CN102707667B - 凸轮轮廓检测方法 - Google Patents

凸轮轮廓检测方法 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用数控系统，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导轨同步带组件、设于该导轨同步带组件中的同步带上且于凸轮一侧的激光测距头、用于测量所述激光测距头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导轨同步带组件动作，并根据所述激光测距头、光栅尺位移传感器和编码器测得的数据计算出凸轮的外轮廓数据。

Description

凸轮轮廓检测方法
本申请是申请号为：201110096390.3、申请日为2011年4月17日、名称为《凸轮轮廓检测用数控系统》的分案申请。 
技术领域
本发明涉及一种凸轮轮廓检测用数控系统。 
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用数控系统。 
为解决上述技术问题，本发明提供了一种凸轮轮廓检测用数控系统，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导轨同步带组件、设于该导轨同步带组件中的同步带上且于凸轮一侧的激光测距头、用于测量所述激光测距头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导轨同步带组件动作，并根据所述激光测距头、光栅尺位移传感器和编码器测得的数据计算出凸轮的外轮廓数据。 
具体地，所述激光测距头通过一滑块设于导轨同步带组件中的导轨上，滑块与所述同步带固定相连；所述导轨的两端设有带轮，所述同步带设于该对带轮上，且其中的一个带轮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步进电机动作的运动控制卡，与所述激光测距头相连的用于实时检测激光测距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距头的间距即第一间距测量值为 
Figure 316298DEST_PATH_IMAGE001
；同时，光栅尺位移传感器测量得的所述滑块在水平方向与光栅尺位移传感器的硬零位
Figure 500198DEST_PATH_IMAGE002
的间距即第二间距测量值为，i=1,2,3…n；i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 945272DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 362347DEST_PATH_IMAGE003
的次数，0°≤θi<360°。 
所述凸轮轮廓检测用数控系统的检测方法包括： 
A）、将激光测距头与心轴的外圆的间距即第一间距
Figure 344078DEST_PATH_IMAGE004
控制在激光测距头的量程内,然后检测并记录所述第一间距，同时检测并记录所述滑块在水平方向与所述硬零位的间距即第二间距
Figure 984510DEST_PATH_IMAGE005
；（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 504353DEST_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
Figure 177780DEST_PATH_IMAGE006
，则在开始控制凸轮旋转一周的同时，控制激光测距头相对凸轮的外轮廓按照
Figure 396315DEST_PATH_IMAGE006
+
Figure 787982DEST_PATH_IMAGE004
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距头的量程内，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 514815DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 898392DEST_PATH_IMAGE003
； 
C）、由心轴直径和所述
Figure 511776DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 514367DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 162386DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 451285DEST_PATH_IMAGE003
,计算出凸轮的极径测量值
Figure 817544DEST_PATH_IMAGE007
：
Figure 488740DEST_PATH_IMAGE008
；
D）、将所述极径测量值与所述外轮廓数据
Figure 592011DEST_PATH_IMAGE006
相比较，得出凸轮的外轮廓加工误差。
所述凸轮轮廓检测用数控系统的另一种检测方法包括：
a）、将激光测距头与心轴的外圆的间距即第一间距控制在激光测距头的量程内,然后检测并记录所述第一间距
Figure 649015DEST_PATH_IMAGE004
，同时检测并记录所述滑块在水平方向与所述硬零位的间距即第二间距
Figure 777694DEST_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，控制所述滑块根据激光测距头测得的所述第一间距测量值为
Figure 118545DEST_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
Figure 125684DEST_PATH_IMAGE001
始终处于激光测距头的量程内，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 602802DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 386827DEST_PATH_IMAGE003
；
c）、由心轴直径和所述
Figure 949395DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 760225DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 91849DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 329933DEST_PATH_IMAGE003
,计算出凸轮的极径测量值
Figure 379797DEST_PATH_IMAGE007
：
Figure 853373DEST_PATH_IMAGE008
。 
本发明具有积极的效果：（1）本发明的凸轮轮廓检测用数控系统采用非接触测量方法，激光测距头运动由导轨同步带组件驱动进行水平直线位移，测量过程中激光测距头无机械磨损，与现有的接触式测量方法相比，具有速度快、精度高、精度保持性好等特点。选用量程范围小（量程起点～量程终点）的激光测距头，在其线性度不变的条件下，测量误差较小。激光测距头水平位移量的检测由光栅尺位移传感器完成，在凸轮的极径变化较大的情况下，仍可获得较高的测量精度，因此本系统的性价比较高；（2）为了保证激光测距头始终能在量程范围内测量，即保证激光测距头与凸轮轮廓的距离在量程起点和量程终点之间，以确保测量精度，本发明采用数控插补方法，使凸轮旋转运动与激光测距头水平方向直线运动进行联动。凸轮的旋转角度由与心轴相连的编码器来检测，心轴在圆周方向的零点由编码器的零位脉冲确定。 
附图说明
图1为本发明的凸轮轮廓检测用数控系统的结构示意图； 
图2为图1中的凸轮轮廓检测用数控系统的未安装凸轮时的结构图。
具体实施方式
（实施例1） 
见图1-2，本实施例的凸轮轮廓检测用数控系统包括：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1一侧的导轨同步带组件3、设于该导轨同步带组件3的同步带3-1上且于凸轮10一侧的激光测距头2、用于测量所述激光测距头2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和导轨同步带组件3动作，并根据所述激光测距头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。
作为最优的实施方式，所述导轨3-2的中心线、以及激光测距头2输出的激光分别与所述心轴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和步进电机7动作的运动控制卡，与所述激光测距头2相连的用于实时检测激光测距头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步进电机驱动器控制步进电机7动作。 
在所述凸轮10的旋转角度为θi时，测得的凸轮10的外轮廓与激光测距头2的间距即第一间距测量值为
Figure 180449DEST_PATH_IMAGE001
；同时，光栅尺位移传感器4测量得的所述滑块8在水平方向与光栅尺位移传感器4的硬零位
Figure 595293DEST_PATH_IMAGE002
的间距即第二间距测量值为
Figure 866874DEST_PATH_IMAGE003
，i=1,2,3…n；i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 144140DEST_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 30243DEST_PATH_IMAGE006
，则所述凸轮轮廓检测用数控系统的检测方法包括： 
A、将激光测距头2与心轴1-1的外圆的间距即第一间距
Figure 54699DEST_PATH_IMAGE004
控制在激光测距头2的量程内（最佳的实施方式为：第一间距控制在激光测距头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 912026DEST_PATH_IMAGE004
，同时检测并记录所述滑块8在水平方向与所述硬零位
Figure 662813DEST_PATH_IMAGE002
的间距即第二间距
Figure 908987DEST_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，控制激光测距头2相对凸轮10的外轮廓按照
Figure 528056DEST_PATH_IMAGE006
+
Figure 808865DEST_PATH_IMAGE004
的轨迹运动；同时，控制所述第一间距测量值
Figure 730553DEST_PATH_IMAGE001
始终处于激光测距头2的量程内（最佳的实施方式为：第一间距控制在激光测距头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 502429DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 637744DEST_PATH_IMAGE003
； 
C、由心轴直径和所述
Figure 854968DEST_PATH_IMAGE004
、、、,计算出凸轮10的极径测量值
Figure 584794DEST_PATH_IMAGE007
：
Figure 27277DEST_PATH_IMAGE008
； 
D、将所述极径测量值
Figure 667205DEST_PATH_IMAGE007
与所述外轮廓数据
Figure 777113DEST_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
Figure 336139DEST_PATH_IMAGE006
，则所述凸轮轮廓检测用数控系统的检测方法包括： 
a、将激光测距头2与心轴1-1的外圆的间距即第一间距
Figure 265918DEST_PATH_IMAGE004
控制在激光测距头2的量程内,然后检测并记录所述第一间距
Figure 443958DEST_PATH_IMAGE004
，同时检测并记录所述滑块8在水平方向与所述硬零位
Figure 538865DEST_PATH_IMAGE002
的间距即第二间距
Figure 144159DEST_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，控制所述滑块8根据激光测距头2测得的所述第一间距测量值为
Figure 826813DEST_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 542965DEST_PATH_IMAGE001
始终处于激光测距头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 627464DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 403659DEST_PATH_IMAGE003
；
c、由心轴直径和所述
Figure 308030DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 833733DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 772739DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 719835DEST_PATH_IMAGE003
,计算出凸轮10的外轮廓数据，也即极径测量值
Figure 111502DEST_PATH_IMAGE007
：
Figure 435036DEST_PATH_IMAGE008
。 
上述激光测距头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。 
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，进而计算出导轨同步带组件的螺母移动距离、凸轮旋转角度。运动控制卡控制凸轮与导轨同步带组件的螺母按给定轨迹运动。 
光栅尺位移传感器4中的光栅尺4-2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。光栅读书头4-1设于所述滑块8上。 
（实施例2） 
在实施例1的基础上，本实施例具有如下变形：
为消除心轴1-1的加工或安装误差，对凸轮轮廓检测精度的影响，所述凸轮轮廓检测装置的检测方法包括：
A、检测心轴1-1的外缘数据：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 346546DEST_PATH_IMAGE009
、以及所述动子3-1在水平方向与所述硬零位
Figure 225509DEST_PATH_IMAGE002
的间距即第二间距
Figure 358594DEST_PATH_IMAGE010
；
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 6613DEST_PATH_IMAGE006
，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 295512DEST_PATH_IMAGE006
+
Figure 661771DEST_PATH_IMAGE009
的轨迹运动；同时，控制所述第一间距测量值
Figure 327107DEST_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 829633DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 555012DEST_PATH_IMAGE003
； 
C、由心轴直径和所述
Figure 142989DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 594438DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 951470DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 847751DEST_PATH_IMAGE003
,计算出凸轮10的极径测量值
Figure 923023DEST_PATH_IMAGE011
Figure 930162DEST_PATH_IMAGE012
 
D、将所述极径测量值
Figure 407280DEST_PATH_IMAGE013
与所述外轮廓数据
Figure 474462DEST_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
Figure 37030DEST_PATH_IMAGE006
，则所述凸轮轮廓检测装置的检测方法包括： 
a、检测心轴1-1的外缘数据：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 853719DEST_PATH_IMAGE009
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 185344DEST_PATH_IMAGE009
、以及所述动子3-1在水平方向与所述硬零位
Figure 548061DEST_PATH_IMAGE002
的间距即第二间距
Figure 473291DEST_PATH_IMAGE010
；
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，控制直线电机3的动子3-1根据激光测量头2测得的所述第一间距测量值为
Figure 946867DEST_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 273943DEST_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 417349DEST_PATH_IMAGE001
、；
c、由心轴直径和所述
Figure 113001DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 543851DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 999103DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 882615DEST_PATH_IMAGE003
,计算出凸轮10的极径测量值
Figure 573359DEST_PATH_IMAGE011
Figure 875027DEST_PATH_IMAGE012
。
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 (1)

1.一种凸轮轮廓检测用数控系统的凸轮轮廓检测方法，该凸轮轮廓检测用数控系统包括：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）一侧的导轨同步带组件（3）、设于该导轨同步带组件（3）中的同步带（3-1）上且于凸轮（10）一侧的激光测距头（2）、用于测量所述激光测距头（2）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）和导轨同步带组件（3）动作，并根据所述激光测距头（2）、光栅尺位移传感器（4）和编码器（5）测得的数据计算出凸轮（10）的外轮廓数据；
所述激光测距头（2）通过一滑块（8）设于导轨同步带组件（3）中的导轨（3-2）上，滑块（8）与所述同步带（3-1）固定相连；所述导轨（3-2）两端设有带轮（3-3），所述同步带（3-1）设于该对带轮（3-3）上，且其中的一个带轮（3-3）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；
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）的外轮廓与激光测距头（2）的间距即第一间距测量值为 
Figure 924867DEST_PATH_IMAGE001
；同时，光栅尺位移传感器（4）测量得的所述滑块（8）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 76680DEST_PATH_IMAGE003
，i=1,2,3…n；i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 632874DEST_PATH_IMAGE003
的次数，0°≤θi<360°；
所述凸轮轮廓检测用数控系统的检测方法包括：
A）、将激光测距头（2）与心轴（1-1）的外圆的间距即第一间距
Figure 993448DEST_PATH_IMAGE004
控制在激光测距头（2）的量程内,然后检测并记录所述第一间距
Figure 442884DEST_PATH_IMAGE005
，同时检测并记录所述滑块（8）在水平方向与所述硬零位
Figure 376467DEST_PATH_IMAGE002
的间距即第二间距
Figure 329380DEST_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 126435DEST_PATH_IMAGE007
，则在开始控制凸轮（10）旋转一周的同时，控制激光测距头（2）相对凸轮（10）的外轮廓按照+
Figure 33397DEST_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距头（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 734265DEST_PATH_IMAGE003
； 
C）、由心轴直径和所述
Figure 508186DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 435690DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 132470DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 715898DEST_PATH_IMAGE003
,计算出凸轮（10）的极径测量值：
Figure 75521DEST_PATH_IMAGE009
 
D）、将所述极径测量值
Figure 385280DEST_PATH_IMAGE008
与所述外轮廓数据
Figure 518321DEST_PATH_IMAGE007
相比较，得出凸轮（10）的外轮廓加工误差。
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平面凸轮廓线非接触式在线检测系统的设计与实现;李延辉 等;《中国仪器仪表学会第九届青年学术会议论文集》;20071231;245-248 *
李延辉 等.平面凸轮廓线非接触式在线检测系统的设计与实现.《中国仪器仪表学会第九届青年学术会议论文集》.2007,245-248.

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