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基於 PSD 的深孔軸（zhóu）線度測（cè）量機器人（rén）設計

2020-6-3 來源：南（nán）京（jīng）信息職業技術南京信息職業技術等作者：趙海峰郭燕王國東

摘要 : 針對目前深（shēn）孔軸（zhóu）線度測試技術的（de）不足，設計了一種基於 PSD 的自定心深孔軸（zhóu）線度測量機器人。通過（guò）螺旋（xuán）管（guǎn）道機器人驅動，帶動內徑自定心裝置沿管道軸（zhóu）線前進，置於定心軸端（duān）的激光頭發出激光束並照射到外（wài）置的四象限 PSD 麵板，通過電路轉換（huàn）和數據采集實時顯示當前管道（dào）位置的軸線位（wèi）置，並完成所測深孔軸線的測量。與（yǔ）現（xiàn）有測量係統相比，該機器人可（kě）以實現精密儀器中深（shēn）孔、盲孔任意截麵直線度參數的測量。

關鍵詞: PSD; 深孔; 直線度; 測量機（jī）器人

1 、引言

精密儀器的孔徑加工（gōng）和測試技術是影響零（líng）件和產品質量的重要因素之一。飛機、輪船、石油設備和大型醫療器械中都存在（zài）著直徑不一的深孔( 指長（zhǎng）度與直徑比大於（yú） 5 的孔) 或盲孔，這些孔類零（líng）件的加工和（hé）檢測技術直接影響零（líng）件的精度［1］。

目前（qián），中小（xiǎo）尺寸孔類零件的內徑測量（liàng）技術日趨完善（shàn），但是大尺寸（cùn）內徑測量，特別是大（dà）型工件內徑的測量工作仍（réng）采用大型內徑千分尺、臂杆法［2］、感應式應變片［3］等接觸式測量方法。這類測量（liàng）方法操作不便（biàn），精度難以控製，且易受人為影響，穩定性差。多普勒效應法、激光幹涉儀［4］、激光杠（gàng）杆法、利用超聲波的反轉測量（liàng）法等一（yī）些非接觸式測量方法精度很高，但（dàn）由於測試現場環境複雜，測試儀器（qì）組建不便的原因（yīn），不適合一些（xiē）大型儀器（qì）的現場測量［5］。而且（qiě），上述方法都不適宜大型儀器深孔，尤其是盲孔內徑參數的測量。

近年來，隨著機器人技術的發展，不同（tóng）領域的工業機器（qì）人相繼出現［6，7］。基於管道自動運動（dòng）機構的內徑非接觸（chù）測量機器人具有工作效（xiào）率高、精度好等優點，可適用於各種加工現場的大尺寸內徑測量［8］。Ma Zi 等［9，10］采用定位可調（diào）框架，使測量中心逼近管（guǎn）道軸線; 蘇麗（lì）梅等［11］采用雙橢圓環方（fāng）式將測量機構定位在中型管道中心，曲新華等［12，13］采用可調柔性連接機構分步實現了相鄰 2 個截麵軸線中心的定位。以上管道中心定位技術可以將（jiāng）測量機器人軸線定位於被測軸孔內部（bù），但測量中心定位機構較為複雜，並不具備孔類軸線（xiàn）自平（píng）衡調節（jiē）能力，測（cè）量時不能有效兼（jiān）顧效率和精度。

本文在研究現有深孔測試技（jì）術的基礎上，結合（hé）機器人技術設計了一種基於 PSD 光電技術的（de）深孔（kǒng）測量機（jī）器人。該機器（qì）人主要（yào）用於大型（xíng）精密儀器中深孔、盲孔的任意位置軸孔直線度參數的測量，進而為現代化機械產品的軸孔參數（shù）的測量檢測以及深孔加工技術中軸線的（de）糾偏提供一種可行的測（cè）試技術方（fāng）案和儀器。

2 、測量原理（lǐ）

本文采用基於 PSD( Position Sensitive Detector)的深孔軸線度測（cè）量機器人測試方法。如圖 1 所示，測量機器（qì）人主（zhǔ）要由深孔行走機構Ⅰ、軸（zhóu）線自定心裝置Ⅱ、激光發（fā）射（shè）裝置Ⅲ和光電( PSD) 信號探測、處理係統Ⅳ、PSD 位置調節裝置Ⅴ五部分（fèn）構成。

圖 1 基於 PSD 的（de）深孔軸線度測量機器（qì）人

2. 1 深（shēn）孔行（háng）進機構

深孔行進機構由動力驅動（dòng）裝置、行走導向裝置、控製電路以及藍牙控製模塊組成，結構見圖 2。動力驅（qū）動（dòng）裝置由直流電機驅動六棱柱轉子構成，轉子（zǐ）的外壁上安裝有三組呈（chéng）對稱布置的輪架，每

組輪（lún）架上安（ān）裝 2 個輪子，輪子（zǐ）的轉動軸（zhóu）線與轉子的（de）軸線呈一螺旋角( 銳角) 。行走導向（xiàng）裝置在空心六棱柱外壁上安裝（zhuāng）有三組呈對稱布置的導向輪架，每組導向輪架上也安（ān）裝 2 個輪子，輪子的轉動軸線與六棱柱的軸線相互垂直。動（dòng）力驅動裝置與行（háng）走導（dǎo）向裝置（zhì）兩部分通過軸套連接。

1．鋰電池 2．導向輪 3．直流電機 4．轉子

5．螺旋輪 6．導線（xiàn） 7．控製及驅動電路

圖 2 深孔行進機構結構

動力驅動裝置轉子（zǐ）上的輪架和行走（zǒu）導向裝置上的（de）導向輪架均為浮動體（tǐ），分別采用彈簧產生一定的徑向伸縮，使轉子（zǐ）輪架上的（de）輪子和導向輪架上的所（suǒ）有（yǒu）輪子始終貼緊於（yú）管道的內壁，以適應一定範圍內管道直徑的變化（huà）。行（háng）進時，通過安裝於導向裝置（zhì）內部（bù）的（de）控製器（qì）、驅動器和藍牙信號接收（shōu）裝置發出控製信（xìn）號，驅動電機轉動，利（lì）用螺旋力帶動裝置前進和（hé）後退。

2. 2 深孔自定心裝置

如圖（tú） 3 所示，高精度深（shēn）孔自定心裝置由雙（shuāng）向對稱的錐形（xíng）圓台( 兩個) 、滑（huá）軌、置（zhì）於滑軌軌道內的滑塊、找（zhǎo）平塊、固定測頭、可換測頭、內置的張力彈簧、定心軸、滾珠套筒以及起支撐作用的套筒、端蓋組成。

測量時，6 個可換測頭與筒壁（bì）接觸，當孔徑變小時，在徑（jìng）向帶（dài）動（dòng）滑塊擠壓與錐形（xíng）圓（yuán）台（tái）相連的滑（huá）軌沿孔徑軸線向中間運動; 當錐形圓台中間的受壓彈（dàn）簧達到軸向受力平（píng）衡時，係統達（dá）到穩（wěn）定狀態，從而可以精確確定當前（qián）被測孔（kǒng）徑局部位置的軸線; 反之，彈簧伸張推動錐形圓台向兩側滑動，滑台與滑軌形成相對運動，測頭沿徑向外移，直至與孔壁接觸受力達（dá）到平衡。

1．端蓋 2．套筒 3．可換測（cè）頭 4．找平塊 5．滑塊 6．錐形圓（yuán）台

7．滑軌 8．固定（dìng）測（cè）頭 9．滾珠套（tào）筒 10．彈簧 11．定（dìng）心軸

圖（tú） 3 深孔自定心裝置

2. 3 激光發射裝置

如圖 4 所示（shì），激光發射（shè）裝置由固定在軸線上的激光器套筒和點狀（zhuàng）激光器組成（chéng）。測（cè）量時（shí）激光器發（fā）射與軸線平行（háng）的點狀光斑，入射到光電探測（cè）器表麵。

1．點狀激光器 2．激光器套筒

圖 4 激（jī）光發射裝置

2. 4 光電信號探測和處理係統

如圖 5 所（suǒ）示（shì），光電信號探（tàn）測和處理係統主要（yào）由四象限位置光電（diàn）探測器、數據采集模塊、上位機構成。

四（sì）象（xiàng）限探測（cè）器作為一（yī）種常用的位置敏感器（qì）件( Position Sensitive Detector，PSD) ，是通（tōng）過（guò）光刻把一個圓形光敏麵分割成麵積相等、形狀相同、位置對稱（chēng）的四個相互隔（gé）離的區域( 象限) ，並分別鍍上前極，引出輸出線，而後極（jí）則仍為一個（gè）整片。實際上每個區域相當於一個光電探測器，在理想狀態下每個區域的暗電流相等。當（dāng）入射光點落在器件感光麵的（de）不同位置時，四象限（xiàn）探測器的每個象限輸出不同幅度的電信號，通過對這些（xiē）信號的幅（fú）度進行計算，可以確定入射光斑中心在感光麵上的位置。

四象限探測器每個象限的輸出取決於兩方麵的因素，即入射光的能量 I 和光斑照射到（dào）該象限的麵（miàn）積（jī）。如果光（guāng）斑的能量分布（bù）不（bú）均勻，則輸出也是（shì）位置 x，y) 的函數，可（kě）用（yòng） I( x，y) 表（biǎo）示（shì）。

通常目標光斑幾（jǐ）何形狀對稱、能量分布均勻。當其位於探測器中心時，各個（gè）象限由於光輻射量相同，輸（shū）出相等的光電流，偏差為 0。當目標光斑相對探測器中心產（chǎn）生偏移，四（sì）個象限由於光輻射量不同而產生不同的光電流（liú）。通（tōng）過對光電流的偏差處理即可（kě）推知目標光斑相對四象限探測器中心的偏移，從（cóng）而對目標光斑中心進行定位。

1．上位（wèi）機 2．數據采集盒 3．四象限光電探測器

圖 5 光電信號探（tàn）測和處理係統（tǒng）

數據采集模塊采用高精度 PSD 位置傳感器信號采集處（chù）理板，該信號處理器可提供ＲS232、ＲS485、USB 接口，采（cǎi）用高速 18 位 AD 芯片，內部集成高精密 PSD 偏置電壓，可處理一維、二維 PSD 位（wèi）置傳感（gǎn）器（qì）及四象限探測器的光（guāng）電（diàn）信號。

2. 5 PSD 位置調節裝置

PSD 位置調（diào）節裝置采用典（diǎn）型的 X / Y / Z 三坐標（biāo）調節台，用於完成（chéng）光電探測器信號初始（shǐ）位置的（de）調零，如圖 6 所示。

1． Z 坐標調節（jiē）旋鈕 2． X 坐標調節旋鈕 3． Y 坐標調節旋鈕

圖 6 PSD 位置調節裝置

3、測（cè）量儀器及測試方（fāng）法

按上述設計思想製作（zuò）的測量（liàng）機器人如圖（tú） 7 所示。如圖 1 所示，測（cè）試時首先將測量機器人深孔行進機構Ⅰ、自定心裝置Ⅱ置於被（bèi）測孔內，激光測量頭Ⅲ發出點狀測量光（guāng）斑並投射到四（sì）象限光電板，通過位置調節裝置Ⅴ完成測量（liàng）初始位置校零（líng），使測量光斑置於光電麵板中心，同時顯示於上位機軟件測試圖像中心點。

利用手機藍牙（yá）驅動行進機構Ⅰ開始動態測試（shì）。

當行進機構前進時，通過聯軸器帶動自定心裝置Ⅱ沿（yán）管道（dào）軸線前進。自定心（xīn）裝置由於具有自我調節孔心功能，可以定出待測位置軸線。通過置於定心（xīn）裝置軸線後端的激光器發出激光並投射到四象限光電板（bǎn），四象限光電探測器捕捉光信號經電路放大處（chù）理和采集（jí）後上傳並（bìng）顯示於上（shàng）位機，並記錄當前位置（zhì）數據。重複上述過程，可以完成通孔或盲孔的整（zhěng）個軸

線度測（cè）量。

圖 7 測量機器人實物（wù）

4 、結語

本文提出的基於（yú） PSD 的深（shēn）孔軸線度測量機器人，通過（guò）對稱分布的雙錐台定心（xīn）結構實（shí）現了被測孔徑的自適應定心，通過四象限位置敏感器件實現了孔徑軸線位置的實時測量。尤其是通過創新的驅動裝置設計，還實現了深孔測量（liàng）中盲孔不易測量功（gōng）能。與現有深孔直線度測量方法相比，本文提出的測（cè）量方法（fǎ）可實現精密儀器中深孔、盲孔任意截麵直線度參數的測（cè）量。

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