基于 PSD 的深孔軸線度測量機器人設計
2020-6-3 來源：南京信息職業技術 南京信息職業技術 等 作者：趙海峰 郭燕 王國東
摘要 : 針對目前深孔軸線度測試技術的不足，設計了一種基于 PSD 的自定心深孔軸線度測量機器人。通過螺旋管道機器人驅動，帶動內徑自定心裝置沿管道軸線前進，置于定心軸端的激光頭發出激光束并照射到外置的四象限 PSD 面板，通過電路轉換和數據采集實時顯示當前管道位置的軸線位置，并完成所測深孔軸線的測量。與現有測量系統相比，該機器人可以實現精密儀器中深孔、盲孔任意截面直線度參數的測量。
關鍵詞: PSD; 深孔; 直線度; 測量機器人
1 、引言
精密儀器的孔徑加工和測試技術是影響零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著直徑不一的深孔( 指長度與直徑比大于 5 的孔) 或盲孔，這些孔類零件的加工和檢測技術直接影響零件的精度［1］。
目前，中小尺寸孔類零件的內徑測量技術日趨完善，但是大尺寸內徑測量，特別是大型工件內徑的測量工作仍采用大型內徑千分尺、臂桿法［2］、感應式應變片［3］等接觸式測量方法。這類測量方法操作不便，精度難以控制，且易受人為影響，穩定性差。多普勒效應法、激光干涉儀［4］、激光杠桿法、利用超聲波的反轉測量法等一些非接觸式測量方法精度很高，但由于測試現場環境復雜，測試儀器組建不便的原因，不適合一些大型儀器的現場測量［5］。而且，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，不同領域的工業機器人相繼出現［6，7］。基于管道自動運動機構的內徑非接觸測量機器人具有工作效率高、精度好等優點，可適用于各種加工現場的大尺寸 內徑測量［8］。Ma Zi 等［9，10］采用定位可調框架，使測量中心逼近管道軸線; 蘇麗梅等［11］采用雙橢圓環方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 個截面軸線中心的定位。以上管道中心定位技術可以將測量機器人軸線定位于被測軸孔內部，但測量中心定位機構較為復雜，并不具備孔類軸線自平衡調節能力，測量時不能有效兼顧效率和精度。
本文在研究現有深孔測試技術的基礎上，結合機器人技術設計了一種基于 PSD 光電技術的深孔測量機器人。該機器人主要用于大型精密儀器中深孔、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的測量檢測以及深孔加工技術中軸線的糾偏提供一種可行的測試技術方案和儀器。
2 、測量原理
本文采用基于 PSD( Position Sensitive Detector)的深孔軸線度測量機器人測試方法。如圖 1 所示，測量機器人主要由深孔行走機構Ⅰ、軸線自定心裝置Ⅱ、激光發射裝置Ⅲ和光電( PSD) 信號探測、處理系統Ⅳ、PSD 位置調節裝置Ⅴ五部分構成。
圖 1 基于 PSD 的深孔軸線度測量機器人
2. 1 深孔行進機構
深孔行進機構由動力驅動裝置、行走導向裝置、控制電路以及藍牙控制模塊組成，結構見圖 2。動力驅動裝置由直流電機驅動六棱柱轉子構成，轉子的外壁上安裝有三組呈對稱布置的輪架，每
組輪架上安裝 2 個輪子，輪子的轉動軸線與轉子的軸線呈一螺旋角( 銳角) 。行走導向裝置在空心六棱柱外壁上安裝有三組呈對稱布置的導向輪架，每組導向輪架上也安裝 2 個輪子，輪子的轉動軸線與六棱柱的軸線相互垂直。動力驅動裝置與行走導向裝置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 7． 控制及驅動電路
圖 2 深孔行進機構結構
動力驅動裝置轉子上的輪架和行走導向裝置上的導向輪架均為浮動體，分別采用彈簧產生一定的徑向伸縮，使轉子輪架上的輪子和導向輪架上的所有輪子始終貼緊于管道的內壁，以適應一定范圍內管道直徑的變化。行進時，通過安裝于導向裝置內部的控制器、驅動器和藍牙信號接收裝置發出控制信號，驅動電機轉動，利用螺旋力帶動裝置前進和后退。
2. 2 深孔自定心裝置
如圖 3 所示，高精度深孔自定心裝置由雙向對稱的錐形圓臺( 兩個) 、滑軌、置于滑軌軌道內的滑塊、找平塊、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 個可換測頭與筒壁接觸，當孔徑變小時，在徑向帶動滑塊擠壓與錐形圓臺相連的滑軌沿孔徑軸線向中間運動; 當錐形圓臺中間的受壓彈簧達到軸向受力平衡時，系統達到穩定狀態，從而可以精確確定當前被測孔徑局部位置的軸線; 反之，彈簧伸張推動錐形圓臺向兩側滑動，滑臺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到平衡。
1． 端蓋 2． 套筒 3． 可換測頭 4． 找平塊 5． 滑塊 6． 錐形圓臺
7． 滑軌 8． 固定測頭 9． 滾珠套筒 10． 彈簧 11． 定心軸
圖 3 深孔自定心裝置
2. 3 激光發射裝置
如圖 4 所示，激光發射裝置由固定在軸線上的激光器套筒和點狀激光器組成。測量時激光器發射與軸線平行的點狀光斑，入射到光電探測器表面。
1． 點狀激光器 2． 激光器套筒
圖 4 激光發射裝置
2. 4 光電信號探測和處理系統
如圖 5 所示，光電信號探測和處理系統主要由四象限位置光電探測器、數據采集模塊、上位機構成。
四象限探測器作為一種常用的位置敏感器件( Position Sensitive Detector，PSD) ，是通過光刻把一個圓形光敏面分割成面積相等、形狀相同、位置對稱的四個相互隔離的區域( 象限) ，并分別鍍上前極，引出輸出線，而后極則仍為一個整片。實際上每個區域相當于一個光電探測器，在理想狀態下每個區域的暗電流相等。當入射光點落在器件感光面的不同位置時，四象限探測器的每個象限輸出不同幅度的電信號，通過對這些信號的幅度進行計算，可以確定入射光斑中心在感光面上的位置。
四象限探測器每個象限的輸出取決于兩方面的因素，即入射光的能量 I 和光斑照射到該象限的面積。如果光斑的能量分布不均勻，則輸出也是位置 x，y) 的函數，可用 I( x，y) 表示。
通常目標光斑幾何形狀對稱、能量分布均勻。當其位于探測器中心時，各個象限由于光輻射量相同，輸出相等的光電流，偏差為 0。當目標光斑相對探測器中心產生偏移，四個象限由于光輻射量不同而產生不同的光電流。通過對光電流的偏差處理即可推知目標光斑相對四象限探測器中心的偏移，從而對目標光斑中心進行定位。
1． 上位機 2． 數據采集盒 3． 四象限光電探測器
圖 5 光電信號探測和處理系統
數據采集模塊采用高精度 PSD 位置傳感器信號采集處理板，該信號處理器可提供 ＲS232、ＲS485、USB 接口，采用高速 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 位置傳感器及四象限探測器的光電信號。
2. 5 PSD 位置調節裝置
PSD 位置調節裝置采用典型的 X / Y / Z 三坐標調節臺，用于完成光電探測器信號初始位置的調零，如圖 6 所示。
1． Z 坐標調節旋鈕 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、 測量儀器及測試方法
按上述設計思想制作的測量機器人如圖 7 所示。如圖 1 所示，測試時首先將測量機器人深孔行進機構Ⅰ、自定心裝置Ⅱ置于被測孔內，激光測量頭Ⅲ發出點狀測量光斑并投射到四象限光電板，通過位置調節裝置Ⅴ完成測量初始位置校零，使測量光斑置于光電面板中心，同時顯示于上位機軟件測試圖像中心點。
利用手機藍牙驅動行進機構Ⅰ開始動態測試。
當行進機構前進時，通過聯軸器帶動自定心裝置Ⅱ沿管道軸線前進。自定心裝置由于具有自我調節孔心功能，可以定出待測位置軸線。通過置于定心裝置軸線后端的激光器發出激光并投射到四象限光電板，四象限光電探測器捕捉光信號經電路放大處理和采集后上傳并顯示于上位機，并記錄當前位置數據。重復上述過程，可以完成通孔或盲孔的整個軸
線度測量。
圖 7 測量機器人實物
4 、結語
本文提出的基于 PSD 的深孔軸線度測量機器人，通過對稱分布的雙錐臺定心結構實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，還實現了深孔測量中盲孔不易測量功能。與現有深孔直線度測量方法相比，本文提出的測量方法可實現精密儀器中深孔、盲孔任意截面直線度參數的測量。
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