CN102322802B

CN102322802B - 非接触式换向器片间位移测量方法

Info

Publication number: CN102322802B
Application number: CN 201110159067
Authority: CN
Inventors: 吴燎兰; 邓谨; 张继红; 裘文阳; 韩康玮
Original assignee: ELECTROMECHANICAL PRODUCTS DETECTING TECHNOLOGY CENTER OF SHANGHAI ENTRY-EXIT INSPECTION AND QUARANTINE BUREAU
Current assignee: ELECTROMECHANICAL PRODUCTS DETECTING TECHNOLOGY CENTER OF SHANGHAI ENTRY-EXIT INSPECTION AND QUARANTINE BUREAU
Priority date: 2011-06-14
Filing date: 2011-06-14
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2031-06-14
Also published as: CN102322802A

Abstract

一种非接触式旋转物体微小位移测量装置，在该装置的控制及数据采集方面，通过位移传感器实现各种不同规格凹槽深度、小距离位移量、以及物理量的测量。在位移测试平台上安装好测试用待测对象，进入检测状态后，测试平台用电机开始匀速旋转，HLC开始循环扫描采集数据（由位移传感器采集数据），数据同时保存到控制器进行运算分析，通过OMRON编码器得出圆周的终止位，停止数据采集后控制器发出数据给PC机，PC机根据数据二次拟合为所对应图形，并且输出结果。整个过程自动化程度高，精度高、使用方便等优点。本发明还提供一种提供测量被测旋转物体出轴回转表面在同一横剖面内实际表面上各点到基准轴线间距离。

Description

非接触式换向器片间位移测量方法

技术领域

本发明涉及电动工具的测量领域，尤其涉及一种非接触式换向器片间位移测量方法。

背景技术

在我们日常生活中经常会使用到电动工具、健身器具等产品，由于该类机械运动的产品在使用过程中由于机械防护的无效或不合理的原因，可能会对人身产生危害。为了将此类危害降低至最小，相应的国内外安全标准中都对产品的运动部件制动时间、运动速度、材料变形量都会提出相应的防护要求，由于我们经常会涉及短时运行时间、非接触高速运速度及微小位移变化量的测试，由于该类运动变化量极其微小，并且无法接触测量，如果采用传统的检测方法将无法满足要求。

传统的位移测量装置如圆度仪、偏摆仪等，其探头通常是采用接触式位称传感器、在一定的测试压力下对被测工件表面进行测量。但是受各种条件限制，如工作表面不允许接触损伤，或者针对柔软、脆性材料及特殊几何形表面（如断续表面、曲率半径小的表面等）、超高精密表面（如半导体膜片、精密光学零件），此时传统的接触式位移传感器无法满足测试要求，也就无法得到准确的测量数据。

以传统待测对象位移测量装置为例，传统的待测对象位移测量装置可以看作是一种轮廓测试仪。测试时，先要保证高精度接触式探头与待测对象表面的有效接触，再由电机驱动被测待测对象均匀转动，同时采集数据。由于铣槽后的待测对象其被测表面的间隔隔槽宽度在0.2-0.5mm，还不至于影响到探头的通过。在探头检测出的位移信号出现明显下降和上升的特征时，经软件处理判别出无效的槽口数据并加以剔除，然后便可得出待测对象轮廓的有效数据。但对没铣过槽的待测对象，换触式探头便无能为力。目前国内外常用的片间测试仪器基本上采用接触式位移传感器。

在2011年《电动工具》中公开一篇由上海电动工具研究所王清瑜等发表的文章《非接触式待测对象片间误差测试仪》，非接触式待测对象片向误差测试仪根据待测对象铜排与云母片之间金属与非金属之间的区别，将探头和铜板分别视作固定极板和移动极板，有效地解决未铣槽待测对象片间误差的测试需求。采用空气介质变距式电容传感器。两个传感器板形成一个平行板电容器，一个电极板固定不变，另一极板距离d响应变化，只要测出电容量的变化，便可测极板间距变化量，由于可通过计算机等进行有效的模数转换，计算出待测对象位移。这种测试方式虽然有着无磨擦、无磨损和无惰性等特征，但是存在以下缺点：

首先，该测量出电容量的变化是模拟量，后通过模数转换等再计算出待测对象的位移，精度不高。

随后，现有的测试仪不能针对不同型号、不同直径的待测对象提供无缝测量，使用不方便。

也就是说，现有的位移测量装置存在测量精度不高、自动化程度不高、使用不方便的技术问题。

发明内容

本发明提供一种非接触式换向器片间位移测量方法，以解决现有技术中存在测量精度不高、自动化程度不高、使用不方便的技术问题。

一种非接触式位移测量装置，包括位移测试平台和控制平台，其中：

位移测试平台进一步包括基座、设置在基座上的待测对象夹持运动和控制装置和CMOS激光传感器和传感器底座夹持装置，待测对象夹持运动和控制装置进一步包括调速电机、连接调速电机的夹紧装置和用以获知调速电机转速的光电编码器，夹紧装置固定待测待测对象及与其内径一致的轴，CMOS激光传感器设置在传感器底座夹持装置上，所述CMOS激光传感器正对着待测待测对象;

所述控制平台至少包括控制器和PC机，PC机连接控制器,所述控制器分别电性连接光电编码器和CMOS激光传感器，用以接收CMOS激光传感器传送的信号和光电编码器的发送圆周起始位信息、终止位信号，并通过PC机还原出换向器的轮廓形状，计算出换向器相邻两片径向跳动差的最大值。

较佳地，所述传感器底座夹持装置上分别设置至少一种或几种调整装置：上下调整装置、左右调整装置及前后调整装置。

较佳地，夹紧装置可活动固定不同内径的轴，所述轴的内径对应一种规格的待测对象。

所述调速电机通过皮带轮连接至输出连接轴，光电编码器通过一轴连接器连接至输出连接轴的一端，输出连接轴的另一端通过另一轴连接器连接至待测对象。

一种非接触式换向器片间位移测量方法，包括以下步骤：

（1）提供位移测试平台和控制平台，位移测试平台进一步包括基座、设置在基座上的待测对象夹持运动和控制装置、CMOS激光传感器和传感器底座夹持装置，待测对象夹持运动和控制装置进一步包括调速电机、连接调速电机的夹紧装置和用以获知调速电机转速的光电编码器，夹紧装置固定待测待测对象及与其内径一致的轴，CMOS激光传感器设置在传感器底座夹持装置上，所述CMOS激光传感器正对着待测待测对象，控制平台至少包括控制器和PC机;

（2）测量换向器片间位移时，光电编码器等调速电机转动平移后，给控制器发送圆周起始位信息;

（2）控制器接收到光电编码器发送的圆周起始位信息后，接收CMOS激光传感器采集的信号，;

（3）控制器接收到光电编码器发出的圆周终止位后，中止接收CMOS激光传感器采集的信号,处理CMOS激光传感器发送采集信息，从中得到从基准点至换向器表面各点的距离信息;

（4）PC机接收到该些信息后，计算并还原出换向器片间轮廓。

一种非接触式运动状态电机出轴径向跳动测量装置，包括电机出轴径向跳动测量平台和控制平台，其中：

电机出轴径向跳动测量平台进一步包括基座，所述基座上设置待测电机、CMOS激光传感器和传感器底座夹持装置，CMOS激光传感器设置在传感器底座夹持装置上，所述CMOS激光传感器正对着待测电机;

所述控制平台至少包括可编程控制器和PC机，所述可编程控制器分别电性连接PC机和CMOS激光传感器，用以接收CMOS激光传感器传送的信号，通过PC机还原出被测电动机出轴回转表面在同一横剖面内实际表面上各点到基准轴线间距离的变动量。

较佳地，在基座上设置一用于夹紧待测电机的夹紧装置。

一种接触式运动状态电机出轴径向跳动测量方法，包括：

（1）提供一电机出轴径向跳动测量平台和控制平台，其中：电机出轴径向跳动测量平台进一步包括基座，所述基座上设置待测电机、CMOS激光传感器和传感器底座夹持装置，CMOS激光传感器设置在传感器底座夹持装置上，所述CMOS激光传感器正对着待测电机;,所述控制平台至少包括可编程控制器和PC机;

（2）预先设定电机出轴径向跳动测量的结束条件;

（3）在条件未满足的情况下，接收CMOS激光传感器传送的采样信号，该信号表示从基准点至电机表面各点的距离信息;

(4)在结束条件满足情况下，通过PC机还原出被测电动机出轴回转表面在同一横剖面内实际表面上各点到基准轴线间距离的最大变动量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明不仅提供了一种非接触式待测对象位移测量的方式，而且从测量至输出都采用数字量来处理，精度非常高。

在该位移测量***的控制及数据采集方面，通过位移传感器实现各种不同规格凹槽深度、小距离位移量、以及物理量的测量。适用标准有JB/T10107。在位移测试平台上安装好测试用待测对象，进入检测状态后，测试平台用电机开始匀速旋转，HLC开始循环扫描采集数据（由位移传感器采集数据），数据同时保存到KEYENCE KV-1000的下位机PLC***进行运算分析，通过OMRON编码器得出圆周的终止位，停止数据采集后下位机发出数据给上位机，上位机根据数据二次拟合为所对应图形，并且输出结果。整个过程自动化程度高，使用方便等优点。

附图说明

图1为一种非接触式旋转物体微小位移测量装置的原理图;

图2为一种非接触式旋转物体微小位移测量装置的实例图;

图3为待测对象轮廓示意图;

图4为非接触式旋转物体微小位移测量过程的还原过程的一图示;

图5为为一种非接触式运动状态电机出轴径向跳动测量装置的原理图;

图6为一种非接触式运动状态电机出轴径向跳动测量装置的实例图;

图7为一种非接触式运动状态电机出轴径向跳动测量装置的另一实例图.

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明。

所述控制平台至少包括可编程控制器，所述可编程控制器分别电性连接光电编码器和CMOS激光传感器，用以接收CMOS激光传感器传送的信号和光电编码器的信号，通过光电编码器得出圆周终止位后得出待测对象的转速，通过CMOS激光传感器得到待测对象表面在同一横剖面上实际表面各点到基准轴线间距离，从而获得各种不同规格凹槽深度、小距离位移量、以及物理量的测量，进而拟合为待测对象表面轮廓图形。

应用例1

以下以非接触式换向器片间位移测量为例来说明非接触式位移测量装置。

请参阅图1，一种非接触式换向器片间位移测量装置的原理实例图。它包括换向器片间位移测试平台1和控制平台2，其中：

控制平台2包括上位机21（又叫PC机）和下位机22，下位机22为控制器。

上位机21：选用触摸式平板电脑。上位机完成人机界面、数据通信和数据处理功能。

下位机22：完成***监控和数据采集、运算功能。

输入接口：由于运动信号及位移的采集要求速度快、精度高，因此选用激光传感器作为本项目数据输入器件。

输出接口：选用固态继电器，完成***数据控制功能。

换向器片间位移测试平台1进一步包括换向器夹持运动和控制装置13、CMOS激光传感器34和传感器底座夹持装置35（34和35可以合并为激光传感器及夹持部件14），换向器夹持运动和控制装置13进一步包括调速电机31、连接调速电机的夹紧装置32和用以获知调速电机转速的光电编码器33，夹紧装置32固定待测换向器及与其内径一致的轴，CMOS激光传感器34设置在传感器底座夹持装置35上，CMOS激光传感器34正对着待测换向器.

控制器分别电性连接光电编码器33和CMOS激光传感器35，用以接收CMOS激光传感器35传送的信号和光电编码器的发送圆周起始位信息、终止位信号，并通过PC机还原出换向器的轮廓形状，计算出换向器相邻两片径向跳动差的最大值。

光电编码器33，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90度的两路脉冲信号。光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。本实例中，光电编码器33本课题选用日本OMRON公司生产的分辩率为1000的E6B2-CWZ1X型光电编码器，以满足检测的要求。

CMOS激光传感器34应用了三角原理的测量方法，跟待测换向器之间的距离有变化时，受光素子的位置也会发生变化。受光量是用CMOS来检测。距离和受光量的组合，解决了到现在为止比较困难的多重反射物体检测问题，可以很稳定地检测。CMOS是带有多个整齐排列的光线接收元件的设备。

本实施例中，CMOS激光传感器34选用日本KVELOCE公司生产的LV系列数字长距离激光传感器，以满足检测的要求。

LV系列数字长距离激光传感器由LV-H32数字长距离激光传感器感测头及LV-21A放大器二部分组成。利用半导体作为光源可使LV系列产品即使在远距离也可生成强烈的聚束光点。甚至当远离目标时，LV系列产品也能精确地检测和辨别，而利用发光二极管作为光源的传感器不可能达到这一点。LV-H32具有以下的特点：

LV-H32充分发挥超大功率激光的作用，检测的距离最远可达1000mm，比任何一种传统的传感器高出30倍。即使目标为黑色，只能反射少量的激光光束，也能进行稳定检测。

射束光点可以被聚焦在一个很小的目标上。

无论检测距离的远近如何，都可以根据待测换向器的尺寸大小通过旋转调焦旋钮来调整光点的直径。

换向器片间位移测试平台1可以做成如图2所示的结构，一基座6，在基座6上设置用于夹持CMOS激光传感器35的传感器底座夹持装置34，传感器底座夹持装置34上分别设置至少一种或几种调整装置：上下调整装置、左右调整装置及前后调整装置，以便能全方位调整CMOS激光传感器，能够调整光点对至换向。在基座上还可以设置一换向器夹持运动和控制装置13，在该装置13中调整电机31的输出轴显示在外，以便能够通过夹持装置夹持待测换向器7。调整电机31可以通过设置在外的调整按钮8来调整电机的转速（通过采用调整按钮8来调整电机31的转速，这种设计，使得换向器片间位移测试平台1具有非常好的通用性，可以适应对电机31的转速有不同要求的检测），并且调整电机31还连接光电编码器33，以便光电编码器32能够很好的检测出电机的转速。在本实例中，调速电机通过皮带轮连接至输出连接轴，光电编码器通过一轴连接器连接至输出连接轴的一端，输出连接轴的另一端通过另一轴连接器连接至待测对象。

以下具体说明换向器片向位移的测量方法：

A1:测量换向器片间位移时，光电编码器等调速电机转动平移后，给控制器发送圆周起始位信息;

A2:控制器接收到光电编码器发送的圆周起始位信息后，接收CMOS激光传感器采集的信号;

A3:控制器接收到光电编码器发出的圆周终止位后，中止接收CMOS激光传感器采集的信号,处理CMOS激光传感器发送采集信息，从中得到从基准点至换向器表面各点的距离信息。通常CMOS激光传感器采集到的信号是模拟信息，控制器先对其进行模数转换，然后，处理数据（比如过滤掉一些无用数据等）

（4）PC机接收到该些信息后，计算并还原出换向器片间轮廓。PC机接收到该些信息，可以还原出整锯齿状的换向器片间状态数据，后拟合出换向器片间轮廓（如图3所示）。

比如，PC机接收到的该些信息都是距离信息，即换向器外表面的各个点到对应基点的距离：d1、d2、d3、d4、d5……dn。将该些距离映射到图上的坐标（如图4所示），以基准线K为基准，以d1为长度画线，在图上可得端点E1,同理，可得E2、E3…,E1和E2的距离M可以为CMOS激光传感器采样的周期与光电编码器发送的电机转速之积。PC机将该E1、E2、E3…En进行连线处理，即可获知呈类锯齿状的图形。E1和En之间的距离即为该换向器的圆周长，由此计算出换向器圆的半径R，最后，将呈类锯齿状的图形拟后成半径R的圆（如图3所示）从该图形中可知换向器各片的宽度、片之间的凹槽深度等。

其中，整个试验过程为：

1）准备试验

该试验需选用如下试验设备：自主研发的换向器片间位移测试平台1台，HL-C2位移传感器1个，连接换向器用联接头1个

2）测试过程：

将待测换向器配备与其内径一样的轴，并用夹紧装置将它们固定。随后上外圆磨床打磨，需打磨至标准所要求的换向器表面光洁度，用光洁度等级对比纸加以验证。接着进行室温下/热态下的超速实验并冷却。最后将换向器连同内轴，通过联接头一同装夹到换向器检测平台的电动机出轴上。

连通SUNX公司的HL-C2位移传感器的电源，调整其高低左右的位置，使换向器被检测铜片的平面与传感器的激光射线保持90度夹角，并使传感器上的RANGE指示灯为黄色状态。

打开测试平台的电源开关，通过旋转测试平台上的调速按钮，调整带动换向器旋转的变频电机的转速，一般将其转速调整为最大转速的50％以上。

运行软件进行换向器片间位移的测试，如果检测失败，则需要检查换向器装夹情况和传感器放置位置，并调整检测平台上的速度控制按钮将旋转速度加大后重新进行检测。

应用例二

下面结合附图详细描述本实用新型。

请参阅图5，一种非接触式运动状态电机出轴径向跳动测量装置的原理实例图。它包括电机出轴径向跳动测量平台和控制平台，其中：

控制平台包括上位机41（或称PC机）和下位机42（控制器），下位机42采用可编程控制器在本实例中，

上位机41：选用触摸式平板电脑。上位机完成人机界面、数据通信和数据处理功能。

下位机42：完成***监控和数据采集、运算功能。

输出接口：选用固态继电器，完成***数据控制功能。

电机出轴径向跳动测量平台进一步包括电机夹持运动和控制装置43、CMOS激光传感器44和传感器底座夹持装置45（44和45可以合并为激光传感器及夹持部件44），待测电机夹持运动和控制子装置43进一步包括电机46、连接电机的夹紧装置47（夹紧装置47也可以省缺），夹紧装置47固定待测电机，CMOS激光传感器44设置在传感器底座夹持装置45上，CMOS激光传感器44正对着待测电机。

可编程控制器电性连接CMOS激光传感器45，用以接收CMOS激光传感器传送的信号，通过上位机还原出被测电动机出轴回转表面在同一横剖面内实际表面上各点到基准轴线间距离的变动量。

CMOS激光传感器44应用了三角原理的测量方法，跟待测电机之间的距离有变化时，受光素子的位置也会发生变化。受光量是用CMOS来检测。距离和受光量的组合，解决了到现在为止比较困难的多重反射物体检测问题，可以很稳定地检测。CMOS是带有多个整齐排列的光线接收元件的设备。

电机出轴径向跳动测量平台可以做成如图6所示的结构，一基座，在基座上设置用于夹持CMOS激光传感器的传感器底座夹持装置，传感器底座夹持装置45上分别设置至少一种或几种调整装置：上下调整装置、左右调整装置及前后调整装置，以便能全方位调整CMOS激光传感器，能够调整光点对至换向。CMOS激光传感器44和传感器底座夹持装置45可以移动。为了方便夹持待测电机9，可以设置一夹具7（如图6所示）。当然，也可以将待测电机9直接放置在某一平台上，通过CMOS激光传感器44进行检测。（如图7所示）。

以下具体说明待测电机出轴径向跳动的测量方法：

1）准备试验

该试验需选用如下试验设备：自主研发的电机出轴径向跳动测量平台1台，HL-C2位移传感器1个，连接待测电机用的电机夹具1个

2）测试过程：

根据被试电机的实际情况，选择合适的夹具固定电机，使其出轴不会由于电机整体的移动而影响其径向跳动度的测量，如图3-55。

连通SUNX公司的HL-C2位移传感器的电源，调整其高低左右的位置，使被试电机出轴的轴线与传感器的激光射线保持90度夹角，并使传感器上的RANGE指示灯为黄色状态。

给被试电机上电，使电机基本稳定在匀速旋转状态。

运行软件进行动状态电机出轴径向跳动量的测试。如果检测失败，则需要检查被试电机装夹情况、传感器放置位置以及电机输出轴上是否有键槽等会引起突变的形状，调整传感器及其它上位机上的测试参数后重新进行检测。

一般的过程为：

（1）预先设定电机出轴径向跳动测量的结束条件，该条件可以为采样的最大个数;

（2）在条件未满足的情况下，接收CMOS激光传感器传送的采样信号，该信号表示从基准点至电机表面各点的距离信息;

(3)在结束条件满足情况下，通过PC机还原出被测电动机出轴回转表面在同一横剖面内实际表面上各点到基准轴线间距离的最大变动量。

以上公开的仅为本申请的几个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims

1.一种非接触式换向器片间位移测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）提供换向器片间位移测试平台和控制平台，换向器片间位移测试平台进一步包括基座、设置在基座上的待测对象夹持运动和控制装置、CMOS激光传感器和传感器底座夹持装置，待测对象夹持运动和控制装置进一步包括调速电机、连接调速电机的夹紧装置和用以获知调速电机转速的光电编码器，夹紧装置固定待测对象及与其内径一致的轴，CMOS激光传感器设置在传感器底座夹持装置上，所述CMOS激光传感器正对着待测对象，控制平台至少包括控制器和PC机;

（3）控制器接收到光电编码器发送的圆周起始位信息后，接收CMOS激光传感器采集的信号;

（4）控制器接收到光电编码器发出的圆周终止位后，中止接收CMOS激光传感器采集的信号,处理CMOS激光传感器发送采集信息，从中得到从基准点至换向器表面各点的距离信息;

（5）PC机接收到该些信息后，计算并还原出换向器片间轮廓。