CN103063421B - 用于斜圈弹簧性能的自动化综合检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于斜圈弹簧性能的自动化综合检测装置，伺服电机设置在底座上的固定支架中；精密滚珠丝杠上端向上与伺服电机的输出轴传动连接，精密滚珠丝杠下端设置在底座上的支撑座中，精密滚珠丝杠上套装有丝母，丝母与工作台固定连接；光栅尺沿底座的外侧立面竖直设置，光栅尺的读数头通过连接板与工作台固定连接；工作台的悬臂上固定连接有弹簧夹具，弹簧夹具的下方设置有扩径块，扩径块的下端与拉压力传感器连接。本发明还公开了一种用于斜圈弹簧性能的自动化综合检测方法。本发明的装置及其方法，能够实现同时对斜圈弹簧内圈直径、刚度、最小和最大内摩擦力的检测，工作效率高，准确性好。

Description

用于斜圈弹簧性能的自动化综合检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于机械设备检测技术领域，涉及一种用于斜圈弹簧性能的自动化综合检测装置，本发明还涉及一种用于斜圈弹簧性能的自动化综合检测方法。

背景技术

斜圈弹簧能够在5%-35%的工作变形范围内提供近似于恒定的力，正是由于具有这一独特的结构特点，使得斜圈弹簧无论是作为密封零件、屏蔽零件、连接零件还是电气零件，都表现出比普通直圈弹簧更多的优良性能。斜圈弹簧广泛应用于航空航天、电力***、密封***等众多领域。因此，对于斜圈弹簧刚度等性能的研究，具有很强的理论价值及实用价值。

斜圈弹簧性能的优劣，会对其应用效果产生至关重要的影响，精确的检测方法及装置是保证产品质量的重要条件。高质量斜圈弹簧是高压断路器的核心零件，斜圈弹簧触指的内摩擦力是固封极柱电路导通或断开的重要参数之一。斜圈弹簧内摩擦力的大小影响分合闸速度和容差能力，如果摩擦力大小没达标，将会使断路器的机械特性不能满足要求，并有可能造成回路电路偏大，影响整个断路器的温升。因此，有必要把斜圈弹簧内圈摩擦力限定在一个合理的范围内。

目前，对斜圈弹簧刚度的检测方式，一般采用杠杆式弹簧拉压载荷试验机或者采用电容式拉压力传感器，配合适当的放大显示电子仪器进行载荷检测，再在载荷检测的基础上测出弹簧的特性线，然后进行分析。这两种检测方式普遍存在检测精度低、操作麻烦、计算繁琐等不足，尤其是不适用于对斜圈弹簧等一些特殊形状弹簧的检测。对斜圈弹簧内摩擦力、内圈直径的检测，更是缺少专门的检测设备，缺少高精度的自动化检测装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于斜圈弹簧性能的自动化综合检测装置，解决了现有技术中对斜圈弹簧刚度、内摩擦力、内圈直径的综合检测过程中，缺少高精度的自动化检测装置的问题。

本发明的另一目的是提供一种用于斜圈弹簧性能的自动化综合检测方法，解决了现有技术中普遍存在检测精度低、操作麻烦、计算繁琐的问题

本发明所采用的技术方案是，一种用于斜圈弹簧性能的自动化综合检测装置，包括伺服电机、传动机构、检测机构和工作台，

伺服电机设置在底座上的固定支架中；

传动机构包括精密滚珠丝杠和丝母，精密滚珠丝杠上端向上与伺服电机的输出轴传动连接，精密滚珠丝杠下端设置在底座上的支撑座中，精密滚珠丝杠上套装有丝母，在丝母上固定安装有工作台，工作台的悬臂上固定连接有弹簧夹具；

检测机构包括光栅尺、扩径块和拉压力传感器，光栅尺沿底座的外侧立面竖直设置，光栅尺的读数头通过连接板与工作台固定连接；弹簧夹具的下方设置有扩径块，弹簧夹具的轴心线与下方设置的扩径块的轴心线重合，扩径块的下端通过轴心杆与拉压力传感器连接，拉压力传感器设置在底座上。

本发明所采用的另一技术方案是，一种用于斜圈弹簧性能的自动化综合检测方法，利用上述的装置，按照以下步骤操作：

步骤1、在弹簧夹具中安装待检测的斜圈弹簧，预先给工作台设定一个预设初始位置，同时根据扩径块外圆上的不同高度位置进行以下设定：

H₀是预设初始位置到扩径块的上段5%变形面起始点的距离；

H₁是预设初始位置到扩径块的35%变形面起始点的距离；

H₂是预设初始位置到扩径块的下段5%变形面起始点的距离；

H_e是扩径块的35%变形面的长度和扩径块上下两段5%变形面的长度；

h₁是预设初始位置到斜圈弹簧与扩径块上段第一过渡锥面接触点的距离；

h₂是预设初始位置到斜圈弹簧与扩径块下段第四过渡锥面脱离点的距离；

步骤2、检测斜圈弹簧的内圈直径

给斜圈弹簧通入电流，启动伺服电机，伺服电机驱动工作台向下移动，

工作台从预设初始位置开始下降，同时读数头开始记录位移，当斜圈弹簧与扩径块第一过渡锥面接触时扩径块导电，此时读数头记录下的数据与预设初始位置高度之差为h₁，

工作台继续下降，当斜圈弹簧与扩径块第四过渡锥面脱离时，扩径块断电，此时读数头记录下的数据与预设初始位置高度之差为h₂；

当斜圈弹簧与扩径块第一过渡锥面发生接触时，由于接触点为斜圈弹簧与扩径块锥面的切点，根据被测斜圈弹簧的内圈直径和计算切点坐标可求出h₁值的理论值h₁，因此，通过实际检测出的h₁值与理论h₁值进行比较，即可确定斜圈弹簧的内圈直径是否合格；

步骤3、检测斜圈弹簧的刚度以及最小、最大内摩擦力

控制工作台下降，

当斜圈弹簧通过m1=H₀-h₁段位移，读数头和拉压力传感器的输出值将分别记录下斜圈弹簧发生5%变形的位移和压力参数；

在从上到下的第一个H_e段距离，拉压力传感器能够测出斜圈弹簧发生5%变形状态时的内摩擦力；

当斜圈弹簧通过m2=H₁-H₀-H_e段位移，读数头和拉压力传感器的输出值将分别记录下斜圈弹簧发生从5%到35%变形状态的位移和压力参数；

在第二个H_e段距离，拉压力传感器能够测出斜圈弹簧在发生35%变形状态时的内摩擦力；

当斜圈弹簧通过m3=H₂-H₁-H_e段位移，读数头和拉压力传感器的输出值将分别记录下斜圈弹簧发生从35%到5%变形状态的位移和压力参数；

在第三个H_e段距离，拉压力传感器能够测出弹簧发生5%变形状态时的内摩擦力；

当斜圈弹簧通过m4=h₂-H₂-H_e段位移，读数头和拉压力传感器的输出值将分别记录下斜圈弹簧由5%变形状态恢复到初始状态的位移和压力参数；

在工作台整个下降过程中，取时间步长为Δt，记录下斜圈弹簧分别经过扩径块的m1、m2、m3、m4段距离的位移和压力参数，则能够计算出斜圈弹簧的刚度并绘制出刚度曲线，H_e段的位移通过拉压力传感器测出斜圈弹簧工作范围内的最小、最大内摩擦力。

本发明的有益效果是，通过预设工作台初始位置，将光栅尺、拉压力传感器和扩径块有效的组合起来，实现同时对斜圈弹簧刚度、内圈直径、最小和最大内摩擦力进行检测。1）能够实时精确的检测出斜圈弹簧的位移与压力变化的参数值，通过正、逆双向检测取平均值的方法减小误差，斜圈弹簧的位移--压力曲线绘制简单准确，能够真实方便的计算出斜圈弹簧的刚度。2）能够精确检测出斜圈弹簧工作范围内的最小、最大内摩擦力。3）能够快速方便的检测出斜圈弹簧的内圈直径。结构紧凑、操作方便、能通过一次检测检测出斜圈弹簧的多种特性且具有较高的检测精度和直观的检测结果，为研究和评价斜圈弹簧机械性能及斜圈弹簧的加工制造提供了技术支持。

附图说明

图1为本发明用于斜圈弹簧性能的自动化综合检测装置的结构示意图；

图2为本发明用于斜圈弹簧性能的自动化综合检测方法的工作原理示意图。

图中，1.伺服电机，2.精密滚珠丝杠，3.读数头，4.光栅尺，5.底座，6.丝母，7.工作台，8.弹簧夹具，9.斜圈弹簧，10.扩径块，11.拉压力传感器。

具体实施方式

如图1所示，本发明的用于斜圈弹簧性能的自动化综合检测装置，其结构是，包括伺服电机1、传动机构、检测机构和工作台7，

伺服电机1设置在底座5上的固定支架中；

传动机构包括精密滚珠丝杠2和丝母6，精密滚珠丝杠2上端向上与伺服电机1的输出轴传动连接，精密滚珠丝杠2下端设置在底座5上的支撑座中，精密滚珠丝杠2上套装有丝母6，在丝母6上固定安装有工作台7，工作台7的悬臂上固定连接有弹簧夹具8；

检测机构包括光栅尺4、扩径块10和拉压力传感器11，光栅尺4沿底座5的外侧立面竖直设置，光栅尺4的读数头3通过连接板与工作台7固定连接；弹簧夹具8的下方设置有扩径块10，弹簧夹具8的轴心线与下方设置的扩径块10的轴心线重合，扩径块10的下端通过轴心杆与拉压力传感器11连接，拉压力传感器11设置在底座5上，弹簧夹具8中用于固定待检测的斜圈弹簧9。

伺服电机1的正、反转分别对应控制工作台7的上升或下降，即伺服电机1驱动精密滚珠丝杠2旋转，精密滚珠丝杠2的正、反转，控制丝母6带动工作台7进行上升或下降运动。

参照图2，所述的扩径块10的结构是，在扩径块10的外圆周面上，从上到下依次设置有第一过渡锥面、5%变形面、第二过渡锥面、35%变形面、第三过渡锥面、另一个5%变形面、第四过渡锥面，其中的第一过渡锥面和第四过渡锥面锥度一致且上下对称分布，第二过渡锥面和第三过渡锥面锥度一致且上下对称分布。

本发明检测装置的工作过程是，预先给工作台7设置一个预设初始位置作为基准，给斜圈弹簧9通电，同时启动伺服电机1驱动工作台7开始下降。当斜圈弹簧9与扩径块10上段的第一过渡锥面接触时扩径块10导电，读数头3记录下斜圈弹簧9发生变形的初始位置。由于弹簧夹具8限定了斜圈弹簧9外圈的直径，通过读数头3记录下的斜圈弹簧9发生变形的初始位置与预设初始位置的差值和扩径块10的锥度，能够计算出斜圈弹簧9的内圈直径。工作台7继续下降，扩径块10进入斜圈弹簧9内，斜圈弹簧9发生变形，读数头3和拉压力传感器11记录检测参数。当斜圈弹簧9与扩径块10下段的第四过渡锥面脱离时扩径块10断电，读数头3记录斜圈弹簧9的弹簧恢复初始状态的末位置。

本发明的用于斜圈弹簧性能的自动化综合检测方法，利用上述的装置，按照以下步骤具体实施：

步骤1、如图2所示，在弹簧夹具8中安装待检测的斜圈弹簧9，预先给工作台7设定一个预设初始位置（作为基座平面），同时根据扩径块10外圆上的不同高度位置进行以下设定：

H₀是预设初始位置到扩径块10的上段5%变形面起始点的距离；

H₁是预设初始位置到扩径块10的35%变形面起始点的距离；

H₂是预设初始位置到扩径块10的下段5%变形面起始点的距离；

H_e是扩径块10的35%变形面的长度和扩径块10上下两段5%变形面的长度；

h₁是预设初始位置到斜圈弹簧9与扩径块10上段第一过渡锥面接触点的距离；

h₂是预设初始位置到斜圈弹簧9与扩径块10下段第四过渡锥面脱离点的距离；

步骤2、检测斜圈弹簧9的内圈直径

给斜圈弹簧9通入电流，（该电流属于微小电流，当与扩径块接触时，能检测出扩径块导电了就行，在此不详细说明），启动伺服电机1，伺服电机1驱动工作台7向下移动，

工作台7从预设初始位置开始下降，同时读数头3开始记录位移，当斜圈弹簧9与扩径块10第一过渡锥面接触时扩径块10导电，此时读数头3记录下的数据与预设初始位置高度之差为h₁，

工作台7继续下降，当斜圈弹簧9与扩径块10第四过渡锥面脱离时，扩径块10断电，此时读数头3记录下的数据与预设初始位置高度之差为h₂；

当斜圈弹簧9与扩径块10第一过渡锥面发生接触时，由于接触点为斜圈弹簧9与扩径块10锥面的切点，根据被测斜圈弹簧9的内圈直径和计算切点坐标可求出h₁值的理论值h₁，因此，通过实际检测出的h₁值与理论h₁值进行比较，即可确定斜圈弹簧9的内圈直径是否合格；

步骤3、检测斜圈弹簧9的刚度以及最小、最大内摩擦力

控制工作台7下降，

当斜圈弹簧9通过m1=H₀-h₁段位移，读数头3和拉压力传感器11的输出值将分别记录下斜圈弹簧9发生5%变形的位移和压力参数，具体计算方法参照专利号为201110398609.5，发明名称为《一种斜圈弹簧刚度的测量装置及测量方法》；

在从上到下的第一个H_e段距离，拉压力传感器11能够测出斜圈弹簧9发生5%变形状态时的内摩擦力；

当斜圈弹簧9通过m2=H₁-H₀-H_e段位移，读数头3和拉压力传感器11的输出值将分别记录下斜圈弹簧9发生从5%到35%变形状态的位移和压力参数；

在第二个H_e段距离，拉压力传感器11能够测出斜圈弹簧9在发生35%变形状态时的内摩擦力；

当斜圈弹簧9通过m3=H₂-H₁-H_e段位移，读数头3和拉压力传感器11的输出值将分别记录下斜圈弹簧9发生从35%到5%变形状态的位移和压力参数；

在第三个H_e段距离，拉压力传感器11能够测出弹簧发生5%变形状态时的内摩擦力；

当斜圈弹簧9通过m4=h₂-H₂-H_e段位移，读数头3和拉压力传感器11的输出值将分别记录下斜圈弹簧9由5%变形状态恢复到初始状态的位移和压力参数；

工作台7整个下降过程中，取时间步长为Δt，记录下斜圈弹簧9分别经过扩径块10的m1、m2、m3、m4段距离的位移和压力参数，则能够计算出斜圈弹簧9的刚度并绘制出刚度曲线，H_e段的位移通过拉压力传感器11测出斜圈弹簧工作范围内的最小、最大内摩擦力。

步骤4、工作台7从预设初始位置下降到低于h₂的某位置为正向检测，然后工作台7重新上升到预设初始位置为逆向检测，一次完整的检测过程包括一次正向检测和一次逆向检测；

按照与步骤2、步骤3相反的顺序，向上移动工作台7，依次得到各个位置状态的参数，取正、逆双向检测参数的平均值作为最终检测结果，以达到尽可能减小检测误差的目的，即成。

本发明的装置及其方法，能够实现同时对斜圈弹簧内圈直径、刚度、最小和最大内摩擦力的检测，工作效率高，准确性好。

Claims (3)

1.一种用于斜圈弹簧性能的自动化综合检测装置，其特征在于：包括伺服电机(1)、传动机构、检测机构和工作台(7)，

所述的伺服电机(1)设置在底座(5)上的固定支架中；

所述的传动机构包括精密滚珠丝杠(2)和丝母(6)，精密滚珠丝杠(2)上端向上与伺服电机(1)的输出轴传动连接，精密滚珠丝杠(2)下端设置在底座(5)上的支撑座中，精密滚珠丝杠(2)上套装有丝母(6)，在丝母(6)上固定安装有工作台(7)，工作台(7)的悬臂上固定连接有弹簧夹具(8)；

所述的检测机构包括光栅尺(4)、扩径块(10)和拉压力传感器(11)，光栅尺(4)沿底座(5)的外侧立面竖直设置，光栅尺(4)的读数头(3)通过连接板与工作台(7)固定连接；弹簧夹具(8)的下方设置有扩径块(10)，弹簧夹具(8)的轴心线与下方设置的扩径块(10)的轴心线重合，扩径块(10)的下端通过轴心杆与拉压力传感器(11)连接，拉压力传感器(11)设置在底座(5)上；

所述的扩径块(10)的结构是，在外圆周面上，从上到下依次设置有第一过渡锥面、5％变形面、第二过渡锥面、35％变形面、第三过渡锥面、另一个5％变形面、第四过渡锥面，其中的第一过渡锥面和第四过渡锥面锥度一致且上下对称分布，第二过渡锥面和第三过渡锥面锥度一致且上下对称分布。

2.一种用于斜圈弹簧性能的自动化综合检测方法，其特征在于：利用权利要求1所述的用于斜圈弹簧性能的自动化综合检测装置，按照以下步骤操作：

步骤1、在弹簧夹具(8)中安装待检测的斜圈弹簧(9)，预先给工作台(7)设定一个预设初始位置，同时根据扩径块(10)外圆上的不同高度位置进行以下设定：

H₀是预设初始位置到扩径块(10)的上段5％变形面起始点的距离；

H₁是预设初始位置到扩径块(10)的35％变形面起始点的距离；

H₂是预设初始位置到扩径块(10)的下段5％变形面起始点的距离；

H_e是扩径块(10)的35％变形面的长度和扩径块(10)上下两段5％变形面的长度；

h₁是预设初始位置到斜圈弹簧(9)与扩径块(10)上段第一过渡锥面接触点的距离；

h₂是预设初始位置到斜圈弹簧(9)与扩径块(10)下段第四过渡锥面脱离点的距离；

步骤2、检测斜圈弹簧(9)的内圈直径

给斜圈弹簧(9)通入电流，启动伺服电机(1)，伺服电机(1)驱动工作台(7)向下移动，

工作台(7)从预设初始位置开始下降，同时读数头(3)开始记录位移，当斜圈弹簧(9)与扩径块(10)第一过渡锥面接触时扩径块(10)导电，此时读数头(3)记录下的数据与预设初始位置高度之差为h₁，

工作台(7)继续下降，当斜圈弹簧(9)与扩径块(10)第四过渡锥面脱离时，扩径块(10)断电，此时读数头(3)记录下的数据与预设初始位置高度之差为h₂；

当斜圈弹簧(9)与扩径块(10)第一过渡锥面发生接触时，由于接触点为斜圈弹簧(9)与扩径块(10)锥面的切点，根据被测斜圈弹簧(9)的内圈直径和计算切点坐标可求出h₁值的理论值h′₁，因此，通过实际检测出的h₁值与理论h′₁值进行比较，即可确定斜圈弹簧(9)的内圈直径是否合格；

步骤3、检测斜圈弹簧(9)的刚度以及最小、最大内摩擦力

控制工作台(7)下降，

当斜圈弹簧(9)通过m1＝H₀-h₁段位移，读数头(3)和拉压力传感器(11)的输出值将分别记录下斜圈弹簧(9)发生5％变形的位移和压力参数；

在从上到下的第一个H_e段距离，拉压力传感器(11)能够测出斜圈弹簧(9)发生5％变形状态时的内摩擦力；

当斜圈弹簧(9)通过m2＝H₁-H₀-H_e段位移，读数头(3)和拉压力传感器(11)的输出值将分别记录下斜圈弹簧(9)发生从5％到35％变形状态的位移和压力参数；

在第二个H_e段距离，拉压力传感器(11)能够测出斜圈弹簧(9)在发生35％变形状态时的内摩擦力；

当斜圈弹簧(9)通过m3＝H₂-H₁-H_e段位移，读数头(3)和拉压力传感器(11)的输出值将分别记录下斜圈弹簧(9)发生从35％到5％变形状态的位移和压力参数；

在第三个H_e段距离，拉压力传感器(11)能够测出弹簧发生5％变形状态时的内摩擦力；

当斜圈弹簧(9)通过m4＝h₂-H₂-H_e段位移，读数头(3)和拉压力传感器(11)的输出值将分别记录下斜圈弹簧(9)由5％变形状态恢复到初始状态的位移和压力参数；

在工作台(7)整个下降过程中，取时间步长为Δt，记录下斜圈弹簧(9)分别经过扩径块(10)的m1、m2、m3、m4段距离的位移和压力参数，则能够计算出斜圈弹簧(9)的刚度并绘制出刚度曲线，H_e段的位移通过拉压力传感器(11)测出斜圈弹簧工作范围内的最小、最大内摩擦力。

3.根据权利要求2所述的用于斜圈弹簧性能的自动化综合检测方法，其特征在于：还包括步骤4，工作台(7)从预设初始位置下降到低于h₂的某位置为正向检测，然后工作台(7)重新上升到预设初始位置为逆向检测，一次完整的检测过程包括一次正向检测和一次逆向检测；

逆向检测过程是，向上移动工作台(7)，先按照与步骤3相反的顺序，再按照与步骤2相反的顺序，依次得到各个位置状态的参数，

取正、逆双向检测参数的平均值作为最终检测结果，即成。