CN103513664B - 小孔测量中传感器的自动对中系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小孔测量中传感器的自动对中系统，包括一个底座，所述的底座上面设有一个支撑座，在所述的支撑座的上面设有一个能在三维坐标X,Y方向上来回滑动的工作台；所述的工作台的中心位置设有一个电容探针，在工作台的X、Y方向各固定两个相互对称的支杆，在相互对称的支杆上面，其中一个支杆设有激光发射装置，另一个支杆上面设有激光接收装置；在工作台的一侧三维坐标Z向设有一个Z向步进电机驱动的丝杠III，在所述的丝杠III的螺母上连接一个滑台，所述的滑台连接一个用于支撑工件的光杆；所述的电容探针用于测量工件上的孔径，且所述的电容探针与信号处理装置相连。该系统具有很高的测量精度，响应快速。

Description

小孔测量中传感器的自动对中系统

技术领域

本发明具体公开了一种小孔直径测量中传感器探针与被测孔的中心线的自动对中系统。

背景技术

接触测量和非接触测量的研究日趋成熟。对于直径小于几个毫米以下的小孔内径的测量，特别是要测量出小孔的中心轴线，目前还没有十分完美的测量手段和方法。对于这种小孔径的测量，英国早在80年代曾经生产过一种小孔测量仪，这种测量仪用微小的玻璃球作为探针，接触测量小孔的直径。但是由于控制操作比较麻烦，尤其是前端的探针很容易损坏，不适合高精度的测量，所以这种仪器很快就被淘汰了。在我国的电容传感器技术的发展过程中，天津大学精密测试技术及仪器国家重点试验室里的很多老师对不同的电容传感器都有独到的研究，他们合作制作了许多基于电容作传感器的测量仪器，应用在现代生产中。国内的许多高校、厂家以及科研单位从事传感器的研制和开发，跟随着科学技术发展的水平。电容传感器存在许多的优点，其中包括灵敏度高、精度高、动态响应好、结构简单等典型的优点，就是这些在测量方面的优点，在很早的时候其就被利用来测量位移、内径、厚度、温度、振动等。但是由于当时的制造水平和电容传感器本身存在一些缺陷，科学技术发展不够成熟，它在测量领域的应用受到了很大限制。最近几十年来，随着电子科学技术的发展，制造水平的提高。电容传感器开始凸现其优越性，微型元件的出现，使得电子线路能够尽可能的靠近传感器，这就为利用传感器实现测量带来了可能，进一步提高了精度和测量的灵敏度。

小孔测量中传感器探针的自动对中技术，在国外甚受重视，许多厂家都研制了各种各有特色的自动对中装置，其中有一些已在生产中应用。目前在自动对中系统的研究设计中，以德国的产品最为成熟，激光对中仪的到来使得设备的维护人员可以更方便、更快、更精确的对机器实现更好的对中，实现了安装简单，偏差自动显示，而且还可以自动的计算轴的移动角度和移动量。由于自动对中系统设计精确度的要求较高，而主要的生产设备主要来自国外，像德国、日本、美国等，所以这类设备的购买价格较高，而我国在这方面的研究起步相对较晚，技术相对落后，在在自主化生产过程中在传感器的自动对中系统的应用中要受到国外高额设备的限制。

 我国90年代初开始高价从国外购进激光对中仪来实现自动对中和进行自动对中系统的研究和设计，激光对中仪是实现自动对中的快速方法，它被利用在多个领域，而在小孔测量中传感器的自动对中系统中也得到很好的应用。国民经济的快速发展和其它行业的技术进步迫切要求信息化在工业方面得到广泛的应用，特别是需要新技术改造传统产业，因此工业自动化技术得以很快发展，利用工业自动化技术改造传统产业和产业结构，提高自动化、智能化、信息化水平，增强企业竞争能力，是一项非常迫切的任务。随着工业自动化技术的迅速发展，自动化控制系统的水平在不断提高。从单机控制发展到分布式控制系统（DCS），随着可编程控制器（PLC）性能不断完善，在DCS中得到了广泛的应用。

 在发动机的现代化生产过程中，能否快速准确的确定小孔中心轴线的位置，已成为企业实现有效的生产竞争的关键技术，它不但会影响发动机的性能，更能直接的影响发动机的生产效率，影响企业的生产力。近几十年来，随着制造业的发展，机械加工的精度越来越高，已达到了微米量级，尤其在精密和超精密加工领域。

如果小孔装置对中不良，会造成联轴节摩擦增大、轴承过早损坏、转轴发生往复移动等一系列的问题，从而提高机器的运行成本，大大缩短机器的使用寿命，降低机器的能源利用效率。除此之外，对中不良会对转轴的密封性产生严重的影响，而更换密封器件的费用有的时候时可以达到购买机器价格的20%。

发明内容

为了解决孔类装置对中不良对中粗度大产生的对联轴节转轴、轴承造成的不利影响，降低机器的运行的成本，降低维护的成本，延长机器的使用的寿命，提高机器的能源的利用效率,本发明提供了一种小孔测量中传感器的自动对中系统。

本发明采用的技术方案如下：

小孔测量中传感器的自动对中系统，包括一个底座，所述的底座上面设有一个支撑座，在所述的支撑座的上面设有一个能在三维坐标X,Y方向上来回滑动的工作台；所述的工作台的中心位置设有一个电容探针，在工作台的X、Y方向各固定两个相互对称的支杆，且相对称的支杆的中心线与电容探针的中心线在一条直线上，在相互对称的支杆上面，其中一个支杆设有激光发射装置，另一个支杆上面设有激光接收装置（即光纤传感器）；在工作台的一侧三维坐标Z向设有一个Z向步进电机驱动的丝杠III，在所述的丝杠III的螺母上连接一个滑台，所述的滑台连接一个用于支撑工件的光杆；所述的电容探针用于测量工件上的孔径，且所述的电容探针与信号处理装置相连。

所述的工作台的驱动系统包括X向步进电机和Y向步进电机，所述的X向步进电机的输出端连接齿轮传动减速系统I，齿轮减速系统I的输出端带动丝杠I转动，丝杠I上的螺母I带动安装于其上的支架系统一起在X向左右移动，在所述的支架系统上设有能沿其前后运动的工作台；所述的Y向步进电机输出端连接齿轮传动减速系统II，齿轮减速系统II的输出端带动丝杠II转动，丝杠II上的螺母II带动安装于其上的工作台一起在Y向前后移动。

所述的Z向步进电机的输出端连接齿轮传动减速系统III，齿轮减速系统III的输出端带动丝杠III转动，丝杠III上的螺母III带动与其连接的滑台在Z方向运动，所述的滑台设于一个与丝杠III平行的导杆上，且滑台能沿着导杆来回滑动。

所述的激光发射装置为发射光纤，激光接收装置为接收光纤，且接收光纤为2个；且两个接收光纤相对于电容探针的中心线对称排列。当激光通过电容探针后，若两个光纤传感器接收的光强一样，说明电容探针在该方向上是居中的。若光纤接收的光强不一致，那么说明电容探针与孔中心线不一致，启动X或Y向电机带动工作台移动，直到光纤传感器的光强一致。

所述的电容探针与被测小孔之间形成的电容、标准电容与放大器相连，分别作为放大器的反馈电容和输入电容；所述的放大器与振荡器相连，振荡器为其提供标准的振荡信号；放大器的输出端与精密整流电路相连，所述的精密整流电路与滤波器相连，所述的滤波器结合稳压电源、调零电路与数字表头或计算机相连，计算机对测量的信号进行处理。

所述的X向步进电机、Y向步进电机和Z向步进电机由驱动器驱动，且分别各自与一个光栅编码器相连，所述的光栅编码器将采集的信号发送给运动控制卡，所述的运动控制卡控制驱动器。

所述的Z轴光栅编码器选用L325型光栅尺，标尺长度325mm，测量长度320mm；X、Y轴的光栅编码器选用L30型光栅尺，标尺长度30mm，测量长度25mm，选用M1550S-40型读数头，电路进行20细分。

在发明所测的小孔直径为1-7mm。

本发明的工作过程如下：

激光光纤测量装置安装在二维工作台上，事先将其与孔的中心线调整为一致。测量孔径之前，先用激光光纤测量装置对电容探针对中，若发现不对中，则启动XY向电机动作，带动二维工作台运动，使其上的小孔运动，达到对中。探针与孔的中心线对中后，再启动Z向电机向下带动探针进行孔径测量，测得的电容通过信号处理装置进行处理。

本发明的有益效果是：

新型电容式小孔测量传感器依据非接触式测量原理，测量时对传感器无测量力的影响；采用等位环消除了电容传感器的边缘效应，采用驱动电缆技术减弱了杂散电容的影响，利用二维微调机构实现传感器与被测孔的精密同轴定位，在计算机的控制下，电容探针深入小孔内部进行自动测量，因此，电容式非接触小孔测量系统具有很高的测量精度，响应快速，该系统有效解决了现有小深孔各截面内径尺寸测量的难题。

附图说明

图1 本发明的主视图；

图2 本发明的俯视图；

图3 本发明的俯视图；

图4 图1中I部分的结构放大图；

图5 电容探针部分的信号处理图；

图6测量系统控制组成框图；

图中：1 X向步进电机，2丝杠I, 3支杆，4电容探针，5丝杠III, 6光杆，7导杆，8丝杠II,9滑台，10 Z向步进电机,11支撑座,12底座，13支座，14 工作台，15 Y向步进电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1-图6所示，小孔测量中传感器的自动对中系统，包括一个底座12，所述的底座12上面设有一个支撑座11，在所述的支撑座11的上面设有一个能在X,Y方向上来回滑动的工作台14；所述的工作台14的中心位置设有一个电容探针4，在工作台14的X、Y方向各固定两个相互对称的支杆3，且相对称的支杆3的中心线与电容探针4的中心线在一条直线上，在相互对称的支杆3上面，其中一个支杆3设有激光发射装置，另一个支杆上面设有光纤传感器作为激光接收装置；在工作台14的一侧设有一个Z向步进电机10驱动的丝杠III5，在所述的丝杠III5的螺母上连接一个滑台9，所述的滑台9连接一个用于支撑工件的光杆6；所述的电容探针4用于测量工件上的孔径，电容探针4通过支座13固定在工作台14。

工作台14的驱动系统包括X向步进电机1和Y向步进电机15，所述的X向步进电机1的输出端连接齿轮传动减速系统I，齿轮减速系统I的输出端带动丝杠I2转动，丝杠I2上的螺母I带动安装于其上的支架系统一起在X向左右移动，在所述的支架系统上设有能沿其前后运动的工作台；所述的Y向步进电机15输出端连接齿轮传动减速系统II，齿轮减速系统II的输出端带动丝杠II8转动，丝杠II8上的螺母II带动安装于其上的工作台一起在Y向前后移动。

所述的Z向步进电机10的输出端连接齿轮传动减速系统III，齿轮减速系统III的输出端带动丝杠III5转动，丝杠III5上的螺母III带动与其连接的滑台9在Z方向运动，所述的滑台设于一个与丝杠III5平行的导杆上，且滑台能沿着导杆7来回滑动。

所述的激光发射装置为发射光纤，激光接收装置为接收光纤，且接收光纤为2个；且两个接收光纤相对于电容探针的中心线对称排列。当激光通过电容探针后，若两个光纤传感器接收的光强一样，说明电容探针在该方向上是居中的。若光纤接收的光强不一致，那么说明电容探针与孔中心线不一致，启动X或Y向电机带动工作台移动，直到光纤传感器的光强一致。

所述的电容探针与被测小孔之间形成的电容、标准电容与放大器相连，分别作为放大器的反馈电容和输入电容；所述的放大器与振荡器相连，振荡器为其提供标准的振荡信号；放大器的输出端与精密整流电路相连，所述的精密整流电路与滤波器相连，所述的滤波器结合稳压电源、调零电路与数字表头或计算机相连，计算机对测量的信号进行处理。

由于电容传感器的探针需要深入到小孔的不同深度进行探测，同时，电容传感器需要进行测量前的精密对中调整，因此，测量系统需要X、Y、Z三个方向的精密运动控制。其中，X、Y方向的运动由二维微动平台实现，Z方向的运动由Z向步进电机驱动，运动控制模块包括步进电机及驱动器、步进电机控制卡、脉冲信号发生器和光栅编码器，其中脉冲信号发生器用于手动控制步进电机，计算机+运动控制卡用于自动控制步进电机。

在二维导轨两个轴向分别配有28BYG步进电机，通过基于PCI总线技术的PCI-1240型4轴控制卡进行精确运动控制，步进距离仅为3~5mm，步进电机控制X、Y轴运动实现电容式测孔传感器测头与被测工件的精密对中，步进精度直接影响到孔径测量精度。因此，通过驱动器对X、Y轴步进电机进行32细分，其分辨率达到，对Z轴步进电机进行8细分，其分辨率达到。

为防止步进电机丢步现象，并进一步提高X、Y、Z轴的定位精度，分别采用Micro-E光栅编码器与步进电机构成闭环控制模式，以光栅编码器的返回值作为控制电机运动的有效信息，X、Y、Z轴测量范围，Z轴选用L325型光栅尺，标尺长度325mm，测量长度320mm；X、Y轴选用L30型光栅尺，标尺长度30mm，测量长度25mm，选用M1550S-40型读数头，电路进行20细分，故光栅尺分辨率可达到。将光栅尺贴在Z轴测量臂上及X、Y二维微动滑台导轨上，并且在合适位置处安放测量头支架，传感器测量头通过安装螺钉固定于支架上，利用光栅编码器自带的Smart Signal调直工具调整光栅尺与读数头之间的间隙和角度，保证光栅编码器可正常工作，由此大大提高了步进电机的定位精度,从而保证了测量精度的要求。

图4为对电容传感器的微弱测量信号进行放大处理和数据采集的结构框图，其中运算式电容测微仪主要包括精密稳幅振荡器、高增益主放大器、精密整流、低通滤波器、调零电路、稳压电源等。本仪器采用了其幅值稳定在PPm 级的文氏桥稳幅振荡器，频率为15-22kHz。由于传感器探针与被测孔的间距值很小，电容量很高，故要求前级放大器的输入阻抗很高以及有足够的放大增益（一般在80—95dB），由于采用了独特的设计和驱动电缆新技术，将其一个输入极为悬浮地，很好地解决了杂散电容和寄生电容等的影响。

本系统数据采集模块利用KEITHLEY 182型号的七位半数字电压表进行模数转换，精度可达到级别，并且通过NI公司的GPIB-USB接口将数字量传入计算机中以进行数据处理及控制。GPIB-USB用于高速USB2.0的GPIB控制器；标准传输速率高达1.8MB/s；即插即用式安装，方便与电容测微仪连接使用。

Claims (5)

1.小孔测量中传感器的自动对中系统，其特征在于：包括一个底座，所述的底座上面设有一个支撑座，在所述的支撑座的上面设有一个能在三维坐标X,Y方向上来回滑动的工作台；所述的工作台的中心位置设有一个电容探针，在工作台的X、Y方向各固定两个相互对称的支杆，且相对称的支杆的中心线与电容探针的中心线在一条直线上，在相互对称的支杆上面，其中一个支杆设有激光发射装置，另一个支杆上面设有激光接收装置；在工作台的一侧三维坐标Z向设有一个Z向步进电机驱动的丝杠III，在所述的丝杠III的螺母上连接一个滑台，所述的滑台连接一个用于支撑工件的光杆；所述的电容探针用于测量工件上的孔径，且所述的电容探针与信号处理装置相连；

所述的工作台的驱动系统包括X向步进电机和Y向步进电机，所述的X向步进电机的输出端连接齿轮传动减速系统I，齿轮减速系统I的输出端带动丝杠I转动，丝杠I上的螺母I带动安装于其上的支架系统一起在X向左右移动，在所述的支架系统上设有能沿其前后运动的工作台；所述的Y向步进电机输出端连接齿轮传动减速系统II，齿轮减速系统II的输出端带动丝杠II转动，丝杠II上的螺母II带动安装于其上的工作台一起在Y向前后移动；

所述的Z向步进电机的输出端连接齿轮传动减速系统III，齿轮减速系统III的输出端带动丝杠III转动，丝杠III上的螺母III带动与其连接的滑台在Z方向运动，所述的滑台设于一个与丝杠III平行的导杆上，且滑台能沿着导杆来回滑动。

2.如权利要求1所述的自动对中系统，其特征在于：所述的激光发射装置为发射光纤，激光接收装置为接收光纤，且接收光纤为2个；两个接收光纤相对于电容探针的中心线对称排列。

3.如权利要求1所述的自动对中系统，其特征在于：所述的电容探针与被测小孔之间形成电容，该电容和标准电容分别与放大器相连，且分别作为放大器的反馈电容和输入电容；所述的放大器与振荡器相连，振荡器为其提供标准的振荡信号；放大器的输出端与精密整流电路相连，所述的精密整流电路与滤波器相连，所述的滤波器结合稳压电源、调零电路与数字表头或计算机相连，计算机对测量的信号处理。

4.如权利要求1所述的自动对中系统，其特征在于：所述的X向步进电机、Y向步进电机和Z向步进电机由驱动器驱动，且分别各自与一个光栅编码器相连，所述的光栅编码器将采集的信号发送给运动控制卡，所述的运动控制卡控制驱动器。

5.如权利要求4所述的自动对中系统，其特征在于：与Z向步进电机连接的光栅编码器选用L325型光栅尺，标尺长度325mm，测量长度320mm；X、Y轴的光栅编码器选用L30型光栅尺，标尺长度30mm，测量长度25mm，选用M1550S-40型读数头，电路进行20细分。