CN102116611A - 凸轮轮廓检测系统的检测方法 - Google Patents

凸轮轮廓检测系统的检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种结构简单、检测精度和效率较高的凸轮轮廓检测装置的检测方法，其采用的凸轮轮廓检测装置包括：用于带动凸轮绕垂向的心轴水平同轴旋转的数控转台、水平设于数控转台一侧的丝杠螺母副、设于该丝杠螺母副的活动螺母上且于凸轮一侧的激光测量头、用于测量所述活动螺母的水平位移量的光栅尺位移传感器、用于检测凸轮的旋转角度的编码器、以及工控机；所述工控机控制所述数控转台和丝杠螺母副动作，并根据所述激光测量头、光栅尺位移传感器和编码器测得的数据得出凸轮的外轮廓数据。

Description

凸轮轮廓检测系统的检测方法
技术领域
本发明涉及一种凸轮轮廓检测装置及其检测方法。
背景技术
凸轮机构广泛应用于各种自动化机械、精密仪器、自动化控制系统等。要做到高精度、高效率地检测凸轮，并正确处理、评定它的各项误差，及时快速地反馈凸轮的质量信息，传统的光学机械量仪以及人工数据处理的方法，已不能适应凸轮广泛采用的自动线生产的需要了。随着汽车工业、工程机械等的高速发展和制造技术的不断提高，对如何提高凸轮加工精度的检测精度和效率，是本领域要解决的技术难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、检测精度和效率较高的凸轮轮廓检测装置的检测方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种凸轮轮廓检测装置，包括：用于带动凸轮绕垂向的心轴水平同轴旋转的数控转台、水平设于数控转台一侧的丝杠螺母副、设于该丝杠螺母副的活动螺母上且于凸轮一侧的激光测量头、用于测量所述活动螺母的水平位移量的光栅尺位移传感器、用于检测凸轮的旋转角度的编码器、以及工控机； 所述工控机控制所述数控转台和丝杠螺母副动作，并根据所述激光测量头、光栅尺位移传感器和编码器测得的数据得出凸轮的外轮廓数据。
具体地，所述工控机包括：用于实时控制所述数控转台和丝杠螺母副动作的运动控制卡，与所述激光测量头相连的用于实时检测激光测量头与凸轮的外轮廓的间距的激光位移传感器采集卡，与所述光栅尺位移传感器和编码器相连的编码器计数卡，以及通过系统总线与所述运动控制卡、激光位移传感器采集卡和编码器计数卡相连的CPU单元。
在所述凸轮的旋转角度为θi时，测得的凸轮的外轮廓与激光测量头的间距即第一间距测量值为                                                
Figure 2011100519984100002DEST_PATH_IMAGE001
；同时，光栅尺位移传感器测量得的所述活动螺母在水平方向与光栅尺位移传感器的硬零位
Figure 2011100519984100002DEST_PATH_IMAGE002
的间距即第二间距测量值为
Figure 2011100519984100002DEST_PATH_IMAGE003
，i=1,2,3…n；n为凸轮旋转一周的过程中同时检测所述第一、第二间距测量值
Figure 544319DEST_PATH_IMAGE001
、的次数，0°≤θi<360°。
若已知凸轮的外轮廓数据
Figure 2011100519984100002DEST_PATH_IMAGE004
，则所述凸轮轮廓检测装置的检测方法包括：
A）、对心轴（1-1）的检测：心轴开始旋转一周时，将激光测量头与心轴的外圆的间距即第一间距始终控制在激光测量头的量程内,同时检测并记录与所述旋转角度为θi相对应的第一间距
Figure 820676DEST_PATH_IMAGE005
、以及所述活动螺母在水平方向与所述硬零位
Figure 569189DEST_PATH_IMAGE002
的间距即第二间距
Figure 2011100519984100002DEST_PATH_IMAGE006
；
B）、将凸轮无间隙配合于所述心轴上，在开始控制凸轮旋转一周的同时，控制激光测量头相对凸轮的外轮廓按照+
Figure 702678DEST_PATH_IMAGE005
的轨迹运动；同时，控制所述第一间距测量值
Figure 627909DEST_PATH_IMAGE001
始终处于激光测量头的量程内，并获取与所述旋转角度θi相对应的所述第一、第二间距测量值
Figure 914534DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 241610DEST_PATH_IMAGE003
；
C）、由心轴直径?d和所述、、
Figure 576273DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 757856DEST_PATH_IMAGE003
,计算出凸轮的极径测量值
；
D）、将所述极径测量值
Figure 2011100519984100002DEST_PATH_IMAGE009
与所述外轮廓数据相比较，得出凸轮的外轮廓加工误差。
若未知凸轮的外轮廓数据，则所述凸轮轮廓检测装置的另一种检测方法包括：
a）、对心轴（1-1）的检测：心轴开始旋转一周时，将激光测量头与心轴的外圆的间距即第一间距始终控制在激光测量头的量程内,同时检测并记录与所述旋转角度为θi相对应的第一间距
Figure 98948DEST_PATH_IMAGE005
、以及所述活动螺母在水平方向与所述硬零位
Figure 400616DEST_PATH_IMAGE002
的间距即第二间距
Figure 89087DEST_PATH_IMAGE006
；
b）、将凸轮无间隙配合于所述心轴上，在开始控制凸轮旋转一周的同时，控制丝杠螺母副的活动螺母根据激光测量头测得的所述第一间距测量值为的大小做靠近或远离凸轮的直线位移，以控制所述第一间距测量值
Figure 580428DEST_PATH_IMAGE001
始终处于激光测量头的量程内，并获取与所述旋转角度θi相对应的所述第一、第二间距测量值
Figure 549652DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 346707DEST_PATH_IMAGE003
；
c）、由心轴直径?d和所述
Figure 17860DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 925773DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 749503DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 717459DEST_PATH_IMAGE003
,计算出凸轮的极径测量值
Figure 813591DEST_PATH_IMAGE007
Figure 587512DEST_PATH_IMAGE008
。
本发明具有积极的效果：（1）本发明的凸轮轮廓检测装置采用非接触测量方法，激光测量头运动由丝杠螺母副直接驱动，丝杠螺母副通过予紧可消除间隙，丝杠负载小，所以动态刚度极高、运动平稳、系统动态性能好。测量过程中测量头无机械磨损，与其它接触式测量，速度快、精度高、精度保持性好。选用量程范围小（量程起点～量程终点）的激光测量头，在其线性度不变的条件下，测量误差小。激光测量头水平方向运动距离由光栅尺位移传感器完成，在凸轮的极径变化大的情况下，仍可获得高的测量精度、更高性价比；（2）为了保证激光测量头始终在量程范围内测量，即保证测量头与凸轮轮廓距离在量程起点和量程终点之间，本发明采用数控插补方法，使凸轮旋转运动与激光测量头水平方向直线运动进行联动。凸轮旋转角度由与心轴相连的编码器检测，心轴在在圆周方向零点由编码器零位脉冲确定。
附图说明
图1为本发明的凸轮轮廓检测装置的结构示意图；
图2为图1中的凸轮轮廓检测装置的未安装凸轮时的结构图。
具体实施方式
见图1-2，本实施例的凸轮轮廓检测装置包括：用于带动凸轮10绕垂向的心轴1-1水平同轴旋转的数控转台1、水平设于数控转台1一侧的丝杠螺母副3、设于该丝杠螺母副3的活动螺母3-1上且于凸轮10一侧的激光测量头2、用于测量所述活动螺母3-1的水平位移量的光栅尺位移传感器4、用于检测凸轮10的旋转角度的编码器5、以及工控机； 所述工控机控制所述数控转台1和丝杠螺母副3动作，并根据所述激光测量头2、光栅尺位移传感器4和编码器5测得的数据得出凸轮10的外轮廓数据。所述数控转台1与一转台电机6传动相连，运动控制卡通过一转台电机驱动器控制转台电机6的动作，进而控制所述数控转台1的动作；运动控制卡同时通过步进电机驱动器控制步进电机7动作。
作为最优的实施方式，丝杠螺母副3的丝杆3-2的中心线、以及激光测量头2输出的激光与所述心轴1-1的轴线垂直相交。
所述工控机包括：用于实时控制所述数控转台1和丝杠螺母副3动作的运动控制卡，与所述激光测量头2相连的用于实时检测激光测量头2与凸轮10的外轮廓的间距的激光位移传感器采集卡，与所述光栅尺位移传感器4和编码器5相连的编码器计数卡，通过系统总线与所述运动控制卡、激光位移传感器采集卡和编码器计数卡相连的CPU单元，以及经显卡与所述系统总线相连的用于显示和对比凸轮10的外轮廓数据的LCD。所述数控转台1与一转台电机6传动相连，运动控制卡通过一转台电机驱动器控制转台电机6的动作，进而控制所述数控转台1的动作；运动控制卡同时通过一丝杠螺母副驱动器控制丝杠螺母副3动作。
在所述凸轮10的旋转角度为θi时，测得的凸轮10的外轮廓与激光测量头2的间距即第一间距测量值为
Figure 452700DEST_PATH_IMAGE001
；同时，光栅尺位移传感器4测量得的所述活动螺母3-1在水平方向与光栅尺位移传感器4的硬零位
Figure 404607DEST_PATH_IMAGE002
的间距即第二间距测量值为
Figure 988035DEST_PATH_IMAGE003
，i=1,2,3…n；n为凸轮10旋转一周的过程中同时检测所述第一、第二间距测量值
Figure 565647DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 285341DEST_PATH_IMAGE003
的次数，n可根据凸轮测量角度间隔大小确定，例如：180、360、720等，n越大，测得的凸轮10的外轮廓数据越精确；0°≤θi<360°，θi+1-θi=θi-θi-1。
为提高对凸轮加工精度要求较高部位（如凸轮的凸起部的外轮廓数据）的检测精度，同时尽量确保检测效率，可设置在检测该部位时，降低θi+1和θi的差值。
若已知凸轮10的外轮廓数据
Figure 405219DEST_PATH_IMAGE004
，则所述凸轮轮廓检测装置的检测方法包括：
A、对心轴1-1的检测：心轴1-1开始旋转一周时，将激光测量头2与心轴1-1的外圆的间距即第一间距
Figure 475943DEST_PATH_IMAGE005
始终控制在激光测量头2的量程内,同时检测并记录与所述旋转角度为θi相对应的第一间距、以及所述活动螺母3-1在水平方向与所述硬零位的间距即第二间距
Figure 725156DEST_PATH_IMAGE006
；
B、将凸轮10无间隙配合于所述心轴1-1上，若已知凸轮10的外轮廓数据
Figure 283176DEST_PATH_IMAGE004
，则在开始控制凸轮10旋转一周的同时，控制激光测量头2相对凸轮10的外轮廓按照+
Figure 631298DEST_PATH_IMAGE005
的轨迹运动；同时，控制所述第一间距测量值始终处于激光测量头2的量程内，并获取与凸轮10的旋转角度θi相对应的所述第一、第二间距测量值、
Figure 536434DEST_PATH_IMAGE003
；
C、由心轴直径?d和所述
Figure 413124DEST_PATH_IMAGE005
、、
Figure 315669DEST_PATH_IMAGE001
、,计算出凸轮10的极径测量值
Figure 49248DEST_PATH_IMAGE008
D、将所述极径测量值
Figure 803577DEST_PATH_IMAGE009
与所述外轮廓数据
Figure 602906DEST_PATH_IMAGE004
相比较，得出凸轮10的外轮廓加工误差。
上述对心轴1-1的检测的步骤，用于检测心轴1-1的外缘数据，以在计算凸轮10的轮廓数据时，考虑心轴1-1的加工及安装误差，确保了凸轮10的轮廓数据的检测精度。
若未知凸轮10的外轮廓数据
Figure 126291DEST_PATH_IMAGE004
，则所述凸轮轮廓检测装置的检测方法包括：
a、对心轴1-1的检测：心轴1-1开始旋转一周时，将激光测量头2与心轴1-1的外圆的间距即第一间距
Figure 556136DEST_PATH_IMAGE005
始终控制在激光测量头2的量程内,同时检测并记录与所述旋转角度为θi相对应的第一间距
Figure 610810DEST_PATH_IMAGE005
、以及所述活动螺母3-1在水平方向与所述硬零位
Figure 885934DEST_PATH_IMAGE002
的间距即第二间距；
b、将凸轮10无间隙配合于所述心轴1-1上，若未知凸轮10的外轮廓数据，则在开始控制凸轮10旋转一周的同时，控制丝杠螺母副3的活动螺母3-1根据激光测量头2测得的所述第一间距测量值为
Figure 926888DEST_PATH_IMAGE001
的大小做靠近或远离凸轮10的直线位移，以控制所述第一间距测量值
Figure 468859DEST_PATH_IMAGE001
始终处于激光测量头2的量程内，并获取与凸轮10的旋转角度θi相对应的所述第一、第二间距测量值
Figure 547673DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 107968DEST_PATH_IMAGE003
；
c、由心轴直径?d和所述
Figure 879615DEST_PATH_IMAGE005
、、
Figure 525808DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 940609DEST_PATH_IMAGE003
,计算出凸轮10的极径测量值
Figure 883157DEST_PATH_IMAGE007
Figure 131211DEST_PATH_IMAGE008
。
上述激光测量头2可选择德国的PRIMUS 1000-2型基于PC机的高精度激光位移传感器，其主要性能指标为：量程2mm，量程起点16mm，量程终点20mm，量程中点18mm；线性度1μm，分辨率0.2μm；光斑直径35μm。
光栅尺位移传感器是有标尺光栅和读数头两部分组成。读数头设于丝杠螺母副3的活动螺母3-1上，标尺光栅固定在丝杠螺母副3的丝杆3-2一侧的机架上。丝杆3-2的位置固定。
本实施例的光栅尺位移传感器4可以选择德国海德汉LIP571型光栅尺 ，读数头输出表示测量值的方波信号并送至所述编码器计数卡，精度等级±1μm；分辨率0.2μm。激光测量头与光栅尺的型号、精度、量程可根据凸轮检测精度要求、凸轮极径大小做出适当调整。
本实施例的光栅尺位移传感器4还可以选择威海三丰电子科技有限公司的GBC系列光栅尺，其由读数头、标尺光栅和接口电路组成。当读数头运动时，接口电路的光电接收器分别产生A相和B相两路相位相差90°的脉冲波信号，该信号再经过处理后送至所述编码器计数卡。
所述编码器计数卡用于记录光栅尺位移传感器4、编码器5产生的脉冲个数，进而计算出丝杠螺母副的活动螺母移动距离、凸轮旋转角度。运动控制卡控制凸轮与丝杠螺母副的活动螺母按给定轨迹运动。
光栅尺位移传感器4中的光栅尺的右侧安装一个硬零位，作为光栅尺位移传感器4测量距离度量的起点。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (2)

1.一种凸轮轮廓检测装置的检测方法，其特征在于：采用的凸轮轮廓检测装置包括：用于带动凸轮（10）绕垂向的心轴（1-1）水平同轴旋转的数控转台（1）、水平设于数控转台（1）一侧的丝杠螺母副（3）、设于该丝杠螺母副（3）的活动螺母（3-1）上且于凸轮（10）一侧的激光测量头（2）、用于测量所述活动螺母（3-1）的水平位移量的光栅尺位移传感器（4）、用于检测凸轮（10）的旋转角度的编码器（5）、以及工控机； 
所述工控机控制所述数控转台（1）和丝杠螺母副（3）动作，并根据所述激光测量头（2）、光栅尺位移传感器（4）和编码器（5）测得的数据得出凸轮（10）的外轮廓数据；
在所述凸轮（10）的旋转角度为θi时，测得的凸轮（10）的外轮廓与激光测量头（2）的间距即第一间距测量值为                                                
Figure 2011100519984100001DEST_PATH_IMAGE001
；同时，光栅尺位移传感器（4）测量得的所述活动螺母（3-1）在水平方向与光栅尺位移传感器（4）的硬零位（）的间距即第二间距测量值为
Figure 2011100519984100001DEST_PATH_IMAGE003
，i=1,2,3…n；n为凸轮（10）旋转一周的过程中同时检测所述第一、第二间距测量值
Figure 33570DEST_PATH_IMAGE001
、的次数，0°≤θi<360°；
若已知凸轮（10）的外轮廓数据
Figure 2011100519984100001DEST_PATH_IMAGE004
，则所述凸轮轮廓检测装置的检测方法包括：
A）、对心轴（1-1）的检测：心轴（1-1）开始旋转一周时，将激光测量头（2）与心轴（1-1）的外圆的间距即第一间距始终控制在激光测量头（2）的量程内,同时检测并记录与所述旋转角度为θi相对应的第一间距
Figure 947617DEST_PATH_IMAGE005
、以及所述活动螺母（3-1）在水平方向与所述硬零位（
Figure 539135DEST_PATH_IMAGE002
）的间距即第二间距；
B）、将凸轮（10）无间隙配合于所述心轴（1-1）上，在开始控制凸轮（10）旋转一周的同时，控制激光测量头（2）相对凸轮（10）的外轮廓按照+的轨迹运动；同时，控制所述第一间距测量值始终处于激光测量头（2）的量程内，并获取与所述旋转角度θi相对应的所述第一、第二间距测量值
Figure 263191DEST_PATH_IMAGE001
、； 
C）、由心轴直径?d和所述
Figure 710146DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 977179DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 176079DEST_PATH_IMAGE001
、,计算出凸轮（10）的极径测量值
Figure DEST_PATH_IMAGE007
Figure 2011100519984100001DEST_PATH_IMAGE008
； 
D）、将所述极径测量值
Figure 713688DEST_PATH_IMAGE007
与所述外轮廓数据相比较，得出凸轮（10）的外轮廓加工误差。
2.根据权利要求1所述的凸轮轮廓检测装置的检测方法，其特征在于：若未知凸轮（10）的外轮廓数据，则所述凸轮轮廓检测装置的检测方法包括：
a）、对心轴（1-1）的检测：心轴（1-1）开始旋转一周时，将激光测量头（2）与心轴（1-1）的外圆的间距即第一间距
Figure 532925DEST_PATH_IMAGE005
始终控制在激光测量头（2）的量程内,同时检测并记录与所述旋转角度为θi相对应的第一间距
Figure 56311DEST_PATH_IMAGE005
、以及所述活动螺母（3-1）在水平方向与所述硬零位（）的间距即第二间距
Figure 275250DEST_PATH_IMAGE006
；
b）、将凸轮（10）无间隙配合于所述心轴（1-1）上，在开始控制凸轮（10）旋转一周的同时，控制丝杠螺母副（3）的活动螺母（3-1）根据激光测量头（2）测得的所述第一间距测量值为
Figure 878270DEST_PATH_IMAGE001
的大小做靠近或远离凸轮（10）的直线位移，以控制所述第一间距测量值
Figure 256162DEST_PATH_IMAGE001
始终处于激光测量头（2）的量程内，并获取与所述旋转角度θi相对应的所述第一、第二间距测量值、
Figure 133299DEST_PATH_IMAGE003
；
c）、由心轴直径?d和所述
Figure 477693DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 772408DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 544055DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 304813DEST_PATH_IMAGE003
,计算出凸轮（10）的极径测量值
Figure DEST_PATH_IMAGE009
Figure 249635DEST_PATH_IMAGE008
。
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