CN101434053A - 凸轮非圆磨削的自动定位及在线测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种凸轮非圆磨削的自动定位及在线测量方法和装置。此方法利用数控非圆磨床C轴、X轴的高精度运动性能及其位置测量装置返回的位置数据，通过凸轮非圆磨削运动模型控制砂轮架X轴跟踪头架C轴，保持径向位移传感器的测头与工件接触，以砂轮架的运动弥补径向传感器量程的不足。按时间序列采集机床C轴和X轴的坐标值以及径向位移传感器的读数，对这三组数据采用“敏感点法”遵循“最小条件”原则进行处理，即可得到最优的凸轮加工零位以及准确的凸轮轮廓误差。本发明大大降低了对径向位移传感器量程的要求，使测量装置结构紧凑，便于在线测量与自动定位，保证了凸轮非圆磨削的加工效率及加工精度。

Description

凸轮非圆磨削的自动定位及在线测量方法和装置

技术领域

本发明涉及凸轮非圆磨削的自动定位及在线测量方法和装置。

背景技术

所谓非圆磨削即为C—X同步磨削技术，是发达国家近年新开发的一种跟踪磨削技术，它采用磨床头架即C轴带动工件旋转，磨床砂轮架即X轴根据头架指令随动跟踪进行磨削的一种技术。凸轮非圆磨削过程如图1所示。其运动模型以凸轮的设计零点为初始角度，然而磨削时装夹的起始位置是随机任意的，而且还存在毛坯余量不均匀等问题，这些会导致磨削时的实际零点并不是设计的理论零点，从而造成凸轮工件的尺寸精度超差，甚至报废。在传统的凸轮磨削加工中，特别是在单件、小批量生产过程中，凸轮的找零点是手工进行的，找零点的精度和效率完全取决于操作者的技术水平。因此，找准凸轮零点的过程消耗了大量时间，而且每次找到的加工零点与设计零点的误差无法保证，大大降低了凸轮非圆磨削的综合效率。另一方面，目前对于凸轮轮廓误差的检测基本采用专用凸轮测量仪。这种专用测量仪通常用作最终产品的机械加工误差检测，其量程很小，而对处于加工过程中的半成品来说，其误差及表面粗糙度可能较大，不适合使用这种专用高精度测量仪来检测。而且离线测量使得凸轮设计基准、加工基准、测量基准互不相干，这对于最终保证凸轮的加工质量不利。因此，如何实现凸轮非圆磨削中的快速找零和轮廓检测成为限制凸轮非圆磨削效率和加工质量的瓶颈问题。

发明内容

凸轮非圆磨削的自动定位及在线测量方法和装置，只需在原有数控机床上增加一个较小量程的径向位移传感器及旋转汽缸等少量辅助机构，即可根据凸轮非圆磨削运动模型控制测量过程，使测量头始终与工件接触，进行在线凸轮轮廓定位及测量。该方法不仅降低了找零时的人为干预程度、工作强度，而且克服了传统测量方法需要保证测头形状尺寸必须与凸轮从动轮一致、以及量程较小无法测量大尺寸变化凸轮的弊端；具有机械结构简单、体积小，适用性强，进行测量时无须更换测头的特点；并且具有很强的可移植性——此测量方法只需稍作修改即可在不同的凸轮非圆磨床上使用。

为达到上述目的，本发明的构思是：充分利用数控非圆磨床C轴、X轴的高精度运动性能以及其位置测量系统(由于非圆磨床定位精度要求很高，一般采用圆光栅和直线光栅)返回的位置数据：通过凸轮非圆磨削模型控制砂轮架X轴跟随头架C轴运动，保持径向位移传感器的测头与工件接触，以砂轮架的运动弥补径向传感器量程的不足。在测量过程中，按时间序列采集机床C轴和X轴的坐标值以及径向位移传感器的读数。测量过程结束后，对这三组数据按照“敏感点法”遵循“最小条件”原则进行处理，即可得到的最优的凸轮加工零位以及准确的凸轮轮廓误差。这样大大降低了对径向位移传感器的量程要求，使测量装置结构紧凑，有利于在线测量与自动定位，以实现凸轮设计基准、加工基准、测量基准的统一。

根据上述发明构思，本发明采下述技术方案：

一种凸轮非圆磨削自动定位及在线测量方法，其特征在于操作步骤为：

1)根据凸轮轮廓参数，设定凸轮几何参数r、r_g、r_s、H_i、H(θ_i)；并且初始化常量N、K。其中：r为凸轮(1)的基圆半径，r_g为滚子(6)的半径，r_s为砂轮(5)的半径，H_i为升程值，H(θ_i)为升程函数；N是被测面上的被测点数，K是径向位移传感器测头的机械安装常数；

2)计算测量时与凸轮升程角θ_i对应的凸轮工件C轴和砂轮架X轴的运动坐标

和

3)根据求得的

和

编写测量程序以模拟磨削加工时的C轴—X轴联动；

4)砂轮架沿Z轴纵向运动到测量工位，由PLC(可编程逻辑控制器)控制旋转汽缸翻转放下测量头；

5)运行测量程序，PLC(可编程逻辑控制器)分别从C轴、X轴光栅以及径向位移传感器中，采集坐标值C_i、X′_i以及径向位移读数δ_i，直至程序结束；

6)测量结束，将C_i、X′_i、δ_i由通讯接口上传至上位机，再采用“敏感点法”遵循“最小条件”原则进行处理，即可得到最优的凸轮加工零点以及准确的凸轮轮廓的加工误差。

上述步骤2)的计算用于确定测量时与凸轮升程角θ_i对应的凸轮工件C轴和砂轮架X轴的运动坐标

和

其方法如下：

1)求出凸轮型面上测量点对应的凸轮升程角θ_i：

2)求出与凸轮升程角θ_i对应的凸轮转角

(C轴运动坐标)：

$={\mathrm{\θ}}_i+(\∠{\mathrm{OO}}_{1}M-\∠{\mathrm{OO}}_{2}M)$

$={\mathrm{\θ}}_i+\mathrm{arctg}\left(\frac{\mathrm{dH}\left({\mathrm{\θ}}_i\right)/d{\mathrm{\θ}}_i}{r+H_i+r_g}\right)-\mathrm{arctg}\left(\frac{\mathrm{dH}\left({\mathrm{\θ}}_i\right)/d{\mathrm{\θ}}_i}{(r+H_i+r_g)\cos \mathrm{arctg}\left(\frac{\mathrm{dH}\left({\mathrm{\θ}}_i\right)/d{\mathrm{\θ}}_i}{r+H_i+r_g}\right)+r_s-r_g}\right)$

3)与凸轮升程角θ_i对应砂轮架X轴的运动坐标

$X_i^{\′}=X_i+K={\left[\begin{array}{c}{\left|(r+H_i+r_g)\sin \left(\mathrm{arctg}\frac{\mathrm{dH}\left({\mathrm{\θ}}_i\right)/d{\mathrm{\θ}}_i}{r+H_i+r_g}\right)\right|}^2\\ {+|(r+H_i+r_g)\cos \left(\mathrm{arctg}\frac{\mathrm{dH}\left({\mathrm{\θ}}_i\right)/d{\mathrm{\θ}}_i}{r+H_i+r_g}\right)+r_s-r_g|}^2\end{array}\right]}^{\frac{1}{2}}+K$

本发明所用测量装置，包括一个连接上位机的径向位移传感器。其特征在于：

1)所述径向位移传感器固定于一个汽缸上，所述旋转汽缸由所述数控磨床的可编程逻辑控制器PLC控制旋转，从而带动所述位移传感器在测量时放下，磨削时收起；

2)所述旋转汽缸固定安装在砂轮架上，必须保证所述位移传感器测量头的中心与凸轮回转中心等高。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本发明以砂轮架的运动弥补径向位移传感器量程的不足，大大降低了对径向位移传感器的量程要求；采用在线测量采集机床C轴和X轴的坐标值及径向位移传感器的读数，按照“敏感点法”遵循“最小条件”原理进行处理，即得到最优的凸轮加工零位及准确的凸轮轮廓误差，有利实现在线测量与自动定位。本发明的测两装置结构简单、紧凑，有利于推广应用。

附图说明

图1凸轮非圆磨削示意图。

图2是本发明中所述磨削加工时测量装置所处位置图(加工工位)。

图3是本发明中所述测量过程示意图(测量工位)。

图4是本发明中所述测量方法的操作流程图。

图5是测量装置在砂轮架上的安装位置示意图(图测量头已放下，处于测量状态)。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图说明如下：

参见图2、图3和图5，本凸轮非圆磨削的自动定位及在线测量装置包括一个连接上位机的径向位移传感器3，该径向位移传感器3固定于一个旋转汽缸2上，所述旋转汽缸2由所述数控磨床的可编程逻辑控制器PLC控制旋转，由旋转汽缸2带动所述位移传感器在测量时放下(如图3所示)，磨削时收起(如图2所示)。旋转汽缸2固定安装在砂轮架4上，必须保证位移传感器测量头的中心与凸轮1的回转中心等高。

参见图1和图4，本凸轮非圆磨削的自动定位及在线测量方法是：

首先人工确定一个初始凸轮零点。人工找零的误差ε应控制在一定范围之内，具体要求由所选径向位移传感器的量程S与所测凸轮的最大升程变化率的比值决定，一般 $\mathrm{\&epsiv;}<S/\max \left(\frac{\&PartialD;H}{\&PartialD;\mathrm{\&theta;}}\right).$ 如果需要测量几个系列不同型号的凸轮，则

应该选取所有凸轮中最大值的来确定对人工找零误差ε的要求。例如，在所有凸轮中最大的 $\max \left(\frac{\&PartialD;H}{\&PartialD;\mathrm{\&theta;}}\right)=4.026\mathrm{mm},$ 而根据机床可提供的空间选定径向位移传感器的量程为±15mm，则ε应控制在±3.725°内。

另外为了获取完整的凸轮径向位移信息，还需要预先确定凸轮径向参数L_i＝X_i+K+δ_i中的机械安装常数K，其数值与径向位移传感器测头的安装位置有关。可利用一个半径己知的标准圆形工件，将K计算出来。

测量时，使砂轮架沿如附图3中所示Z轴导轨运动到测量工位：将砂轮的位置让出，才用PLC(可编程逻辑控制器)控制汽缸将测量头翻转放下，并由机械保证球形测量头的球心与头架C轴的回转中心等高、测量臂轴线与砂轮架导轨X轴平行。在自动定位前，先由人工粗略地确定凸轮的零位。计算测量时与凸轮升程角θ_i对应的凸轮工件C轴和砂轮架X轴的运动坐标

和的方法：

1)求出凸轮型面上测量点对应的凸轮升程角θ_i：

2)求出与凸轮升程角θ_i对应的凸轮转角

(C轴运动坐标)：

$={\mathrm{\&theta;}}_i+(\&angle;{\mathrm{OO}}_{1}M-\&angle;{\mathrm{OO}}_{2}M)$

$={\mathrm{\&theta;}}_i+\mathrm{arctg}\left(\frac{\mathrm{dH}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)/d{\mathrm{\&theta;}}_i}{r+H_i+r_g}\right)-\mathrm{arctg}\left(\frac{\mathrm{dH}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)/d{\mathrm{\&theta;}}_i}{(r+H_i+r_g)\cos \mathrm{arctg}\left(\frac{\mathrm{dH}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)/d{\mathrm{\&theta;}}_i}{r+H_i+r_g}\right)+r_s-r_g}\right)$

3)与凸轮升程角θ_i对应砂轮架X轴的运动坐标

：

$X_i^{\&prime;}=X_i+K={\left[\begin{array}{c}{\left|(r+H_i+r_g)\sin \left(\mathrm{arctg}\frac{\mathrm{dH}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)/d{\mathrm{\&theta;}}_i}{r+H_i+r_g}\right)\right|}^2\\ {+|(r+H_i+r_g)\cos \left(\mathrm{arctg}\frac{\mathrm{dH}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)/d{\mathrm{\&theta;}}_i}{r+H_i+r_g}\right)+r_s-r_g|}^2\end{array}\right]}^{\frac{1}{2}}+K$

其中，

为凸轮升程角θ_i处的凸轮转角；X_i为凸轮升程角θ_i处砂轮中心位置；

为凸轮升程角θ_i处测量头球心位置；K是径向位移传感器测头的机械安装常数，以保证能够容纳测量装置；N是被测面上的被测点数。r为基圆半径，r_g为滚子半径，r_s为砂轮半径，H_i为升程值，H(θ_i)为升程函数，∠O₁OO₂为滚子中心到凸轮基圆圆心连线和砂轮中心到凸轮基圆圆心连线的夹角，∠OO₁M与∠OO₂M见附图1，其中OM为凸轮基圆中心O与滚子中心O₁连线OO₁的垂线。

然后，根据计算结果编写测量程序。并使砂轮架沿Z轴纵向运动到测量工位，由可编程逻辑控制器PLC控制旋转汽缸翻转放下测量头。运行测量程序，可编程逻辑控制器PLC同时分别从C轴、X轴光栅以及径向位移传感器中，采集坐标值C_i、X′_i以及径向位移读数δ_i，直至程序结束后将C_i、X′_i、δ_i由通讯接口上传至上位机，由此凸轮轮廓零点定位以及轮廓测量所需的原始数据C_i、L_i都可以得到，其中凸轮径向参数L_i＝X_i+K+δ_i＝X′_i+δ_i。最后再采用“敏感点法”遵循“最小条件”原则进行处理，即可得到最优的凸轮加工零点以及准确的凸轮轮廓的加工误差。

Claims (3)

1.一种凸轮非圆磨削自动定位及在线测量方法，其特征在于利用数控非圆磨床C轴、X轴的高精度运动性能及其位置测量装置返回的位置数据，通过凸轮非圆磨削运动模型控制砂轮架X轴跟踪头架C轴，保持径向位移传感器的测头与工件接触，以砂轮架的运动弥补径向传感器量程的不足；按时间序列采集机床C轴和X轴的坐标值以及径向位移传感器的读数，对这三组数据采用“敏感点法”遵循“最小条件”原则进行处理，得到最优的凸轮加工零位以及准确的凸轮轮廓误差。其操作步骤为：

a.根据凸轮轮廓参数，设定凸轮几何参数r、r_g、r_s、H_i、H(θ_i)；并且初始化常量N、K；其中：r为凸轮(1)的基圆半径，r_g为滚子(6)的半径，r_s为砂轮(5)的半径，H_i为升程值，H(θ_i)为升程函数；N是被测面上的被测点数，K是径向位移传感器测头的机械安装常数；

b.计算测量时与凸轮升程角θ_i对应的凸轮工件C轴和砂轮架X轴的运动坐标

和

c.根据求得的

和

编写测量程序以模拟磨削加工时的C轴—X轴联动；

d.砂轮架沿Z轴纵向运动到测量工位，由可编程逻辑控制器PLC控制旋转汽缸翻转放下测量头；

e.运行测量程序，可编程逻辑控制器PLC分别从C轴、X轴光栅以及径向位移传感器中，采集坐标值C_i、X′_i以及径向位移读数δ_i，直至程序结束；

f.测量结束，将C_i、X′_i、δ_i由通讯接口上传至上位机，再采用“敏感点法”遵循“最小条件”原则进行处理，即可得到最优的凸轮加工零点以及准确的凸轮轮廓的加工误差。

2.根据权利要求1所述的凸轮非圆磨削的自动定位及在线测量方法，其特征在于所述步骤2)的计算：测量时确定与凸轮升程角θ_i对应的凸轮工件C轴和砂轮架X轴的运动坐标

和

的方法如下：

a.求出凸轮型面上测量点对应的凸轮升程角θ_i：

b.求出与凸轮升程角θ_i对应的凸轮转角(C轴运动坐标)：

$={\mathrm{\&theta;}}_i+(\&angle;{\mathrm{OO}}_{1}M-\&angle;{\mathrm{OO}}_{2}M)$

$={\mathrm{\&theta;}}_i+\mathrm{arctg}\left(\frac{\mathrm{dH}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)/d{\mathrm{\&theta;}}_i}{r+H_i+r_g}\right)-\mathrm{arctg}\left(\frac{\mathrm{dH}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)/d{\mathrm{\&theta;}}_i}{(r+H_i+r_g)\cos \mathrm{arctg}\left(\frac{\mathrm{dH}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)/d{\mathrm{\&theta;}}_i}{r+H_i+r_g}\right)+r_s-r_g}\right)$

c.与凸轮升程角θ_i对应砂轮架X轴的运动坐标

$X_i^{\&prime;}=X_i+K={\left[\begin{array}{c}{|\left(r+H_i+r_g\right)\sin \left(\mathrm{arctg}\frac{\mathrm{dH}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)/d{\mathrm{\&theta;}}_i}{r+H_i+r_g}\right)|}^2\\ +{|(r+H_i+r_g)\cos \left(\mathrm{arctg}\frac{\mathrm{dH}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)/d{\mathrm{\&theta;}}_i}{r+H_i+r_g}\right)+r_s-r_g|}^2\end{array}\right]}^{\frac{1}{2}}+K$

3.一种根据权利要求1所述凸轮非圆磨削的自动定位及在线测量方法用的装置，包括一个连接上位机的径向位移传感器(3)特征在于：

a.所述径向位移传感器(3)固定于一个汽缸(2)上，所述旋转汽缸(2)由所述数控磨床的可编程逻辑控制器PLC控制旋转，从而带动所述位移传感器(3)在测量时放下，磨削时收起；

b.所述旋转汽缸(2)固定安装在砂轮架(4)上，必须保证所述位移传感器(3)测量头的中心与凸轮(1)回转中心等高。

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