CN103940342B - 一种对滚式弧面凸轮加工精度检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对滚式弧面凸轮加工精度检测装置，该装置包括凸轮对滚实验台和测控系统；本发明通过手轮对弧面凸轮和从动件位置进行调整，通过直线导轨和光栅尺进行定位能对弧面凸轮机构中心距进行精确检测，从而测量多种规格的弧面凸轮；通过伺服电机和光电编码器进行角度的控制和检测，对弧面凸轮的输入输出位移进行精确测量，从而检测弧面凸轮的表面误差；同时，在计算机上显示实时的弧面凸轮误差曲线，对检测结果进行存储和打印报表；本装置可实现对弧面凸轮加工精度进行快速测量，实现弧面凸轮的快速检测和质量评价。

Description

一种对滚式弧面凸轮加工精度检测装置

技术领域

本发明涉及机电一体化领域，具体涉及一种对滚式弧面凸轮加工精度检测装置的开发。

背景技术

弧面凸轮分度机构由弧面凸轮和从动件组成，具有传动速度快、分度精度高等优点。弧面凸轮是自动换刀装置ATC的主要部件，弧面凸轮的表面精度决定着ATC的性能。因此，想要设计出结构紧凑，运动平稳，换刀速度快的自动换刀装置，必须研究弧面凸轮的表面误差。

对弧面凸轮的误差进行测量有很大的工程意义，能对弧面凸轮的生产进行指导，又能对弧面凸轮的性能进行评判。由于弧面凸轮表面为不可展开的空间曲面，因此，对弧面凸轮的表面误差的研究存在很大困难，目前对弧面凸轮误研究方式主要有两种：对弧面凸轮的表面进行直接测量、通过弧面凸轮和从动件的啮合传动对输入输出信号进行测量。

对弧面凸轮误差检测主要工具为三坐标测量仪，这种测量方法测量精度高，但是成本较高，测量时间长，比较适合以研究为目的的测量，不能对弧面凸轮进行快速测量和质量评定，不适合一般工厂和生产线上的测量。在工厂生产线上对弧面凸轮的评定依靠的是工人师傅的经验，通过视觉和触觉辨别弧面凸轮的好坏。弧面凸轮表面误差进行测量的对滚检测系统能快速对弧面凸轮的误差进行高精度的检测和定位，并且可测量不同规格多种型号的弧面凸轮。

发明内容

本发明目的在于提出了一种对滚式弧面凸轮加工精度检测装置，对弧面凸轮加工精度进行快速测量，实现弧面凸轮的快速检测和质量评价。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种对滚式弧面凸轮加工精度检测装置，该装置包括凸轮对滚实验台和测控系统。

所述弧面凸轮对滚实验台包括底座、左支撑座、右支撑座、弧面凸轮、从动件、主轴驱动电机、从动轴驱动电机、弧面凸轮固定臂、从动件固定臂、手轮a、手轮b、手轮c、主动轴编码器、从动轴编码器、光栅尺a、光栅尺b；通过调节安装在底座侧面上的手轮b，可以调节左支撑座在底座上的水平位置，来改变弧面凸轮和从动件之间的水平位置，即中心距以适应不同尺寸的弧面凸轮机构；在底座表面装有光栅尺a，用来测量中心距；所述测控系统包括用于实时控制主轴驱动电机和从动轴驱动电机的控制电路；用于对主动轴编码器和从动轴编码器进行信号处理的检测电路；用于对主伺服电机发出控制指令和采集编码器信号的上位计算机；用于实现对命令控制、数据采集、数据整合、数据处理、数据显示以及存储和打印的测控软件。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

1、本发明通过手轮对弧面凸轮和从动件位置进行调整，通过直线导轨和光栅尺进行定位能对弧面凸轮机构中心距进行精确检测，从而测量多种规格的弧面凸轮。

2、本发明通过伺服电机和光电编码器进行角度的控制和检测，对弧面凸轮的输入输出位移进行精确测量，从而检测弧面凸轮的表面误差。

3、在计算机上显示实时的弧面凸轮误差曲线，对检测结果进行存储和打印报表。

附图说明

图1对滚式弧面凸轮加工精度检测装置的整体构成示意图。

图2对滚式弧面凸轮加工精度检测装置中对滚平台的结构示意图。

图3主轴驱动电机的安装方式示意图。

图4为滚珠丝杠的传动方式示意图。

图5为顶尖接触方式示意图。

图6a为右支撑座滚珠丝杠传动示意图。

图6b为右支撑座滚珠丝杠传动的A-A剖面示意图。

图7为从动件定位和传动示意图。

图中：1、底座，2、左支撑座，3、右支撑座，4、弧面凸轮，5、从动件，6、主轴驱动电机，7、从动轴驱动电机，8、弧面凸轮固定臂，9、从动件固定臂，10、手轮a，11、手轮b，12、手轮c，13、主动轴编码器，14、从动轴编码器，15、光栅尺a，16、光栅尺b。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。

如图1-2所示，一种对滚式弧面凸轮加工精度检测装置，该装置包括弧面凸轮对滚实验台和测控系统。

所述弧面凸轮对滚实验台包括底座1、左支撑座2、右支撑座3、弧面凸轮4、从动件5、主轴驱动电机6、从动轴驱动电机7、弧面凸轮固定臂8、从动件固定臂9、手轮a10、手轮b11、手轮c12、主动轴编码器13、从动轴编码器14、光栅尺a15、光栅尺b16；具体而言，所述底座1表面设有滑槽，右支撑座3通过底座1的滑槽与其配合，且右支撑座3可沿底座1的滑槽滑动；底座1上装有手轮b11，通过内部螺纹传动，带动右支撑座3沿底座1滑动；所述传动机构为滚珠丝杠，传动方式如图4所示。转动手轮时，手轮带动锥齿轮转动，从而使丝杠转动。丝杠上固定的两个螺母做直线运动，右支撑座3搭载在这两个螺母上，随螺母座直线运动，实现水平位置的调整。

左支撑座2与底座1的表面垂直装配；弧面凸轮固定臂8一端通过丝杠安装在左支撑座2上，且弧面凸轮固定臂8与底座1表面平行；弧面凸轮4通过顶尖与弧面凸轮固定臂8的输出轴定位，保证其同轴度。如图5所示，固定方式采用联轴器固定，利用梅花型联轴器实现扭矩的传递。先将梅花型联轴器的上下两端分别安装在两个轴上，然后通过顶尖定位，确保两个轴心的位置为同轴，再将梅花型联轴器合并，这样，就可确保两根轴的同轴度。弧面凸轮4与顶尖同轴安装；左支撑座2内设有的丝杠通过调节安装在左支撑座2的手轮c12进行调节，可实现对弧面凸轮固定臂8的竖直方向的调整，以适应不同型号的弧面凸轮，丝杠螺母运动副如图6a所示，手轮带动丝杠转动，安装在丝杠上的螺母随丝杠的转动实现上下直线运动，弧面凸轮固定臂搭载在这个螺母上。左支撑座2上装有燕尾槽，弧面凸轮固定臂通过燕尾槽固定，通过滚珠丝杠运动副上下运动，实现竖直位置的调整。主轴驱动电机6与弧面凸轮4的传动轴同轴安装，电机为伺服电机用来为弧面凸轮4提供动力；主动轴编码器13安装在弧面凸轮4的传动轴上，用以采集弧面凸轮4的转角信号。

固定在底座1上的右支撑座3与底座1的表面垂直安装；从动件固定臂9安装在右支撑座3上，其上表面和底座1表面平行；从动件5通过顶尖与从动件固定臂固定，从动件5与顶尖同轴安装；右支撑座3内装有丝杠，调节安装在右支撑座3上的手轮a10，可以对从动件固定臂9进行竖直位置上的调节，其原理与弧面凸轮固定臂位置调整原理相同，为滚珠丝杠运动副，如图6b所示。参考光栅尺b16的读数，使弧面凸轮4和从动件5的中心面在同一平面内，防止啮合过程中产生误差；从动轴驱动电机7与从动件5同轴安装，电机选用伺服电机，通过测控系统来控制伺服电机，控制模式为转矩控制，使其始终输出相同的转矩，旋转的方向和弧面凸轮旋转的方向相反，用来为弧面凸轮4的运动提供负载；从动轴编码器14安装在从动件5的传动轴上，用来采集从动件5的转角信息。从动件5的固定方式如图7所示，电机通过止口定位，通过螺栓固定，通过联轴器与顶尖相连。从动件通过顶尖定位，通过梅花型联轴器实现扭矩的传动。

通过调节安装在底座侧面上的手轮b11，可以调节左支撑座2在底座1上的水平位置，来改变弧面凸轮4和从动件5之间的水平位置，即中心距以适应不同尺寸的弧面凸轮机构；在底座1表面装有光栅尺a15，用来测量中心距。

所述测控系统包括：控制电路、检测电路、上位计算机及测控软件。

上位计算机通过RS485接口连接主轴驱动电机6和从动轴驱动电机7的伺服控制器，由测控软件发出控制指令；通过PCI总线实现与数据采集模块的通讯，实时采集来自主动轴编码器13和从动轴编码器14的转角信号，有测控软件进行后续处理。

所述控制电路接收上位计算机中测控软件发出的控制指令，通过伺服控制器及伺服驱动器实现对主轴驱动电机6和从动轴驱动电机7的控制。所选用伺服驱动器同时满足两种输出模式：恒转速输出及恒转矩输出。控制主轴驱动电机6恒转速输出；控制从动轴驱动电机7恒转矩输出。

所述检测电路包括编码器信号细分模块、鉴向模块和采集模块，处理来自主动轴编码器13和从动轴编码器14的信号。

编码器采用模拟量输出编码器，通过对输出的模拟信号进行细分，可降低对编码器精度的要求，降低成本。

所述上位计算机接收数据采集模块检测到的主动轴编码器13和从动轴编码器14的信号，数据采集模块插在上位计算机主板的扩展槽中，通过PCI总线实现与上位计算机的通讯。上位计算机通过RS485接口连接伺服控制器，由伺服驱动器控制伺服电机的运转，控制主轴驱动电机6实现匀转速运动，控制从动轴驱动电机7实现恒转矩运动。

所述测控软件实现命令控制、数据采集、数据整合、数据处理、数据显示以及存储和打印功能。

将弧面凸轮4固定在弧面凸轮固定臂8上；把从动件5固定在从动件固定臂9上；调整手轮a10，使弧面凸轮4和从动件5的中心平面处在同一平面内；调整手轮b11，根据光栅尺a15的读数，对中心距进行测量。

通过测控系统对主轴驱动电机6进行实时控制，使其进行匀速转动；主动轴编码器13采集弧面凸轮4的转角信息，主动轴编码器13采集的弧面凸轮转角为θ。

通过测控系统对从动轴驱动电机7进行实时控制，使其输出恒转矩，为弧面凸轮4提供负载；从动轴编码器14分别采集从动件的的转角信号，从动件的转角为θt；控软件通过VC6.0平台开发，监测正反两路脉冲数，将脉冲个数分别赋给int型变量num1和num2，这两个变量之差即为编码器的绝对位移，再乘以编码器的精度，就可计算出编码器的转角。用θ表示弧面凸轮4转角，用θ_t表示从动件转角，而从动件的理论转角θ_f可以通过以下公式计算而得：

而|θ_f-θ_t|即为从动件转角误差，测控软件监控该值，并根据该值绘制曲线、显示、存储并打印。

系统测量进度为10"，那么，对编码器精度则必须达到360°×60'×6"＝12960P/R，要求过高。通过细分对编码器进行8倍细分，编码器精确只需达到1620P/R即可，可大大减少成本。细分模块采用移项细分+逻辑细分来实现8倍频。移项细分模块中，用运算放大器搭建的加法电路和减法电路将编码器输出的两路模拟量sinα和cosα变为sin(α+45°)和sin(α-45°)。将这路信号输入运算放大器组成的过零比较器，使其整形成方波。再将这两路方波送入由与门搭建成的异或电路做异或运算，可实现2倍频。将这2倍频脉冲信号送入由施密特触发器及与或门搭建成的逻辑细分电路来实现4倍频。最终达到8倍频的细分效果。把细分好的脉冲信号送入鉴向模块，输出两路8倍脉冲信号，一路信号时编码器正转的脉冲，一路信号时编码器反转的脉冲。鉴向模块通过简单的逻辑芯片就能实现。将这两路8倍脉冲信号送入数据采集模块，数据采集模块的主要是由数据采集卡构成的。电机转速为60r/min，精度为10"，信号频率为360°×60'×6”/60s＝129600Hz，数据采集卡的采样频率一般为信号频率的4-8倍，本系统选用的采集卡为20MHz的高频率数据采集卡。

Claims (4)

1.一种对滚式弧面凸轮加工精度检测装置，其特征在于：该装置包括弧面凸轮对滚实验台和测控系统；

所述弧面凸轮对滚实验台包括底座(1)、左支撑座(2)、右支撑座(3)、弧面凸轮(4)、从动件(5)、主轴驱动电机(6)、从动轴驱动电机(7)、弧面凸轮固定臂(8)、从动件固定臂(9)、手轮a(10)、手轮b(11)、手轮c(12)、主动轴编码器(13)、从动轴编码器(14)、光栅尺a(15)、光栅尺b(16)；具体而言，所述底座(1)表面设有滑槽，右支撑座(3)通过底座(1)的滑槽与其配合，且右支撑座(3)可沿底座(1)的滑槽滑动；底座(1)上装有手轮b(11)，通过内部螺纹传动，带动右支撑座(3)沿底座(1)滑动；所述传动机构为滚珠丝杠，转动手轮时，手轮带动锥齿轮转动，从而使丝杠转动；丝杠上固定的两个螺母做直线运动，右支撑座(3)搭载在这两个螺母上，随螺母座直线运动，实现水平位置的调整；

左支撑座(2)与底座(1)的表面垂直装配；弧面凸轮固定臂(8)一端通过丝杠安装在左支撑座(2)上，且弧面凸轮固定臂(8)与底座(1)表面平行；弧面凸轮(4)通过顶尖与弧面凸轮固定臂(8)的输出轴定位，保证其同轴度；固定方式采用联轴器固定，利用梅花型联轴器实现扭矩的传递；先将梅花型联轴器的上下两端分别安装在两个轴上，然后通过顶尖定位，确保两个轴心的位置为同轴，再将梅花型联轴器合并；弧面凸轮(4)与顶尖同轴安装；左支撑座(2)内设有的丝杠通过调节安装在左支撑座(2)的手轮c(12)进行调节，可实现对弧面凸轮固定臂(8)的竖直方向的调整，以适应不同型号的弧面凸轮，手轮带动丝杠转动，安装在丝杠上的螺母随丝杠的转动实现上下直线运动，弧面凸轮固定臂搭载在这个螺母上；左支撑座(2)上装有燕尾槽，弧面凸轮固定臂通过燕尾槽固定，通过滚珠丝杠运动副上下运动，实现竖直位置的调整；主轴驱动电机(6)与弧面凸轮(4)的传动轴同轴安装，电机为伺服电机用来为弧面凸轮(4)提供动力；主动轴编码器(13)安装在弧面凸轮(4)的传动轴上，用以采集弧面凸轮(4)的转角信号；

固定在底座(1)上的右支撑座(3)与底座(1)的表面垂直安装；从动件固定臂(9)安装在右支撑座(3)上，其上表面和底座(1)表面平行；从动件(5)通过顶尖与从动件固定臂固定，从动件(5)与顶尖同轴安装；右支撑座(3)内装有丝杠，调节安装在右支撑座(3)上的手轮a(10)，可以对从动件固定臂(9)进行竖直位置上的调节，其原理与弧面凸轮固定臂位置调整原理相同，为滚珠丝杠运动副；参考光栅尺b(16)的读数，使弧面凸轮(4)和从动件(5)的中心面在同一平面内，防止啮合过程中产生误差；从动轴驱动电机(7)与从动件(5)同轴安装，电机选用伺服电机，通过测控系统来控制伺服电机，控制模式为转矩控制，使其始终输出相同的转矩，旋转的方向和弧面凸轮旋转的方向相反，用来为弧面凸轮(4)的运动提供负载；从动轴编码器(14)安装在从动件(5)的传动轴上，用来采集从动件(5)的转角信息；电机通过止口定位，通过螺栓固定，通过联轴器与顶尖相连；从动件(5)通过顶尖定位，通过梅花型联轴器实现扭矩的传动；

通过调节安装在底座侧面上的手轮b(11)，可以调节左支撑座(2)在底座(1)上的水平位置，来改变弧面凸轮(4)和从动件(5)之间的水平位置，即中心距以适应不同尺寸的弧面凸轮机构；在底座(1)表面装有光栅尺a(15)，用来测量中心距；

所述测控系统包括控制电路、检测电路、上位计算机及测控软件；

上位计算机通过RS485接口连接主轴驱动电机(6)和从动轴驱动电机(7)的伺服控制器，由测控软件发出控制指令；通过PCI总线实现与数据采集模块的通讯，实时采集来自主动轴编码器(13)和从动轴编码器(14)的转角信号，有测控软件进行后续处理。

2.根据权利要求1所述的一种对滚式弧面凸轮加工精度检测装置，其特征在于：所述控制电路接收上位计算机中测控软件发出的控制指令，通过伺服控制器及伺服驱动器实现对主轴驱动电机(6)和从动轴驱动电机(7)的控制；

所述检测电路包括编码器信号细分模块、鉴向模块和采集模块，处理来自主动轴编码器(13)和从动轴编码器(14)的信号；

编码器采用模拟量输出编码器，通过对输出的模拟信号进行细分，可降低对编码器精度的要求，降低成本；

所述上位计算机接收数据采集模块检测到的主动轴编码器(13)和从动轴编码器(14)的信号，数据采集模块插在上位计算机主板的扩展槽中，通过PCI总线实现与上位计算机的通讯；上位计算机通过RS485接口连接伺服控制器，由伺服控制器控制伺服电机的运转，控制主轴驱动电机(6)实现匀转速运动，控制从动轴驱动电机(7)实现恒转矩运动；

所述测控软件实现命令控制、数据采集、数据整合、数据处理、数据显示以及存储和打印功能。

3.根据权利要求1所述的一种对滚式弧面凸轮加工精度检测装置，其特征在于：将弧面凸轮(4)固定在弧面凸轮固定臂(8)上；把从动件(5)固定在从动件固定臂(9)上；调整手轮a(10)，使弧面凸轮(4)和从动件(5)的中心平面处在同一平面内；调整手轮b(11)，根据光栅尺a(15)的读数，对中心距进行测量；

通过测控系统对主轴驱动电机(6)进行实时控制，使其进行匀速转动；主动轴编码器(13)采集弧面凸轮(4)的转角信息，主动轴编码器(13)采集的弧面凸轮转角为θ；

通过测控系统对从动轴驱动电机(7)进行实时控制，使其输出恒转矩，为弧面凸轮(4)提供负载；从动轴编码器(14)分别采集从动件的的转角信号，从动件的转角为θt；控软件通过VC6.0平台开发，监测正反两路脉冲数，将脉冲个数分别赋给int型变量num1和num2，这两个变量之差即为编码器的绝对位移，再乘以编码器的精度，就可计算出编码器的转角；用θ表示弧面凸轮(4)转角，用θ_t表示从动件转角，而从动件的理论转角θ_f可以通过以下公式计算而得，

而|θ_f-θ_t|即为从动件转角误差，测控软件监控该值，并根据该值绘制曲线、显示、存储并打印。

4.根据权利要求1或2所述的一种对滚式弧面凸轮加工精度检测装置，其特征在于：所选用伺服驱动器同时满足两种输出模式：恒转速输出及恒转矩输出；控制主轴驱动电机(6)恒转速输出；控制从动轴驱动电机(7)恒转矩输出。