CN105180810B - 一种凸轮从动件运动规律的标定装置及方法 - Google Patents

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本发明公开了一种凸轮从动件运动规律的标定装置及方法,其包括机架、凸轮副机构、激光检测机构和控制装置,凸轮副机构包括相互配合的凸轮机构和从动机构,从动机构上固联有随动标定辅具;激光检测机构包括平面二维调整平台、高度调整平台和激光位移传感器测量头,平面二维调整平台通过直角支承座安装有竖直布置的高度调整平台;激光位移传感器测量头通过一体式夹持器固装在高度调整平台上,并置于随动标定辅具的上方;控制装置用于控制凸轮机构、从动机构和随动标定辅具动作,并控制所述激光位移传感器测量头进行在线测量,根据测量获得的数据得出凸轮从动件的运动规律。本发明具有标定速度快、标定精度高、结构简单、操作方便等优点。

Description

一种凸轮从动件运动规律的标定装置及方法
技术领域
[0001] 本发明属于标定装置及方法领域,更具体地,涉及一种凸轮从动件运动规律的标 定装置及方法。
背景技术
[0002] 凸轮机构由于结构紧凑、可靠性高、从动件能够获得各种高速、复杂的运动规律, 因此广泛应用于半自动化、自动化设备的控制。
[0003] 凸轮做匀速转动,从动件的运动规律由凸轮轮廓以及从动件的约束方式决定,一 般根据需要的从动件运动规律设计凸轮轮廓曲线以及从动件的约束即可获得需要的从动 件运动规律。但是由于制造误差导致的凸轮轮廓误差以及装配导致的从动件约束误差等原 因,使得从动件的实际运动规律与设计曲线并不完全一致。
[0004] 随着自动化机械以及精密仪器对凸轮从动件定位精度的要求越来越高,原有的以 从动件理论运动规律代替实际运动规律的开环控制方法已不能完全满足需要。对于凸轮机 构的高精度定位,需要标定从动件的实际运动规律作为控制的参考基础。而目前还没有一 种高精度、高效率的标定从动件实际运动规律的装置和方法,对如何提高凸轮从动件的运 动规律的标定精度和效率从而实现高精度的运动控制仍然是本领域要解决的技术难题之 〇
发明内容
[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种凸轮从动件运动规律的 标定装置及方法,其中通过采用激光位移传感器测量头实现非接触式测量,有效保证标定 的精度和效率,并针对被测对象在激光位移传感器测量参考位置测量精度最高,在量程极 限位置测量精度降低的特点,通过设计三维位置调节工装快速调整被测对象表面与测量头 之间的距离,保证被测表面测量起始点在激光位移传感器测量精度最高的参考距离位置, 具有标定速度快,标定精度尚等优点。
[0006] 为实现上述目的,按照本发明的一个方面,提出了一种凸轮从动件运动规律的标 定装置,其特征在于,包括机架、凸轮副机构、激光检测机构和控制装置,其中:
[0007] 该凸轮副机构固装在所述机架上,其包括相互配合的凸轮机构和凸轮从动件,所 述凸轮从动件上固联有随动标定辅具;
[0008] 该激光检测机构包括平面二维调整平台、高度调整平台和激光位移传感器测量 头,其中,所述平面二维调整平台水平安装在固定于所述机架上的支撑架上,并且其通过直 角支承座安装有竖直布置的所述高度调整平台;所述激光位移传感器测量头通过一体式夹 持器固装在所述高度调整平台上,并置于所述随动标定辅具的上方;
[0009] 该控制装置用于控制所述凸轮机构、凸轮从动件和随动标定辅具动作,并控制所 述激光位移传感器测量头进行在线测量,根据测量获得的数据得出凸轮从动件的运动规 律。
[0010] 作为进一步优选的,所述控制装置包括伺服电机、运动控制卡和CPU单元,其中,所 述伺服电机用于实时驱动所述凸轮机构运动,所述运动控制卡通过伺服驱动器控制所述伺 服电机动作,所述CHJ单元通过数据线与所述运动控制卡及用于控制所述激光位移传感器 测量头的激光位移传感器控制器相连。
[0011] 作为进一步优选的,所述随动标定辅具的被测表面为所述激光位移传感器测量头 发射激光束与其相交的平面;所述激光位移传感器测量头输出的激光束与该被测表面垂直 相交,并且所述被测表面的表面粗糙度的算术平均偏差值介于0.8微米到3.2微米之间。
[0012] 作为进一步优选的,当所述凸轮机构的实际装配初始相位角为其设计初始相位角 时,所述随动标定辅具被测表面距所述激光位移传感器测量头激光发射面的距离为预设的 测量参考距离。
[0013] 按照本发明的另一方面,提供了一种凸轮从动件运动规律的标定方法,其包括如 下步骤:
[0014] 1)将所述伺服电机运动到其旋转编码器的零点位置,以此位置对应的所述随动标 定辅具的位置作为初次测量的测量起始位置,然后调节所述平面二维调整平台使所述激光 位移传感器测量头发射的激光投射到所述随动标定辅具被测表面中心位置;
[0015] 2)根据所述激光位移传感器测量头测得的被测表面的位置数据调节所述高度调 整平台的高度,使得所述随动标定辅具被测表面距所述激光位移传感器测量头激光发射面 的距离为预设的测量参考距离;
[0016] 3)通过控制装置控制所述凸轮机构、凸轮从动件以及随动标定辅具做匀速运动, 所述激光位移传感器测量头开始连续测量,测得的所述随动测量辅具的位移变化数据用于 标定凸轮从动件的运动规律;
[0017] 4)通过上述标定的凸轮从动件的运动规律,确定凸轮从动件行程最高点和行程最 低点,进而确定其行程中点位置Smid;根据上述行程中点位置调节所述高度调整平台使激 光位移传感器测量头的读数变为-Smid;然后使所述随动标定辅具运动到该行程中点位置, 并以此位置作为新的测量初始点,在该新的测量初始点位置,所述随动标定辅具被测表面 距所述激光位移传感器测量头激光发射面的距离为测量参考距离;重复步骤3)以实现凸轮 从动件运动规律的二次标定,并获得二次标定数据;
[0018] 5)通过对步骤4)获得的二次标定数据,以旋转编码器的零点位置作为最终偏置后 的实际零点,将二次标定数据中的所有从动件位移数据减去以行程中点作为二次标定测量 零点时,编码器零点位置对应的从动件位移值,最终获得凸轮从动件的运动规律曲线。
[0019] 总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,主要具备以下的 技术优点:
[0020] 1.通过激光位移传感器测量头实现非接触式测量,有效保证标定的精度和效率, 并针对被测对象在激光位移传感器测量参考位置测量精度最高,在量程极限位置测量精度 降低的特点,通过设计三维位置调节工装快速调整被测对象表面与测量头之间的距离,保 证被测表面测量起始点在激光位移传感器测量精度最高的参考距离位置,提高仪器的安 装、校准效率及测量精度。
[0021] 2.通过二次标定技术,使得被测对象的行程相对测量参考位置对称分布,进一步 提高了测量精度;通过使用标准随动标定辅具保证被测表面的光学散射特性能很好的满足 激光三角法的测量需求,避免在从动件零件表面产生缺陷以及表面法线相对测量激光倾斜 造成的测量误差,并且通过采用标准化的随动标定辅具提高测量效率;通过激光位移传感 器测得的随动测量辅具的位移变化数据即可用于标定凸轮机构从动件运动规律,具有标定 快速、精度高、结构简单、操作方便等优点,测量精度可达到微米级。
附图说明
[0022] 图1是本发明一种凸轮从动件运动规律的标定装置的整体结构图;
[0023] 图2是初次标定的凸轮从动件运动规律图;
[0024] 图3是以从动件行程中点作为测量初始点的凸轮从动件运动规律图;
[0025] 图4是以从动件行程中点作为测量初始点经过零点偏置后的凸轮从动件运动规律 图;
[0026] 图5是凸轮副机构的主视图;
[0027] 图6是凸轮副机构的左视图。
具体实施方式
[0028] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对 本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并 不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0029] 如图1所示,本发明的一种凸轮从动件运动规律的标定装置,其包括机架1、凸轮副 机构、激光检测机构和控制装置。
[0030] 具体的,如图5、图6所示,凸轮副机构包括凸轮机构3和凸轮从动件4,凸轮机构3固 装在机架1上,凸轮从动件4上通过螺纹固联有随动标定辅具10,随动标定辅具10随凸轮从 动件4动作,两者的运动规律相同。
[0031] 进一步的,激光检测机构包括平面二维调整平台5、高度调整平台7和激光位移传 感器测量头9,平面二维调整平台5水平安装在固定于机架1上的支撑架上,并且其通过直角 支承座6安装有竖直布置的高度调整平台7;激光位移传感器测量头9通过一体式夹持器8固 装在高度调整平台7上,并置于随动标定辅具10的上方,即平面二维调整平台5、直角支承座 6、高度调整平台7、一体式夹持器8通过螺栓连接为整体作为激光位移传感器测量头9的三 维位置调节工装;随动标定辅具10的被测表面为激光位移传感器测量头9发射激光束与其 相交的平面,激光位移传感器测量头9输出的激光束与该被测表面垂直相交,并且被测表面 的表面粗糙度的算术平均偏差值介于〇. 8微米到3.2微米之间,被测表面的颜色为灰白色或 者红色。
[0032] 此外,控制装置用于控制凸轮机构3、凸轮从动件4和随动标定辅具10动作,并控制 激光位移传感器测量头9进行在线测量,根据测量获得的数据得出凸轮从动件的运动规律, 控制装置包括带旋转编码器的伺服电机2、运动控制卡和CPU单元,其中,伺服电机2与凸轮 机构3、凸轮从动件4组成传动链,用于实时驱动凸轮机构3运动,运动控制卡通过伺服驱动 器控制伺服电机2动作,CPU单元通过数据线与运动控制卡及用于控制激光位移传感器测量 头9的激光位移传感器控制器相连。
[0033] 下面对采用本发明提供的标定装置用于标定凸轮从动件运动规律的具体操作步 骤进行详细的描述,其具体包括如下步骤:
[0034] 1)通过控制装置使伺服电机2运动到电机编码器零点位置,以此位置对应的随动 标定辅具10的位置作为初次测量的测量起始位置,通过调节平面二维调整平台5使激光位 传感器测量头9发射激光投射到随动标定辅具10被测表面中心附近位置。
[0035] 2)根据激光位移传感器测得的被测表面位置数据Sl调节高度调整平台7,使得当 凸轮机构3的实际装配初始相位角不等于设计初始相位角时,随动标定辅具被测表面距激 光位移传感器测量头9激光发射面距离仍然为预设的测量参考距离,调节后,激光位移传感 器的读数接近零,然后在该位置将激光位移传感器读数清零。
[0036] 3)通过控制装置使运动控制卡的脉冲发送频率与激光位移传感器的数据采样频 率保持一定的比例关系进行连续测量,如设置运动控制卡的脉冲发送频率为1脉冲每毫秒, 激光位移传感器测量头9的采样周期为50微秒,开始连续测量后,通过控制装置控制凸轮机 构3、凸轮从动件4以及随动标定辅具10做匀速运动,将测得的随动测量辅具的位移变化数 据每20个取平均值作为从动件在每个电机编码器位置的运动位置数据(如表1所示),得到 从动件的运动规律曲线如图2所示。
[0037] 表1初次测量凸轮从动件运动规律数据(部分)
Figure CN105180810BD00071
Figure CN105180810BD00081
[0040] 4)通过表1确定凸轮从动件行程最高点的读数Smax为33.3微米,凸轮从动件行程 最低点的Smin读数为-4839.7微米,据此确定移动凸轮机构从动件行程中点Smid= (Smax+ Smin)/2 = -2403.2微米,根据从动件行程中点位置调节高度调整平台使激光位移传感器在 原测量初始点的读数变为2403.2微米左右,然后通过控制装置使运动控制卡发送1798脉 冲,使随动标定辅具运动到行程中点位置附近,在该位置激光位移传感器的读数接近零,然 后将读数清零,以该位置作为新的初始测量点,在该新的测量初始点位置,随动标定辅具10 被测表面距激光位移传感器测量头9激光发射面距离为预设的测量参考距离,同时,从动件 的行程以新的初始测量点的位置对称分布;然后,重新开始标定步骤3),得到从动件在每个 电机编码器位置的运动位置数据,如表2所示,得到从动件的运动规律曲线,如图3所示。 [0041]表2以从动件行程中点作为测量初始点凸轮从动件运动规律数据(部分)
Figure CN105180810BD00091
[0043]
Figure CN105180810BD00101
[0044] 5)仍旧以伺服电机编码器零点位置作为凸轮从动件运动规律的位移零点,通过对 表2数据中的所有从动件位移数据加上-2403.2微米进行零点偏置后,凸轮机构旋转运动存 在周期性,伺服电机的运动周期为8192脉冲计数每转,将表2中编码器位置超过8193脉冲计 数的编码器位置数据减去8192脉冲计数后得到0到1797脉冲计数,最后得到从动件在0到 8192电机编码器位置的运动位置数据,如表3所示,得到从动件的运动规律曲线,如图4所 不。
[0045]表3以从动件行程中点作为测量初始点,经过零点偏置后的凸轮从动件运动规律 (部分)
Figure CN105180810BD00111
[0047]
Figure CN105180810BD00121
[0048] 综上,通过本发明的实施例提供的凸轮从动件运动规律标定方法和本发明的激光 位移传感器测量头调整装置及辅助随动标定装置,能够快速、高精度的标定移动从动件凸 轮机构从动件运动规律。
[0049] 本领域的技术人员容易理解,以上所仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限 制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在 本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1. 一种凸轮从动件运动规律的标定装置,其特征在于,包括机架(I)、凸轮副机构、激光 检测机构和控制装置,其中: 该凸轮副机构固装在所述机架(1)上,其包括相互配合的凸轮机构(3)和凸轮从动件 ⑷,所述凸轮从动件⑷上固联有随动标定辅具(10); 该激光检测机构包括平面二维调整平台(5)、高度调整平台(7)和激光位移传感器测量 头(9),其中,所述平面二维调整平台⑸水平安装在固定于所述机架(1)上的支撑架上,并 且其通过直角支承座⑹安装有竖直布置的所述高度调整平台(7);所述激光位移传感器测 量头(9)通过一体式夹持器(8)固装在所述高度调整平台⑺上,并置于所述随动标定辅具 (10)的上方; 该控制装置用于控制所述凸轮机构(3)、凸轮从动件⑷和随动标定辅具(10)动作,并 控制所述激光位移传感器测量头(9)进行在线测量,根据测量获得的数据得出凸轮从动件 的运动规律。
2. 如权利要求1所述的凸轮从动件运动规律的标定装置,其特征在于,所述控制装置包 括伺服电机(2)、运动控制卡和CPU单元,其中,所述伺服电机(2)用于实时驱动所述凸轮机 构⑶运动,所述运动控制卡通过伺服驱动器控制所述伺服电机⑵动作,所述CPU单元通过 数据线与所述运动控制卡及用于控制所述激光位移传感器(9)的激光位移传感器控制器相 连。
3. 如权利要求1或2所述的凸轮从动件运动规律的标定装置,其特征在于,所述随动标 定辅具(10)的被测表面为所述激光位移传感器测量头(9)发射激光束与其相交的平面;所 述激光位移传感器测量头(9)输出的激光束与该被测表面垂直相交,并且所述被测表面的 表面粗糙度的算术平均偏差值介于〇. 8微米到3.2微米之间。
4. 如权利要求3所述的凸轮从动件运动规律的标定装置,其特征在于,当所述凸轮机构 (3)的实际装配初始相位角为其设计初始相位角时,所述随动标定辅具(10)被测表面距所 述激光位移传感器测量头(9)激光发射面的距离为预设的测量参考距离。
5. —种采用如权利要求1-4任一项所述的标定装置标定凸轮从动件运动规律的方法, 其包括如下步骤: 1) 将伺服电机(2)运动到其旋转编码器的零点位置,以此位置对应的所述随动标定辅 具(10)的位置作为初次测量的测量起始位置,然后调节所述平面二维调整平台(5)使所述 激光位移传感器测量头(9)发射的激光投射到所述随动标定辅具(10)被测表面中心位置; 2) 根据所述激光位移传感器测量头(9)测得的被测表面的位置数据调节所述高度调整 平台⑺的高度,使得所述随动标定辅具(10)被测表面距所述激光位移传感器测量头⑼激 光发射面的距离为预设的测量参考距离; 3) 通过控制装置控制所述凸轮机构(3)、凸轮从动件⑷以及随动标定辅具(10)做匀速 运动,所述激光位移传感器测量头⑼开始连续测量,测得的所述随动测量辅具(10)的位移 变化数据用于标定凸轮从动件的运动规律; 4) 通过上述标定的凸轮从动件的运动规律,确定凸轮从动件行程最高点和行程最低 点,进而确定其行程中点位置Smid;根据上述行程中点位置调节所述高度调整平台⑺使激 光位移传感器测量头(9)的读数变为-Smid;然后使所述随动标定辅具(10)运动到该行程中 点位置,并以此位置作为新的测量初始点,在该新的测量初始点位置,所述随动标定辅具 (10)被测表面距所述激光位移传感器测量头(9)激光发射面的距离为测量参考距离;重复 步骤3)以实现凸轮从动件运动规律的二次标定,并获得二次标定数据; 5)通过对步骤4)获得的二次标定数据,以旋转编码器的零点位置作为最终偏置后的实 际零点,将二次标定数据中的所有从动件位移数据减去以行程中点作为二次标定测量零点 时,编码器零点位置对应的从动件位移值,最终获得凸轮从动件的运动规律曲线。
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