CN102121816A

CN102121816A - 卧式自动化圆度圆柱度测量仪

Info

Publication number: CN102121816A
Application number: CN 201010594922
Authority: CN
Inventors: 荆学东; 祁广利; 吉涛; 何凯; 杨亮
Original assignee: Shanghai Institute of Technology
Current assignee: Shanghai Institute of Technology
Priority date: 2010-12-20
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2011-07-13

Abstract

本发明涉及一种卧式自动化圆度圆柱度测量仪，包括计算机、数据采集卡、运动控制卡、电涡流传感器、前置放大器和三自由度卧式工作台，计算机按照编入程序输出控制信号给运动控制卡，运动控制卡驱动三自由度卧式工作台中的主轴旋转电机，X轴水平移动电机，Z轴垂直移动电机实现卧式工作台主轴的回转运动，使被测工件旋转；工作台X轴和Z轴的移动，分别实现电涡流传感器沿被测工件的轴向移动和径向移动，电涡流传感器将被测工件的实际表面与电涡流传感器的距离转换成电压信号，并经过前置放大器的检波、放大输出到数据采集卡，从而传输到计算机中进行分析、处理。采用虚拟仪器，操作方便，维护简单，升级迅捷，只需升级软件则整个测量仪就会有一个质的飞跃。

Description

卧式自动化圆度圆柱度测量仪

技术领域

本发明涉及一种工件的圆度圆柱度测量装置，尤其是一种运用于虚拟仪器技术得到较为精确圆度和圆柱度测量值的圆度圆柱度测量装置。

背景技术

近年来，精密测量技术发展迅速，但圆柱和圆柱度等几何量的精密测量，尤其是现场测量仍然是难点。

从测量原理上，圆度和圆柱度测量可分为接触测量和非接触测量两种

1．接触测量研究

接触式测量是测量仪器或测头与被测工件直接接触，它是传统测量中常见的测量方式。常见仪器有外径千分尺、内径量杆表、传统圆度仪以及传统圆柱度仪等。

2．非接触测量研究

非接触测量与接触测量刚好相反，它打破传统的测量方式，使测头与被测量工件分离，很好的保护了测头和工件表面。常见仪器有三坐标测量机、精确测量圆度仪以及精确测量圆柱度仪等。

从仪器类型分为：

1.圆度和圆柱度测量专用仪器

专用仪器包括圆度仪和圆柱度仪。圆度仪具备精密的回转轴系，用于测量较高精度和高精度零件的圆度误差。圆度仪按照旋转方式又可分为传感器旋转式和工作台旋转式两种。其中，用传感器旋转式圆度仪测量时，被测量零件放置在工作台上固定不动，仪器的主轴带着传感器和测头一起回转。设仪器主轴绕一条理想轴线回转，当仪器测头与实际被测轮廓接触时，随着实际被测轮廓半径的变化，测头就做相应的径向运动，反映出实际被测轮廓半径的变化量。这种仪器由于测量时被测零件固定不动，可用来测量较大零件的圆度误差。而用工作台旋转式圆度仪测量时，传感器和测头保持固定不动，被测量零件放置在仪器的回转工作台上，随着工作台一起回转。设工作台绕一条理想轴线回转，当仪器测头与被测量轮廓接触时，实际被测轮廓的半径变化量可以通过测头反映出来。这种仪器常制成结构紧凑的台式仪器，只适用于测量小型零件的圆度误差。

与圆度仪相似，圆柱度仪有传感器旋转式和工作台旋转式两种。不同的是，圆柱度仪除了具备精密的回转轴系以外，还具备平行于仪器回转轴系的精密直线导轨，用于测量较高精度和高精度零件的圆柱度误差。用传感器旋转式圆柱度仪测量时，被测零件放置在工作台上，主轴带着传感器和测头一起回转，而工作台可以间断的或连续的作平行于主轴回转轴线的直线位移。用工作台旋转式圆柱度仪测量时，被测量零件放置在工作台上，且随工作台一起回转，传感器和测头则间断的或连续的作平行于仪器工作台回转轴线的直线位移。

2.三坐标测量机

三坐标测量机(CMM)是一种多功能精密计量测试设备。它作为质量保证及科研的重要测试手段来替代传统的测试方法也越来越被更多的科研院所和实验室所采用。利用三坐标测量机进行零件形位公差检测，既直观又方便，测量结果精度高。但三坐标测量机由于尺寸大、安装技术要求高，只适用于实验室测量圆度和圆柱度而难以直接运用于现场测量。

发明内容

本发明是要提供一种卧式自动化圆度圆柱度测量仪，该测量仪采用虚拟仪器，操作方便，维护简单，升级迅捷，只需升级软件则整个测量仪就会有一个质的飞跃。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种卧式自动化圆度圆柱度测量仪，包括计算机、数据采集卡、运动控制卡、电涡流传感器、前置放大器和三自由度卧式工作台，其特点是：计算机按照编入程序输出控制信号给运动控制卡，运动控制卡驱动三自由度卧式工作台中的主轴旋转电机，X轴水平移动电机，Z轴垂直移动电机实现卧式工作台主轴的回转运动，使被测工件旋转；工作台X轴和Z轴的移动，分别实现电涡流传感器沿被测工件的轴向移动和径向移动，电涡流传感器将被测工件的实际表面与电涡流传感器的距离转换成电压信号，并经过前置放大器的检波、放大输出到数据采集卡，从而传输到计算机中进行分析、处理。

三自由度卧式工作台包括X轴水平移动电机，工作台，辅助支撑，X轴导轨， Z轴垂直移动电机， Z轴导轨，传感器夹持装置，电涡流传感器，三抓卡盘，主轴旋转电机，其中，工作台上设有X轴导轨，X轴导轨上面右端装有三抓卡盘和主轴旋转电机，右端通过辅助支撑装有X轴水平移动电机，与X轴导轨垂直方向上设有Z轴导轨，Z轴导轨后端装有Z轴垂直移动电机，Z轴导轨上面装有传感器夹持装置，传感器夹持装置内固定连接电涡流传感器的测头。

本发明的有益效果是；

a. 技术上的优势

应用虚拟仪器技术实现工作台运动以及数据采集工功能。虚拟仪器系统的基本构架包括模块化的测量硬件和功能强大的软件两部分。虚拟仪器的硬件主体为计算机和为计算机配置的电子测量仪器硬件模块。虚拟仪器与传统仪器相比较，在数据处理能力、设备利用率、可操作性等方面都具有明显的技术优势，其具体优势如下：

Figure 2010105949221100002DEST_PATH_IMAGE001

强大的处理功能，它利用计算机系统的强大功能，结合相应的硬件，大大突破传统仪器在数据处理、显示、传送、处理等方面的限制，使用户可以方便地对其进行维护、扩展、升级等；

具有良好的可扩展性，设备使用率高，系统成本低下；系统开发；

系统开放，可与网络及其它周边设备互联。

b. 使用上的优势

本圆度、圆柱度测量的虚拟仪器操作方便，维护简单，升级迅捷，只需升级软件则整个测量仪就会有一个质的飞跃。

c. 价格方面的优势

充分利用虚拟仪器软件的优势，降低对传感器等硬件的技术要求，从而可以降低成本。本圆度、圆柱度测量的虚拟仪器成本比较市场上的圆度、圆柱度仪要相对低廉。比如广精精密仪器有限公司研发的RD60II型圆度仪单价超过十万人民币，而思瑞测量技术有限公司提供的FUNCTION系列型三坐标测量机单价达四十多万人民币。

附图说明

图1是本发明的系统图；

图2是本发明的三自由度卧式工作台结构主视图；

图3是图1的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明的卧式自动化圆度圆柱度测量仪，包括计算机、数据采集卡、运动控制卡、电涡流传感器、前置放大器和三自由度卧式工作台。

计算机按照编入程序输出控制信号给运动控制卡，运动控制卡驱动三自由度卧式工作台中的主轴旋转电机，X轴水平移动电机，Z轴垂直移动电机实现卧式工作台主轴的回转运动，使被测工件旋转；工作台X轴和Z轴的移动，分别实现电涡流传感器沿被测工件的轴向移动和径向移动，电涡流传感器将被测工件的实际表面与电涡流传感器的距离转换成电压信号，并经过前置放大器的检波、放大输出到数据采集卡，从而传输到计算机中进行分析、处理。

如图2，3所示，三自由度卧式工作台包括X轴水平移动电机1，工作台2，辅助支撑3，X轴导轨4， Z轴垂直移动电机6， Z轴导轨7，传感器夹持装置8，电涡流传感器9，三抓卡盘10，主轴旋转电机11。

工作台2上设有X轴导轨4，X轴导轨4上面右端装有三抓卡盘10和主轴旋转电机11，右端通过辅助支撑3装有X轴水平移动电机1，与X轴导轨4垂直方向上设有Z轴导轨7，Z轴导轨7后端装有Z轴垂直移动电机6，Z轴导轨7上面装有传感器夹持装置8，传感器夹持装置8内固定连接电涡流传感器9的测头。

本发明由三大部分组成：

（1）机械本体部分

机械本体部分主要包括工作台2。为完成工件圆度和圆柱度测量，工作台2是完成三个基本运动，即：被测圆柱体工件5夹持在工作台2主轴上实现回转运动，传感器9沿工作台2Z轴方向移动，即沿被测圆柱工件5的径向运动；传感器9沿工作台2X轴方向移动，即传感器9沿被测圆柱体工件5的轴向运动。

（2）运动控制系统的设计

在计算机中编写控制程序，驱动运动控制卡来实现三自由度卧式工作台的三个基本运动，即：工作台2主轴的回转运动带动被测圆柱体工件5旋转，工作台2沿X轴和Z轴的运动实现电涡流传感器9沿被测圆柱体工件5的轴向移动和径向移动。

具体的实施步骤是：a. 工作台2回零，b. 电涡流传感器9沿X轴水平移动，移动到达的位置是使电涡流传感器9测头与被测圆柱体工件5上的起始测点在同一轴截面上，c. 电涡流传感器9沿Z轴径向运动，移动到达的位置是使电涡流传感器9测头与被测圆柱体工件5表面之间的间隙小于2mm，d. 被测圆柱体工件5开始匀速旋转，e. 电涡流传感器9以一个适当的速度沿X轴水平移动，同时进行数据采集，采样频率满足采样定律，f. 电涡流传感器9停止移动，停止的位置是被测圆柱体工件5的终止位置，g.工作台2回零。

（3）测试系统设计

本发明中，圆度和圆柱度测量基于涡流效应。电涡流传感器9是将被测圆柱体工件5的实际表面与传感器9端面的距离转换成电压信号进行输出，经过前置放大器输出到数据采集卡，采集卡将电压信号传输到计算机中，并通过误差分离技术和最小二乘法获得工件圆度和圆柱数据。

测量圆度误差时，首先，将被测圆柱体工件5夹持在工作台2主轴上，尽量使被测圆柱体工件5与工作台2主轴轴线同轴；其次，传感器9经过沿平行于工作台主轴X轴的轴向运动和沿垂直于工作台主轴Z轴的径向运动到达被测圆柱体工件5的初始测量截面，并满足传感器9有效量程；然后，被测圆柱体工件5匀速转动，传感器9每隔一固定时间采集一次数据，直到被测圆柱体工件5回到起始采集点，最后，对这些采集的数据用最小二乘法评定得出较精确的结果。这样就完成了对被测圆柱体工件5某一正截面上圆度的测量。

同样，测量圆柱度误差时，首先，将被测圆柱体工件5夹持在工作台主轴上，尽量使被测圆柱体工件5与工作台主轴轴线同轴；其次，传感器9经过沿平行于工作台主轴X轴的轴向运动和沿垂直于工作台主轴Z轴的径向运动到达被测圆柱体工件5的起始测点，并满足传感器9有效量程；然后，被测圆柱体工件5匀速转动，传感器9以一个适当的速度沿X轴水平移动，同时进行数据采集，采样频率满足采样定律，当传感器9到达被测圆柱体工件5的终止位置时，传感器9停止，最后，对这些采集的数据用最小二乘法评定得出较精确的结果，这样就完成了对被测圆柱体工件5圆柱度的测量。

Claims

1.一种卧式自动化圆度圆柱度测量仪，包括计算机、数据采集卡、运动控制卡、电涡流传感器、前置放大器和三自由度卧式工作台，其特征在于：所述计算机按照编入程序输出控制信号给运动控制卡，运动控制卡驱动三自由度卧式工作台中的主轴旋转电机，X轴水平移动电机，Z轴垂直移动电机实现卧式工作台主轴的回转运动，使被测工件旋转；工作台X轴和Z轴的移动，分别实现电涡流传感器沿被测工件的轴向移动和径向移动，电涡流传感器将被测工件的实际表面与电涡流传感器的距离转换成电压信号，并经过前置放大器的检波、放大输出到数据采集卡，从而传输到计算机中进行分析、处理。

2.根据权利要求1所述的卧式自动化圆度圆柱度测量仪，其特征在于：所述三自由度卧式工作台包括X轴水平移动电机（1），工作台（2），辅助支撑（3），X轴导轨（4）， Z轴垂直移动电机（6）， Z轴导轨（7），传感器夹持装置（8），电涡流传感器（9），三抓卡盘（10），主轴旋转电机（11），其中，工作台（2）上设有X轴导轨（4），X轴导轨（4）上面右端装有三抓卡盘（10）和主轴旋转电机（11），右端通过辅助支撑（3）装有X轴水平移动电机（1），与X轴导轨（4）垂直方向上设有Z轴导轨（7），Z轴导轨（7）后端装有Z轴垂直移动电机（6），Z轴导轨（7）上面装有传感器夹持装置（8），传感器夹持装置（8）内固定连接电涡流传感器（9）的测头。