CN102122144A - 用于凸轮轮廓检测的数控系统 - Google Patents

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CN102122144A CN 201110051996 CN201110051996A CN102122144A CN 102122144 A CN102122144 A CN 102122144A CN 201110051996 CN201110051996 CN 201110051996 CN 201110051996 A CN201110051996 A CN 201110051996A CN 102122144 A CN102122144 A CN 102122144A
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毛建秋
唐国兴
刘天军
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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用于凸轮轮廓检测的数控系统，其包括：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

用于凸轮轮廓检测的数控系统
技术领域
本发明涉及一种用于凸轮轮廓检测的数控系统及其检测方法。
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用于凸轮轮廓检测的数控系统。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于凸轮轮廓检测的数控系统，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，所述丝杠螺母副的丝杆与一步进电机传动相连，所述数控转台与一转台电机传动相连；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；所述运动控制卡通过一转台电机驱动器控制转台电机的动作，进而控制所述数控转台动作；运动控制卡同时通过一步进电机驱动器控制步进电机动作。
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 749142DEST_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 725670DEST_PATH_IMAGE002
的间距即第二间距测量值为
Figure 505407DEST_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 962933DEST_PATH_IMAGE001
、的次数，0°≤θi<360°。
所述用于凸轮轮廓检测的数控系统的检测方法包括：
A）、将激光测量头与心轴的外圆的间距即第一间距
Figure 662084DEST_PATH_IMAGE004
控制在激光测量头的量程内,然后检测并记录所述第一间距
Figure 991435DEST_PATH_IMAGE004
，同时检测并记录所述活动螺母在水平方向与所述硬零位
Figure 190335DEST_PATH_IMAGE002
的间距即第二间距；（由于所述心轴的加工和安装精度容易保障，因此只需要检测所述第一间距
Figure 914894DEST_PATH_IMAGE004
。）
B）、将凸轮无间隙配合于所述心轴上，若已知凸轮的外轮廓数据，则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 468552DEST_PATH_IMAGE006
+
Figure 54254DEST_PATH_IMAGE004
的轨迹运动；同时，控制所述第一间距测量值
Figure 546416DEST_PATH_IMAGE001
始终处于激光测量头的量程内，并获取与凸轮的旋转角度θi相对应的所述第一、第二间距测量值
Figure 788041DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 128411DEST_PATH_IMAGE003
；
C）、由心轴直径?d和所述
Figure 771882DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 169366DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 898287DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 39418DEST_PATH_IMAGE003
,计算出凸轮的极径测量值
Figure 599713DEST_PATH_IMAGE007
：
Figure 371360DEST_PATH_IMAGE008
；
D）、将所述极径测量值
Figure 384315DEST_PATH_IMAGE007
与所述外轮廓数据
Figure 266820DEST_PATH_IMAGE006
相比较，得出凸轮的外轮廓加工误差。
所述用于凸轮轮廓检测的数控系统的另一种检测方法包括：
a）、将激光测量头与心轴的外圆的间距即第一间距
Figure 681621DEST_PATH_IMAGE004
控制在激光测量头的量程内,然后检测并记录所述第一间距，同时检测并记录所述活动螺母在水平方向与所述硬零位的间距即第二间距
Figure 607355DEST_PATH_IMAGE005
；
b）、将凸轮无间隙配合于所述心轴上，若未知凸轮的外轮廓数据，则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
Figure 79925DEST_PATH_IMAGE001
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始终处于激光测量头的量程内，并获取与凸轮的旋转角度θi相对应的所述第一、第二间距测量值、
Figure 488054DEST_PATH_IMAGE003
；
c）、由心轴直径?d和所述
Figure 611868DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 896219DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 371063DEST_PATH_IMAGE001
、,计算出凸轮的极径测量值：
。
本发明具有积极的效果：（1）本发明的用于凸轮轮廓检测的数控系统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为本发明的用于凸轮轮廓检测的数控系统的结构示意图；
图2为图1中的用于凸轮轮廓检测的数控系统的未安装凸轮时的结构图。
具体实施方式
见图1-2，本实施例的用于凸轮轮廓检测的数控系统包括：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。
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 794774DEST_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 423201DEST_PATH_IMAGE002
的间距即第二间距测量值为
Figure 724869DEST_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 147761DEST_PATH_IMAGE001
、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 969928DEST_PATH_IMAGE006
，则所述用于凸轮轮廓检测的数控系统的检测方法包括：
A、将激光测量头2与心轴1-1的外圆的间距即第一间距
Figure 860523DEST_PATH_IMAGE004
控制在激光测量头2的量程内（最佳的实施方式为：第一间距
Figure 719895DEST_PATH_IMAGE004
控制在激光测量头2的量程中点附近，因为在量程中点附近的测量精确度最高）,然后检测并记录所述第一间距
Figure 391048DEST_PATH_IMAGE004
，同时检测并记录所述活动螺母3-1在水平方向与所述硬零位
Figure 564540DEST_PATH_IMAGE002
的间距即第二间距
Figure 637538DEST_PATH_IMAGE005
；
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
Figure 605494DEST_PATH_IMAGE006
+
Figure 763943DEST_PATH_IMAGE004
的轨迹运动；同时，控制所述第一间距测量值
Figure 537864DEST_PATH_IMAGE001
始终处于激光测量头2的量程内（最佳的实施方式为：第一间距
Figure 403052DEST_PATH_IMAGE004
控制在激光测量头2的量程中点附近，因为在量程中点附近的测量精确度最高；），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 604226DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 187654DEST_PATH_IMAGE003
；
C、由心轴直径?d和所述
Figure 499687DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 484960DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 854106DEST_PATH_IMAGE001
、,计算出凸轮10的极径测量值
Figure 40554DEST_PATH_IMAGE007
：
Figure 942651DEST_PATH_IMAGE008
；
D、将所述极径测量值
Figure 423311DEST_PATH_IMAGE007
与所述外轮廓数据
Figure 778069DEST_PATH_IMAGE006
相比较，得出凸轮10的外轮廓加工误差。
若未知凸轮10的外轮廓数据，则所述用于凸轮轮廓检测的数控系统的检测方法包括：
a、将激光测量头2与心轴1-1的外圆的间距即第一间距
Figure 391770DEST_PATH_IMAGE004
控制在激光测量头2的量程内,然后检测并记录所述第一间距
Figure 105648DEST_PATH_IMAGE004
，同时检测并记录所述活动螺母3-1在水平方向与所述硬零位
Figure 150964DEST_PATH_IMAGE002
的间距即第二间距
Figure 608490DEST_PATH_IMAGE005
；
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 307642DEST_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 639922DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 838822DEST_PATH_IMAGE003
；
c、由心轴直径?d和所述、
Figure 563381DEST_PATH_IMAGE005
、、
Figure 117039DEST_PATH_IMAGE003
,计算出凸轮10的外轮廓数据，也即极径测量值：
Figure 194903DEST_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 (4)

1.一种用于凸轮轮廓检测的数控系统，其特征在于包括：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。
2.根据权利要求1所述的用于凸轮轮廓检测的数控系统，其特征在于：所述丝杠螺母副（3）的丝杆（3-2）与一步进电机（7）传动相连，所述数控转台（1）与一转台电机（6）传动相连；
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，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；
所述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）动作；运动控制卡同时通过一步进电机驱动器控制步进电机（7）动作。
3.根据权利要求2所述的用于凸轮轮廓检测的数控系统，其特征在于：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 487360DEST_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 894071DEST_PATH_IMAGE002
）的间距即第二间距测量值为
Figure 392048DEST_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 708236DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 924453DEST_PATH_IMAGE003
的次数，0°≤θi<360°；
所述用于凸轮轮廓检测的数控系统的检测方法包括：
A）、将激光测量头（2）与心轴（1-1）的外圆的间距即第一间距
Figure 806959DEST_PATH_IMAGE004
控制在激光测量头（2）的量程内,然后检测并记录所述第一间距
Figure 221759DEST_PATH_IMAGE005
，同时检测并记录所述活动螺母（3-1）在水平方向与所述硬零位（
Figure 898728DEST_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，若已知凸轮（10）的外轮廓数据
Figure 835909DEST_PATH_IMAGE007
，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 105216DEST_PATH_IMAGE007
+
Figure 218665DEST_PATH_IMAGE005
的轨迹运动；同时，控制所述第一间距测量值
Figure 956945DEST_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 508330DEST_PATH_IMAGE003
； 
C）、由心轴直径?d和所述
Figure 854997DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 1945DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 842993DEST_PATH_IMAGE001
、,计算出凸轮（10）的极径测量值
Figure 542145DEST_PATH_IMAGE008
：
Figure 441968DEST_PATH_IMAGE009
 
D）、将所述极径测量值
Figure 818198DEST_PATH_IMAGE008
与所述外轮廓数据
Figure 854287DEST_PATH_IMAGE007
相比较，得出凸轮（10）的外轮廓加工误差。
4.根据权利要求2所述的用于凸轮轮廓检测的数控系统，其特征在于：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 480440DEST_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 664297DEST_PATH_IMAGE002
）的间距即第二间距测量值为
Figure 34098DEST_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 3323DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 800377DEST_PATH_IMAGE003
的次数，0°≤θi<360°；
所述用于凸轮轮廓检测的数控系统的检测方法包括：
a）、将激光测量头（2）与心轴（1-1）的外圆的间距即第一间距
Figure 471530DEST_PATH_IMAGE005
控制在激光测量头（2）的量程内,然后检测并记录所述第一间距
Figure 379443DEST_PATH_IMAGE005
，同时检测并记录所述活动螺母（3-1）在水平方向与所述硬零位（
Figure 203174DEST_PATH_IMAGE002
）的间距即第二间距
Figure 171130DEST_PATH_IMAGE006
；
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 41183DEST_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 171950DEST_PATH_IMAGE001
、；
c）、由心轴直径?d和所述
Figure 441705DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 19317DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 4591DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 186786DEST_PATH_IMAGE003
,计算出凸轮（10）的极径测量值
Figure 991931DEST_PATH_IMAGE008
：
Figure 45337DEST_PATH_IMAGE009
。
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