CN1138896A - 测量偏心转动件的方法和装置 - Google Patents

Abstract

介绍一种用于对被测物体的一个偏心转动部分进行自动光学检测的装置和方法。按照一种可避免机械接触并具有产生平行射线的光源和检测装置的测量程序，使偏心转动部分绕转轴转动，其中，检测装置的运动与转动同步，并且使偏心转动部分与检测装置之间在光轴方向的间距保持恒定。按照本发明的方法，可避免在其他的光学测量程序中可能发生的光学畸变。

Description

测量偏心转动件的方法和装置

本发明涉及一种用于测量被测物体的偏心转动部分的方法和实现这种方法用的一种装置，其中，被测物体以可转动的方式支承并围绕转轴转动，一个测量面被限定与上述转轴垂直，在测量面内，待测的被测物体的上述部分经受光源发射的平行光束照射，还有一个用于记录在由光源和被测物体在测量面内产生的上述被测物体的横截面的廓影的检测装置。

国际专利WO 86/7442公开过一类的装置和方法。

在现有技术中已知的这种方法和装置适于测定一种长形被测物体的尺寸。提出了用于外部转动构件自动尺寸控制的光电测量台，通过这种测量台，由一个线性光源从下部照射待测物体，以便在两个线性光电二极管阵列上产生一个有两个在径向上相对的轮廓点的影像。合成的光强度的不连续性给出两个轮廓点，并通过电子记录两个二极管元件之间的间隔可以测定轴的直径。

图1示出按照现有技术的测量的基本原理。在图中，光源1产生一个含有平行射线的光束22，沿光轴8照射待测物体2。长形的被测物体2围绕一个通过中心7并垂直于图纸平面的转轴转动。一个检测装置3包括两个单独的检测器元件5，5′该元件5，5′彼此相对有间距，并可通过定位装置4来移动。由于光束22含有平行射线，便在检测器5上的光束位置产生一个具有光强度轮廓的一个廓影。为了精确地进行被测物体的尺寸测量，可使被测物体边缘附近的光强度的样式变化与电子测定的两个检测器的线性光电元件阵列5，5′之间的间距一致。在转动过程中反复测量其直径便可测定被测物体的圆度。采用现有技术的一种装置，直径测量的分辨能力定为1微米的值，长度精度定为0.002mm的值。使用这种装置，可以测量直径为7～100mm，长度为200～700mm的轴。

虽然可以相当精确地确定被测物体的直径和圆度，但按照现有技术的这种装置和方法有其缺点：不能将不对称的被测部分测量到要求的精度，因为这类构件转动时会导致测量误差。

因此，本发明的目的是以一种方式改进上述装置和方法，以便可以足够精确地测量具有非对称行程支承位置的转动构件。

按照本发明的下述方式实现上述目的，在这个方法中，调节在检测装置与光束之间的转轴位置，使得待测的偏心转动部分受到光的照射，并且，最初使用一个固定的检测装置，借助于在检测装置上的一个廓影的投影，测定其偏心转动部分直径的最大偏差，再确定偏心转动部分的转动角，使检测装置与转动角位置同步，并使之平行于光束移动，以使检测装置与偏心转动部分之间在平行于光束方向的间距保持恒定。

本发明的上述目的同样要借助于实施上述方法的一种装置来实现，这个装置含有：使测量面与待测偏心转动部分相交的测量面的定位装置；一个测定偏心转动部分转动角度的角度测量装置；一个可使检测装置平行于光束移动而构成的行程装置，一个使检测装置行程运动与偏心转动部分的转角位置同步的同步器；以及一个用于贮存、控制和评估的计算机，其中，检测装置的移动使得检测装置与偏心转动部分之间沿平行光束方向的间距保持恒定。

按上述方式可实现本发明的目的。通过测量转动的偏心部分的角度位置，并通过使这个角度位置与可平行于光束方向移动的检测装置的一个位置同步，可以避免由于测量透镜内的位置变化而造成的上述测量误差。在转动时，被测的偏心转动部分上距转轴保持给定的恒定距离的任何一点都相对于光轴作正弦形运动，同时在围绕偏心转轴的一个圈内转动。通过检测装置相对于转动构件相应的正弦形运动，可以在平行于光束的方向上保持它距偏心转轴的间距。通过测量在转动时各个角度位置上的偏心转动部分，便可以记录不同的廓影投影，从而也可测定偏心转动部分的圆度。

利用这个方法测量曲轴特别有利。这种用途的优点在于，可以在没有机械接触的情况下自动地进行曲轴的精确测量。

用上述方法来测量具有多个偏心转动部分且相互之间有多个转角的曲轴也特别有利。利用这种测量程序测量这种曲轴的优点在于可以自动地并且无机械接触地测量具有复杂的偏心转动部分且相互向具有不同角度位置的曲轴。

实施这种方法的装置的一个特别有利的实施例是利用两个线性的光电二极管阵列来测量偏心转动部分。这个实施例的优点在于可以利用CCD(计算机控制显示)照相机和激光扫描器的先进技术，因此，每一次转动可以进行多次单独的测量。

在这个实施例的一个改型中，其装置有一个定位装置用于调节两个线性光电二极管阵列之间的间距。这种改型的优点在于，可以通过利用两个可调的线性光电二极管阵列来测量直径差异很大的偏心转动部分。

在实施上述方法的装置的一个有利的实施例中，具有一个定位装置，用以使检测器垂直于光束定位。这个实施例的优点在于，在转动时可在不同的转角上检测转动的偏心部分的不同边缘，因此也可以测定偏心转动部分的圆度。

通过下面的叙述和附图可以进一步看出本发明的其他优点。在其他单独的或任意组合的实施例中可以利用下面将要叙述的各个特征。

图1简要示出按照现有技术的测量原理；

图2a示出垂直于一个待测的偏心转动部分的转轴的平面的横截面；

图2b示出图2a中待测的转动构件的侧视图，并附有转动和检测元件；

图3a示出待测的偏心部分处于距发光源最大间距处的光轴上的测量面的侧视图；

图3b表示待测的偏心部分在转动时相对于图3a处于90°角情况的测量图；

图3c是相应于图3a和图3b的测量图，但被测的偏心转动部分处于光轴上并尽可能接近发光源；

图4简要表示按照本发明的控制元件与同步元件间的连接。

图1说明按照现有技术进行测量的基本原理。图中的光源1产生大量平行光束22照射在被测物体2上，使之在设有检测器5，5′的一个检测装置3上产生一个廓影。横向定位装置4调节检测器5，5′的垂直位置以及可能的检测器元件5，5″之间的间距。

使被测物体2绕垂直于图纸平面并通过转动中心7的转轴转动，再分析检测器5，5′上的光强度的不连续性，便可以测定被测物体2的圆度。光轴8限定了光束通过转动中7平行传递方向。横轴6沿通过转动中心7的垂直方向切割光轴8。

虽然，由于光束22的平行光通路，使其测量结果(如被测物体2的直径)对于沿光轴方向的小的位移甚不敏感，但被测物体沿光轴的大的位移却会引起光学畸变，这就使测量结果失真或降低。因此，在对具有偏心转动部分的被测物体进行测量时，不可能一开始就在不进行附加测量的情况下对偏心转动部分进行精确测量。

图2a示出一个带有偏心转动部分的被测物体2在相应于图1的图纸平面的测量面上的横截面。在这个实施例中，偏心转动部分10绕转动中心7在偏心行程图13上转动，在许多情况下(例如在曲轴情况下)偏心转动部分边缘上的点11也在被测物体转动时绕转动中心7作圆形运动。这样一来，偏心转动部分也呈现其自身的偏心转动中心12，该中心12本身又绘出绕转动中心7的偏心行程圆13。转动时，偏心转中心12相对于横轴6有一个变化的角度α，这个横轴6垂直于光轴8。

图2b际出这个装置的侧视图。被测物体2以可转动的方式支承在转动装置15之间，使得转动是绕转轴18沿转动方向16进行。在转动时，偏心转轴19和偏心部分10绕转轴18形成圆柱形运动，因此，偏心部分10转动时便扫出一个圆柱形表面。在偏心部分10的附近设置一个光室9，以便可以精确地进行偏心转动部分10的直径或圆度测量。用一个转轴定位装置21来调节光室9沿转轴18的位置。设置一个角度测量装置14，从而可实时记录偏心转动部分的角度位置或运动角α。图2b示出了测量面17，图2a，3a，3b和3c所示的横截面都处于该测量面内。

在测量面17内进行测量时，按照图3a，3b和3c进行下列步骤。图3a示出了内含光源1的光室9，光源1产生平行光束22。在被测物体转动时，偏心部分10给出一个围绕转动中心7的偏心行程圆13从而在偏心转动中心12与检测器5，5′之间得到一个平行于光轴8的间距d。在图3a中，转动着的偏心转动中心12精确地位于光轴8上。通过横向定位装置4使检测装置3的检测器5，5′定位，使得由光束22投影产生的偏心部分10的廓影被检测器5，5′记录。检测器5，5′可检测来自光源1的光线和廓影的光强度分布。除可能的很小背景之外，在偏心部分10的阴影处检测器的光强度测量都是零。在阴影之外，其光强度自然地相应于光源的全部光强度。因此，在检测器平面5，5′上，被测物体边缘产生投影的位置便精确地出现明显的光强度分布变化。通过一种行程装置20可调节间距d，这将在下面进一步说明。

在转动时，偏心部分的位置移动到例如图3b所示位置。在图3b中，转动着的偏心部分10精确地处于垂直位置，例如，偏心转动中心12处于横向轴6上。因此，如果通过横向定位装置4来调节检测装置3的检测器5，5′，使得可以检测廓影的急剧光强度变化，那么相应于被测物体直径的廓影轮廓便在检测器5，5′上构成影像。在这个位置，偏心转动中心12与横轴6之间的角位置(见图2a)便是α＝0；因此，偏心转动部分10已经向光源1的方向移动。然而，要相应调节行程装置20，使检测装置向光源移动，以保持间距d恒定。按这种方式避免了由于检测器与被测偏心部分之间的间距变化而千万的光学畸变。

如按图3C继续转动，则偏心部分10位于转角α＝270°的位置。行程装置20便使检测装置3的位置向光源移动，以保持偏心转动中心12与检测器5之间的间距d恒定。在通过横向定位装置4改变检测器5，5′上的轮廓以检测偏心部分的廓影的情况下，可以利用图3c的测量结果，并结合图3a和3b的测量结果，记录偏心部分10的3个直径，从而检测其圆度或偏心度。横向定位装置4也可用于改变两个检测器元件(例如5，5′)之间的间距，以便也可以测量直径差别很大的物体。

图4为本发明装置的不同元件之间的连接和控制示意图。通过导线43将同步器30连接到转动装置15上，并通过导线43连接到角度测量装置14上。同步器30和行程装置20之间的连接44使得可以调节行程装置20，以便使偏心转动部分和检测装置之间的平行于光轴8的间距保持恒定。通过角度测量装置14检测转角位置。在图4中分别示出同步器30与横向定位装置4及计算机40之间的辅助连接45和42。连接45有利于使横向定位装置4与角度测量装置14同步，从而使垂直于光轴(即平行于轴6)，的运动也可与偏心转动部分的转动同步。通过导线42和计算机40贮存同步信息。计算机40可贮存、控制和评估这些信息。通过导线41贮存转动位置角α，通过检测器5，5′检测到的廓光强度分布通过导线46或46′读出或贮存。很显然，为了实现测量过程的自动化，可按照图2～3c在计算机40与系统的各元件之间加上辅助的常规连接。

采用本发明的方法和装置，可以监控直径和测量直径，大约具有1微米的精度。这类测量可以例如在长度为0～3000mm、直径为0～1000mm的被测物体上进行。可以进行偏心转动件(例如曲轴)的测量。检测装置5，5′可以具有与光学CCD(计算机控制显示)照像机或激光扫描器连接的光电元件。采用例如10MHz的像素读数频率，可望达到5KHz的取样频率。被测物体的转动频率，为1Hz时，可达到每一转5000个取样。采用这种方法和装置，可以测量偏心转动部分的行程距离为例如±200mm。

Claims (8)

1.用于测量被测物体的偏心转动部分的方法：其中，以可转动的方式支承被测物体并使其绕转轴转动，测量面被限定与转轴垂直，在测量面内，被测物体的部分受到从光源发出的平行光束照射，通过一个检测装置检测通过处于由被测物体和光源产生的测量面上的被测物体的横截面的廓影，其特征在于：测定转轴相对于检测装置的位置，调节测量面使它与待测偏心转动部分相交，采用固定的检测装置，测量偏心转动部分的最大偏差，测定偏心转动部分的转角，平行于光束移动检测装置，使检测装置与偏心转动部分之间在平行于光束方向的间距保持恒定。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于可进行曲轴的测量。

3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于上述曲轴具有多个彼此相对有多个转角的偏心转动部分。

4.用于测量测物体的偏心转动部分的装置，包括：一个用于以可转动的方式支承被测物体的可转动的支持装置；限定测量面垂直于转轴的装置；一个在测量面上产生平行光束的光源；一个设置用于检测由光源发射的光束和被测物体产生的被测物体横截面的廓影的检测装置，其特征在于，一个使测量面(21)定位从而使其与待测的偏心转动部分(10)相交的装置；一个用于确定偏心部分(10)转角(α)的角度测量装置(14)；一个可以平行于光束(22)移动检测装置(3)的行程装置(20)；一个使检测装置(3)的行程运动与偏心部分(10)的角度位置(α)同步的的同步器(30)，和一个用于贮存、控制、和评估的计算机(40)，其中，检测装置(3)的移动可使检测装置(3)和转动偏心部分(10)之间沿平行于光束方向的间距(d)保持恒定。

5.按照权利要求4所述的装置，其特征在于将上述装置构置成可用来测量曲轴(2)。

6.按照权利要求4或5所述的装置，其特征在于检测装置(3)有一个检测器(5，5′)，它至少包含一个线性光电二极管阵列(5，5′)或一个激光扫描器。

7.按照权利要求6所述的装置，其特征在于检测装置包含两个线性的光电二极管阵列；设有一个定位装置(4)用以调节两个线性光电二极管阵列(5，5′)之间的间距。

8.按照权利要求4至7之一项所述的装置，其特征在于设有一个定位装置(4)用以使检测器(5，5′)在测量平面(17)上沿垂直于光束(22)的方向定位。

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