CN111023981B - 一种大型圆柱形工件参数测量装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种大型圆柱形工件参数测量装置，底座上固定有用于支撑工件的支撑结构，所述底座的一端设有长度测量机构，所述长度测量机构包括气缸、测量光栅、第一激光位移传感器，所述气缸固定在底座上，所述测量光栅固定在气缸的推杆上并由气缸推动向工件端部接近，所述第一激光位移传感器固定在底座上获取测量光栅移动距离，所述第一激光位移传感器输出位移距离信号至控制器，所述测量光栅用于感受工件端部位置并输出信号至控制器，所述控制器输出驱动信号至气缸。本发明精准测量大尺寸工件长度，节省人力资本，提高效率，降低传统接触式测量仪器本身存在制造误差、人为因素的读数误误差、工件偏心引起的误差。

Description

一种大型圆柱形工件参数测量装置和方法
技术领域
本发明涉及测量设备领域。
背景技术
在机械制造及工业自动化领域，大型机械工件的加工精度需要不断提高，因此对较大尺寸工件尺寸测量以及工件圆跳动测量要求也越来越高，以验证工件是否符合当前加工生产精度要求。一般对于工件尺寸测量可以通过游标卡尺或千分尺来完成，对于工件圆周跳动测量可以通过圆周检查仪+百分表来测量跳动情况，这些都是通过接触式量具来完成测量工作，但是对于较大工件，这样的测量费力，费时间而且容易出错，操作不方便，效率低。
目前大尺寸工件的尺寸测量主要分为接触式和非接触式，接触式测量方法主要有千分尺，三坐标测量机等，非接触式测量方法主要有激光跟踪仪、摄影测量、线激光及结构光等。当工件长度超出仪器测量范围或者受外界温度光线影响时，测量的可重复性方面可能存在问题，加上测量仪器本身的误差、人为因素等也会降低测量精度。
传统的跳动误差测量主要是接触式方法。如V型块测量法、偏摆仪测量法、三坐标机测量法、圆度仪测量法等。对于长径比大于2的轴类零件，无论人工检测还是机器自动检测，采点位置的分布及数量的多少对精度影响较大。而且，测量仪器本身存在制造误差、人为因素的读数误差也会降低其测量精度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是实现一种可以高精度测量大型圆柱形工件长度和圆周跳动的装置，可精确测量出工件长度L和圆周跳动量σ。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种大型圆柱形工件参数测量装置，底座上固定有用于支撑工件的支撑结构，所述底座的一端设有长度测量机构，所述长度测量机构包括气缸、测量光栅、第一激光位移传感器，所述气缸固定在底座上，所述测量光栅固定在气缸的推杆上并由气缸推动向工件端部接近，所述第一激光位移传感器固定在底座上获取测量光栅移动距离，所述第一激光位移传感器输出位移距离信号至控制器，所述测量光栅用于感受工件端部位置并输出信号至控制器，所述控制器输出驱动信号至气缸。
当工件放置在支撑结构上，所述工件的轴线、气缸的活动方向、第一激光位移传感器的测距方向相互平行。
所述底座的两端均设有长度测量机构，且两端的长度测量机构结构相同。
所述支撑结构由至少两个支撑旋转机构，每个所述支撑旋转机构均由一个驱动旋转滚轮和一个支撑旋转滚轮构成，所述驱动旋转滚轮和支撑旋转滚轮通过轮架固定在底座上并用于配合支撑工件底部，所述驱动旋转滚轮由驱动旋转电机驱动旋转，所述支撑旋转滚轮为从动轮，所述控制器输出驱动信号至驱动旋转电机。
当工件放置在支撑结构上，所述工件侧面的底座上至少设有一个圆周跳动测量机构，所述圆周跳动测量机构设有固定在底座上的安装支架，所述安装支架上设有竖直方向设置的滑槽，所述滑槽上安装有上下调整滑台，所述上下调整滑台朝向工件的一面固定有第二激光位移传感器，所述第二激光位移传感器输出位于信号至控制器。
基于大型圆柱形工件参数测量装置的测量方法，包括工件长度测量方法：
测量前，将工件放置到支撑结构上，将测量光栅退回到初始位置；
开始测量，驱动两个气缸同将测量光栅向工件方向运动；
两个气缸均运动至所推动的测量光栅感应到工件端部；
获取两个第一激光传感器采集的距离参数；
通过两个距离参数和两个第一激光传感器间距参数计算获得工件长度。
包括工件圆周跳动测量方法：
测量前，调整第二激光位移传感器位置，使其测量方向与工件的基准轴线垂直；
开始测量，驱动支撑旋转机构时工件旋转至少一周，同时记录第二激光位移传感器获取的距离数值；
通过获取的距离数值计算工件表面跳动参数。
本发明大型圆柱形工件长度测量装置由伺服电机驱动，速度控制更稳定，可以达到更高的计算精确度，当物体触碰到光栅，光栅未能及时停止，造成工件长度测量误差，可以采用更高光栅分辨率，通过计算光栅光束遮挡范围计算物体移出光栅部分长度，提高测量的准确性，并能通过奇异值处理算法和灵活先进的滤波算法精确计算大型圆柱形工件圆周跳动，提高跳动计算准确性。
附图说明
下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为大型圆柱形工件参数测量装置结构示意图；
图2为大型圆柱形工件参数测量装置侧视图；
图3为大型圆柱形工件参数测量装置局部示意图；
图4为圆周跳动测量装置结构示意图；
图5为大型圆柱形工件参数测量装置俯视图；
图6为长度测量装置原理流程图；
图7为圆周跳动测量流程图；
图8为圆周采集位移距离值曲线图
图9为滤波后跳动值曲线图；
上述图中的标记均为：1、底座；2、支撑旋转机构；3、长度测量机构；4、圆周跳动测量机构；5、工件；
21、驱动旋转滚轮；22、驱动旋转电机；23、支撑旋转滚轮；
31、气缸；32、测量光栅；33、第一激光位移传感器；
41、安装支架；42、上下调整滑台；43、第二激光位移传感器。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
大型圆柱形工件5参数测量装主要由测量装置底座1、支撑旋转机构2、长度测量机构3、圆周跳动测量机构4组成。
测量装置主要包括以下部分：
底座1：底座1是整个测量装置的承载机构，为一个长条形的板材，所有执行机构都统一安装在测量装置底座1上。
支撑旋转机构2：支撑旋转机构2安装在底座1上，由驱动旋转滚轮21、驱动旋转电机22、支撑旋转滚轮23组成。是工件5的支撑及旋转装置，用来放置大型圆柱形工件5，驱动大型圆柱形工件5的旋转，配合圆跳动测量装置进行圆周跳动的测量。
长度测量机构3：主要由气缸3231、测量光栅、第一激光位移传感器33。优选设置两组，结构相同，两组长度测量机构3安装在底座1的两端，用来实现大型圆柱形工件5的长度测量。
气缸3231：气缸3231安装在测量装置底座1上，气缸3231上安装有测量光栅，气缸3231驱动测量光栅前后移动。
测量光栅：测量光栅安装在气缸3231上面，测量光栅可以感知有无物体碰触光束，通过测量光栅感知有无可以确定大型圆柱形工件5的端部位置。
第一激光位移传感器33：第一激光位移传感器33安装在测量装置底座1上，可以精确测量出气缸3231带动测量光栅移动时的移动距离。
圆周跳动测量机构4：圆周跳动测量机构4安装在底座1的侧边，主要由安装支架41、上下调整滑台42、第二激光位移传感器43组成。用来实现对大型圆柱形工件5圆周跳动的测量。
安装支架41：安装支架41固定在底座1上，上部安装有上下调整滑台42。
上下调整滑台42：上下调整滑台42安装在安装支架41上，用来调整第二激光位移传感器43的位置，使第二激光位移传感垂直于圆柱形工件5的基准轴线，并可用来调整到不同位置，适应不同直径大小的工件5。
第二激光位移传感器43：安装在上下调整滑台42上，用来采集大型圆柱形工件5的圆周跳动数据。
长度测量机构3系统标定：
由于测量工件5对象尺寸大，为降低长距离的测量运动误差对测量结果造成的影响，采用两个第一激光位移传感器33来保证局部范围内两个气缸3231的移动定位精度。长度测量机构3将第一激光移传感器安装在气缸3231旁的固定位置，安装时使用高精度激光跟踪仪对传感器安装位置进行标定(如图5所示)，确定两个激光位移传感器之间的相对位置关系。启动测量装置时气缸3231带动测量光栅移动，第一激光位移传感器33测量测量光栅的移动距离。只需分别测出测量光栅在第一激光位移传感器33中的位置即可计算出工件5的整体长度。
长度测量机构3原理：
根据测量需要，将大型圆柱形工件5两侧的测量光栅从工件5外向工件5方向移动，直到光栅触碰到工件5时，停止移动。此时，第一激光位移传感器33记录测量光栅和第一激光位移传感器33之间的距离，另一组长度测量机构3同样操作测量，结合两个第一激光位移传感器33之间的标定距离D，计算出两个测量光栅之间的距离L，此长度L即为工件5长度尺寸，光栅通过NPN高低电平信号控制位移传感器TIM信号，实现物体精确定位测量，测量原理流程如图6。
圆周跳动测量原理：
圆跳动量σ测量原理:根据测量需要，在大型圆柱形工件5前后各放置一个圆周跳动测量装置。通过上下调整滑台42调整第二激光位移传感器43高度，使第二激光位移传感垂直于圆柱形工件5的基准轴线。支撑旋转装置转动，驱动大型圆柱形工件5旋转。记录大型圆柱形工件5表面到第二激光位移传感器43的旋转一周时的距离数值，通过数据处理算法即可计算出产品表面跳动情况。测量原理流程如图7所示
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种大型圆柱形工件参数测量装置，其特征在于：底座上固定有用于支撑工件的支撑结构，所述底座的一端设有长度测量机构，所述长度测量机构包括气缸、测量光栅、第一激光位移传感器，所述气缸固定在底座上，所述测量光栅固定在气缸的推杆上并由气缸推动向工件端部接近，所述第一激光位移传感器固定在底座上获取测量光栅移动距离，所述第一激光位移传感器输出位移距离信号至控制器，所述测量光栅用于感受工件端部位置并输出信号至控制器，所述控制器输出驱动信号至气缸；
所述底座的两端均设有长度测量机构，且两端的长度测量机构结构相同；
当工件放置在支撑结构上，所述工件的轴线、气缸的活动方向、第一激光位移传感器的测距方向相互平行；
所述支撑结构由至少两个支撑旋转机构，每个所述支撑旋转机构均由一个驱动旋转滚轮和一个支撑旋转滚轮构成，所述驱动旋转滚轮和支撑旋转滚轮通过轮架固定在底座上并用于配合支撑工件底部，所述驱动旋转滚轮由驱动旋转电机驱动旋转，所述支撑旋转滚轮为从动轮，所述控制器输出驱动信号至驱动旋转电机。
2.根据权利要求1所述的大型圆柱形工件参数测量装置，其特征在于：当工件放置在支撑结构上，所述工件侧面的底座上至少设有一个圆周跳动测量机构，所述圆周跳动测量机构设有固定在底座上的安装支架，所述安装支架上设有竖直方向设置的滑槽，所述滑槽上安装有上下调整滑台，所述上下调整滑台朝向工件的一面固定有第二激光位移传感器，所述第二激光位移传感器输出位移 信号至控制器。
3.基于权利要求1-2中任一所述大型圆柱形工件参数测量装置的测量方法，其特征在于，包括工件长度测量方法：
测量前，将工件放置到支撑结构上，将测量光栅退回到初始位置；
开始测量，驱动两个气缸同将测量光栅向工件方向运动；
两个气缸均运动至所推动的测量光栅感应到工件端部；
获取两个第一激光传感器采集的距离参数；
通过两个距离参数和两个第一激光传感器间距参数计算获得工件长度。
4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，包括工件圆周跳动测量方法：
测量前，调整第二激光位移传感器位置，使其测量方向与工件的基准轴线垂直；
开始测量，驱动支撑旋转机构时工件旋转至少一周，同时记录第二激光位移传感器获取的距离数值；
通过获取的距离数值计算工件表面跳动参数。
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