本发明属于工业产品几何量精密测量相关技术领域，更具体地，涉及一种适应变孔径的深孔圆柱度检测设备及方法。
背景技术：
长径比较大的深孔类零件如液压油缸、火炮身管、发动机等等，由于孔形特殊且空间有限，目前工业界多采取人工千分表式测量、三坐标机或者圆柱度仪进行测量。人工测量效率低，需要不断找正对中，且人为因素导致的误差较大。三坐标机、圆柱度仪虽然精度高，但对于长度达到5～15m，则由于量程限制无法进行测量。
综上所述，目前工业界对于中小孔径、长度较长的深孔件缺乏合适的圆柱度检测方法，现有具有代表性的研究如下：
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，使用多个电机构建出了结合行走机构、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，截面圆度的检测精度较高。
但该装置由于回转机构本身限制，无法做到小型化而适应常见孔径如火炮等几十至上百孔径大小的零件，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。
但正是由于相机拍摄的是整个孔径的图像，此系统在确定了相面尺寸的情况下系统分辨率即精度较低，目前无法应用在长度在米量级的深孔中，并且无法在深孔中获取检测装置自身位姿，会导致圆柱度综合检测结果误差较大、重复性较差。
综上所述，内孔类零件，尤其是直径150mm左右，长度在5-15m范围内的深孔件，缺乏测量精度及效率高的圆柱度测量装置及方法。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种一种适应变孔径的深孔圆柱度检测设备及方法，所述设备通过将无衍射光发生器、位姿测量装置、自定心装置及直径测量装置依次同轴安装，整个设备能够适应孔形变化，并连续获取内孔截面信息和自身位姿信息，全部信息的获取由数据单元统一处理，获得信息后先根据位姿信息计算内孔轴线，然后将对应的截面图像信息通过坐标变换统一至内孔轴线上，同时利用位姿信息进行误差补偿，进而通过统一坐标的全部内孔信息计算出整个孔件的圆柱度，测量精度高，稳定性好，操作简便，适合快速检测，具有广阔的应用前景。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种适应变孔径的深孔圆柱度检测设备，所述检测设备包括同轴设置的无衍射光发生器、位姿测量装置、自定心装置及直径测量装置，所述位姿测量装置及所述直径测量装置分别连接于所述自定心装置相背的两侧；
所述自定心装置包括自定心机构，所述自定心机构包括并联曲柄环及三个并联的活动组件，三个所述活动组件的一端分别转动地连接于所述并联曲柄环，且所述活动组件通过弹性变形来调整自身与所述并联曲柄环的中心轴之间的间距，以适应不同孔径的待测孔件；所述并联曲柄环用于将三个所述活动组件中任一个的运动传递给另外两个，使得三个所述活动组件同步运动。
进一步地，所述检测设备还包括数据处理单元，所述位姿测量装置及所述直径测量装置分别用于检测位姿信息及直径信息，并将检测到的位姿信息及直径信息传输给所述数据处理单元；所述数据处理单元根据接收到的位姿信息计算得到内孔轴线，然后将对应的截面图像信息通过坐标变换统一到内孔轴线上，同时利用位姿信息进行误差补偿，进而通过同一坐标的全部内孔信息计算出整个孔件的圆柱度。
进一步地，所述活动组件包括两个限位架、滑块、两个滚轮架及滚轮，两个所述限位架间隔设置，且所述限位架开设有滑槽；两个所述滚轮架间隔设置，且分别位于两个所述限位架相背的两侧，一个连接螺栓的一端依次穿过一个所述滚轮架、所述滑槽及另一个所述滚轮架，且所述滑块位于所述连接螺栓与所述滚轮之间；两个所述滚轮架的一端分别通过两个销钉与所述滑块相背的两侧相连接，一个连接销轴的两端分别设置在两个所述滚轮架的另一端，所述滚轮套设在所述连接销轴上。
进一步地，所述自定心机构还包括摇杆，所述摇杆的两端分别与所述并联曲柄环及所述滑块转动连接；所述活动组件还包括弹性元件，所述弹性元件连接于所述滑块且其位于两个所述限位架之间。
进一步地，所述自定心机构还包括传动机构，所述传动机构包括三组对称设置的传动组件，三组所述传动组件分别连接于三个所述活动组件的滑轮，所述传动组件通过驱动所述滑轮来驱动所述检测设备沿所述待测孔件的轴向移动。
进一步地，所述自定心装置还包括电机、五个主体板及至少三个连接杆，五个所述主体板依次间隔设置，至少三个所述连接杆的一端依次穿过五个所述主体板以将五个所述主体板沿同一轴线连接在一起；所述电机及所述限位架分别设置在所述主体板上。
进一步地，所述电机的输出轴连接于所述传动机构，所述传动机构及所述活动组件分别设置在所述主体板上；所述位姿测量装置及所述直径测量装置分别连接于五个所述主体板中位于两端的两个所述主体板上。
进一步地，所述自定心机构的数量为两个，两个所述自定心机构间隔设置，且两个所述并联曲柄环分别套设在所述电机的外周及所述位姿测量装置上，对应的两个所述弹性元件分别抵靠在所述电机的外周及所述位姿测量装置上。
按照本发明的另一个方面，提供了一种适应变孔径的深孔圆柱度检测方法，所述检测方法采用如上所述的适应变孔径的深孔圆柱度检测设备进行深孔圆柱度检测。
进一步地，所述检测设备设置在待测孔件的内孔内，且其沿所述内孔的轴线均匀前进的同时，所述位姿测量装置及所述直径测量装置分别拍摄无衍射光光束截面信息及内孔截面信息以完成内孔截面的数据测量，进而所述数据处理单元对测量到的数据进行处理以得到深孔圆柱度。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的适应变孔径的深孔圆柱度检测设备及方法主要具有以下有益效果：
1.位姿测量装置、自定心装置及直径测量装置形成同轴一体的检测设备，能够自动在一次检测作业中同时获取并根据大量位姿信息、直径信息和轴向信息综合快速地计算出待测孔件的圆柱度误差。
2.采用并联曲柄环转动地连接三个并联的活动组件，且三个所述活动组件中的任一个运动时，另外两个所述活动组件会跟随对应的所述活动组件发生随动，由此使得三个活动组件同步运动，实现了高精度定心。
3.所述检测设备连续获取内控截面信息及自身位姿信息并传输给数据处理单元统一处理，所述数据处理单元首先根据位姿信息计算内孔轴线，然后将对应的截面图像信息通过坐标变换统一至内孔轴线上，同时利用位姿信息进行误差补偿，进而通过统一坐标的全部内孔信息计算出整个孔件的圆柱度，测量精度高，稳定性好，操作简便，适合快速检测，具有广阔的应用前景。
4.本发明的自定心装置及位姿测量装置相结合以将孔形变化反映为整个检测设备的位姿变化，进而在评定圆柱度的过程中利用位姿信息进行误差补偿，提高了圆柱度的检测精度。
5.所述检测设备的操作简便，测量效率和准确度高，稳定性好，适合对深孔类零件的内圆柱面进行测量。
附图说明
图1是本发明提供的适应变孔径的深孔圆柱度检测设备的局部剖视图；
图2是图1中的适应变孔径的深孔圆柱度检测设备进行深孔圆柱度检测时的原理示意图；
图3是图1中的自定心装置的剖视图；
图4是图3中的自定心装置的局部三维示意图；
图5是图3中的自定心装置的局部爆炸示意图；
图6是图3中的自定心装置的另一剖视图；
图7是图3中的自定心装置的传动部分的爆炸示意图；
图8是图1中的适应变孔径的深孔圆柱度检测设备的位姿测量装置的剖视图；
图9是图1中的适应变孔径的深孔圆柱度检测设备的直径测量装置的剖视图；
图10是图8中的位姿测量装置的成像原理图；
图11是图1中的适应变孔径的深孔圆柱度检测设备的圆柱度评定的原理示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-限位架，2-滑块，3-滚轮架，4-滚轮，5-摇杆，6-并联曲柄环，7-一级齿轮组，8-二级换向齿轮组，9-三级齿轮组，10-带，11-电机，12-图像传感器，13-直径测量筒，14-连接杆，15-主体板，16-涨紧套，17-位姿测量筒，18-无衍射光发生器，19-数据处理单元，20-待测件，21-环形光束，22-反射镜，23-棱锥镜，24-环形激光器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1及图2，本发明提供的适应变孔径的深孔圆柱度检测额设备，所述检测设备包括同轴设置的无衍射光发生器18、位姿测量装置、自定心装置及直径测量装置，所述位姿测量装置及所述直径测量装置分别连接于所述自定心装置相背的两侧。所述检测设备还包括数据处理单元19，所述位姿测量装置及所述直径测量装置分别用于检测位姿信息及直径信息，并将检测到的位姿信息及直径信息传输给所述数据处理单元19。所述数据处理单元19对接收到的信息进行统一处理，其首先根据接收到的位姿信息计算得到内孔轴向线，然后将对应的截面图像信息通过坐标变换统一到内孔轴线上，同时利用位姿信息进行误差补偿，进而通过同一坐标的全部内孔信息计算出整个孔件的圆柱度。
请参阅图3、图4、图5、图6及图7，所述自定心装置包括两组自定心机构、传动机构、电机11、五个主体板15及至少三个连接杆14，五个所述主体板15依次间隔设置，至少三个所述连接杆14的一端依次穿过五个所述主体板15以将五个所述主体板15沿同一轴线连接在一起且均采用挡圈进行限位，至少按个所述连接杆14绕所述主体板15的中心轴均匀排布。两个所述自定心机构分别连接于两个所述主体板15，且两者对称设置。所述电机11连接于其中一个所述主体板15及所述传动机构，所述传动机构连接于其中一个所述自定心机构，由此所述电机11通过所述传动机构驱动对应的所述自定心机构运动，继而使得整个所述检测设备沿轴线移动。
本实施方式中，位于两端的两个所述主体板15分别与所述位姿测量装置及所述直径测量装置相连接；为描述简便，五个所述主体板15依距离所述直径测量装置的距离自近到远依次成为第一主体板、第二主体板、第三主体板、第四主体板及第五主体板；至少三个所述连接杆14的数量为三个，可以理解，在其他实施方式中，所述连接杆14的数量可以根据实际需要增加或者减少。
所述自定心机构包括并联曲柄环6及三个并联的活动组件，三个所述活动组件的一端分别转动地连接于所述并联曲柄环6，且三个所述活动组件中的任一个运动时，另外两个所述活动组件会跟随对应的所述活动组件发生随动。其中，所述活动组件通过部件的弹性变形来适应不同孔径的孔件。
所述活动组件包括两个限位架1、滑块2、两个滚轮架3及滚轮4，所述限位架1呈l形，其一端连接于对应的所述主体板15，两个所述限位架1间隔设置，且与对应的所述主体板15形成用于收容所述滑块2的收容空间。所述限位架1还开设有长度垂直于所述主体板15的中心轴的滑槽。两个所述滚轮架3间隔设置，且分别位于两个所述限位架1相背的两侧，一个所述连接螺栓的一端依次穿过一个所述滚轮架3、所述滑槽及另一个所述滚轮架3，且所述滑块2位于所述连接螺栓与所述滚轮4之间。两个所述滚轮架3的一端分别通过两个销钉与所述滑块2相背的两侧相连接，一个连接销轴的两端分别设置在两个所述滚轮架3的另一端，所述滚轮4套设在所述连接销轴上。
所述摇杆5的一端与所述滑块2远离对应的所述主体板15的一端转动连接，另一端与所述并联曲柄环6形成转动连接。其中，所述连接螺栓能够沿所述滑槽滑动，继而带动所述滑块2及连接于所述滑块2的滚轮架3及滚轮4移动而改变所述滚轮相对于所述并联曲柄环6的中心轴的距离，以适应不同孔径的孔件，同时，所述滑块2的移动会通过所述摇杆5带动所述并联曲柄环6转动，而同样的所述并联曲柄环6的转动也会带动所述滑块2的移动。
所述滑块2的底部连接有弹性元件(如弹簧)，所述弹性元件位于两个所述限位架1之间。所述弹性元件用于提供支持力，且该支持力可以传递到所述滚轮4，整个检测设备可以平衡自身重力和孔件内部支反力从而适应不同孔径并消除移动副间隙。
本实施方式中，所述滑槽的尺寸为13m*4mm；所述摇杆5与所述并联曲柄环6的连接处及与所述滑块2的连接处的间距为20mm，所述摇杆5与所述并联曲柄环6所形成的转动副距离所述并联曲柄环6的中心轴的距离为20mm，该转动副与对应的中心轴连线相对水平方向的偏角为36.94°，则此时测量量程为152～161mm；所述电机11的机体与所述第二主体板15同轴安装；两个所述自定心机构分别连接于所述第二主体板及所述第五主体板。
所述传动机构包括三组对称设置的传动组件，所述传动组件包括一级齿轮组7、二级换向齿轮组8、三级齿轮组9及带10，所述电机11的输出轴穿过所述第三主体板后连接于所述一级齿轮组7的主动轮，所述一级出轮组7的从动轮通过阶梯轴与所述二级换向齿轮组8的主动轮相连接，所述二级换向齿轮组8的主动轮通过滚轮轴固定在第三主体板的孔中，所述二级换向齿轮组8的从动轮与所述三级齿轮组9的主动轮通过阶梯轴安装在支撑板上，两个所述支撑板间隔设置在所述第三主体板上，所述三级齿轮组9及带轮依次设置在对应的阶梯轴上，该阶梯轴采用挡圈进行限位。所述带10连接所述带轮及所述滚轮4，由此所述电机10通过所述传动组件带动对应的所述滚轮4运动。其中，三组所述传动组件的一级齿轮组7的主动轮绕所述电机11的输出轴均匀排布。
请参阅图8及图10，所述位姿测量装置包括位姿测量筒17、两个图像传感器12及两个反射镜22，所述位姿测量筒17为阶梯形的圆柱状，两个所述图像传感器12及两个所述反射镜22分别沿所述位姿测量筒17的轴向间隔设置在所述位姿测量筒17内，且两个所述图像传感器12及两个所述反射镜22交替设置。其中，所述位姿测量筒17通过涨紧套16连接于所述第五主体板，涨紧套16设置穿设在所述第五主体板上，所述位姿测量筒17的一端穿过所述涨紧套16后伸入所述第五主体板与所述第四主体板之间。
其中，所述无衍射光发生器18发出的光束经过一个所述反射镜22时被分为两束，一束在前方的所述图像传感器12中成像，另一束经过后射入后一反射镜22从而使得后方的所述图像传感器12也获得光束图像，两个光束图像即能够表征计算出位姿信息。本实施方式中，两个所述自定心机构的并联曲柄环6分别套设在所述位姿测量筒17及所述电机11的外周上，且对应的两个弹性元件的一端分别抵靠在所述位姿测量筒17及所述电机11的外周上。
请参阅图9，所述直径测量装置包括图像传感器12、直径测量筒13、棱锥镜23及环形激光器24，所述直径测量筒13通过所述涨紧套16连接于所述第一主体板，其为阶梯状的圆柱体。所述棱锥镜23、所述图像传感器12及所述环形激光器24沿所述直径测量筒13的轴线间隔设置在所述直径测量筒13内，且所述棱锥镜23邻近所述电机11设置。其中，所述环形激光器24发出环形激光通过待测件20的内壁反射至棱锥镜23,；如图10所示，所述棱锥镜23有六个镜面，当然六个镜面将完整的内壁图像反射为6个局部小段至对应所述图像传感器12中成像，如此就在图像传感器12的相面尺寸固定的情况下提高了分辨率，提高了测量精度。
所述数据处理单元包括上位机及固定在机身上的采用can总线相连的基于stm32f103芯片的单片机，所述电机11连接直流驱动芯片进而连接所述数据处理单元19，所述位姿测量装置及所述直径测量装置的3个图像传感器12也连接至机身单片机，运动及数据采集工作由上位机统一控制。
请参阅图11，本发明提供一种适应变孔径的深孔圆柱度检测方法主要包括以下步骤：
步骤一，将所述检测设备方式在待测工件的内孔中，此时由于内孔孔径小于全伸张状态下的自定心机构，内孔孔壁将对所述滚轮4施加径向力，所述弹性元件变形，所述滑块2将向心运动使得所述并联曲柄环6发生转动同时带动其他摇杆5继而使得三个所述滑块2同步运动，实现高精度定心，此时检测设备将保证自身与位姿测量装置、直径测量装置及待测内孔同轴，保证了测量精度。
步骤二，上位机下达开始测量指令，下位机驱动电路将开始驱动所述电机11运行，将动力同步传递至所述滚轮4时，在摩擦力作用下使得检测设备匀速前进，同时下位机发送指令使得位姿测量装置拍摄无衍射光光束截面信息和直径测量装置拍摄内孔截面信息，从而完成一个截面的数据测量。其中的数据信息均通过定义的多个系统坐标系进行变换后统一表示。
步骤三，重复步骤二则可获得待测工件全部n个内孔截面信息，当获取完成后上位机下达结束测量指令，则所述电机11、各个图像传感器12均停止运行，完成数据获取作业。如图5所示，根据所得n个位姿信息，可计算得到检测过程中待测空间的内孔轴线l，继而获得评定基轴线l；根据全部n个内孔截面信息，可根据所需精度或者计算能力选择采样点，再将采样点变换至内孔轴线上，则可获得全部采样点相对评定基轴线的距离，进而可通过符合国际规定的任意方法计算内孔圆柱度。在圆柱度评估中，最少需要待测件的3个界面信息，为进一步说明如何计算圆柱度，这里使用等间隔测量的3个界面数据，其中直径信息取每个截面上的6个数据点。
位姿数据pi(xi,yi,zi)(单位：mm)：p1(0,0,300)，p2(-0.0484, 0.0572,350)，p3(-0.0352, 0.1672,400)。直径数据dij(单位：mm)：d11＝154.743，d12＝155.002，d13＝154.484，d14＝155.235，d15＝154.898，d16＝154.742，d21＝154.499，d22＝154.935，d23＝154.311，d24＝154.964，d25＝154.667，d26＝154.437，d31＝154.318，d32＝154.761，d33＝154.327，d34＝154.816，d35＝154.579，d36＝154.344。
作为优选的，可利用最小二乘法根据位姿数据pi拟合基轴线l，即：
计算得到轴线方程：
本例中，数据点坐标可利用如下公式计算：
zij＝zi
求取全部数据点距离轴线l的距离rij，从r11至r36依次为(单位：mm)：77.2019，77.4724，77.3829，77.7871，77.4780，77.2303，77.1371，77.4255，77.2259，77.5944，77.3757，77.1482，77.1566，77.4048，77.1902，77.4104，77.2652，77.1453。其中rmax＝77.7871mm，rmin＝77.1371mm。
作为优选的，圆柱度可通过如下公式计算：
δr＝rmax-rmin
则最终得到圆柱度c＝77.7871-77.1371＝0.6500mm。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种适应变孔径的深孔圆柱度检测设备，其特征在于：
所述检测设备包括同轴设置的无衍射光发生器、位姿测量装置、自定心装置及直径测量装置，所述位姿测量装置及所述直径测量装置分别连接于所述自定心装置相背的两侧；
所述自定心装置包括自定心机构，所述自定心机构包括并联曲柄环及三个并联的活动组件，三个所述活动组件的一端分别转动地连接于所述并联曲柄环，且所述活动组件通过弹性变形来调整自身与所述并联曲柄环的中心轴之间的间距，以适应不同孔径的待测孔件；所述并联曲柄环用于将三个所述活动组件中任一个的运动传递给另外两个，使得三个所述活动组件同步运动。
2.如权利要求1所述的适应变孔径的深孔圆柱度检测设备，其特征在于：所述检测设备还包括数据处理单元，所述位姿测量装置及所述直径测量装置分别用于检测位姿信息及直径信息，并将检测到的位姿信息及直径信息传输给所述数据处理单元；所述数据处理单元根据接收到的位姿信息计算得到内孔轴线，然后将对应的截面图像信息通过坐标变换统一到内孔轴线上，同时利用位姿信息进行误差补偿，进而通过同一坐标的全部内孔信息计算出整个孔件的圆柱度。
3.如权利要求1所述的适应变孔径的深孔圆柱度检测设备，其特征在于：所述活动组件包括两个限位架、滑块、两个滚轮架及滚轮，两个所述限位架间隔设置，且所述限位架开设有滑槽；两个所述滚轮架间隔设置，且分别位于两个所述限位架相背的两侧，一个连接螺栓的一端依次穿过一个所述滚轮架、所述滑槽及另一个所述滚轮架，且所述滑块位于所述连接螺栓与所述滚轮之间；两个所述滚轮架的一端分别通过两个销钉与所述滑块相背的两侧相连接，一个连接销轴的两端分别设置在两个所述滚轮架的另一端，所述滚轮套设在所述连接销轴上。
4.如权利要求3所述的适应变孔径的深孔圆柱度检测设备，其特征在于：所述自定心机构还包括摇杆，所述摇杆的两端分别与所述并联曲柄环及所述滑块转动连接；所述活动组件还包括弹性元件，所述弹性元件连接于所述滑块且其位于两个所述限位架之间。
5.如权利要求3所述的适应变孔径的深孔圆柱度检测设备，其特征在于：所述自定心机构还包括传动机构，所述传动机构包括三组对称设置的传动组件，三组所述传动组件分别连接于三个所述活动组件的滑轮，所述传动组件通过驱动所述滑轮来驱动所述检测设备沿所述待测孔件的轴向移动。
6.如权利要求5所述的适应变孔径的深孔圆柱度检测设备，其特征在于：所述自定心装置还包括电机、五个主体板及至少三个连接杆，五个所述主体板依次间隔设置，至少三个所述连接杆的一端依次穿过五个所述主体板以将五个所述主体板沿同一轴线连接在一起；所述电机及所述限位架分别设置在所述主体板上。
7.如权利要求6所述的适应变孔径的深孔圆柱度检测设备，其特征在于：所述电机的输出轴连接于所述传动机构，所述传动机构及所述活动组件分别设置在所述主体板上；所述位姿测量装置及所述直径测量装置分别连接于五个所述主体板中位于两端的两个所述主体板上。
8.如权利要求7所述的适应变孔径的深孔圆柱度检测设备，其特征在于：所述自定心机构的数量为两个，两个所述自定心机构间隔设置，且两个所述并联曲柄环分别套设在所述电机的外周及所述位姿测量装置上，对应的两个所述弹性元件分别抵靠在所述电机的外周及所述位姿测量装置上。
9.一种适应变孔径的深孔圆柱度检测方法，其特征在于：所述检测方法采用权利要求1-8任一项所述的适应变孔径的深孔圆柱度检测设备进行深孔圆柱度检测。
10.如权利要求9所述的适应变孔径的深孔圆柱度检测方法，其特征在于：所述检测设备设置在待测孔件的内孔内，且其沿所述内孔的轴线均匀前进的同时，所述位姿测量装置及所述直径测量装置分别拍摄无衍射光光束截面信息及内孔截面信息以完成内孔截面的数据测量，进而所述数据处理单元对测量到的数据进行处理以得到深孔圆柱度。
技术总结