间轴15的上端与小齿轮11各通过传动件耦合传动。
27.在中间轴15的上端大齿轮13与中间轴15固定连接，小齿轮12与大齿轮13相互啮合，中间轴15的下端安装有小锥齿轮16，从动轴6靠近中间轴15一端安装有大锥齿轮17，大锥齿轮17与小锥齿16轮相互垂直啮合，中间轴15驱动从动轴6在竖直平面内的转动。从动轴6背离大锥齿轮17的一端依次安装有旋转编码器5和激光扫描仪4，旋转编码器5和激光扫描仪4可随从动轴6在竖直面内发生转动，激光扫描仪4的激光光束竖直向下。
28.优选地，如图3和图4所示，支架7包括可转动的悬挂在主动轴9下端的基盘，基盘下侧设有一对平行于主动轴9的耳板一21，基盘侧面还设有一对垂直于主动轴9的耳板二22，各耳板均贯穿有通孔，各个通孔内安装有轴承，从动轴6的两端分别转动的安装在耳板一21中的通孔内，中间轴15的两端分别转动的安装在耳板二22中的通孔内，主动轴9的延长线与从动轴6相交，中间轴15和从动轴6的延长线相交。
29.当电磁离合器一得电时，采用两级降速传动，步进电机通过小齿轮和大齿轮啮合带动中间轴运动，中间轴通过一对锥齿轮，即小锥齿轮和大锥齿轮，将运动传递到从动轴上，固定在从动轴上的激光扫描仪和旋转编码器随从动轴一起转动，对封头内表面进行横断面扫描，获取封头内表面上横断面上点的空间坐标信息。当一次扫描完成后，电磁离合器一失电，电磁离合器二得电，主动轴直接驱动支架转位，进行分度运动。激光扫描机构完成分度运动后，电磁离合器二失电，电磁离合器一得电，进行第二次封头内表面横断面扫描。
30.使用时，激光扫描机构2沿支撑架1上的直线导轨11移动，通过滑台运动至封头中心正上方，首先，激光扫描机构2中的电磁离合器一12得电，步进电机10驱动主动轴转动，并通过与小齿轮11啮合的大齿轮13，带动中间轴15转动，中间轴15通过相互啮合的小锥齿轮16和大锥齿轮17，将转动传递到从动轴6上，激光扫描仪4和旋转编码器5均固定在从动轴6上，其中旋转编码器5与激光扫描仪4与从动轴6同步旋转，旋转编码器5每旋转一圈输出脉冲数一定，通过记录旋转编码器5发出的脉冲数，得到激光扫描仪4旋转的角度；同时，激光扫描仪4发射激光束，完成激光扫描仪4在封头内表面一次横断面扫描，获取封头内表面上某一横断面上点的空间坐标信息。
31.当激光扫描仪4完成一次横断面扫描后，电磁离合器一12失电，电磁离合器二14得电，激光扫描机构2中的主动轴9在步进电机10的驱动下产生旋转运动，与主动轴9连接的支架7实现水平面的分度旋转运动，转位角度的大小通过控制步进电机的脉冲数实现转位角
度的控制，此时，固定在支架7上的激光扫描仪4完成水平面的分度运动，同时步进电机10的控制驱动器自带的光电编码器可记录步进电机10的转位角度信息，通过改变步进电机10定子绕组的通电顺序实现步进电机10的正反转，从而带动激光扫描仪4的正反转，实现激光扫描仪4沿封头作顺时针或逆时针旋转分度运动。
32.当激光扫描仪4完成一次分度运动后，电磁离合器一12得电，电磁离合器二14失电，步进电机10和主动轴9通过相互啮合的小齿轮11和大齿轮13，带动中间轴15运动，再次完成上一步中的封头内表面一次横断面扫描，获取封头内表面上某一横断面上点的空间坐标信息。当此次扫描完成后，电磁离合器一12失电，电磁离合器二14得电，主动轴9直接驱动支架7转位，带动激光扫描仪4进行分度转位运动。
33.不断重复上述两个步骤，激光扫描机构2进行m次分度转位运动(旋转运动)后，分m次从不同角度扫描、采集封头内表面各点的坐标信息，以获得旋压封头内表面完整的形状尺寸信息。如图5和图6所示，经过数据处理，可得封头3d模型。其中，可根据封头大小和测试精度需要，来调整步进电机的分度值和分度次数。

技术特征：

1.一种封头内表面形状公差的测量装置，包括支撑架(1)、激光扫描机构(2)和放置被测封头的平台，支撑架(1)的横梁置于封头之上并沿封头的径向水平放置，其特征在于：所述激光扫描机构(2)通过支撑架(1)的横梁悬挂在被测封头的平台上方，并可沿支撑架(1)的横梁水平往复移动，所述激光扫描机构(2)包括安装架(8)、支架(7)，所述安装架(8)设有步进电机(10)，步进电机(10)的输出端竖直向下与同心的主动轴(9)固定连接，所述主动轴(9)的中部和下端分别设有沿径向突出的上托盘和下托盘，所述支架(7)可转动的悬挂在主动轴(9)下端的下托盘上，所述主动轴(9)在上托盘的下侧及支架(7)的上方分别固定有不同时通电的电磁离合器一(12)和电磁离合器二(14)，电磁离合器一(12)与上托盘之间的主动轴(9)上套装可转动的小齿轮(11)，所述支架(7)、小齿轮(11)分别悬浮在下托盘和电磁离合器二(14)之间、上托盘和电磁离合器一(12)之间，电磁离合器一(12)和电磁离合器二(14)得电时分别向上和向下扩张，使小齿轮(11)和支架(7)分别贴合上托盘、下托盘后随主动轴(9)旋转；在所述支架(7)下方悬挂有垂直于主动轴(9)且可转动的从动轴(6)，在主动轴(9)的侧面设置有平行于主动轴(9)且可转动的中间轴(15)，所述从动轴(6)与中间轴(15)的下端、所述中间轴(15)的上端与小齿轮(11)之间各通过传动件耦合传动；所述从动轴(6)上安装有激光扫描仪(4)，所述激光扫描仪(4)发出的垂直于从动轴(6)的光束，所述从动轴(6)上还安装有旋转编码器(5)。2.根据权利要求1所述的一种封头内表面形状公差的测量装置，其特征在于，所述支撑架(1)的横梁上设置有滑轨(19)，滑台(20)卡在滑轨(19)上，在滑轨(19)上设置有丝杠和驱动电动机，驱动电机的输出端与丝杠端部固定连接，丝杠上滚动连接有螺母副，螺母副外周与滑台(20)底部固定连接，所述安装架(8)悬挂安装在滑台(20)的侧边。3.根据权利要求1所述的一种球曲面内表面形状公差的测量装置，其特征在于，所述支架(7)包括可转动的悬挂在主动轴(9)下端的基盘，从动轴(6)与设于基盘下侧平行于主动轴(9)的一对耳板一(21)转动连接，中间轴(15)与设于基盘侧面垂直于主动轴(9)的一对耳板二(22)转动连接。4.根据权利要求1和权利要求3所述的一种封头内表面形状公差的测量装置，其特征在于，在所述中间轴(15)的上端固定有大齿轮(13)，大齿轮(13)与主动轴(9)上的小齿轮(11)相互啮合；在所述中间轴(15)的下端固定有小锥齿轮(16)，在所述从动轴(6)靠近中间轴(15)的端部固定有大锥齿轮(17)，小锥齿轮(16)与大锥齿轮(17)相互啮合。

技术总结

本发明公开了一种封头内表面形状公差的测量装置，包括支撑架、激光扫描机构和放置被测封头的平台。激光扫描机构在支撑架的横梁上作水平移动以调整其到被测封头的中心位置，并通过两级齿轮减速和大小锥齿轮换向完成激光扫描仪对封头横断面扫描，通过主动轴旋转完成激光扫描仪在水平面的分度运动。激光扫描机构上的激光扫描仪通过水平面的分度和横断面扫描完成对封头的网格式扫描，分次采集封头内表面各点的坐标信息，经过数据处理和曲面重构，并与控制系统中的封头允许公差带进行对比，获取封头内表面形状尺寸公差。本发明的装置结构简单，测量方便且工作效率高。测量方便且工作效率高。