CN108759694A - 一种快速大冗余度的轴承尺寸检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速大冗余度的轴承尺寸检测系统，包括旋转、光谱共焦激光测距传感器、第一三角法激光测距传感器、第二三角法激光测距传感器、光栅尺、旋转编码器，还包括数字信号处理器、数字信号处理器通过其内置的ADC分别与光谱共焦激光测距传感器、第一三角法激光测距传感器、第二三角法激光测距传感器连接，各个光栅尺以及旋转编码器分别通过正交解码模块接入数字信号处理器；数字信号处理器中利用各个激光测距传感器测量的距离以及通过光栅尺得出这些传感器的位置，与旋转台回转的角度组成的极坐标系来得出待测轴承上各个点的坐标后，便可以使用这些坐标通过数学方法计算出轴承的各项参数。
Description
技术领域
本发明涉及轴承检测系统领域，具体是一种快速大冗余度的轴承尺寸检测系统。
背景技术
轴承是机械领域内一种重要的基础零部件，随着工业化的深入，机械产业对轴承的质量与产量越来越高。在轴承的生产过程中，其尺寸精度检测是很重要的一环，现如今的轴承检测技术主要包括：
1.人工检测法，即工人利用千分表、塞规、塞尺等工具来测量轴承。这种方法依赖技术员的技术熟练度，且费事费力。
2.半自动化检测法，即将人工检测法中的一些步骤利用自动化机械装置来代替。这个方法相对于人工检测法要简化不少，但是仍然有对心等繁复的步骤。
3.全自动化检测法，即工人几乎不参与轴承检测过程，主要依赖自动化装备来检测，其传感器大都是机械式、接触式的，存在精度较低，检测速度慢等缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种柔性的快速大冗余度的轴承尺寸检测系统。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种快速大冗余度的轴承尺寸检测系统，其特征在于：包括：
旋转台，其用于支撑待测轴承，并由旋转台带动轴承绕Z向做旋转运动，且旋转角度由旋转编码器测量；
光谱共焦激光测距传感器，其测量待测轴承内径，光谱共焦激光测距传感器可在X、Y、Z方向上移动，光谱共焦激光测距传感器在X、Y、Z方向上的移动距离分别由光栅尺测量；
第一三角法激光测距传感器，其测量待测轴承端面，第一三角法激光测距传感器可在Y方向、Z方向上移动，第一三角法激光测距传感器在Y、Z方向上的移动距离分别由光栅尺测量；
第二三角法激光测距传感器，其测量待测轴承外径，第二三角法激光测距传感器可在Y方向、Z方向上移动，第二三角法激光测距传感器在Y、Z方向上的移动距离分别由光栅尺测量；
还包括数字信号处理器、正交解码模块，数字信号处理器通过其内置的ADC 分别与光谱共焦激光测距传感器、第一三角法激光测距传感器、第二三角法激光测距传感器连接，各个光栅尺以及旋转编码器分别通过正交解码模块接入数字信号处理器；光谱共焦激光测距传感器、第一三角法激光测距传感器、第二三角法激光测距传感器测得的信号经ADC转换后送入数字信号处理器，光谱共焦激光测距传感器、第一三角法激光测距传感器、第二三角法激光测距传感器各自移动的距离由光栅尺测得，光栅尺测量的信号经正交解码模块采集至数字信号处理器，旋转台带动待测轴承的转动角度由旋转编码器测得，旋转编码器测量的信号经正交解码模块采集至数字信号处理器；
数字信号处理器中利用各个激光测距传感器测量的距离以及通过光栅尺得出这些传感器的位置，与旋转台回转的角度组成的极坐标系来得出待测轴承上各个点的坐标后，便可以使用这些坐标通过数学方法计算出轴承的各项参数。
所述的一种快速大冗余度的轴承尺寸检测系统，其特征在于：数字信号处理器型号为TMS320F28377D。
所述的一种快速大冗余度的轴承尺寸检测系统，其特征在于：数字信号处理器通过串行通讯模块SCI与触摸屏连接用来实现人机交互。
所述的一种快速大冗余度的轴承尺寸检测系统，其特征在于：数字信号处理器通过同步通讯模块SPI与外部大容量存储介质连接用来存储系统参数与历史数据。
本发明主要依赖激光测距传感器测量的距离与旋转台回转的角度组成的极坐标系来得出轴承上各个点的坐标，使用这些坐标数值通过数学方法计算出轴承几何形状的各项参数，包括但是不限于轴承内外圈的外径、内径、滚道半径，以及圆跳动等偏差。
本发明需要3个激光传感器，两个三角法激光测距传感器分别测量外径与端面，一个光谱共焦激光测距传感器测量内径，这三个传感器均可运动。待测轴承是放置在随旋转台回转的平台上，由伺服电机作为动力源，且该平台的为整个装置的基准。设定上下方向为Z轴，且正向为上；左右方向为Y轴，且正向为右；前后方向为X轴，且正向为前。由此，轴承放置平台的旋转中心为Z轴，Z轴与该平台的交点为坐标系原点，测量外径、测量端面的三角法激光测距传感器都在X轴上，且分别沿Y与Z的方向做进给运动；测量内径的光谱共焦激光测距传感器在XYZ三个方向进给。而该装置需要校准的，就是回转平台的位置，即回转中心与传感器的相对位置与水平度需要调校准确，这样才能组成一个完整的坐标系。
本发明采用的是TMS320F28377D这款数字信号处理器，具有最多800Mhz 的运算速度，16位高精度ADC，3路正交解码模块eQEP，3路串行通讯模块SCI， 3路同步通讯模块SPI。16位ADC连接光谱共焦激光测距传感器与三角法激光测距传感器；正交解码模块eQEP用来接受光栅尺与旋转编码器的正交信号来实时检测传感器的位置；串行通讯模块SCI与触摸屏连接用来实现人机交互；同步通讯模块SPI与外部大容量存储介质连接用来存储系统参数与历史数据。
与现有技术相比，本发明的优点为：
1.本发明方法采用非接触式测量，对工件表面没有损伤。
2.本发明方法采用高精度激光传感器，测量精度很高。
3.本发明方法数据采集速度快且精度高。
4.本发明方法是一种柔性测量方法，轴承无需在平台上准确放置，即无需使轴承回转中心与平台回转中心重合，利用数学算法可以直接计算出偏移量。因此，这种方法大大缩短了检测轴承时上下料的时间，提高了检测的效率。
5.本发明方法的适用性广。这种柔性轴承检测方法既可以用于嵌入式系统，也可以用于上位机系统，易使用于计算机/现代集成制造系统。
6.本发明方法的扩展性强。在机械与电路部分不改变设计的情况下，可以通过更改软件算法来适应测量精度与增加多种轴承参数的测量，如倾斜角、倒角等。
附图说明
图1是该装置的信息流图。
图2是该装置的俯视示意图。
图3是该装置的正视示意图。
图4是该装置检测圆柱面的坐标示意图。
图5是该装置检测滚道的坐标示意图。
图6是检测轴承的典型流程图。
图中标号：1、6、18、24、29、31、35、49为伺服电机，3、28为同步齿形带，4、5、26、30为带轮，2、19、23、32、36、47为联轴器，3、7、14、22、 34、39、46为滚珠丝杠，4、9、21、25、33、40、45为丝杠螺母，16、17、37、 41、44、48为支撑架，8、15、20、38、43、50、52为光栅尺，27为旋转编码器，42为轴承放置平台，25是旋转台，10为光谱共焦激光测距传感器，11、12 为三角法激光测距传感器，13为待检测轴承。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1-图3所示，一种快速大冗余度的轴承尺寸检测系统，包括：
旋转台25，其用于支撑待测轴承13，并由旋转台25带动待测轴承13绕Z 向做旋转运动，且旋转角度由旋转编码器27测量；
光谱共焦激光测距传感器10，其测量待测轴承13内径，光谱共焦激光测距传感器10可在X、Y、Z方向上移动，光谱共焦激光测距传感器10在X、Y、Z 方向上的移动距离分别由光栅尺测量；
第一三角法激光测距传感器11，其测量待测轴承13端面，第一三角法激光测距传感器11可在Y方向、Z方向上移动，第一三角法激光测距传感器11在Y、 Z方向上的移动距离分别由光栅尺测量；
第二三角法激光测距传感器12，其测量待测轴承13外径，第二三角法激光测距传感器12可在Y方向、Z方向上移动，第二三角法激光测距传感器12在Y、 Z方向上的移动距离分别由光栅尺测量；
还包括数字信号处理器、正交解码模块，数字信号处理器通过其内置的ADC 分别与光谱共焦激光测距传感器10、第一三角法激光测距传感器11、第二三角法激光测距传感器12连接，各个光栅尺以及旋转编码器27分别通过正交解码模块接入数字信号处理器；光谱共焦激光测距传感器10、第一三角法激光测距传感器11、第二三角法激光测距传感器12测得的信号经ADC转换后送入数字信号处理器，光谱共焦激光测距传感器10、第一三角法激光测距传感器11、第二三角法激光测距传感器12各自移动的距离由光栅尺测得，光栅尺测量的信号经正交解码模块采集至数字信号处理器，旋转台25带动待测轴承13的转动角度由旋转编码器27测得，旋转编码器27测量的信号经正交解码模块采集至数字信号处理器；
数字信号处理器中利用各个激光测距传感器测量的距离以及通过光栅尺得出这些传感器的位置，光栅尺的作用是确定激光传感器的位置，形成闭环控制与完整尺寸链。与旋转台25回转的角度组成的极坐标系来得出待测轴承上各个点的坐标后，便可以使用这些坐标通过数学方法计算出轴承的各项参数。
数字信号处理器型号为TMS320F28377D。
数字信号处理器通过串行通讯模块SCI与触摸屏连接用来实现人机交互。
数字信号处理器通过同步通讯模块SPI与外部大容量存储介质连接用来存储系统参数与历史数据。
参见图2至图3，本实例公开了一种柔性的轴承检测装置。光谱共焦激光测距传感器10用来测量待测轴承13内径与滚道半径，第一三角法激光测距传感器 11用来测量待测轴承13厚度与轴向跳动，第二三角法激光测距传感器用来测量待测轴承13外径。
光谱共焦激光测距传感器10固定在支撑架51上，伺服电机6通过带轮5、同步齿形带3、带轮4、滚珠丝杠7和丝杠螺母9与支撑架51相连，控制传感器 10在Z方向上的移动；伺服电机49通过联轴器47、滚珠丝杠45和丝杠螺母46、支持架44与伺服电机6相连，控制传感器10在Y方向上的移动；伺服电机1 通过联轴器2、滚珠丝杠3和丝杠螺母4、支持架48与伺服电机49相连，控制传感器10在X方向上的移动。
第一三角法激光测距传感器11固定在支撑架37上，伺服电机31通过联轴器32、滚珠丝杠33和丝杠螺母34、支持架41与伺服电机35相连，控制传感器 11在Z方向上的移动；伺服电机35通过联轴器36、滚珠丝杠39和丝杠螺母40 与支持架37相连，控制第一三角法激光测距传感器11在X方向上的移动。
第二三角法激光测距传感器12固定在支撑架16上，伺服电机24通过联轴器23、滚珠丝杠22和丝杠螺母21、支持架17与伺服电机18相连，控制传感器12在Z方向上的移动；伺服电机18通过联轴器19、滚珠丝杠14和丝杠螺母25 与支持架16相连，控制传感器12在Y方向上的移动。
待测轴承放置在平台42上，平台42与旋转平台25相连，伺服电机19通过带轮30、同步齿形带28、带轮26与旋转平台相连，控制旋转平台沿着Z轴做旋转运动。光栅尺52的滑块与支承架48相连，光栅尺8的滑块与支承架51相连，光栅尺15的滑块与支承架16相连，光栅尺20的滑块与支承架17相连，光栅尺 38的滑块与支承架37相连，光栅尺43的滑块与支承架41相连，光栅尺50的滑块与支承架44相连，旋转编码器27与带轮26的轴相连接。
本实施例提供的该轴承检测装置的工作过程：
根据待检测轴承的尺寸将传感器10、11和12调整到合适位置，并且将该位置保存到控制系统。当轴承放置在回转平台上后，检测开始时传感器10、11和 12会移动到先前保存的位置开始待机，如图6所示流程图中的“平台与传感器使能”阶段。检测过程中，旋转平台26带动平台42旋转一周，同时传感器10 向下沿Z轴做进给运动，传感器11沿着X轴向轴承方向进给，传感器12保持静止状态，如图6所示流程图中的“平台旋转，传感器获得数据阶段”阶段。
检测过程的数据流向图如图1所示，数字信号处理器的内置ADC将传感器 10、11和12在轴承旋转一周的各个时间采集的模拟量转换成数字量，同时利用正交解码模块QEP记录光栅尺8、15、20、38、43、50、52与旋转编码器27的信息也就是传感器10、11、12与平台42的位置信息。通过这些数据便可以计算出轴承的各个尺寸参数。通过比较系统参数内轴承标准库数据便可以了解该轴乘是否合格，并且保存日志信息。
下面简要介绍通过采集的数据准确得出轴承的尺寸参数。
测量轴承外径与内径
如图4所示，坐标系O的原点在平台的旋转中心上，坐标系O’的原点在轴承的中心线上，点O’在坐标系O上的坐标为(εx，εy)，即偏移量。由于平台旋转的角度可以通过伺服电机的编码器得出，因此在测量外径时可以得出n个点的坐标(Rm,ωt)，Rm为平台回转中心到轴承外表面上一点的距离，ωt为测量该点时平台转过的角度。这些数据是以极坐标为参考系给出的，需要将其转换为直角坐标系。
由上述可得，只要在圆柱面上采集三个不同的点的位置数据，便可以计算出该圆柱面的半径与XY方向上的偏移量。因此，在机床上放置工件时不必准确地摆正，使轴承中心线与三爪卡盘中心线重合，便可以准确地测量出轴承圆柱面部分的直径，同时可以算出偏差，如图6所示流程图中的“计算圆柱面半径和XY 方向上的偏移量”阶段。
测量轴承滚道
先利用轴承上的圆柱面的测量数据计算出X与Y轴上的偏移距离。利用计算出的εx、εy来修正测量的数据：
此时的x与y是修正后的数据，即没有XY方向偏移时测得的数据。
由图5可知，平台旋转中心与滚道上一点K的距离为Dr＝AK＝AB+BK,即：
其中
令
则若已知两对数据(S1,X1)、(S2,X2)，则可得到以下方程组：
解得：
这样，通过该检测轴承的柔性方法可以很快地求出深沟球轴承的包括滚道半径在内的主要参数，如图6所示流程图中的“使用修正后的数据计算滚道半径”阶段。
以上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 (4)
1.一种快速大冗余度的轴承尺寸检测系统，其特征在于：包括：
旋转台，其用于支撑待测轴承，并由旋转台带动轴承绕Z向做旋转运动，且旋转角度由旋转编码器测量；
光谱共焦激光测距传感器，其测量待测轴承内径，光谱共焦激光测距传感器可在X、Y、Z方向上移动，光谱共焦激光测距传感器在X、Y、Z方向上的移动距离分别由光栅尺测量；
第一三角法激光测距传感器，其测量待测轴承端面，第一三角法激光测距传感器可在Y方向、Z方向上移动，第一三角法激光测距传感器在Y、Z方向上的移动距离分别由光栅尺测量；
第二三角法激光测距传感器，其测量待测轴承外径，第二三角法激光测距传感器可在Y方向、Z方向上移动，第二三角法激光测距传感器在Y、Z方向上的移动距离分别由光栅尺测量；
还包括数字信号处理器、正交解码模块，数字信号处理器通过其内置的ADC分别与光谱共焦激光测距传感器、第一三角法激光测距传感器、第二三角法激光测距传感器连接，各个光栅尺以及旋转编码器分别通过正交解码模块接入数字信号处理器；光谱共焦激光测距传感器、第一三角法激光测距传感器、第二三角法激光测距传感器测得的信号经ADC转换后送入数字信号处理器，光谱共焦激光测距传感器、第一三角法激光测距传感器、第二三角法激光测距传感器各自移动的距离由光栅尺测得，光栅尺测量的信号经正交解码模块采集至数字信号处理器，旋转台带动待测轴承的转动角度由旋转编码器测得，旋转编码器测量的信号经正交解码模块采集至数字信号处理器；
数字信号处理器中利用各个激光测距传感器测量的距离以及通过光栅尺得出这些传感器的位置，与旋转台回转的角度组成的极坐标系来得出待测轴承上各个点的坐标后，便可以使用这些坐标通过数学方法计算出轴承的各项参数。
2.根据权利要求1所述的一种快速大冗余度的轴承尺寸检测系统，其特征在于： 数字信号处理器型号为TMS320F28377D。
3.根据权利要求1所述的一种快速大冗余度的轴承尺寸检测系统，其特征在于：数字信号处理器通过串行通讯模块SCI与触摸屏连接用来实现人机交互。
4.根据权利要求1所述的一种快速大冗余度的轴承尺寸检测系统，其特征在于：数字信号处理器通过同步通讯模块SPI与外部大容量存储介质连接用来存储系统参数与历史数据。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20181106 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |