一种利用激光测量管材厚度的装置

技术领域

本发明涉及激光测量领域，具体涉及一种利用激光测量管材厚度的装置。

背景技术

目前非接触式的激光测量在工件检测测量方面有了长足的发展，激光发射器通过镜头将可见红色激光射向被测物体表面，经物体表面散射的激光通过接收器镜头，被内部的CCD线性相机接收，根据不同的距离，CCD线性相机可以在不同的角度下观察光点。根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离。

中国专利CN218724031U公开了“一种管材测量装置”，该装置包括装置主体、旋转机构及测量机构，旋转机构设置于装置主体上，测量机构与旋转机构相连，旋转机构带动测量机构360度旋转，测量机构包括第一测量传感器、第二测量传感器及夹持固定机构，管材置于夹持固定机构中部，管材通过夹持固定机构固定；第一测量传感器位于管材的中部，第二测量传感器位于管材的外部，第一测量传感器的测量方向朝向管材的内壁，第二测量传感器的测量方向朝向管材的外周面，该实用新型能够自动对管材进行测量，自动化程度高，提高了测量效率，且测量数据较为精确，但是只适用于小管径管材测量。

依据上述原理激光测量在测量管材的内、外径以及壁厚检测方面有了较大技术进步，但是对于大直径的管类零件的外径、内径和壁厚测量检测有着局限性，激光测量仪的尺寸普遍小于大型管材直径，对大直径管材零件的内径和外径不能同时测量，管材件的壁厚在计算过程存在误差时，不能及时发现，因此急需一种能够克服上述问题的大型管状工件激光内外径测量装置。

发明内容

本发明目的在于提供一种利用激光测量管材厚度的装置，用于解决现有管状工件测量工具难以准确测量大型管状工件内径和外径的技术问题。

本发明通过下述技术方案实现：一种利用激光测量管材厚度的装置，包括主体，主体包括平移机构，平移机构上方设置有升降机构，升降机构上方设置有旋转机构，测量机构包括测量头微调机构和C形测量头，测量头微调机构与旋转机构相连，C形测量头包括测量头支架和支架盖板，C形测量头的测量头支架安装于测量头微调机构的测量头安装板上，C形测量头的测量头支架上设有长轴和短轴，长轴安装有激光位移传感器Ⅰ和激光位移传感器Ⅱ，短轴上安装有激光位移传感器Ⅲ和反射棱镜，反射棱镜位于激光位移传感器Ⅲ的光路上；

使用时，长轴上激光位移传感器Ⅰ和激光位移传感器Ⅱ的光路方向朝向短轴；

短轴上的激光位移传感器Ⅲ的光路经反射棱镜后光路方向朝向长轴，并与激光位移传感器Ⅰ的光路重合。

现有管状工件测量工具难以准确测量大型管状工件内径和外径，同样也很难测量管材的壁厚，而发明中的结构，以小型的测量机构完成对大型管状工件内径和外径进行测量，并算出其壁厚，通过平移机构、升降机构和测量头微调机构将待测管材的中心线与旋转机构的旋转中心对齐，且将C形测量头的位置调整到适应测量待测管材的位置，通过旋转机构控制C形测量头的旋转完成对于待测管材内径和外径的测量，同时计算出待测管材的壁厚。

进一步地，平移机构包括伺服电机Ⅰ和直线平移模组Ⅰ，直线平移模组Ⅰ包括滑道和滑块Ⅰ，滑块Ⅰ在滑道上的运动用于调整测量机构在待测管材中心线延伸方向水平面上的位置，可以控制C形测量头伸入待测管材的深度，滑道安装在滑板上方，直线平移模组Ⅰ还包括滑轨，滑板安装在滑轨上，滑轨安装在底板上，滑板在滑轨上的运动用于调整测量机构在垂直于待测管材中心线水平方向上的位置，调整后使得旋转机构的旋转中心与待测管材中心线在竖直方向上重合，直线平移模组Ⅰ中的滑块Ⅰ上端设置有承载板，承载板与滑块Ⅰ之间还通过限位链条连接，限位链条可防止滑块Ⅰ在滑动时脱出滑道，伺服电机Ⅰ与滑块Ⅰ连接，控制滑块Ⅰ在滑道上的运动。

进一步地，升降机构安装在承载板上，升降机构包括顶升电缸、升降支架和升降台，升降台安装于升降支架上方，升降台底部安装有光栅尺，光栅尺用于记录测量机构在水平方向上的位移，顶升电缸与升降支架连接，控制升降支架的上升与下降，通过升降支架控制升降台的上升与下降，调整测量机构在竖直方向上的位置，控制旋转机构的旋转中心与待测管材中心线在水平方向上重合。

进一步地，旋转机构安装在升降支架顶部，旋转机构与升降台之间有测量头底板，测量头底板上设有安装架，安装架垂直安装于测量头底板，安装架一侧安装有中空旋转底板，中空旋转底板上安装有测量头旋转板，安装架另一侧安装有通信滑环和伺服电机Ⅱ，通信滑环位于伺服电机Ⅱ的输出轴下方，通信滑环为C形测量头中的激光位移传感器供电并在C形测量头旋转状态下做测量信号的传输，伺服电机Ⅱ的输出轴穿过安装架和中空旋转底板并与测量头旋转板连接，测量头旋转板底部设置有配重块，伺服电机Ⅱ的输出轴控制测量头旋转板带动C形测量头以输出轴为旋转中心做360°旋转运动，配重块可防止测量头旋转板在旋转过程中发生偏载。

进一步地，测量头微调机构安装于测量头旋转板，测量头微调机构包括直线平移模组Ⅱ、伺服电机Ⅲ和测量头安装板，直线平移模组Ⅱ包括丝杆、滑杆和滑块Ⅱ，滑块Ⅱ安装于丝杆和滑杆上，测量头安装板安装于滑块Ⅱ上，伺服电机Ⅲ与丝杆连接，伺服电机控制丝杆旋转，通过丝杆旋转调整测量头安装板在竖直方向移动，控制C形测量头与旋转中心之间的距离，调整C形测量头的旋转半径，适应不同直径的待测管材。

进一步地，测量头支架的长轴位于远离测量头旋转板中部的位置，短轴位于靠近测量头旋转板中部位置，长轴远端设置有激光位移传感器Ⅰ，长轴近端设置有激光位移传感器Ⅱ，激光位移传感器Ⅰ和激光位移传感器Ⅱ用于测量待测管材外壁分别距离激光位移传感器Ⅰ和激光位移传感器Ⅱ之间的距离，通过计算可得出待测管材外径，激光位移传感器Ⅰ和激光位移传感器Ⅱ之间的数据做对比，可验证测量数据的准确性，短轴近端设置有激光位移传感器Ⅲ，远端设置有反射棱镜，激光位移传感器Ⅲ用于测量待测管材内壁距离激光位移传感器Ⅲ的距离，通过计算可得出待测管材内径。

进一步地，反射棱镜截面为等腰直角三角形，其长边所在面为反射面，反射面与激光位移传感器Ⅲ的光路之间的入射角α=45°，经反射后光路朝向待测管体，最后再经反射面回到激光位移传感器Ⅲ。

进一步地，主体对面还设有管材支架，管材支架顶部为向上开口的V形槽，V形槽内放置有待测管材，V形槽可限制不同直径的待测管材中心线在水平方向重合，待测管材的中心线与旋转机构的旋转中心重合。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明提供的一种利用激光测量管材厚度的装置，通过测量头微调机构可以调整旋转机构的旋转半径，在不改变测量机构结构的情况下可以完成对大型管材内径、外径和壁厚的测量及计算；

2、本发明提供的一种利用激光测量管材厚度的装置，测量机构中的C形测量头通过旋转可以同时待测管材的内径和外径，在测量外径时，通过激光位移传感器Ⅰ和激光位移传感器Ⅱ测量的数据进行对比，可以验证待测管材的外壁是否平整，待测管材是否水平放置，确保测量待测管材的内径和外径测量准确；

3、本发明提供的一种利用激光测量管材厚度的装置，C形测量头中的激光位移传感器Ⅲ位于短轴上，伸入待测管材内部，通过反射棱镜改变激光位移传感器Ⅲ的光路方向，反射棱镜与激光位移传感器Ⅲ存在距离，可以测量更深处的内径，完成对内径更准确的测量；

4、本发明提供的一种利用激光测量管材厚度的装置，通过伺服电机控制平移机构、升降机构和测量头微调机构将待测管材的中心线与旋转机构的旋转中心对齐，且将C形测量头的位置调整到适应测量待测管材的位置，调整过程省时省力，提升管材测量效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的结构示意图一；

图2为本发明的结构示意图二；

图3为本发明的内部结构示意图一；

图4为本发明的内部结构示意图二；

图5为本发明的C形测量头和测量头微调机构的结构示意图；

图6为本发明的C形测量头的光路示意图；

图7为本发明图6中A处的局部放大示意图；

图8为本发明的测量原理示意图；

附图中标记及对应的零部件名称：

1-平移机构，101-伺服电机Ⅰ，102-直线平移模组Ⅰ，1021-滑道，1022-滑块Ⅰ，1023-滑板，1024-滑轨，1025-底板，103-承载板，104-限位链条，2-升降机构，201-顶升电缸，202-升降支架，203-升降台，204-光栅尺，3-旋转机构，301-测量头底板，302-安装架，303-中空旋转底板，304-通信滑环，305-伺服电机Ⅱ，3051-输出轴，306-测量头旋转板，307-配重块，4-测量头微调机构，401-直线平移模组Ⅱ，4011-丝杆，4012-滑杆，4013-滑块Ⅱ，402-伺服电机Ⅲ，403-测量头安装板，5-C形测量头，501-测量头支架，502-支架盖板，503-激光位移传感器Ⅰ，504-激光位移传感器Ⅱ，505-激光位移传感器Ⅲ，506-反射棱镜，507-长轴，508-短轴，6-管材支架，601-V形槽，602-待测管材。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。需要说明的是，本发明已经处于实际研发使用阶段。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例一，如图1至图8所示，在本实施例中，一种利用激光测量管材厚度的装置，包括主体，主体包括平移机构1，平移机构1上方设置有升降机构，升降机构上方设置有旋转机构，测量机构包括测量头微调机构4和C形测量头5，测量头微调机构4与旋转机构相连，C形测量头5包括测量头支架501和支架盖板502，C形测量头5的测量头支架501安装于测量头微调机构4的测量头安装板403上，C形测量头5的测量头支架501上设有长轴507和短轴508，长轴507安装有激光位移传感器Ⅰ503和激光位移传感器Ⅱ504，短轴508上安装有激光位移传感器Ⅲ505和反射棱镜506，反射棱镜506位于激光位移传感器Ⅲ505的光路上；

使用时，长轴507上激光位移传感器Ⅰ503和激光位移传感器Ⅱ504的光路方向朝向短轴508；

短轴508上的激光位移传感器Ⅲ505的光路经反射棱镜506后光路方向朝向长轴507，并与激光位移传感器Ⅰ503的光路重合。

平移机构1包括伺服电机Ⅰ101和直线平移模组Ⅰ102，直线平移模组Ⅰ102包括滑道1021和滑块Ⅰ1022，滑块Ⅰ1022在滑道1021上的运动用于调整测量机构在待测管材602中心线延伸方向水平面上的位置，可以控制C形测量头5伸入待测管材602的深度，滑道1021安装在滑板1023上方，直线平移模组Ⅰ102还包括滑轨1024，滑板1023安装在滑轨1024上，滑轨1024安装在底板1025上，滑板1023在滑轨1024上的运动用于调整测量机构在垂直于待测管材602中心线水平方向上的位置，调整后使得旋转机构3的旋转中心与待测管材602中心线在竖直方向上重合，直线平移模组Ⅰ102中的滑块Ⅰ1022上端设置有承载板103，承载板103与滑块Ⅰ1022之间还通过限位链条104连接，限位链条104可防止滑块Ⅰ1022在滑动时脱出滑道1021，伺服电机Ⅰ101与滑块Ⅰ1022连接，控制滑块Ⅰ1022在滑道1021上的运动，升降机构2安装在承载板103上，升降机构2包括顶升电缸201、升降支架202和升降台203，升降台203安装于升降支架202上方，升降台203底部安装有光栅尺204，光栅尺204用于记录测量机构在水平方向上的位移，顶升电缸201与升降支架202连接，控制升降支架202的上升与下降，通过升降支架202控制升降台203的上升与下降，调整测量机构在竖直方向上的位置，控制旋转机构3的旋转中心与待测管材602中心线在水平方向上重合，旋转机构3安装在升降支架202顶部，旋转机构3与升降台203之间有测量头底板301，测量头底板301上设有安装架302，安装架302垂直安装于测量头底板301，安装架302一侧安装有中空旋转底板303，中空旋转底板303上安装有测量头旋转板306，安装架302另一侧安装有通信滑环304和伺服电机Ⅱ305，通信滑环304位于伺服电机Ⅱ305的输出轴3051下方，通信滑环304为C形测量头5中的激光位移传感器供电并在C形测量头5旋转状态下做测量信号的传输，伺服电机Ⅱ305的输出轴3051穿过安装架302和中空旋转底板303并与测量头旋转板306连接，测量头旋转板306底部设置有配重块307，伺服电机Ⅱ305的输出轴3051控制测量头旋转板306带动C形测量头5以输出轴3051为旋转中心做360°旋转运动，配重块307可防止测量头旋转板306在旋转过程中发生偏载。

测量头微调机构4安装于测量头旋转板306，测量头微调机构4包括直线平移模组Ⅱ401、伺服电机Ⅲ402和测量头安装板403，直线平移模组Ⅱ401包括丝杆4011、滑杆4012和滑块Ⅱ4013，滑块Ⅱ4013安装于丝杆4011和滑杆4012上，测量头安装板403安装于滑块Ⅱ4013上，伺服电机Ⅲ402与丝杆4011连接，伺服电机控制丝杆4011旋转，通过丝杆4011旋转调整测量头安装板403在竖直方向移动，控制C形测量头5与旋转中心之间的距离，调整C形测量头5的旋转半径，适应不同直径的待测管材602，测量头支架501的长轴507位于远离测量头旋转板306中部的位置，短轴508位于靠近测量头旋转板306中部位置，长轴507远端设置有激光位移传感器Ⅰ503，长轴507近端设置有激光位移传感器Ⅱ504，激光位移传感器Ⅰ503和激光位移传感器Ⅱ504用于测量待测管材602外壁分别距离激光位移传感器Ⅰ503和激光位移传感器Ⅱ504之间的距离，通过计算可得出待测管材602外径，激光位移传感器Ⅰ503和激光位移传感器Ⅱ504之间的数据做对比，可验证测量数据的准确性，短轴508近端设置有激光位移传感器Ⅲ505，远端设置有反射棱镜506，激光位移传感器Ⅲ505用于测量待测管材602内壁距离激光位移传感器Ⅲ505的距离，通过计算可得出待测管材602内径，反射棱镜506截面为等腰直角三角形，其长边所在面为反射面，反射面与激光位移传感器Ⅲ505的光路之间的入射角α=45°，经反射后光路朝向待测管体，最后再经反射面回到激光位移传感器Ⅲ505。

主体对面还设有管材支架6，管材支架6顶部为向上开口的V形槽601，V形槽601内放置有待测管材602，V形槽601可限制不同直径的待测管材602中心线在水平方向重合，待测管材602的中心线与旋转机构3的旋转中心重合。

使用时，首先对齐旋转机构的旋转中心与待测管材602中心线，将待测管材602放置在V形槽601中，将待测管材602需测量区域延伸出V形槽601至靠近测量机构位置，在滑轨上调整滑板位置，使得旋转机构的旋转中心与待测管材602中心线在竖直方向上重合，通过顶升电缸调整升降台的位置，将旋转机构的旋转中心与待测管材602中心线在水平方向上重合，然后实现旋转机构的旋转中心与待测管材602中心线完全重合。

其次调整测量头微调机构4，通过伺服电机Ⅲ402控制丝杆4011来调整C形测量头5距离旋转中心的距离，增加或减少C形测量头5的旋转半径，经调整后待测管材602的管壁位于C形测量头5中的长轴507与短轴508之间。

然后通过伺服电机Ⅰ101控制滑块Ⅰ1022在滑道1021上朝待测管材602滑动，将C形测量头5短轴508伸入待测管材602后停止移动，C形测量头5不与待测管材602直接接触。

最后，启动C形测量头5，通过C形测量头5上的激光位移传感器Ⅰ503和激光位移传感器Ⅱ504检测待测管材602是否有问题，检测无误后，通过伺服电机Ⅱ305控制测量头旋转板306带动C形测量头5做360°的旋转运动，完成测量，再由通信滑环304收集测量数据。

对于收集的数据，激光位移传感器Ⅰ503、激光位移传感器Ⅱ504和激光位移传感器Ⅲ505的旋转直径为已知, 激光位移传感器Ⅰ503的激光线路距离与激光位移传感器Ⅲ505经过反射棱镜506的激光线路距离均为固定值L0；激光位移传感器Ⅰ503和激光位移传感器Ⅱ504的旋转直径均为D0, 激光位移传感器Ⅲ505旋转直径为D1；测量时可测得激光位移传感器Ⅰ503与管材外表面距离为L1，激光位移传感器Ⅲ505距离管材内表面距离为L2，管材厚度S可由以下公式计算得出：S=L0-L1-L2；

当C形测量头5旋转180°时测得激光位移传感器Ⅰ503据管材外表面距离为L1’，激光位移传感器Ⅲ505距离管材内表面距离为L2’；

激光位移传感器Ⅰ503测量的管材外径D可由以下公式计算得出：D=D0-L1-L1’。

同上原理，可以得出激光位移传感器Ⅱ504测量处的管材外径，对比激光位移传感器Ⅰ503和激光位移传感器Ⅱ504测量的距离以及算出的的管材厚度，可以判断待测管材602的外壁是否平整，是否水平放置，也可以验证测量待测管材602的内径、外径和管材厚度的数据是否准确。

激光位移传感器Ⅲ505测量的管材内径d可由以下公式计算得出：d=D1+L2+L2’。

实施例二，作为实施例一的变形，可理解的，将C形测量头5的短轴508分为两段，反射棱镜506位于反射段，激光位移传感器Ⅲ505位于测量段，反射段上设置有连接柱，连接柱伸入测量段并与测量段滑动连接，滑动柱滑出时将短轴508延长，延长后反射棱镜506上激光位移传感器Ⅲ505光路的反射点与激光位移传感器Ⅱ504对应，此时激光位移传感器Ⅲ505光路经反射后与激光位移传感器Ⅱ504的光路重合，可以测量待测管件更深处的壁厚或者针对端部与管体厚度不同的异形待测管件，可增加该装置的适用范围。

实施例三，作为实施例一的变形，可理解的，在短轴508上的反射棱镜506直角处安装销轴，与测量头支架501在反射棱镜506直角处销连接，反射棱镜506可围绕直角旋转，调整激光位移传感器Ⅲ505的光路反射方向，可以对更深处的内径进行测量。

实施例四，作为实施例一的变形，可理解的，将C形测量头5的短轴508与长轴507分为两段短轴508上设置带有刻度的滑柱，滑柱与长轴507之间过盈配合，增加C形测量头5的短轴508与长轴507之间的距离，可用于测量壁厚更厚的待测管材602。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。