CN101727091A - 工件轴线弯曲变形自动检测与诊断系统 - Google Patents

Abstract

一种工件轴线弯曲变形自动监测与诊断系统。工件在旋转控制模块带动下围绕旋转轴线进行旋转时，系统记录工件的径向跳动值和工件的旋转角度值，通过误差诊断专家系统的过滤处理，将椭圆/三角/突起/毛刺等截面形状误差所产生的数据进行筛除，提取因工件轴线弯曲误差产生的测量数据，并以此生成轴线弯曲的标准空间模型，从而完成了工件轴线弯曲变形的自动测量和诊断任务。

Description

工件轴线弯曲变形自动检测与诊断系统

技术领域

本发明涉及一种检测技术领域的误差检测与诊断系统，具体是一种工件轴线弯曲变形自动检测与诊断系统。

背景技术

在轴类工件的热处理后的加工过程中，要通过校直工序对工件轴线在热处理过程中产生的弯曲变形进行修正。在校直以前，首先要对轴线的弯曲误差进行测量，根据测量结果确定轴线的最大弯曲变形点、以及最大变形的开始点和结束点；然后在最大弯曲变形点施加校直力、在起始点和结束点布置校直支撑点，促使其变形部位产生反向变形，从而补偿热处理变形，使轴线的弯曲变形得到修正。

传统的轴线弯曲误差测量方法有两种。一种是将工件固定在两个具有旋转功能的顶尖之间，然后用千分表侧头接触工件的旋转表面，一边手动旋转工件，一边通过人工读数的方式记录最大径向跳动部位，并以此点作为轴线弯曲的最大点，施加校直压力促使工件朝相反方向变形，从而对轴线弯曲进行修正；另一种方式是，通过位移传感器和数据处理设备对工件的综合径向跳动进行检测和处理，标出最大误差与相对应的工件旋转角度，并以此作为轴线弯曲误差的最大点，施加校直压力促使其朝相反方向变形，达到校直的目的。

作为公知的常识，综合径向跳动误差的测量值包括两个分量。一个分量是由实际轴线相对于理论轴线的弯曲变形造成的，另一个分量是由工件截面轮廓误差造成的。下面分别详细说明：

假设工件的回转轮廓相对于实际轴线是没有截面形状误差的理论园形。在实际测量时，工件的两个轴段所确定的两个旋转中心之间的连线作为理论轴线，为工件的径向跳动测量提供参考基准，因此也是工件的旋转轴线。如果实际轴线相对于理论轴线存在弯曲误差，那么测量点接触的工件回转轮廓面相对于回转轴线的距离就会根据实际轴线的弯曲程度而变化，这个变化量就是因为实际轴线的弯曲变形所造成的径向跳动分量。这个径向跳动分量表示了实际轴线的弯曲变形程度，是校直工序可以通过施加压力促使工件反向变形加以修正的误差。

假设工件的实际轴线与理论轴线重合。这种情况下，如果工件的截面轮廓是没有误差的理论圆形，则工件在围绕理论轴线即实际轴线进行旋转时，测量点所在的工件轮廓与旋转轴线之间的距离是一个恒定值，即径向跳动值为0。如果此时工件的截面轮廓是椭圆形、三角形、矩形，或者存在毛刺、突起等形状，则径向跳动值不为0。这个径向跳动分量表示了截面轮廓误差，是无法通过校直工序进行校正的。

在实际情况下，一个工件往往同时存在上述两种误差，因此所测量的综合径向跳动值包含了两种分量。在工件轴线弯曲变形检测过程中，我们把由于轴线弯曲变形造成的径向跳动测量信号当作有效信号，而把由于工件截面形状误差造成的径向跳动测量信号当作噪声干扰。

现有技术的两种方法均无法从综合径向跳动误差中分离出轴线弯曲误差分量和工件截面形状误差分量，而是将径向跳动综合误差完全等同于轴线弯曲造成的，并按照这个数值进行校直。这种不准确的测量数据处理模式势必降低校直加工精度。

中国专利200810034284.4(钻杆直度自动检测矫直状态监测与故障诊断系统)介绍了一种自动检测与故障诊断系统。该系统包括设备故障诊断模块，检测异常处理模块，矫直失控预防模块和系统状态监视模块。

其异常处理子模块虽然可以对检测数据进行去尖峰处理，平滑滤波处理和消除趋势项处理。但是其主要作用都是消除检测现场的环境干扰和检测部件本身的误差或因机械故障引起的测量数据不准确，仍然无法从综合径向跳动值提取轴线弯曲变形引起的有效信号，去除工件截面形状误差引起的噪声干扰，没有实现精确测量的目标。

发明内容

本发明针对现有方案不能从综合径向误差中提取轴线弯曲误差分量的缺点，提出一种轴类工件轴线的直线度误差自动检测与诊断系统，使其具备自动检测工件综合径向跳动误差、自动分离截面形状误差分量和轴线弯曲误差分量、自动生成轴线弯曲的空间数学模型的功能，实现了对工件轴线的直线度误差进行高效率、高精度自动检测和诊断的目标。

本发明是通过以下技术方案实现的：本发明包括工件旋转控制模块，综合径向跳动误差检测模块，误差诊断专家系统模块三个模块。

工件旋转控制模块固定工件的一端并带动其围绕旋转轴线进行旋转，在工件的另一端进行旋转角度监测，确保工件的实际旋转与工件旋转模块的理论旋转同步；与此同时，综合径向误差检测模块通过多个与工件旋转表面接触的位移传感器来采集工件旋转表面相对于旋转轴线的综合径向跳动值，并发送到模拟/数字转换模块进行模拟量到数字量的转换。该径向跳动值与工件的旋转角度值组合形成二维数组，发送到误差诊断专家系统模块；误差诊断专家系统模块首先将二维数组进行时域/频域变换和过滤等前期处理，然后将椭圆、三角形、毛刺和突起等截面形状误差所产生的径向跳动分量进行分离，仅提出工件轴线弯曲误差所造成的径向跳动分量数据，并参考专家系统中的知识库信息，对测量数据进行优化和建模，生成轴线弯曲的标准空间模型，并且标出轴线弯曲最大点、起始点和结束点，从而完成了误差的自动测量和诊断任务。

所述的工件旋转控制模块包括工件驱动子模块、驱动端旋转角度监测子模块、从动端旋转角度监测子模块和工件旋转判断子模块组成。工件驱动子模块带动工件旋转；驱动端旋转角度监测子模块用于记录工件的理论旋转角度，从动端旋转角度监测子模块用于记录工件的实际旋转角度，工件旋转判断子模块用于判断工件旋转是否与驱动电机旋转同步，如果同步，则本次旋转所测量的工件径向跳动值有效，否则无效。驱动端旋转监测子模块的工件理论转转角度值还要发送给误差诊断专家系统模块，作为工件角度旋转参数进行处理。

所述的综合径向跳动误差检测模块包括工件跳动值测量子模块和模拟/数字转换子模块。工件跳动值测量部件与工件的旋转表面接触并随着工件的旋转来记录工件表面相对于旋转轴线的径向距离的变动值，也就是径向跳动值；模拟/数字转换部件用于把读取到的工件径向跳动值的模拟信号量转化为数字量，便于存储和处理。

所述的误差诊断专家系统模块包括检测数据同步合成子模块、时域/频域转换子模块和专家系统组成。工件检测数据合成子模块将工件旋转控制模块提供的工件角度旋转值与综合径向跳动误差监测模块提供的工件径向跳动值进行同步合成，形成二维数组，用于表示工件的径向跳动误差的时间分布序列；时域/频域转换子模块用于将工件径向跳动误差的时间分布序列转换为频域分布序列，并形成空间模型；然后将椭圆、三角形、毛刺和突起等截面形状误差所产生的径向跳动分量进行分离，仅提出工件轴线弯曲误差所造成的径向跳动分量数据；参考专家系统中的知识库信息，对测量数据进行优化和建模，将现有工件径向跳动误差的空间分布数学模型与专家系统中的模型库进行比较，从而生成与现有工件径向跳动误差相吻合的标准空间模型。

本发明综合了传感器技术、软件技术、工业自动控制技术和专家系统技术，总体上实现了自动检测工件综合径向跳动误差、自动分离截面形状误差分量和轴线弯曲误差分量、自动生成轴线弯曲的标准空间模型的功能，极大地提高了检测精度和效率，从而提高了产品的市场竞争力。

附图说明

图1是本发明的总体结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本系统包括如下三个模块：工件旋转控制模块，综合径向跳动误差检测模块，误差诊断专家系统模块。

工件旋转控制模块固定工件的一端并带动其围绕旋转轴线进行旋转，在工件的另一端进行旋转角度监测，确保工件的实际旋转与工件旋转模块的理论旋转同步；与此同时，综合径向误差检测模块通过多个与工件旋转表面接触的位移传感器来采集工件旋转表面相对于旋转轴线的综合径向跳动值，并发送到模拟/数字转换模块进行模拟量到数字量的转换。该径向跳动值与工件的旋转角度值组合形成二维数组，发送到误差诊断专家系统模块；误差诊断专家系统模块首先将二维数组进行时域/频域变换和过滤等前期处理，然后将椭圆、三角形、毛刺和突起等截面形状误差所产生的径向跳动分量进行分离，仅提出工件轴线弯曲误差所造成的径向跳动分量数据，并参考专家系统中的知识库信息，对测量数据进行优化和建模，生成轴线弯曲的标准空间模型，并且标出轴线弯曲最大点、起始点和结束点，从而完成了误差的自动测量和诊断任务。

1.工件旋转控制模块，驱动工件围绕理论轴线进行旋转，从而允许综合径向跳动误差检测模块测量一周范围内工件的径向跳动值。另外，该模块还用于记录工件旋转角度值，用来标识工件最大径向跳动误差所在的旋转角度位置。

a)工件驱动子模块，由伺服电机和电机驱动控制器组成。电机驱动控制器带动伺服电机进行旋转，并通过传动结构将旋转动力传送到工件一端，从而带动工件旋转。

b)作为驱动端旋转角度监测子模块，电机内部的脉冲编码器检测电机旋转的理论角度，并以此作为工件旋转的理论角度进行记录。

c)在工件的另一端，有从动端旋转角度监测子模块。该模块由工件旋转运动进行驱动，并以此生成旋转脉冲，作为工件实际旋转的角度值进行记录。

d)工件旋转判断子模块。该模块通过比较工件的理论旋转角度和实际旋转角度，来判断工件是否与电机提供的理论旋转运动进行了同步旋转。如果实际旋转角度小于理论旋转角度，则认为在电机带动工件旋转过程中发生了工件丢转的现象，则判定当前系统读取的工件径向跳动误差数值为无效。这个判断功能避免了工件装卡不当等安装错误，有利于协助操作者提高工作质量和效率。

2.综合径向跳动误差检测模块，对工件圆周表面对旋转轴线的径向跳动值进行测量，并且将信号从模拟量转化为数字量，以利于计算机进行处理。

a)工件跳动值测量子模块，由若干位移传感器和与之相连的放大器组成。在本实施例中设置了3个传感器，实际使用时可以根据需要进行设置。传感器的侧头部分接触在工件表面，并随工件旋转时产生的径向跳动而移动。这个移动值通过位移传感器转化为电信号，在放大器中进行处理后作为工件径向跳动的初始测量值发送到模拟/数字转换子模块。

b)模拟/数字转换子模块，将径向跳动的初始测量值由模拟量转化为数字量，便于进行后续的计算处理。另外，该子模块还根据数字量数值的大小来判断传感器读书是否超差。如果超差，则表示传感器读数不正常，说明传感器未设置好或工件异常。

3.误差诊断专家系统模块，将工件径向跳动数据与工件旋转角度数据进行同步合成，并从中提取与工件轴线校直有关的轴线弯曲信息。

a)检测数据同步合成子模块，将工件旋转控制模块传送来的工件角度旋转数值和由综合径向跳动误差监测模块传送来的工件径向跳动值进行同步矢量合成，形成一个二维数组，记录工件在每个旋转角度下相对应的径向跳动值。这个二维数组一时间序列数组的格式发送到时域/频域转换子模块。

b)时域/频域转换子模块，将时间序列数组转化为空间序列数组，即将数据从时域信号转化为频域信号，从而建立了工件径向跳动误差的空间模型。

c)专家系统，通过分析现有的工件径向跳动误差空间分布模型，结合专家系统中的专家知识，将模型中的截面形状误差，比如椭圆形、三角形、以及突起和毛刺等无法通过轴线校直工序进行修正的误差进行过滤，从而提取出因工件轴线弯曲所产生的径向跳动误差。通过将现有工件径向跳动误差的空间分布模型与专家系统中的标准模型库进行比较，生成与现有工件径向跳动误差相吻合的轴线弯曲误差标准空间模型。

本系统具备自动驱动和监测工件旋转和工件径向跳动误差的数据采集功能，并通过专家系统的分析和判断，在提取轴线弯曲造成的工件径向跳动误差数值的基础上，自动生成工件轴线弯曲误差的标准空间模型，实现了工件轴线的直线度误差的自动检测与诊断，大大提高了检测精度和检测效率。

Claims (4)

1.一种工件轴线弯曲变形自动监测与诊断系统，其特征是：包括如下三个模块：工件旋转控制模块，综合径向跳动误差检测模块，误差诊断专家系统模块，其中，工件旋转控制模块固定工件的一端并带动其围绕旋转轴线进行旋转，在工件的另一端进行旋转角度监测，确保工件的实际旋转与工件旋转模块的理论旋转同步；与此同时，综合径向误差检测模块通过多个与工件旋转表面接触的位移传感器来采集工件旋转表面相对于旋转轴线的综合径向跳动值，并发送到模拟/数字转换模块进行模拟量到数字量的转换，该径向跳动值与工件的旋转角度值组合形成二维数组，发送到误差诊断专家系统模块；误差诊断专家系统模块首先将二维数组进行时域/频域变换和过滤前期处理，然后将椭圆、三角形、毛刺和突起截面形状误差所产生的径向跳动分量进行分离，仅提出工件轴线弯曲误差所造成的径向跳动分量数据，并访问专家系统中的知识库信息，对测量数据进行优化和建模，生成轴线弯曲的标准空间模型，并且标出轴线弯曲最大点、起始点和结束点，从而完成了误差的自动测量和诊断任务。

2.根据权利要求1所述的工件轴线弯曲变形自动监测与诊断系统，其特征是：所述的工件旋转控制模块包括工件驱动子模块、驱动端旋转角度监测子模块、从动端旋转角度监测子模块和工件旋转判断子模块组成，工件驱动子模块带动工件旋转；驱动端旋转角度监测子模块用于记录工件的理论旋转角度，从动端旋转角度监测子模块用于记录工件的实际旋转角度，工件旋转判断子模块用于判断工件旋转是否与驱动电机旋转同步，如果同步，则本次旋转所测量的工件径向跳动值有效，否则无效；驱动端旋转监测子模块的工件理论转转角度值还要发送给误差诊断专家系统模块，作为工件角度旋转参数进行处理。

3.根据权利要求1所述的工件轴线弯曲变形自动监测与诊断系统，其特征是：所述的综合径向跳动误差检测模块包括工件跳动值测量子模块和模拟/数字转换子模块，工件跳动值测量部件与工件的旋转表面接触并随着工件的旋转来记录工件表面相对于旋转轴线的径向距离的变动值，也就是径向跳动值；模拟/数字转换部件用于把读取到的工件径向跳动值的模拟信号量转化为数字量，便于存储和处理。

4.根据权利要求1所述的工件轴线弯曲变形自动监测与诊断系统，其特征是：所述的误差诊断专家系统模块包括检测数据同步合成子模块、时域/频域转换子模块和专家系统组成，工件检测数据合成子模块将工件旋转控制模块提供的工件角度旋转值与综合径向跳动误差监测模块提供的工件径向跳动值进行同步合成，形成二维数组，用于表示工件的径向跳动误差的时间分布序列；时域/频域转换子模块用于将工件径向跳动误差的时间分布序列转换为频域分布序列，并形成空间分布数学模型；然后将椭圆、三角形、毛刺和突起截面形状误差所产生的径向跳动分量进行分离，仅提出工件轴线弯曲误差所造成的径向跳动分量数据；访问专家系统中的知识库信息，对测量数据进行优化和建模，将现有工件径向跳动误差的空间分布数学模型与专家系统中的标准数学模型进行比较，从而生成与现有工件径向跳动误差相吻合的标准空间模型。

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