CN113878403A - 一种在线工件检测系统及工件检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工件的检测，特别涉及一种在线工件检测系统及工件检测方法。一种在线工件检测系统，包括：工件测温装置、工件尺寸检测装置，分别用于检测工件的温度和工件上待加工部位的尺寸；标准件测温装置、标准件尺寸检测装置，分别用于检测标准件的温度和标准件上与工件的待加工部位对应的部位的尺寸；所述工件测温装置和标准件测温装置为同步装置，用于同时动作以在同一时刻实现温度检测；数据处理装置，与工件测温装置、工件尺寸检测装置、标准件测温装置和标准件尺寸检测装置连接，用于处理各测温装置和检测装置的检测数据。本发明能够在轴承的加工过程中对其进行在线测温，以对加工尺寸进行温度补偿。

Description

一种在线工件检测系统及工件检测方法

技术领域

本发明涉及工件的检测，特别涉及一种在线工件检测系统及工件检测方法。

背景技术

对工件进行加工的过程中，工件的尺寸会受到温度的影响而产生热胀冷缩变化。例如，轴承在加工过程中，受切削热或砂轮摩擦热的影响，轴承工件会产生温度变化，并且不同加工状态下被加工件与标准件的温差各不相同。

当轴承尺寸较小时，温差对于尺寸影响较小，但是当轴承尺寸较大时，则影响显著。例如，轴承尺寸为300mm时，温差1度，受热膨胀所影响的尺寸将改变7-8μm。

因此，在轴承的加工过程中需要对其进行在线测温，并进行工件参数的温度补偿。

发明内容

本发明的目的是提供一种在线工件检测系统及工件检测方法，能够在轴承的加工过程中对其进行在线测温，以对加工尺寸进行温度补偿。

本发明中采用如下技术方案：

一种在线工件检测系统，包括：

工件测温装置、工件尺寸检测装置，分别用于检测工件的温度和工件上待加工部位的尺寸；

标准件测温装置、标准件尺寸检测装置，分别用于检测标准件的温度和标准件上与工件的待加工部位对应的部位的尺寸；所述标准件为加工至设计尺寸的工件；

所述工件测温装置和标准件测温装置为同步装置，用于同时动作以在同一时刻实现温度检测；

数据处理装置，与工件测温装置、工件尺寸检测装置、标准件测温装置和标准件尺寸检测装置连接，用于处理各测温装置和检测装置的检测数据。

有益效果：采用上述技术方案，工件测温装置和标准件测温装置为同步装置，能够同时动作以在同一时刻实现温度检测，从而消除温度检测结果的差异，通过检测得到工件、标准件温度和尺寸数据，数据处理装置能够对被检测工件进行温度补偿，降低了工件因受热膨胀而造成的检测误判，保证了测量结果的准确性；并且，标准件为加工至设计尺寸的工件，通过计算工件与标准件的尺寸差以及工件温度补偿后的尺寸能够得出工件的加工误差，从而与工件的设计公差值进行比较，判断工件是否合格，同时能够指导加工过程，更好地保证零件加工精度。

进一步地：所述工件测温装置和标准件测温装置为接触式测温探头，接触式测温探头包括探头外壳和测温传感器，探头外壳上设有CVD金刚石片，测温传感器与CVD金刚石片的背面贴靠。

有益效果：采用上述技术方案，CVD金刚石片能够快速传导热量，从而提高检测速度和检测结果的准确性，并且能够对测温传感器进行防护，提高使用寿命。

进一步地：测温传感器为电流输出型温度传感器。

进一步地：所述工件尺寸检测装置、标准件尺寸检测装置为气动测量仪。

有益效果：上述技术方案能够实现比较测量，有利于保证测量结果的准确性。

进一步地：在线工件检测系统还包括检测装置壳体、传送装置，传送装置的上料位位于检测装置壳体的外部；工件测温装置、工件尺寸检测装置对应于传送装置设置，用于在传送装置上完成对工件的检测。

有益效果：采用上述技术方案不需在检测时移动工件，结构简单，便于提高检测效率。

一种在线工件检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一，同步检测工件的温度T2和标准件的温度T1，所述标准件为加工至设计尺寸的工件；

步骤二，检测工件上待加工部位的尺寸L2、标准件上与工件的待加工部位对应的部位的尺寸L1；

步骤三，计算尺寸差△L＝L2－L1、补偿尺寸L＝αD(T2﹣T1)，式中：α为温度补偿系数；D为标准件的设计尺寸；τ1、τ2为工件的公差值，分别为下偏差和上偏差；

步骤四，若τ1≤△L﹣L≤τ2，则工件合格，否则不合格。

有益效果：采用上述技术方案，工件测温装置和标准件测温装置为同步装置，能够同时动作以在同一时刻实现温度检测，从而消除温度检测结果的差异，通过检测得到工件、标准件温度和尺寸数据，数据处理装置能够对被检测工件进行温度补偿，降低了工件因受热膨胀而造成的检测误判，保证了测量结果的准确性，并且，标准件为加工至设计尺寸的工件，通过计算工件与标准件的尺寸差以及工件温度补偿后的尺寸能够得出工件的加工误差，从而与工件的设计公差值进行比较，判断工件是否合格，同时能够指导加工过程，更好地保证零件加工精度。

进一步地：工件的温度T2和标准件的温度T1是通过接触式测温探头检测，接触式测温探头包括探头外壳和测温传感器，探头外壳上设有CVD金刚石片，测温传感器与CVD金刚石片的背面贴靠。

有益效果：采用上述技术方案，CVD金刚石片能够快速传导热量，从而提高检测速度和检测结果的准确性，并且能够对测温传感器进行防护，提高使用寿命。

进一步地：测温传感器采用电流输出型温度传感器，通过信号转换电路将测温传感器检测到的电流信号转化为电压信号，以绝对零度为基准，每增加1℃，输出电流增加1μA，且温度每变化1℃，电压变化0.1V。

有益效果：采用上述技术方案有利于提高检测精度。

进一步地：工件上待加工部位的尺寸L2、标准件上与工件的待加工部位对应的部位的尺寸L1是通过气动测量仪测量。

有益效果：上述技术方案能够实现比较测量，有利于保证测量结果的准确性。

进一步地：步骤一中，工件是依靠传送装置将工件输送至检测装置壳体内，传送装置的上料位位于检测装置壳体的外部，对工件的检测在传送装置上完成。

有益效果：采用上述技术方案不需在检测时移动工件，结构简单，便于提高检测效率。

附图说明

图1是本发明中工件加工检测系统的实施例1的结构示意图；

图2是图1中测温装置的结构示意图；

图3是图2中温度检测探头的结构示意图；

图4是温度补偿系数所对应的拟合曲线示意图。

图中相应附图标记所对应的组成部分的名称为：10、检测装置壳体；11、传送装置；20、工件测温装置；21、驱动气缸；22、缓冲簧；23、接触式测温探头；24、探头外壳；25、测温传感器；26、主壳体；27、隔热材料；28、CVD金刚石片；29、信号转换电路；30、工件尺寸检测装置；40、标准件测温装置；50、标准件尺寸检测装置；61、工件；62、标准件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，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用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的具体实施方式中，可能出现的术语如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的关系或者顺序。而且，可能出现的术语如“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，可能出现的语句“包括一个……”等限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语如“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语“设有”应做广义理解，例如，“设有”的对象可以是本体的一部分，也可以是与本体分体布置并连接在本体上，该连接可以是可拆连接，也可以是不可拆连接。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明中一种在线工件检测系统的实施例1：

如图1所示，在线工件检测系统对应于一种在线工件检测机，用于对加工过程中的轴承工件61进行检测，包括检测装置壳体10、传送装置11、工件测温装置20、工件尺寸检测装置30，还包括标准件测温装置40、标准件尺寸检测装置50。检测装置壳体10为箱体结构，围成相对封闭的区域，能够形成相对稳定的检测环境，消除外界环境温度对测量结果的影响，避免温度变化影响标准件的尺寸。传送装置11采用传送带，其上料位位于检测装置壳体10的外部，用于将外部的空间传送到检测装置壳体10内部。

工件测温装置20、工件尺寸检测装置30设置在传送装置11的上方，用于在传送装置11上完成对工件61的检测，分别检测工件61的温度和工件61上待加工部位的尺寸。检测装置壳体10内设有到位检测装置，例如激光传感器或距离传感器，当轴承完成一道加工工序之后，经传送装置11运送至在线工件检测机内，触发检测机里的到位检测装置，表明轴承已输送至待检测位置，在线工件检测机开始尺寸和温度检测。

现有的温度检测方式包括接触式检测和非接触式检测。但是，在轴承加工过程中，需要对轴承表面喷冷却液或清洗液，当采用非接触式快速测温传感器25如红外测温时，由于轴承表面冷却液的存在会对光线进行反射，使测量精度下降；并且，当采用非接触式测温时，测量的温度为轴承表面液体的温度，并非轴承本身的温度，故需要采用接触式测温方式。然而，一般的接触式测温传感器25测温时间较长，并且温度传感器芯片容易磨损，不宜使用传感器芯片直接与工件61表面接触，不能满足生产线的生产要求。为解决以上问题，本发明中的工件测温装置20采用了CVD金刚石片28。

具体地，如图2，工件测温装置20包括驱动气缸21、缓冲簧22和接触式测温探头23；如图3，接触式测温探头23包括探头外壳24和测温传感器25，探头外壳24包括主壳体26和隔热材料27，隔热材料27为胶木，固定在主壳体26下端开槽中，形成密闭空间。隔热材料27的下端面处固定设有圆形的CVD金刚石片28，CVD金刚石片28作为接触式测温探头23的感温材料，导热性能极佳，并且厚度越薄，其热传导速度越快。同时，CVD金刚石片28具有较高的硬度和强度，能够承受快速接触的冲击和避免反复使用的磨损，有利于延长传感器使用寿命。CVD金刚石片28的形状取决于传感器的整体设计，需要考虑传感器是否容易加工制造等因素。测温传感器25与CVD金刚石片28的背面贴靠，能够迅速实现温度检测，并通过CVD金刚石片28实现自我保护。本实施例中的测温传感器25为电流输出型温度传感器，通过信号转换电路29将测温传感器25检测到的电流信号转化为电压信号，以绝对零度(-273℃)为基准，每增加1℃，输出电流增加1μA，且温度每变化1℃，电压变化0.1V，转换过程的线性度较高，保证了结果的准确性。

驱动气缸21的位置可上下调节，驱动气缸21的伸出行程大于驱动气缸21到轴承顶部端面的距离，能够保证接触式测温探头23与轴承可靠接触。温度传感器的上方的缓冲簧22在接触式测温探头23接触轴承时起缓冲保护的作用，避免接触式测温探头23受到过大的冲击而受损。接触式测温探头23触碰到轴承表面后进行快速测温，测量完成之后在传动装置的带动下离开轴承。

工件尺寸检测装置30采用气动测量仪，本实施例中采用两喷嘴气动测量方式，伺服系统驱动工件尺寸检测装置30竖直运动，实现上中下三点测量采样，利用三点平均值作为工件61的尺寸。气动测量为现有的测量方式，以压缩空气作为介质，利用空气在管道中的流量或压力随管道的几何尺寸和形状变化的特性，将尺寸量转换成压力的变化量，从而实现测量，同时能将工件61表面杂质进行清洁。

标准件测温装置40、标准件尺寸检测装置50分别用于检测标准件62的温度和标准件62上与工件61的待加工部位对应的部位的尺寸。所述标准件62为加工至设计尺寸的工件。标准件测温装置40的结构与工件测温装置20相同，标准件尺寸检测装置50与工件尺寸检测装置30相同，此处不再具体说明。

上述工件测温装置20、工件尺寸检测装置30、标准件测温装置40和标准件尺寸检测装置50均与数据处理装置连接，数据处理装置用于处理各测温装置和检测装置的检测数据。

在线工件检测机内还设有清洗装置，用于对工件61进行清洗。清洗装置为现有技术，此处不再具体说明。

本发明中一种在线工件检测系统的工作过程：

1、当轴承每完成一道加工工序之后，即经传送装置11运送至在线工件检测机内，在清洗机构内进行清洗，消除杂质对于检测结果的影响；

2、工件61经传送带输送至工件测温装置20，此时，通过工件测温装置20和标准件测温装置40同时动作，同步检测工件61的温度T2和标准件62的温度T1。工件测温装置20和标准件测温装置40同时动作可以通过控制装置实现；

3、在线工件检测机通过工件尺寸检测装置30和标准件测温装置40分别检测工件61上待加工部位的尺寸L2和标准件62上与工件61的待加工部位对应的部位的尺寸L1；

4、计算尺寸差△L＝L2－L1、补偿尺寸L＝αD(T2﹣T1)，式中：α为温度补偿系数，D为标准件62的设计尺寸；

5、若τ1≤△L﹣L≤τ2，则工件61合格，否则不合格；τ1、τ2为工件61的公差值，分别为下偏差和上偏差。

温度补偿系数α可以根据工件的材质、尺寸等参数通过试验得到，一般为10^(-5)数量级，表示单位温度差所对应的尺寸变化。以某型号轴承内圈的内滚道为例，其内滚道名义尺寸为直径165mm，通过探索其温度-尺寸变化规律，能够获得温度补偿系数：

(1)试验条件：

a.恒温车间25℃；

b.恒温箱、冰箱；

c.表面温度传感器；

d.高精度轴承测量仪器。

(2)试验要求：

a.轴承测量温度范围为0～50℃。

(3)试验方法：

根据不同的温度范围，试验分为两部分进行：

第一部分：温度范围0～25℃

a.将工件放置于冰箱中冷冻4小时；

b.工件取出后置于测量仪器上进行尺寸测量，同时将表面温度传感器的测头紧贴于工

件表面进行实时温度采集；

c.实时记录温度与尺寸值的变化直至温度稳定；

d.上述步骤重复测量N次，取平均值；例如，重复测量五次。

第二部分：温度范围25～50℃

a.将工件放置于恒温箱中加热4小时，使温度高于50℃；

b.工件取出后置于测量仪器上进行尺寸测量，同时将表面温度传感器的测头紧贴于工

件表面进行实时温度采集；

c.实时记录温度与尺寸值的变化直至温度稳定；

d.上述步骤重复测量N次，取平均值；例如，重复测量五次。

(4)最后，根据采集的数据探索温度-尺寸变化规律。具体地，每间隔5℃选取一个温度测量点，并记录与该温度测量点对应的实时尺寸值，如下表：

序号	实时温度值(℃)	实时尺寸值(相对值，单位：μm)
			1	0	-38
2	5	-28.5
			3	10	-19
4	15	-9.5
			5	20	0.0
6	25	9.5
			7	30	19
8	35	28.5
			9	40	38
10	45	47.5
			11	50	57

第一部分测量对应于表中的序号1至5，第二部分的测量对应于表中的序号6至11。根据采集到的温度、尺寸数值拟合曲线：Di＝1.9t-38，Di为尺寸值，t为温度值，如图4。由拟合曲线可以得出：ΔDi(μm)＝1.9Δt＝165(mm)*0.0115*Δt＝Di(mm)*0.0115*Δt，即：ΔDi(mm)＝Di*1.15*Δt*10^(-5)(mm)，由此得出该某型号轴承内圈的温度补偿系数α＝1.15*10^(-5)。进一步地，作为一种工件加工方法，加工时，在线工件检测系统的每次检测结果由信号传输环节输送至数控系统，并对各次数据结果进行分析，对整个加工流程的精确度进行分析。数控系统根据数据结果对加工过程的磨削力以及进给量的调整给出建议，并可以由数控系统发送至数控显示屏。例如，对于孔的加工来说，当△L﹣L＜τ1时，应增大磨削加工处上传至数控系统的加工进给量，由数控系统结合温度补偿数值对该进给量进行调整，并将信号发送给磨削加工机构改变其进给量，从而实现对轴承生产加工精度的提高，实现了轴承加工的反馈加工。

本发明中一种在线工件检测系统的实施例2：

本实施例与实施例1的不同之处在于，实施例1中，所述工件尺寸检测装置30、标准件尺寸检测装置50为气动测量仪，而本实施例中，尺寸检测装置也可以替换为其他形式，例如现有技术中的坐标测量仪。

本发明中一种在线工件检测系统的实施例3：

本实施例与实施例1的不同之处在于，实施例1中，工件测温装置20、标准件测温装置40采用接触式测温探头23，并且接触式测温探头23上设有CVD金刚石片28，而本实施例中，接触式测温探头23上未设置CVD金刚石片28，直接与工件61接触。当然，在其他实施例中，也可以将CVD金刚石片28替换为其他材质，根据相应材质的导热系数，可以适当延长温度检测环节的时间。

本发明中一种在线工件检测系统的实施例4：

本实施例与实施例1的不同之处在于，实施例1中，测温传感器25为电流输出型温度传感器，而本实施例中，测温传感器25为电阻型温度传感器。

本发明中一种在线工件检测系统的实施例5：

本实施例与实施例1的不同之处在于，实施例1中，在线工件检测系统还包括传送装置11，而本实施例中，在线工件检测系统的上下工件61依靠人工完成。

本发明中一种在线工件检测方法的实施例：一种在线工件检测方法的实施例即上述的任一实施例中记载的在线工件检测系统所对应的检测过程，此处不再具体说明。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种在线工件检测系统，其特征在于，包括：

工件测温装置（20）、工件尺寸检测装置（30），分别用于检测工件（61）的温度和工件（61）上待加工部位的尺寸；

标准件测温装置（40）、标准件尺寸检测装置（50），分别用于检测标准件（62）的温度和标准件（62）上与工件（61）的待加工部位对应的部位的尺寸；所述标准件（62）为加工至设计尺寸的工件；

所述工件测温装置（20）和标准件测温装置（40）为同步装置，用于同时动作以在同一时刻实现温度检测；

数据处理装置，与工件测温装置（20）、工件尺寸检测装置（30）、标准件测温装置（40）和标准件尺寸检测装置（50）连接，用于处理各测温装置和检测装置的检测数据。

2.根据权利要求1所述的在线工件检测系统，其特征在于，所述工件测温装置（20）和标准件测温装置（40）为接触式测温探头（23），接触式测温探头（23）包括探头外壳（24）和测温传感器（25），探头外壳（24）上设有CVD金刚石片（28），测温传感器（25）与CVD金刚石片（28）的背面贴靠。

3.根据权利要求2所述的在线工件检测系统，其特征在于，测温传感器（25）为电流输出型温度传感器。

4.根据权利要求1或2或3所述的在线工件检测系统，其特征在于，所述工件尺寸检测装置（30）、标准件尺寸检测装置（50）为气动测量仪。

5.根据权利要求1或2或3所述的在线工件检测系统，其特征在于，在线工件检测系统还包括检测装置壳体（10）、传送装置（11），传送装置（11）的上料位位于检测装置壳体（10）的外部；工件测温装置（20）、工件尺寸检测装置（30）对应于传送装置（11）设置，用于在传送装置（11）上完成对工件（61）的检测。

6.一种在线工件检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一，同步检测工件（61）的温度T2和标准件（62）的温度T1，所述标准件（62）为加工至设计尺寸的工件；

步骤二，检测工件（61）上待加工部位的尺寸L2、标准件（62）上与工件（61）的待加工部位对应的部位的尺寸L1；

步骤三，计算尺寸差△L=L2－L1、补偿尺寸L＝αD（T2﹣T1），式中：α为温度补偿系数；D为标准件（62）的设计尺寸；τ1、τ2为工件（61）的公差值，分别为下偏差和上偏差；

步骤四，若τ1≤△L﹣L≤τ2，则工件（61）合格，否则不合格。

7.根据权利要求6所述的在线工件检测方法，其特征在于，工件（61）的温度T2和标准件（62）的温度T1是通过接触式测温探头（23）检测，接触式测温探头（23）包括探头外壳（24）和测温传感器（25），探头外壳（24）上设有CVD金刚石片（28），测温传感器（25）与CVD金刚石片（28）的背面贴靠。

8.根据权利要求7所述的在线工件检测方法，其特征在于，测温传感器（25）采用电流输出型温度传感器，通过信号转换电路（29）将测温传感器（25）检测到的电流信号转化为电压信号，以绝对零度为基准，每增加1℃，输出电流增加1μA，且温度每变化1℃，电压变化0.1V。

9.根据权利要求6或7或8所述的在线工件检测方法，其特征在于，工件（61）上待加工部位的尺寸L2、标准件（62）上与工件（61）的待加工部位对应部位的尺寸L1是通过气动测量仪测量。

10.根据权利要求6或7或8所述的在线工件检测方法，其特征在于，步骤一中，工件（61）是依靠传送装置（11）将工件（61）输送至检测装置壳体（10）内，传送装置（11）的上料位位于检测装置壳体（10）的外部，对工件（61）的检测在传送装置（11）上完成。

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