一种轴偏斜检测装置及检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种轴偏斜检测装置及检测方法，属于检测装置【技术领域】。该装置包括定位环和检测头，定位环的侧壁上沿径向开设有多个通孔，检测头的数量与通孔的数量相同，检测头一一对应地穿设于通孔中，各检测头的内测头共圆且与定位环的圆心重合，各检测头的内测头能够在通孔中移动。该方法是基于该装置而实现的。该装置和方法在应用时，将待测轴穿过定位环的中心，移动各检测头，使各检测头的内测头抵顶住待测轴，根据此时各检测头的内测头位移，通过计算得到待测轴中心偏离定位环中心的横坐标和纵坐标，根据该横坐标和纵坐标即可确定待测轴的偏心性质。因此，该轴偏斜检测装置及检测方法结构简单并且受外界条件影响较小。
【专利说明】一种轴偏斜检测装置及检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及检测装置【技术领域】，特别涉及一种轴偏斜检测装置及检测方法。
【背景技术】
[0002]现有技术中有一种对石油钻井钻杆的钻轴进行偏心检测的方法，主要是应用倾角芯片和陀螺仪传感器为检测元件，其是利用重力加速度和惯性微机电系统(MEMS)技术实现的，因此，受到地下磁场变化等的干扰较大，该检测方法中应用的陀螺仪传感器与石油钻井钻杆相比，体积较大，并且，在安装布置时，必须要求石油钻井钻杆的钻轴是空心的。因此，该方法具有显著的局限性，难以满足实际生产的需求。
【发明内容】
[0003]为了解决上述问题，本发明提出了一种结构简单并且受外界条件影响较小的轴偏斜检测装置及基于该检测装置的检测方法。
[0004]本发明提供的轴偏斜检测装置包括定位环和检测头，所述定位环的侧壁上沿径向开设有多个通孔，所述检测头的数量与所述通孔的数量相同，所述检测头一一对应地穿设于所述通孔中，所述各检测头的内测头共圆且与所述定位环的圆心重合，所述各检测头的内测头能够在所述通孔中移动。
[0005]作为优选，所述通孔内设有第一螺纹，所述检测头上设有第二螺纹，所述第一螺纹能够与所述第二螺纹相互配合。
[0006]作为优选，所述通孔为阶梯孔，所述阶梯孔由外到内依次包括三段并且直径依次递减，所述检测头包括垫片、立柱、弹性部件、压片和内测头，所述垫片的直径等于第一段通孔的直径，所述压片的直径等于所述第二段通孔的直径，所述立柱固定连接于所述垫片，所述弹性部件的内径大于所述立柱的直径，所述弹性部件的外径小于所述第二段通孔的直径，所述内测头的直径等于所述第三段通孔的直径，所述内测头固定连接于所述压片，当所述弹性部件伸长或者压缩时，所述压片在所述第二段通孔内滑动，所述内测头在所述第三段通孔内滑动，通常情况下，所述弹性部件具有预紧力。
[0007]作为优选，所述弹性部件是弹簧。
[0008]作为优选，所述轴偏斜检测装置还包括数据采集模块、数据运算模块和数据输出模块，
[0009]所述数据采集模块用于采集所述各检测头的内测头的位移值；
[0010]所述数据运算模块用于根据所述各检测头的内测头位移计算得到所述待测轴中心偏离所述定位环中心的横坐标和纵坐标；
[0011]所述数据输出模块用于输出所述待测轴中心偏离所述定位环中心的横坐标和纵坐标。
[0012]作为优选，所述各检测头的内测头包括头端和尾端，所述头端呈半圆柱状，所述尾端呈立方体，所述半圆柱状的母线平行于所述定位环的轴向，所述半圆柱状的轴向截面的形状与所述立方体的底面形状相同。
[0013]作为优选，所述数据运算模块依据如下公式运算:
[0014]X1 = LX sin Θ ；
[0015]Y1 = LX sin δ ；
[0016]其中，
[0017]所述sin Θ是根据下列等式计算得到:
[0018]tg Θ XA = R/cos Θ — R+S ；
[0019]所述sin δ是根据下列等式计算得到:
[0020]tg Θ XA = R/cos δ — R+S ；
[0021]其中，
[0022]X1，待测轴中心偏离定位环中心的横坐标；
[0023]yi，待测轴中心偏离定位换中心的横坐标；
[0024]L，待测轴的长度；
[0025]Θ，待测轴在X轴截面的偏置角度；
[0026]δ，待测轴在Y轴截面的偏置角度；
[0027]Α，待测轴中心到各检测头内测头的距离；
[0028]R，检测头的内测头半圆面的半径；
[0029]S，检测头的内测头在应用时的位移。
[0030]本发明提供的轴偏心检测方法基于本发明提供的轴偏斜检测装置而实现，包括以下步骤:
[0031]步骤1:将待测轴穿过所述定位环的中心；
[0032]步骤2:移动所述各检测头，使所述各检测头的内测头抵顶住所述待测轴；
[0033]步骤3:根据此时所述各检测头的内测头位移通过计算得到所述待测轴中心偏离所述定位环中心的横坐标和纵坐标。
[0034]作为优选，所述各检测头的内测头包括头端和尾端，所述头端呈半圆柱状，所述尾端呈立方体，所述半圆柱状的母线平行于所述定位环的轴向，所述半圆柱状的轴向截面的形状与所述立方体的底面形状相同。
[0035]作为优选，所述待测轴中心偏离所述定位环中心的横坐标和纵坐标的计算公式如下:
[0036]X1 = LX sin Θ ；
[0037]Y1 = LX sin δ ；
[0038]其中，
[0039]所述sin Θ是根据下列等式计算得到:
[0040]tg Θ XA = R/cos Θ — R+S ；
[0041]所述sin δ是根据下列等式计算得到:
[0042]tg Θ XA = R/cos δ — R+S ；
[0043]其中，
[0044]X1，待测轴中心偏离定位环中心的横坐标；
[0045]yi，待测轴中心偏离定位换中心的横坐标；
[0046]L，待测轴的长度；
[0047]θ，待测轴在X轴截面的偏置角度；
[0048]δ，待测轴在Y轴截面的偏置角度；
[0049]Α，待测轴中心到各检测头内测头的距离；
[0050]R，检测头的内测头半圆面的半径；
[0051]S，检测头的内测头在应用时的位移。
[0052]本发明提供的轴偏斜检测装置和方法在应用时，将待测轴穿过定位环的中心，移动各检测头，使各检测头的内测头抵顶住待测轴，根据此时各检测头的内测头位移，通过计算得到待测轴中心偏离定位环中心的横坐标和纵坐标，根据该横坐标和纵坐标即可确定待测轴的偏心性质。因此，该轴偏斜检测装置和方法结构简单并且受外界条件影响较小。
【专利附图】
【附图说明】
[0053]图1为本发明实施例一提供的轴偏斜检测装置的立体图；
[0054]图2为本发明实施例二提供的轴偏斜检测装置的轴向剖视图；
[0055]图3为本发明实施例二提供的轴偏斜检测装置在应用时的轴向剖视图；
[0056]图4为图3中A部分的局部放大示意图；
[0057]图5为图3中B部分的局部放大示意图；
[0058]图6为图3中C部分的局部放大示意图；
[0059]图7为图3中D部分的局部放大示意图；
[0060]图8为本发明实施例二或实施例三提供的轴偏斜检测装置应用的检测头的内测头的立体结构示意图；
[0061]图9为本发明实施例二或实施例三提供的轴偏斜检测装置应用的检测头的内测头与待测轴之间配合时在XY截面的示意图，其中，待测轴在X轴方向没有偏移；
[0062]图10为本发明实施例二或实施例三提供的轴偏斜检测装置应用的检测头的内测头与待测轴之间配合时在XY截面的示意图，其中，待测轴在X轴方向向左偏移；
[0063]图11为本发明实施例二或实施例三提供的轴偏斜检测装置应用的检测头的内测头与待测轴之间配合时在与XY截面垂直的截面示意图，其中，待测轴存在斜向上的倾角；
[0064]图12为头部呈球形而尾部呈圆柱形的内测头的立体结构示意图；
[0065]图13为图12所示的内测头与待测轴之间配合时在XY截面的示意图，其中，待测轴在X轴方向没有偏移；
[0066]图14为图12所示的内测头与待测轴之间配合时在XY截面的示意图，其中，待测轴在X轴方向向左偏移；
[0067]图15为图14中M部位的局部放大结构示意图；
[0068]图16为头部和尾部一体呈立方体的内测头的立体结构示意图；
[0069]图17为图16所示的内测头与带侧轴之间配合时在与XY截面垂直的截面示意图，其中，待测轴在与XY截面垂直的截面没有倾角。
[0070]图18为图16所示的内测头与带侧轴之间配合时在与XY截面垂直的截面示意图，其中，待测轴在与XY截面垂直的截面存在倾角α。
[0071 ] 图19为待测轴在X截面的不意图；
[0072]图20为待测轴在XY截面的示意图；
[0073]图21为本发明实施例三提供的轴偏斜检测装置中各模块之间的信号流向示意图。
【具体实施方式】
[0074]为了深入了解本发明，下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。
[0075]实施例一
[0076]参见附图1，本发明提供的轴偏斜检测装置包括定位环I和检测头2，定位环I的侧壁上沿径向开设有多个通孔，检测头2的数量与通孔的数量相同，检测头2 —一对应地穿设于通孔中，各检测头2的内测头3共圆且与定位环的圆心重合，各检测头的内测头能够在通孔中移动。
[0077]本发明提供的轴偏斜检测装置在应用时，将待测轴穿过定位环I的中心，移动各检测头2，使各检测头2的内测头3抵顶住待测轴，根据此时各检测头的内测头位移，通过计算得到待测轴中心偏离定位环中心的横坐标和纵坐标，根据该横坐标和纵坐标即可确定待测轴的偏心性质。因此，该轴偏斜检测装置结构简单并且受外界条件影响较小。
[0078]本实施例中，通孔为四个，此时检测头2的数量也为四个。本实施例中四个检测头2均匀地布置在定位环I的侧壁上，此时，在使用时，能够使待测轴的位置定位更加稳定。实践中，通孔还可以设置为分布在定位环I周向的3个，此时，为了减小检测误差，相邻两个通孔之间的圆心角是120° ;此外，通孔的数量还可以是5个或者更多个，但最好是对称地分布在定位环I的周向，从而，无论待测轴10向哪个方向移动，均能够测出其移动方向的位移，从而减小检测误差。
[0079]其中，通孔内设有第一螺纹，检测头2上设有第二螺纹，第一螺纹能够与第二螺纹相互配合。在这种情况下，只需要改变检测头2在通孔内的旋入深度，即可移动个检测头2，使各检测头2的内测头3抵顶住待测轴。其不足之处在于，需要手动调节各检测头旋入通孔内的深度，并且，还需要对应用时的位移进行测量，应用不够便捷。
[0080]实施例二
[0081]参见附图2?7，与本发明实施例一的不同之处在于，本发明实施例二提供的轴偏斜检测装置的通孔为阶梯孔，阶梯孔由外到内依次包括三段并且直径依次递减，检测头包括垫片5、立柱7、弹性部件4、压片9和内测头3，垫片5的直径等于第一段通孔的直径，压片9的直径等于第二段通孔的直径，立柱7固定连接于垫片5，弹性部件4的内径大于立柱7的直径，弹性部件4的外径小于第二段通孔的直径，内测头3的直径等于第三段通孔的直径，内测头3固定连接于压片9，当弹性部件4伸长或者压缩时，压片9在第二段通孔内滑动，内测头3在第三段通孔内滑动，通常情况下，弹性部件4具有预紧力。在这种情况下，当待测轴穿入定位环I中心时，弹性部件4借助其预紧力即可自动使各检测头的内测头抵顶在待测轴上，应用方便、快捷；并且，只要测定各压片9的位移即为各内测头的位移，该结构即电涡流位移传感器，能够为后续数据采集模块的应用提供支持。
[0082]其中，弹性部件4可以是弹簧，由于弹簧的结构简单且成本低，因此，整个轴偏斜检测装置的成本较低。
[0083]实施例三
[0084]参见附图21，与本发明实施例二提供的轴偏斜检测装置的不同之处在于，本发明实施例三提供轴偏斜检测装置还包括数据采集模块、数据运算模块和数据输出模块，
[0085]数据采集模块用于采集各检测头的内测头的位移值；
[0086]数据运算模块用于根据各检测头的内测头位移计算得到待测轴中心偏离定位环中心的横坐标和纵坐标；
[0087]数据输出模块用于输出待测轴中心偏离定位环中心的横坐标和纵坐标。
[0088]在这种情况下，数据采集、数据运算和数据输出均可以自动完成，在应用时，还要将待测轴穿入定位环I的中心，即可直接从数据输出模块直接读出待测轴中心偏离定位环中心的横坐标和纵坐标，从而确定待测轴的偏心性质。实现了全自动检测。
[0089]此外，参见附图8，本发明实施例二或实施例三提供的轴偏斜检测装置的各检测头的内测头包括头端3和尾端11，头端3呈半圆柱状，尾端11呈立方体，半圆柱状的母线平行于定位环I的轴向，半圆柱状的轴向截面的形状与立方体的底面形状相同。本实施例中，各检测头的内测头的头端3和尾端11 一体成型。采用这样的形状能够减小本发明实施例二或实施例三提供的轴偏斜检测装置的检测误差。参见附图9和附图10，当带侧轴10在X轴方向向左偏移时，由于各检测头的内测头的头端3呈半圆柱状，且该半圆柱的母线平行于定位环I的轴向，当待测轴10在X轴方向左右移动时，各检测头的内测头的头端3始终与待测轴之间存在一条平行于该半圆柱状母线的切线，待测轴10在周向始终与该半圆柱的周向相切，参见附图11，既能够避免待测轴中心坐标的检测误差，也能够避免待测轴倾角的检测误差。
[0090]如果将各检测头的内测头制作成附图12所示的头端3 ’成球形，而尾端11 ’呈圆柱形的形状，虽然也能够保证待测轴的周向始终与各检测头的内测头的头端3 '相切，能够避免待测轴倾角的检测误差，但是，参见附图13?15，当待测轴10在X轴方向向左移动时，由于各检测头的内测头的头端3 '在XY截面也呈半圆形，其与带侧轴10的周向切点与各检测头的内测头的头端Y之间存在距离d，距离d的存在能够带来待测轴中心坐标的检测误差。
[0091]如果将各检测头的内测头制作成附图16所示的立方体，当待测轴在X轴方向左右移动时，各检测头的内测头的头端3"与待测轴10之间始终存在一平行于定位环I轴向的切线，能够避免带侧轴中心坐标的检测误差，但是，参见附图17和18，当待测轴存在倾角α时，由于各检测头内测头的头端3"与待测轴10周向的切线始终是各检测头内测头的一条底边,根本无法检测处倾角α。
[0092]参见附图19和附图20，其中，附图19只给出了待测轴在X轴截面的偏置角度的数学模型，而待测轴在Y轴截面的偏置角度的数学模型同理。
[0093]数据运算模块依据如下公式运算:
[0094]X1 = LX sin Θ ；
[0095]Y1 = LX sin δ ；
[0096]其中，
[0097]sin Θ是根据下列等式计算得到:
[0098]tg Θ XA = R/cos Θ — R+S ；
[0099]sin δ是根据下列等式计算得到:
[0100]tg Θ XA = R/cos δ — R+S ；
[0101]其中，
[0102]X1，待测轴中心偏离定位环中心的横坐标；
[0103]yi，待测轴中心偏离定位换中心的横坐标；
[0104]L，待测轴的长度；
[0105]Θ，待测轴在X轴截面的偏置角度；
[0106]δ，待测轴在Y轴截面的偏置角度；
[0107]Α，待测轴中心到各检测头内测头的距离；
[0108]R，检测头的内测头半圆面的半径；
[0109]S，检测头的内测头在应用时的位移。本发明提供的轴偏心检测方法基于本发明提供的轴偏斜检测装置而实现，包括以下步骤:
[0110]步骤1:将待测轴穿过定位环的中心；
[0111]步骤2:移动各检测头，使各检测头的内测头抵顶住待测轴；
[0112]步骤3:根据此时各检测头的内测头位移通过计算得到待测轴中心偏离定位环中心的横坐标和纵坐标。
[0113]本发明提供的轴偏心检测方法在应用时，将待测轴穿过定位环I的中心，移动各检测头2，使各检测头2的内测头3抵顶住待测轴，根据此时各检测头的内测头位移，通过计算得到待测轴中心偏离定位环中心的横坐标和纵坐标，根据该横坐标和纵坐标即可确定待测轴的偏心性质。因此，该轴偏斜检测装置结构简单并且受外界条件影响较小。
[0114]其中，当轴偏斜检测装置的各检测头的内测头包括头端3和尾端11，头端3呈半圆柱状，尾端11呈立方体，半圆柱状的母线平行于定位环I的轴向，半圆柱状的轴向截面的形状与立方体的底面形状相同时，待测轴中心偏离定位环中心的横坐标和纵坐标的计算公式如下:
[0115]X1 = LX sin Θ ；
[0116]Y1 = LX sin δ ；
[0117]其中，
[0118]sin Θ是根据下列等式计算得到:
[0119]tg Θ XA = R/cos Θ — R+S ；
[0120]sin δ是根据下列等式计算得到:
[0121]tg Θ XA = R/cos δ — R+S ；
[0122]其中，
[0123]X1，待测轴中心偏离定位环中心的横坐标；
[0124]yi，待测轴中心偏离定位换中心的横坐标；
[0125]L，待测轴的长度；
[0126]Θ，待测轴在X轴截面的偏置角度；
[0127]δ，待测轴在Y轴截面的偏置角度；
[0128]Α，待测轴中心到各检测头内测头的距离；
[0129]R，检测头的内测头半圆面的半径；
[0130]S，检测头的内测头在应用时的位移。
[0131]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，并不用于限制本发明，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。
【权利要求】
1.一种轴偏斜检测装置，其特征在于，包括定位环和检测头，所述定位环的侧壁上沿径向开设有多个通孔，所述检测头的数量与所述通孔的数量相同，所述检测头一一对应地穿设于所述通孔中，所述各检测头的内测头共圆且与所述定位环的圆心重合，所述各检测头的内测头能够在所述通孔中移动。
2.根据权利要求1所述的轴偏斜检测装置，其特征在于，所述通孔内设有第一螺纹，所述检测头上设有第二螺纹，所述第一螺纹能够与所述第二螺纹相互配合。
3.根据权利要求1所述的轴偏斜检测装置，其特征在于，所述通孔为阶梯孔，所述阶梯孔由外到内依次包括三段并且直径依次递减，所述检测头包括垫片、立柱、弹性部件、压片和内测头，所述垫片的直径等于第一段通孔的直径，所述压片的直径等于所述第二段通孔的直径，所述立柱固定连接于所述垫片，所述弹性部件的内径大于所述立柱的直径，所述弹性部件的外径小于所述第二段通孔的直径，所述内测头的直径等于所述第三段通孔的直径，所述内测头固定连接于所述压片，当所述弹性部件伸长或者压缩时，所述压片在所述第二段通孔内滑动，所述内测头在所述第三段通孔内滑动，通常情况下，所述弹性部件具有预紧力。
4.根据权利要求1所述的轴偏斜检测装置，其特征在于，所述弹性部件是弹簧。
5.根据权利要求1所述的轴偏斜检测装置，其特征在于，还包括数据采集模块、数据运算模块和数据输出模块， 所述数据采集模块用于采集所述各检测头的内测头的位移值； 所述数据运算模块用于根据所述各检测头的内测头位移计算得到所述待测轴中心偏离所述定位环中心的横坐标和纵坐标； 所述数据输出模块用于输出所述待测轴中心偏离所述定位环中心的横坐标和纵坐标。
6.根据权利要求1或5所述的轴偏斜检测装置，其特征在于，所述各检测头的内测头包括头端和尾端，所述头端呈半圆柱状，所述尾端呈立方体，所述半圆柱状的母线平行于所述定位环的轴向，所述半圆柱状的轴向截面的形状与所述立方体的底面形状相同。
7.根据权利要求6所述的轴偏斜检测装置，其特征在于，所述数据运算模块依据如下公式运算:
X1 = LX sin Θ ；
Y1 = LX sin δ ； 其中， 所述sin Θ是根据下列等式计算得到: tg Θ XA = R/cos Θ — R+S ； 所述sin δ是根据下列等式计算得到: tg Θ XA = R/cos δ — R+S ； 其中， X1，待测轴中心偏离定位环中心的横坐标； Y1，待测轴中心偏离定位换中心的横坐标； L，待测轴的长度； Θ，待测轴在X轴截面的偏置角度； δ，待测轴在Y轴截面的偏置角度； A,待测轴中心到各检测头内测头的距离； R，检测头的内测头半圆面的半径； S，检测头的内测头在应用时的位移。
8.—种轴偏心检测方法,其特征在于，基于权利要求1?7中任一所述的轴偏斜检测装置而实现，包括以下步骤: 步骤1:将待测轴穿过所述定位环的中心； 步骤2:移动所述各检测头，使所述各检测头的内测头抵顶住所述待测轴； 步骤3:根据此时所述各检测头的内测头位移通过计算得到所述待测轴中心偏离所述定位环中心的横坐标和纵坐标。
9.根据权利要求9所述的轴偏心检测方法，其特征在于，所述各检测头的内测头包括头端和尾端，所述头端呈半圆柱状，所述尾端呈立方体，所述半圆柱状的母线平行于所述定位环的轴向，所述半圆柱状的轴向截面的形状与所述立方体的底面形状相同。
10.根据权利要求9所述的轴偏心检测方法，其特征在于，所述待测轴中心偏离所述定位环中心的横坐标和纵坐标的计算公式如下:
X1 = LX sin Θ ；
Y1 = LX sin δ ； 其中， 所述sin Θ是根据下列等式计算得到: tg Θ XA = R/cos Θ — R+S ； 所述sin δ是根据下列等式计算得到: tg Θ XA = R/cos δ — R+S ； 其中， X1，待测轴中心偏离定位环中心的横坐标； Y1，待测轴中心偏离定位换中心的横坐标； L，待测轴的长度； Θ，待测轴在X轴截面的偏置角度； δ，待测轴在Y轴截面的偏置角度； Α，待测轴中心到各检测头内测头的距离； R，检测头的内测头半圆面的半径； S，检测头的内测头在应用时的位移。
【文档编号】G01B21/24GK104330070SQ201410684951
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年11月24日 优先权日:2014年11月24日
【发明者】黄小勇, 邱力, 张凯, 库帆 申请人:武汉武船机电设备有限责任公司