[发明专利]一种身管内膛参数测量装置及方法

权利要求书

1.一种身管内膛参数测量装置，其特征在于，包括：

机架，机架上设有背板、基准平台；

设置在基准平台上的三爪定位台，用于夹持固定身管；

设置在背板上的直线模组，用于实现升降功能；

设置在直线模组上的旋转模组，用于实现旋转功能；

设置在旋转模组上的卡规，卡规上部设有零点传感器，卡规具有固定测臂、运动测臂，固定测臂末端设有固定测头，运动测臂末端设有运动测头；

直线模组带动旋转模组、卡规进行竖直升降运动，用于测算身管内腔的不同深度位置，旋转模组带动卡规旋转，用于测算内腔的不同角度位置。

2.根据权利要求1所述的一种身管内膛参数测量装置，其特征在于：所述基准平台、背板由大理石平台制成，所述直线模组、旋转模组均为高精度模组，所述直线模组、旋转模组、卡规采用PLC控制，所述直线模组通过伺服电机配合电机编码器和外置的光栅尺实现全闭环控制。

3.根据权利要求1所述的一种身管内膛参数测量装置，其特征在于：零点传感器、卡规的固定测头、运动测头均为接触式传感器。

4.根据权利要求1所述的一种身管内膛参数测量装置，其特征在于：测量装置的尺寸以及各传感器坐标经过标定。

5.一种权利要求1所述的基于身管内膛参数测量装置的测量方法，其特征在于：

设：

MN端面为身管最低处所在端面，B点为卡规运动测头，C点为卡规固定测头，O点为卡规运动测臂的旋转中心，D点为过B点作垂线与固定测臂OC的交点，α为卡规运动测臂OB与固定测臂OC的夹角；

测量方法：

释放卡规，卡规自动张开，使得卡规运动测头与身管内壁接触，卡规向上运动，在向上运动过程中，遇到不同的内径，卡规张开的位移量也随之变化，卡规运动测头采集实时数据，这样便得到一条母线；旋转卡规，并再次采集数据，由此卡规获得多组内腔母线后，取同一截面上各母线的一点，再拟合成一个圆，取几组母线上的n个点，便可以得到n个圆，通过这些圆拟合出身管的内腔形状；

截面圆计算方法包括以下步骤：

1)将身管沿竖向固定在三爪卡盘上，直线模组带动旋转模组、卡规下降，直至零点传感器接触到身管上端面，进行零点定位，即标定出零点P与身管MN端面的距离L0，设当直线模组处于零点时，O点与P点重合，此时卡规的固定测头、运动测头位于身管待测内腔的最低处以下；

2)设点A所在截面为距离身管MN端面L1处的被测内径截圆，测量点A处内径，计算卡规进给深度H＝L0-CO-L1，按H计算值进给后，释放卡规运动测臂绕O点旋转至卡规运动测头与内壁接触，而此时B点所在截面并未与被测截面重合，两截面相距距离为CD，卡规当前返回值BC＝K1，CD计算过程如下：

CD＝OC-OD (1)

OD＝OBcosα (2)

K1＝2OCsin(α/2) (3)

由公式(1)、(2)、(3)求得：

CD＝OC-OBcos[2arcsin(K1/2*OC)]＝OC(1-cos[2arcsin(K1/2*OC)]) (4)

3)计算CD数值后对进给方向进行补偿ΔH1＝CD，补偿后由于被测内壁并非圆柱形而且沿深度进给方向内径变大，卡规返回值变为K2，卡规运动测臂OB与固定测臂OC的夹角α变大，使得卡规运动测头的在沿深度进给方向实际补偿小于ΔH1，此时B点所在截面与被测截面接近但不重合，此时卡规返回值为K2，

4)进行二次补偿，补偿值ΔH2计算如下：

ΔH2＝OC(1-cos[2arcsin(K2/2*OC)])-OC(1-cos[2arcsin(K1/2*OC)])化简得：

ΔH2＝OC(cos[2arcsin(K2/2*OC)]-cos[2arcsin(K1/2*OC)]) (5)

5)重复步骤4，直到卡规运动测头的实际进给深度在允许范围内近似等于H，即B点所在截面与被测截面近似重合；

6)开始采集数据，通过补偿OC与数据采集旋转轴线重合，卡规沿轴线OC旋转过程中按照等间隔对卡规的返回值进行采集并记录为(β1，K1)，(β2，K2)，(β3，K3)，其中βi为采集角度，Ki为采集的卡规返回值，旋转过程中因卡规返回值K发生变化会导致测头B所在截面与被测截面距离产生变化，因此每次采集数据前都实时进行深度进给补偿；

7)对记录的数据建立坐标系，以数据采集旋转轴线和被测圆截面的交点为坐标原点，X轴通过采集记录的A1点，J点对应被测内径中心；

8)将点Ai的坐标带入圆的一般方程式(x-x0)²+(y-y0)²＝(d/2)²中，求解方程组即求得A1(x1，y1)，A2(x2，y2)，A3(x3，y3)点所在圆得直径；

利用以上算法，得到身管轴向各处截面尺寸，并计算出身管各锥面间的同轴度，通过算法将若干截面圆数据结合计算，得到身管内腔的实际轮廓尺寸。