CN113983952B - 大型轴类零件外轮廓非接触精确测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及零件测量领域，提供了一种大型轴类零件外轮廓非接触精确测量装置及方法，所示装置包括夹持单元、回转单元、非接触测量单元、驱动控制单元和机架；夹持单元用于限制轴类零件的移动，回转单元用于轴类零件绕轴线的控制旋转，非接触测量单元用于轴类零件外轮廓的非接触测量，驱动控制单元用于所述回转单元、非接触测量单元的控制，夹持单元、回转单元、非接触测量单元均固定安装在所述机架上。本发明可实现较大直径轴类件外轮廓精确测量，且结构简单，成本较低，具有广阔应用前景。

Description

大型轴类零件外轮廓非接触精确测量装置及方法

技术领域

本发明涉及零件测量领域，特别涉及一种大型轴类零件外轮廓非接触精确测量装置及方法。

背景技术

在组成机械设备的零件中，轴类零件是重要的元件之一，其主要作用是支承旋转零件，在轴类零件的使用过程中，轴类零件的外表面尺寸精度直接影响安装使用，随着机械加工精度要求的不断提升，对大型轴类零件的尺寸精度要求越来越高，因此需要高精度的轴类零件外轮廓测量装置进行精准测量。

但市面上的轴类零件外轮廓测量装置无法满足较大直径的大型轴类零件的测量，且测量装置较复杂，成本较高，测量精度不高，因此本申请提出一种大型轴类件外轮廓非接触精确测量装置来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是至少克服现有技术的不足之一，提供了一种大型轴类零件外轮廓非接触精确测量装置及方法，结构简单、效率高，便于不同长度轴类零件的装夹测量。

本发明采用如下技术方案：

一方面，本申请提供了一种大型轴类零件外轮廓非接触精确测量装置，包括夹持单元、回转单元、非接触测量单元、驱动控制单元、机架；

所述夹持单元，用于限制轴类零件的移动，仅保留轴类零件沿轴线旋转的自由度；

所述回转单元，用于轴类零件绕轴线的控制旋转；

所述非接触测量单元，用于轴类零件外轮廓的非接触测量；

所述驱动控制单元，用于所述回转单元、非接触测量单元的控制；

所述夹持单元、回转单元、非接触测量单元均固定安装在所述机架上。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述回转单元包括第一驱动电机、减速机、轴承座、主轴和卡盘；卡盘优选为单动四爪卡盘。

所述第一驱动电机与所述减速机连接，所述减速机的输出轴与所述主轴通过键连接，所述主轴与卡盘连接；所述主轴通过轴承与所述轴承座连接，轴承座同时支撑减速机和主轴，所述轴承座固定在所述机架上；

所述第一驱动电机、减速机、轴承座、主轴和卡盘的轴线均重合；

所述第一驱动电机驱动减速机，带动卡盘绕主轴旋转。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，主轴与两个轴承配合，轴承进一步与轴承座配合；轴承左侧双圆螺母和右侧端盖对轴承轴向固定。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述端盖设有油封槽，内含油封，实现轴承座的密封。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述夹持单元包括顶尖和顶尖滑轨；所述顶尖的轴线与所述主轴轴线重合，所述顶尖能沿所述顶尖滑轨在所述主轴方向上做直线滑动；所述顶尖滑轨固定在所述机架上。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述非接触测量单元包括X向丝杆导轨、Y向丝杆导轨、第二驱动电机、第三驱动电机、激光测量头和数据采集分析***；其中X向为主轴方向，Y向为与X向垂直方向；

所述X向丝杆导轨与机架固定，所述X向丝杆导轨上设有第一方形滑台；第一方形滑台上固连所述Y向丝杆导轨的第二方形滑台；所述Y向丝杆导轨端部固定有安装块，安装块上固定激光测头；

所述第二驱动电机用于驱动第一方形滑台，所述第三驱动电机用于驱动第二方形滑台；所述数据采集分析***接收和分析来自激光测头的测量信息；

第一方形滑台沿X向滑动时，带动所述Y向丝杆导轨整体沿X向滑动；所述Y向丝杆导轨能单独沿Y向滑动，带动安装块及激光测头在Y向运动，从而实现激光测头X、Y两个自由度的运动。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述机架包括底板和支撑架，所述底板设置在所述支撑架上，所述底板上设置有定位导轨和第三定位槽；

所述轴承座底部设置第一定位槽，所述第一定位槽与所述底板的定位导轨配合定位，由螺栓将所述轴承座固定在所述底板上；

所述顶尖滑轨底部设置第二定位槽，所述第二定位槽与所述底板的定位导轨配合定位；所述底板上设置长腰孔，由螺栓通过长腰孔将所述顶尖滑轨固定在所述底板上，使所述顶尖滑轨有沿主轴方向的定位调节能力；顶尖滑轨设有顶尖滑槽，顶尖所配锁止螺栓可沿顶尖滑槽移动并可实现顶尖在顶尖滑槽上的固定，通过顶尖滑槽和长腰孔的双重作用，增大了夹持范围。

所述X向丝杆导轨与所述底板上的第三定位槽配合定位，并通过螺栓将所述X向丝杆导轨固定在所述底板上。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述驱动控制单元包括三个电机驱动器和控制器，三个电机驱动器分别用于驱动第一驱动电机、第二驱动电机和第三驱动电机；控制器通过三个电机驱动器实现第一驱动电机、第二驱动电机和第三驱动电机的转速、转矩控制。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述支撑架为焊接框架结构，所述底板由螺栓固定在所述支撑架上，所述支撑架底部固定在地面上。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述机架整体为一体焊接框架结构，四脚槽钢由焊接条焊接固定为一体，四脚槽钢上端面焊接有焊接块，焊接块设有安装螺栓孔，机架整体具有刚度高、稳定性好等优点。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，底板由四角螺栓固定在机架四脚上，回转装置由轴承座固定在底板上，夹持装置由顶尖滑轨固定在底板上，非接触测量装置由X向丝杆导轨固定在底板上。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，底板背面焊接有加强梁。

另一方面，本发明还提供了一种大型轴类零件外轮廓非接触精确测量方法，使用上述的装置，所述方法包括：

S1、确保非接触测量单元、回转单元处于关闭状态，调节卡盘的四爪，使其最大抓取直径大于所测轴类零件直径；所测轴类零件a端夹在卡盘上，b端由夹持单元中的顶尖固定，固定时，将顶尖所配锁止螺栓松开，推动顶尖向所测轴类零件b端移动，直到顶尖头接触所测轴类零件b端，此时将锁止螺栓拧紧，通过调节顶尖头的伸缩，完成所测零件的a、b端装夹；

S2、打开驱动控制单元和数据采集分析***；第三驱动电机首先启动，驱动Y向丝杆导轨沿Y向运动，使激光测头与所测轴类零件外表面距离保持在设定范围内；第二驱动电机工作，驱动X向丝杆导轨上的第一方形滑台沿X向运动，从而带动激光测头沿X向运动，使激光测头运动到所测零件b端后停止；第一驱动电机工作，使所测轴类零件维持一定的低转速作回转运动；

S3、驱动控制单元控制第二驱动电机工作，使激光测头以一定速度沿X向由零件b端向零件a端移动，连续测量出整个所测轴类零件外轮廓形状数据；

S4、数据采集分析***实时接收处理来自激光测头的测量数据，将所测轴类零件外轮廓结果显示于电脑终端。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述方法还包括：

S5、所测轴类零件外轮廓结果与设计数据进行分析对比，分析所测轴类零件的表面几何形状误差。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S2中，测量过程中激光测头与所测轴类零件外表面距离在10cm以内。

本发明的有益效果为：

1、本发明机械结构较简单，成本较低，效率高，只需要对零件进行一次装夹就可完成测量，对主轴第一驱动电机、X向驱动电机和Y向驱动电机联合控制，同时实现零件回转和激光测量头按照预设测量头路径移动，进而实现较大尺寸轴类零件尺寸精度测量。

2、零件回转装置可为一体化装配，增加了整体的刚度，提高了同轴度，减小了测量误差，且单动四爪卡盘可实现较大直径轴类零件装夹。

3、零件夹持装置结构简单，可实现顶尖沿X轴移动，提高了轴类零件长度范围，便于不同长度轴类零件的装夹。

4、测量***和控制单元结合，通过数据采集和分析***，能够自动反馈数据并记录存档，实现测量结果与设计轮廓对比，进而分析出零件外表面几何形状误差，非接触式测量***结构简单，采集效率高，占空间小，且测量寿命较长。

附图说明

图1所示为本发明实施例一种大型轴类零件外轮廓非接触精确测量装置的结构示意图。

图2所示为本发明实施例的正视图示意。

图3所示为实施例中的机架结构示意图。

图4所示为实施例中底板结构示意图。

图5所示为实施例中轴承座内部结构剖视图。

图6所示为实施例中X向丝杆导轨和Y向丝杆导轨固定示意图。

图7所示为实施例中夹持装置结构示意图。

图8所示为实施例中所测轴类零件示意图。

图中：1.(主轴)第一驱动电机；2.(行星齿轮)减速机；3.轴承座；4.端盖；5.主轴；6.单动四爪卡盘；7.激光测量头；8.顶尖滑轨；9.顶尖；10.底板；11.加强梁；12.槽钢；13.焊接条；14.焊接块；15.第三驱动电机；16.Y向丝杆导轨；17.X向丝杆导轨；18.第二驱动电机；19.安装块；20.油封；21.角接触球轴承；22.圆螺母；23.定位导轨；24.长腰孔；25.第三定位槽；26.锁止螺栓；27.顶尖滑槽；28.第二定位槽。

具体实施方式

下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。

如图1所示，本发明实施例一种大型轴类零件外轮廓非接触精确测量装置包括夹持单元、回转单元、非接触测量单元、驱动控制单元、机架；所述夹持单元，用于限制轴类零件的移动，仅保留轴类零件沿轴线旋转的自由度；所述回转单元，用于轴类零件绕轴线的控制旋转；所述非接触测量单元，用于轴类零件外轮廓的非接触测量；所述驱动控制单元，用于所述回转单元、非接触测量单元的控制；所述夹持单元、回转单元、非接触测量单元均固定安装在所述机架上。

下述的夹持单元、回转单元、非接触测量单元的实现方式并不唯一，实施例中的实现方式仅是较佳的实施方式。

在一个具体实施例中，所述回转单元包括第一驱动电机1、减速机2、轴承座3、主轴5和卡盘6；卡盘6优选为单动四爪卡盘；所述第一驱动电机1与所述减速机2连接，所述减速机2的输出轴与所述主轴5通过键连接，所述主轴5与卡盘6连接；所述主轴5通过轴承与所述轴承座3连接，轴承座3同时支撑减速机2和主轴5，所述轴承座3固定在所述机架上；所述第一驱动电机1、减速机2、轴承座3、主轴5和卡盘6的轴线均重合；所述第一驱动电机1驱动减速机2，带动卡盘6绕主轴5旋转。

在另一个具体实施例中，所述夹持单元包括顶尖9和顶尖滑轨8；所述顶尖9的轴线与所述主轴5轴线重合，所述顶尖9能沿所述顶尖滑轨8在所述主轴5方向上做直线滑动，用以限制轴类零件在轴线上的位移；所述顶尖滑轨8固定在所述机架上。

在另一个具体实施例中，所述非接触测量单元包括X向丝杆导轨17、Y向丝杆导轨16、第二驱动电机18、第三驱动电机15、激光测量头7和数据采集分析***；其中X向为主轴方向，Y向为与X向垂直方向；所述X向丝杆导轨17与机架固定，所述X向丝杆导轨17上设有第一方形滑台；第一方形滑台上固连所述Y向丝杆导轨16的第二方形滑台；所述Y向丝杆导轨16端部固定有安装块19，安装块19上固定激光测头7；所述第二驱动电机18用于驱动第一方形滑台，所述第三驱动电机15用于驱动第二方形滑台；所述数据采集分析***接收和分析来自激光测头7的测量信息；第一方形滑台沿X向滑动时，带动所述Y向丝杆导轨16整体沿X向滑动；所述Y向丝杆导轨17能单独沿Y向滑动，带动安装块19及激光测头7在Y向运动，从而实现激光测头7在X、Y两个自由度的运动。

在一个具体实施例中，所述驱动控制单元包括三个电机驱动器和控制器，三个电机驱动器分别用于驱动第一驱动电机1、第二驱动电机18和第三驱动电机15；控制器通过三个电机驱动器实现第一驱动电机1、第二驱动电机18和第三驱动电机15的转速、转矩控制。

本发明实施例中，夹持单元、回转单元、非接触测量单元均固定在机架上，具体的固定方式有多种，下文给出了较佳的方式，但本领域技术人员明白并不仅限于下述方式。

在一个优选实施例中，所述机架包括底板10和支撑架，所述底板10设置在所述支撑架上，所述底板10上设置有定位导轨23和第三定位槽25；所述轴承座3底部设置第一定位槽，所述第一定位槽与所述底板10的定位导轨23配合定位，由螺栓将所述轴承座3固定在所述底板10上；所述顶尖滑轨8底部设置第二定位槽28，所述第二定位槽28与所述底板10的定位导轨23配合定位；所述底板10上设置长腰孔24，由螺栓通过长腰孔24将所述顶尖滑轨8固定在所述底板10上，使所述顶尖滑轨8有沿主轴方向的定位调节能力；所述X向丝杆导轨17与所述底板10上的第三定位槽25配合定位，并通过螺栓将所述X向丝杆导轨17固定在所述底板10上。

在一个具体实施例中，所述支撑架为焊接框架结构，所述底板10由螺栓固定在所述支撑架上，所述支撑架底部固定在地面上。

在一个具体实施例中，所述机架整体为一体焊接框架结构，四脚槽钢12由焊接条13焊接固定为一体，四脚槽钢12上端面焊接有焊接块14，焊接块14设有安装螺栓孔。底板10由四角螺栓固定在机架四脚上，回转装置由轴承座3固定在底板10上，夹持装置由顶尖滑轨8固定在底板10上，非接触测量装置由X向丝杆导轨17固定在底板10上。底板10背面焊接有加强梁11。

本发明还提供了一种大型轴类零件外轮廓非接触精确测量方法：

测量时，确保非接触测量单元和回转单元处于关闭状态，调节卡盘6四爪，使其最大抓取直径大于所测轴类件直径,将所测轴类零件a端装夹在卡盘6上；所测轴类零件另一端b端则由夹持单元中的顶尖9固定，固定时，将顶尖9所配锁止螺栓松开，推动顶尖9向所测轴类件b端移动，直到顶尖头接触所测轴类件b端，此时将锁止螺栓拧紧，通过调节顶尖头的伸缩，完成所测零件的a、b端装夹，限制所测零件的X、Y、Z移动自由度，只保留所测零件绕其轴线的旋转自由度。

所测轴类零件装夹完成后，打开驱动控制单元和数据采集分析***总开关，由驱动控制单元分别控制三个驱动电机，使第三驱动电机15首先工作，驱动Y向丝杆导轨16本体沿Y向运动，使激光测头7距离所测轴类零件外表面到设定范围内，一般在10cm以内；再使第二驱动电机18工作，驱动X向丝杆导轨17方形滑台沿X向运动，从而带动激光测头7沿X向运动，使激光测头7运动到所测零件b端后停止。

通过驱动控制单元控制第一驱动电机1工作，使零件维持一定的较低转速作回转运动，此时打开数据采集分析处理***接收来自激光测头7的测量数据，同时控制第三驱动电机15使激光测头7靠近所测零件外表面，直到电脑端显示清晰的图像数据后停止激光测量头7的Y向移动。

最后通过驱动控制***控制第二驱动电机18工作，使激光测头7以一定速度沿X向由零件b端向零件a端移动，进而连续测量出整个零件外轮廓形状，电脑端将实时测量数据与设计轮廓进行分析对比。

本发明可实现较大直径轴类件外轮廓精确测量，且结构简单，成本较低，具有广阔应用前景。

本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (5)

1.一种大型轴类零件外轮廓非接触精确测量装置，其特征在于，所述装置包括夹持单元、回转单元、非接触测量单元、驱动控制单元和机架；

所述夹持单元，用于限制轴类零件的移动，仅保留轴类零件沿轴线旋转的自由度；

所述回转单元，用于轴类零件绕轴线的控制旋转；

所述非接触测量单元，用于轴类零件外轮廓的非接触测量；

所述驱动控制单元，用于所述回转单元、非接触测量单元的控制；

所述夹持单元、回转单元、非接触测量单元均固定安装在所述机架上；

所述回转单元包括第一驱动电机、减速机、轴承座、主轴和卡盘；

所述第一驱动电机与所述减速机连接，所述减速机的输出轴与所述主轴通过键连接，所述主轴与卡盘连接；所述主轴通过轴承与所述轴承座连接，所述轴承座同时支撑所述减速机和所述主轴，所述轴承座固定在所述机架上；

所述第一驱动电机、减速机、轴承座、主轴和卡盘的轴线均重合；

所述第一驱动电机驱动减速机，带动卡盘绕主轴旋转；

所述夹持单元包括顶尖和顶尖滑轨；所述顶尖的轴线与所述主轴轴线重合，所述顶尖能沿所述顶尖滑轨在所述主轴方向上做直线滑动；所述顶尖滑轨固定在所述机架上；

所述非接触测量单元包括X向丝杆导轨、Y向丝杆导轨、第二驱动电机、第三驱动电机、激光测量头和数据采集分析***；其中X向为主轴方向，Y向为与X向垂直方向；

所述X向丝杆导轨与机架固定，所述X向丝杆导轨上设有第一方形滑台；第一方形滑台上固连所述Y向丝杆导轨的第二方形滑台；所述Y向丝杆导轨端部固定有安装块，安装块上固定激光测头；

所述第二驱动电机用于驱动第一方形滑台，所述第三驱动电机用于驱动第二方形滑台；所述数据采集分析***接收和分析来自激光测头的测量信息；

第一方形滑台沿X向滑动时，带动所述Y向丝杆导轨整体沿X向滑动；所述Y向丝杆导轨能单独沿Y向滑动，带动安装块及激光测头在Y向运动，从而实现激光测头X、Y两个自由度的运动；

所述机架包括底板和支撑架，所述底板设置在所述支撑架上，所述底板上设置有定位导轨和第三定位槽；

所述轴承座底部设置第一定位槽，所述第一定位槽与所述底板的定位导轨配合定位，由螺栓将所述轴承座固定在所述底板上；

所述顶尖滑轨底部设置第二定位槽，所述第二定位槽与所述底板的定位导轨配合定位；所述底板上设置长腰孔，由螺栓通过长腰孔将所述顶尖滑轨固定在所述底板上，使所述顶尖滑轨有沿主轴方向的定位调节能力；

所述X向丝杆导轨与所述底板上的第三定位槽配合定位，并通过螺栓将所述X向丝杆导轨固定在所述底板上；

所述驱动控制单元包括三个电机驱动器和控制器，三个电机驱动器分别用于驱动第一驱动电机、第二驱动电机和第三驱动电机；控制器通过三个电机驱动器实现第一驱动电机、第二驱动电机和第三驱动电机的转速、转矩控制。

2.如权利要求1所述的大型轴类零件外轮廓非接触精确测量装置，其特征在于，所述支撑架为焊接框架结构，所述底板由螺栓固定在所述支撑架上，所述支撑架底部固定在地面上。

3.一种大型轴类零件外轮廓非接触精确测量方法，使用如权利要求1-2任一项所述的装置，其特征在于，所述方法包括：

S1、确保非接触测量单元、回转单元处于关闭状态，调节卡盘的四爪，使其最大抓取直径大于所测轴类零件直径；所测轴类零件a端夹在卡盘上，b端由夹持单元中的顶尖固定，固定时，将顶尖所配锁止螺栓松开，推动顶尖向所测轴类零件b端移动，直到顶尖头接触所测轴类零件b端，此时将锁止螺栓拧紧，通过调节顶尖头的伸缩，完成所测零件的a、b端装夹；

S2、打开驱动控制单元和数据采集分析***；第三驱动电机首先启动，驱动Y向丝杆导轨沿Y向运动，使激光测头与所测轴类零件外表面距离保持在设定范围内；第二驱动电机工作，驱动X向丝杆导轨上的第一方形滑台沿X向运动，从而带动激光测头沿X向运动，使激光测头运动到所测零件b端后停止；第一驱动电机工作，使所测轴类零件维持一定的低转速作回转运动；

S3、驱动控制单元控制第二驱动电机工作，使激光测头以一定速度沿X向由所测轴类零件b端向a端移动，连续测量出整个所测轴类零件外轮廓形状数据；

S4、数据采集分析***实时接收处理来自激光测头的测量数据，将所测轴类零件外轮廓结果显示于电脑终端。

4.如权利要求3所述的大型轴类零件外轮廓非接触精确测量方法，其特征在于，所述方法还包括：

S5、所测轴类零件外轮廓结果与设计数据进行分析对比，分析所测轴类零件的表面几何形状误差。

5.如权利要求3所述的大型轴类零件外轮廓非接触精确测量方法，其特征在于，步骤S2中，测量过程中激光测头与所测轴类零件外表面距离在10cm以内。

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