CN102252631B - 基于直驱式电机的凸轮轮廓检测*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种结构简单、检测精度和效率较高的基于直驱式电机的凸轮轮廓检测***，其包括：直驱式电机、同轴固定设于直驱式电机的转子上的用于带动凸轮同步同轴旋转的心轴、水平设于凸轮一侧的丝杠螺母副、设于该丝杠螺母副的活动螺母上的激光测量头、用于测量所述活动螺母的水平位移量的光栅尺位移传感器、设于直驱式电机的固定座中的用于检测所述转子的旋转角度的圆光栅、以及工控机；所述工控机控制所述直驱式电机和丝杠螺母副动作，并根据所述激光测量头、光栅尺位移传感器和圆光栅测得的数据得出凸轮的外轮廓数据。

Description

基于直驱式电机的凸轮轮廓检测***

技术领域

本发明涉及一种基于直驱式电机的凸轮轮廓检测***及其检测方法。

背景技术

凸轮机构广泛应用于各种自动化机械、精密仪器、自动化控制***等。要做到高精度、高效率地检测凸轮，并正确处理、评定它的各项误差，及时快速地反馈凸轮的质量信息，传统的光学机械量仪以及人工数据处理的方法，已不能适应凸轮广泛采用的自动线生产的需要了。随着汽车工业、工程机械等的高速发展和制造技术的不断提高，对如何提高凸轮加工精度的检测精度和效率，是本领域要解决的技术难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、检测精度和效率较高的基于直驱式电机的凸轮轮廓检测***。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于直驱式电机的凸轮轮廓检测***，包括：直驱式电机、同轴固定设于直驱式电机的转子上的用于带动凸轮同步同轴旋转的心轴、水平设于凸轮一侧的丝杠螺母副、设于该丝杠螺母副的活动螺母上的激光测量头、用于测量所述活动螺母的水平位移量的光栅尺位移传感器、设于直驱式电机的固定座中的用于检测所述转子的旋转角度的圆光栅、以及工控机；所述工控机控制所述直驱式电机和丝杠螺母副动作，并根据所述激光测量头、光栅尺位移传感器和圆光栅测得的数据得出凸轮的外轮廓数据。

具体地，所述丝杠螺母副的丝杆与一步进电机传动相连；工控机包括：用于实时控制所述直驱式电机和步进电机动作的运动控制卡，与所述激光测量头相连的用于实时检测激光测量头与凸轮的外轮廓的间距的激光位移传感器采集卡，与所述光栅尺位移传感器和圆光栅相连的编码器计数卡，以及通过***总线与所述运动控制卡、激光位移传感器采集卡和编码器计数卡相连的CPU单元；所述运动控制卡通过一伺服驱动器与所述直驱式电机相连，所述圆光栅的检测信号输出端与该伺服驱动器的反馈信号输入端相连；运动控制卡同时通过一步进电机驱动器控制步进电机动作。

在所述凸轮的旋转角度为θ_i时，测得的凸轮的外轮廓与激光测量头的间距即第一间距测量值为l_Ti；同时，光栅尺位移传感器测量得的所述活动螺母在水平方向与光栅尺位移传感器的硬零位l₀的间距即第二间距测量值为l_Mi，i＝1，2，3...n；i为凸轮旋转一周的过程中同时检测所述第一、第二间距测量值l_Ti、l_Mi的次数，0°≤θ_i＜360°。

所述基于直驱式电机的凸轮轮廓检测***的检测方法包括：

A)、将激光测量头与心轴的外圆的间距即第一间距l_T0控制在激光测量头的量程内，然后检测并记录所述第一间距l_T0，同时检测并记录所述活动螺母在水平方向与所述硬零位l₀的间距即第二间距l_M0；(由于所述心轴的加工和安装精度容易保障，因此只需要检测所述第一间距l_T0。)

B)、若已知凸轮的外轮廓数据ρ＝ρ(θ)，则在开始控制凸轮旋转一周的同时，控制激光测量头相对凸轮的外轮廓按照ρ＝ρ(θ)+l_T0的轨迹运动；同时，控制所述第一间距测量值l_Ti始终处于激光测量头的量程内，并获取与凸轮的旋转角度θ_i相对应的所述第一、第二间距测量值l_Ti、l_Mi；

C)、由心轴直径

和所述l_T0、l_M0、l_Ti、l_Mi，计算出凸轮的极径测量值ρ_i(θ_i)：

${\mathrm{\ρ}}_i\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=\frac{1}{2}\mathrm{\φd}+(l_{T0}-l_{\mathrm{Ti}})+(l_{M0}-l_{\mathrm{Mi}});$

D)、将所述极径测量值ρ_i(θ_i)与所述外轮廓数据ρ＝ρ(θ)相比较，得出凸轮的外轮廓加工误差。

所述基于直驱式电机的凸轮轮廓检测***的另一种检测方法包括：

a)、将激光测量头与心轴的外圆的间距即第一间距l_T0控制在激光测量头的量程内，然后检测并记录所述第一间距l_T0，同时检测并记录所述活动螺母在水平方向与所述硬零位l₀的间距即第二间距l_M0；

b)、将凸轮无间隙配合于所述心轴上，若未知凸轮的外轮廓数据，则在开始控制凸轮旋转一周的同时，控制丝杠螺母副的活动螺母根据激光测量头测得的所述第一间距测量值为l_Ti的大小做靠近或远离凸轮的直线位移，以控制所述第一间距测量值l_Ti始终处于激光测量头的量程内，并获取与凸轮的旋转角度θ_i相对应的所述第一、第二间距测量值l_Ti、l_Mi；

c)、由心轴直径

和所述l_T0、l_M0、l_Ti、l_Mi，计算出凸轮的极径测量值ρ_i(θ_i)：

${\mathrm{\ρ}}_i\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=\frac{1}{2}\mathrm{\φd}+(l_{T0}-l_{\mathrm{Ti}})+(l_{M0}-l_{\mathrm{Mi}}).$

本发明具有积极的效果：(1)本发明的基于直驱式电机的凸轮轮廓检测***采用非接触测量方法，激光测量头运动由丝杠螺母副直接驱动，丝杠螺母副通过予紧可消除间隙，丝杠负载小，所以动态刚度高、运动平稳、***动态性能好。测量过程中测量头无机械磨损，与其它接触式测量，速度快、精度高、精度保持性好。选用量程范围小(量程起点～量程终点)的激光测量头，在其线性度不变的条件下，测量误差小。激光测量头水平方向运动距离由光栅尺位移传感器完成，在凸轮的极径变化大的情况下，仍可获得高的测量精度、更高性价比；(2)为了保证激光测量头始终在量程范围内测量，即保证测量头与凸轮轮廓距离在量程起点和量程终点之间，本发明采用数控插补方法，使凸轮旋转运动与激光测量头水平方向直线运动进行联动。凸轮旋转角度由设于直驱式电机中的圆光栅检测，心轴在圆周方向零点由圆光栅零位脉冲信号确定。(3)心轴直接与电机转子连接，消除了减速器、齿轮、皮带等传统传动结构中的传动误差、机械滞后、反向间隙，伺服刚性高、快速响应性能好。(4)圆光栅输出正、余弦信号和零位信号，零位信号为电机转子在圆周方向提供可重复的起始位置。圆光栅正、余弦弦信号经过细分并转换成方波信号，用于伺服驱动器位置闭环控制；该方波信号同时接入编码器计数卡，工控机可得到凸轮实际转角。

附图说明

图1为本发明的基于直驱式电机的凸轮轮廓检测***的结构示意图；

图2为图1中的基于直驱式电机的凸轮轮廓检测***的未安装凸轮时的结构图。

具体实施方式

(实施例1)

见图1-2，本实施例的基于直驱式电机的凸轮轮廓检测***包括：用于带动凸轮10绕垂向的心轴5水平同轴旋转的直驱式电机1、水平设于直驱式电机1一侧的丝杠螺母副3、设于该丝杠螺母副3的活动螺母3-1上且于凸轮10一侧的激光测量头2、用于测量所述活动螺母3-1的水平位移量的光栅尺位移传感器4、设于直驱式电机1的固定座1-1中的用于检测凸轮10的旋转角度的圆光栅、以及工控机；所述工控机控制所述直驱式电机1和丝杠螺母副3动作，并根据所述激光测量头2、光栅尺位移传感器4和圆光栅测得的数据得出凸轮10的外轮廓数据。所述运动控制卡通过一伺服驱动器与所述直驱式电机1相连，所述圆光栅的检测信号输出端1-3与该伺服驱动器的反馈信号输入端相连，以精确控制所述转子1-2的旋转角度；运动控制卡同时通过步进电机驱动器控制步进电机7动作。

作为最优的实施方式，丝杠螺母副3的丝杆3-2的中心线、以及激光测量头2输出的激光与所述心轴5的轴线垂直相交。

所述工控机包括：用于实时控制所述直驱式电机1和丝杠螺母副3动作的运动控制卡，与所述激光测量头2相连的用于实时检测激光测量头2与凸轮10的外轮廓的间距的激光位移传感器采集卡，与所述光栅尺位移传感器4和圆光栅相连的编码器计数卡，通过***总线与所述运动控制卡、激光位移传感器采集卡和编码器计数卡相连的CPU单元，以及经显卡与所述***总线相连的用于显示和对比凸轮10的外轮廓数据的LCD。

在所述凸轮10的旋转角度为θ_i时，测得的凸轮10的外轮廓与激光测量头2的间距即第一间距测量值为l_Ti；同时，光栅尺位移传感器4测量得的所述活动螺母3-1在水平方向与光栅尺位移传感器4的硬零位l₀的间距即第二间距测量值为l_Mi，i＝1，2，3...n；i为凸轮10旋转一周的过程中同时检测所述第一、第二间距测量值l_Ti、l_Mi的次数，n可根据凸轮测量角度间隔大小确定，例如：180、360、720等，n越大，测得的凸轮10的外轮廓数据越精确；0°≤θ_i＜360°，θ_i+1-θ_i＝θ_i-θ_i-1。

为提高对凸轮加工精度要求较高部位(如凸轮的凸起部的外轮廓数据)的检测精度，同时尽量确保检测效率，可设置在检测该部位时，降低θ_i+1和θ_i的差值。

若已知凸轮10的外轮廓数据ρ＝ρ(θ)，则所述检测***的检测方法包括：

A、将激光测量头2与心轴5的外圆的间距即第一间距l_T0控制在激光测量头2的量程内(最佳的实施方式为：第一间距l_T0控制在激光测量头2的量程中点附近，因为在量程中点附近的测量精确度最高)，然后检测并记录所述第一间距l_T0，同时检测并记录所述活动螺母3-1在水平方向与所述硬零位l₀的间距即第二间距l_M0；

B、将凸轮10无间隙配合于所述心轴5上，在开始控制凸轮10旋转一周的同时，控制激光测量头2相对凸轮10的外轮廓按照ρ＝ρ(θ)+l_T0的轨迹运动；同时，控制所述第一间距测量值l_Ti始终处于激光测量头2的量程内(最佳的实施方式为：第一间距l_T0控制在激光测量头2的量程中点附近，因为在量程中点附近的测量精确度最高；)，并获取与凸轮10的旋转角度θ_i相对应的所述第一、第二间距测量值l_Ti、l_Mi；

C、由心轴直径

和所述l_T0、l_M0、l_Ti、l_Mi，计算出凸轮10的极径测量值ρ_i(θ_i)：

${\mathrm{\ρ}}_i\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=\frac{1}{2}\mathrm{\φd}+(l_{T0}-l_{\mathrm{Ti}})+(l_{M0}-l_{\mathrm{Mi}});$

D、将所述极径测量值ρ_i(θ_i)与所述外轮廓数据ρ＝ρ(θ)相比较，得出凸轮10的外轮廓加工误差。

若未知凸轮10的外轮廓数据ρ＝ρ(θ)，则所述检测***的检测方法包括：

a、将激光测量头2与心轴5的外圆的间距即第一间距l_T0控制在激光测量头2的量程内，然后检测并记录所述第一间距l_T0，同时检测并记录所述活动螺母3-1在水平方向与所述硬零位l₀的间距即第二间距l_M0；

b、将凸轮10无间隙配合于所述心轴5上，在开始控制凸轮10旋转一周的同时，控制丝杠螺母副3的活动螺母3-1根据激光测量头2测得的所述第一间距测量值为l_Ti的大小做靠近或远离凸轮10的直线位移，以控制所述第一间距测量值l_Ti始终处于激光测量头2的量程内，并获取与凸轮10的旋转角度θ_i相对应的所述第一、第二间距测量值l_Ti、l_Mi；

c、由心轴直径

和所述l_T0、l_M0、l_Ti、l_Mi，计算出凸轮10的外轮廓数据，也即极径测量值ρ_i(θ_i)：

${\mathrm{\ρ}}_i\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=\frac{1}{2}\mathrm{\φd}+(l_{T0}-l_{\mathrm{Ti}})+(l_{M0}-l_{\mathrm{Mi}}).$

上述激光测量头2可选择德国的PRIMUS 1000-2型基于PC机的高精度激光位移传感器，其主要性能指标为：量程2mm，量程起点16mm，量程终点20mm，量程中点18mm；线性度1μm，分辨率0.2μm；光斑直径35μm。

光栅尺位移传感器是有标尺光栅和读数头两部分组成。读数头设于丝杠螺母副3的活动螺母3-1上，标尺光栅固定在丝杠螺母副3的丝杆3-2一侧的机架上。丝杆3-2的位置固定。

本实施例的光栅尺位移传感器4可以选择德国海德汉LIP571型光栅尺，读数头输出表示测量值的方波信号并送至所述编码器计数卡，精度等级±1μm；分辨率0.2μm。激光测量头与光栅尺的型号、精度、量程可根据凸轮检测精度要求、凸轮极径大小做出适当调整。

本实施例的光栅尺位移传感器4还可以选择威海三丰电子科技有限公司的GBC系列光栅尺，其由读数头、标尺光栅和接口电路组成。当读数头运动时，接口电路的光电接收器分别产生A相和B相两路相位相差90°的脉冲波信号，该信号再经过处理后送至所述编码器计数卡。

所述编码器计数卡用于记录光栅尺位移传感器4、圆光栅产生的脉冲个数，进而计算出丝杠螺母副的螺母移动距离、凸轮旋转角度。运动控制卡控制凸轮与丝杠螺母副的螺母按给定轨迹运动。

光栅尺位移传感器4中的光栅尺的右侧安装一个硬零位，作为光栅尺位移传感器4测量距离度量的起点。

直驱式电机(也称为：直驱旋转电机)可选择中国台湾大银微***股份有限公司的TMSXX系列转矩马达旋转平台，绝对定位精度10″，重复定位精度3″。

(实施例2)

在实施例1的基础上，本实施例具有如下变形：

为消除心轴5的加工或安装误差，对凸轮轮廓检测精度的影响，所述凸轮轮廓检测***的检测方法包括：

A、检测心轴5的外缘数据：心轴5开始旋转一周时，将激光测量头2与心轴5的外圆的间距即第一间距l_T0i始终控制在激光测量头2的量程内，同时检测并记录与所述旋转角度为θ_i相对应的第一间距l_T0i、以及所述动子3-1在水平方向与所述硬零位l₀的间距即第二间距l_M0i；

B、将凸轮10无间隙配合于所述心轴5上，若已知凸轮10的外轮廓数据ρ＝ρ(θ)，则在开始控制凸轮10旋转一周的同时，控制激光测量头2相对凸轮10的外轮廓按照ρ＝ρ(θ)+l_T0i的轨迹运动；同时，控制所述第一间距测量值l_Ti始终处于激光测量头2的量程内，并获取与凸轮10的旋转角度θ_i相对应的所述第一、第二间距测量值l_Ti、l_Mi；

C、由心轴直径

和所述l_T0i、l_M0i、l_Ti、l_Mi，计算出凸轮10的极径测量值ρ_i(θ_i)：

${\mathrm{\ρ}}_i\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=\frac{1}{2}\mathrm{\φd}+(l_{T0i}-l_{\mathrm{Ti}})+(l_{M0i}-l_{\mathrm{Mi}})$

D、将所述极径测量值ρ_i(φ_i)与所述外轮廓数据ρ＝ρ(θ)相比较，得出凸轮10的外轮廓加工误差。

若未知凸轮10的外轮廓数据ρ＝ρ(θ)，则所述凸轮轮廓检测***的检测方法包括：

a、检测心轴5的外缘数据：心轴5开始旋转一周时，将激光测量头2与心轴5的外圆的间距即第一间距l_T0i始终控制在激光测量头2的量程内，同时检测并记录与所述旋转角度为θ_i相对应的第一间距l_T0i、以及所述动子3-1在水平方向与所述硬零位l₀的间距即第二间距l_M0i；

b、将凸轮10无间隙配合于所述心轴5上，若未知凸轮10的外轮廓数据，则在开始控制凸轮10旋转一周的同时，控制直线电机3的动子3-1根据激光测量头2测得的所述第一间距测量值为l_Ti的大小做靠近或远离凸轮10的直线位移，以控制所述第一间距测量值l_Ti始终处于激光测量头2的量程内，并获取与凸轮10的旋转角度θ_i相对应的所述第一、第二间距测量值l_Ti、l_Mi；

c、由心轴直径和所述l_T0i、l_M0i、l_Ti、l_Mi，计算出凸轮10的极径测量值ρ_i(θ_i)：

${\mathrm{\ρ}}_i\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=\frac{1}{2}\mathrm{\φd}+(l_{T0i}-l_{\mathrm{Ti}})+(l_{M0i}-l_{\mathrm{Mi}}).$

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (2)

1.一种基于直驱式电机的凸轮轮廓检测***，其特征在于包括：直驱式电机（1）、同轴固定设于直驱式电机（1）的转子（1-2）上的用于带动凸轮（10）同步同轴旋转的心轴（5）、水平设于凸轮（10）一侧的丝杠螺母副（3）、设于该丝杠螺母副（3）的活动螺母（3-1）上的激光测量头（2）、用于测量所述活动螺母（3-1）的水平位移量的光栅尺位移传感器（4）、设于直驱式电机（1）的固定座（1-1）中的用于检测所述转子（1-2）的旋转角度的圆光栅、以及工控机；

所述工控机控制所述直驱式电机（1）和丝杠螺母副（3）动作，并根据所述激光测量头（2）、光栅尺位移传感器（4）和圆光栅测得的数据得出凸轮（10）的外轮廓数据；

所述丝杠螺母副（3）的丝杆（3-2）与一步进电机（7）传动相连；

所述工控机包括：用于实时控制所述直驱式电机（1）和步进电机（7）动作的运动控制卡，与所述激光测量头（2）相连的用于实时检测激光测量头（2）与凸轮（10）的外轮廓的间距的激光位移传感器采集卡，与所述光栅尺位移传感器（4）和圆光栅相连的编码器计数卡，以及通过***总线与所述运动控制卡、激光位移传感器采集卡和编码器计数卡相连的CPU单元；

所述运动控制卡通过一伺服驱动器与所述直驱式电机（1）相连，所述圆光栅的检测信号输出端（1-3）与该伺服驱动器的反馈信号输入端相连；运动控制卡同时通过一步进电机驱动器控制步进电机（7）动作；

在所述凸轮（10）的旋转角度为θ_i时，测得的凸轮（10）的外轮廓与激光测量头（2）的间距即第一间距测量值为；同时，光栅尺位移传感器（4）测量得的所述活动螺母（3-1）在水平方向与光栅尺位移传感器（4）的硬零位（

）的间距即第二间距测量值为

，i=1,2,3…n；i为凸轮（10）旋转一周的过程中同时检测所述第一、第二间距测量值

、

的次数，0°≤θ_i<360°；

所述凸轮轮廓检测***的检测方法包括：

A）、将激光测量头（2）与心轴（5）的外圆的间距即第一间距

控制在激光测量头（2）的量程内,然后检测并记录所述第一间距

，同时检测并记录所述活动螺母（3-1）在水平方向与所述硬零位（

）的间距即第二间距

；

B）、若已知凸轮（10）的外轮廓数据

，则在开始控制凸轮（10）旋转一周的同时，控制激光测量头（2）相对凸轮（10）的外轮廓按照

+

的轨迹运动；同时，控制所述第一间距测量值

始终处于激光测量头（2）的量程内，并获取与凸轮（10）的旋转角度θ_i相对应的所述第一、第二间距测量值

、

；

C）、由心轴直径

d和所述

、

、、

,计算出凸轮（10）的极径测量值：

 

D）、将所述极径测量值

与所述外轮廓数据

相比较，得出凸轮（10）的外轮廓加工误差。

2.一种基于直驱式电机的凸轮轮廓检测***，其特征在于包括：直驱式电机（1）、同轴固定设于直驱式电机（1）的转子（1-2）上的用于带动凸轮（10）同步同轴旋转的心轴（5）、水平设于凸轮（10）一侧的丝杠螺母副（3）、设于该丝杠螺母副（3）的活动螺母（3-1）上的激光测量头（2）、用于测量所述活动螺母（3-1）的水平位移量的光栅尺位移传感器（4）、设于直驱式电机（1）的固定座（1-1）中的用于检测所述转子（1-2）的旋转角度的圆光栅、以及工控机；

所述工控机控制所述直驱式电机（1）和丝杠螺母副（3）动作，并根据所述激光测量头（2）、光栅尺位移传感器（4）和圆光栅测得的数据得出凸轮（10）的外轮廓数据；

所述丝杠螺母副（3）的丝杆（3-2）与一步进电机（7）传动相连；

所述工控机包括：用于实时控制所述直驱式电机（1）和步进电机（7）动作的运动控制卡，与所述激光测量头（2）相连的用于实时检测激光测量头（2）与凸轮（10）的外轮廓的间距的激光位移传感器采集卡，与所述光栅尺位移传感器（4）和圆光栅相连的编码器计数卡，以及通过***总线与所述运动控制卡、激光位移传感器采集卡和编码器计数卡相连的CPU单元；

所述运动控制卡通过一伺服驱动器与所述直驱式电机（1）相连，所述圆光栅的检测信号输出端（1-3）与该伺服驱动器的反馈信号输入端相连；运动控制卡同时通过一步进电机驱动器控制步进电机（7）动作；

在所述凸轮（10）的旋转角度为θ_i时，测得的凸轮（10）的外轮廓与激光测量头（2）的间距即第一间距测量值为

；同时，光栅尺位移传感器（4）测量得的所述活动螺母（3-1）在水平方向与光栅尺位移传感器（4）的硬零位（）的间距即第二间距测量值为

，i=1,2,3…n；i为凸轮（10）旋转一周的过程中同时检测所述第一、第二间距测量值

、

的次数，0°≤θ_i<360°；

所述凸轮轮廓检测***的检测方法包括：

a）、将激光测量头（2）与心轴（5）的外圆的间距即第一间距

控制在激光测量头（2）的量程内,然后检测并记录所述第一间距

，同时检测并记录所述活动螺母（3-1）在水平方向与所述硬零位（

）的间距即第二间距

；

b）、若未知凸轮（10）的外轮廓数据，则在开始控制凸轮（10）旋转一周的同时，控制丝杠螺母副（3）的活动螺母（3-1）根据激光测量头（2）测得的所述第一间距测量值为

的大小做靠近或远离凸轮（10）的直线位移，以控制所述第一间距测量值

始终处于激光测量头（2）的量程内，并获取与凸轮（10）的旋转角度θ_i相对应的所述第一、第二间距测量值

、

；

c）、由心轴直径

d和所述、

、

、

,计算出凸轮（10）的极径测量值：

。

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