凸轮轴复杂型线升程全自动随动跟踪精密扫描检测装置及方法
【专利摘要】本发明提供一种凸轮轴复杂型线升程全自动随动跟踪精密扫描检测装置及方法：包括测头、伺服随动单元以及可伸缩的自由随动单元，通过伺服随动单元带动设置于自由随动单元上的测头靠近并接触凸轮轴，或者，伺服随动单元上的测头随伺服随动单元的移动靠近并接触凸轮轴，在凸轮轴的转动过程中，根据自由随动单元随凸轮轴升程变化的位置变化信息实时调整伺服随动单元，使自由随动单元在保持测头与凸轮轴接触的前提下始终处于行程的中间位置，同时，根据同步采集的信息计算得到所述凸轮轴在设备坐标系中的升程轨迹，伺服随动单元与自由随动单元测头在测量过程中协同工作，既提高了检测范围，又减小了测头与被测凸轮轴的摩擦，减轻了测量过程中对凸轮轴的磨损。
【专利说明】凸轮轴复杂型线升程全自动随动跟踪精密扫描检测装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于复杂型线的精密测量领域，具体涉及一种凸轮轴复杂型线升程全自动随动跟踪精密扫描检测装置及方法。
【背景技术】
[0002]凸轮轴是活塞发动机的核心部件之一，它的作用是控制气门的开启和闭合，保证汽缸充分的进气和排气。考虑到发动机的耐久性和运转的平顺性，气门不能因开闭动作中的加减速过程产生过多及过大的冲击，否则就会造成气门的严重磨损、噪声增加或是其它严重后果。因此，凸轮轴和发动机的功率、扭矩输出以及运转的平顺性有很直接的关系，它直接影响到一台发动机的动力和运转特性，凸轮轴的制造精度与水平在发动机精密制造中显得尤为重要。而凸轮轴型线的精密检测技术是实现凸轮轴高精度制造必不可少的技术手段之一。因此随着装备制造中发动机性能要求日益提高，凸轮轴型线精密检测技术在发动机的精密制造过程中具有十分重要的地位。
[0003]凸轮轴型线一般根据气门的运动规律与发动机的运动特性设计，形式很复杂，对其进行精密测量主要实现以下两种重要应用:一是作为凸轮轴制造精度终检，实现凸轮轴加工的质量控制；二是根据发动机高精度修配的需要，测量凸轮轴实际升程轨迹，实现凸轮轴精密互换性测绘。作为复杂轴件，凸轮轴升程大，常用的微位移传感器由于量程问题，一般难以直接获取升程信息。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种凸轮轴复杂型线升程全自动随动跟踪精密扫描检测装置及方法。
[0005]为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案:
[0006]一种凸轮轴复杂型线升程全自动随动跟踪精密扫描检测装置，包括随动跟踪精密扫描测头系统，所述随动跟踪精密扫描测头系统包括测头、伺服随动单元以及可伸缩的自由随动单元，自由随动单元可跟随伺服随动单元移动，测头设置于自由随动单元上，或者，伺服随动单元可跟随自由随动单元移动，测头设置于伺服随动单元上。
[0007]所述伺服随动单元包括由伺服电机驱动的第一滑板，自由随动单元包括第二滑板以及弹簧，第二滑板设置于第一滑板上，弹簧的一端与第一滑板相连，另一端与第二滑板相连，测头设置于第二滑板上，第一滑板以及第二滑板上分别设置有光栅尺。
[0008]所述随动跟踪精密扫描测头系统还包括底板、第一直线导轨、丝杠以及第二直线导轨，丝杠以及第一直线导轨设置于底板上，第一滑板与第一直线导轨相连，伺服电机通过丝杠与第一滑板相连，第二直线导轨设置于第一滑板上，第二滑板与第二直线导轨相连。
[0009]所述伺服随动单元包括由伺服电机驱动的第一滑板，自由随动单元包括第二滑板以及弹簧，弹簧的一端固定，另一端与第二滑板相连，测头设置于第一滑板上，第一滑板设置于第二滑板上，第一滑板以及第二滑板上分别设置有光栅尺。
[0010]所述随动跟踪精密扫描测头系统还包括底板、第一直线导轨、丝杠以及第二直线导轨，第二直线导轨设置于底板上，第二滑板与第二直线导轨相连，第一直线导轨以及丝杠设置于第二滑板上，第一滑板与第一直线导轨相连，伺服电机通过丝杠与第一滑板相连。
[0011]所述装置还包括驱动控制组件，所述驱动控制组件包括上位机、用于检测自由随动单元以及伺服随动单元位置变化的光栅尺、用于检测凸轮轴转动信息的圆光栅，上位机与光栅尺的读数头、圆光栅的读数头以及用于驱动伺服随动单元的伺服电机相连。
[0012]上述凸轮轴复杂型线升程全自动随动跟踪精密扫描检测装置的检测方法，包括以下步骤:
[0013]通过伺服随动单元带动设置于自由随动单元上的测头靠近并接触凸轮轴，或者，伺服随动单元上的测头随伺服随动单元的移动靠近并接触凸轮轴；然后通过精密回转轴系使所述凸轮轴转动，在凸轮轴的转动过程中，根据自由随动单元随凸轮轴升程变化的位置变化实时调整伺服随动单元的位置，使自由随动单元在保持测头与凸轮轴接触的前提下始终处于行程的中间位置；同时，同步采集自由随动单元以及伺服随动单元的位移信息以及凸轮轴的转动信息，将同步采集的自由随动单元与伺服随动单元的位移信息叠加，然后结合同步采集的凸轮轴的转动信息得到凸轮轴的轮廓数据。
[0014]本发明的有益效果体现在:
[0015]本发明所述随动跟踪精密扫描测头系统包括测头、伺服随动单元以及可伸缩的自由随动单元，伺服随动单元与自由随动单元在测量过程中协同工作，既提高了检测范围，又减少了测头与被检测凸轮轴的摩擦，减轻了测量过程中对凸轮轴的磨损。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明的总体结构示意图；
[0017]图2为本发明所述随动跟踪精密扫描测头系统的结构示意图之一(测头与自由随动单元相连);
[0018]图3为本发明所述随动跟踪精密扫描测头系统的结构示意图之二 (测头与自由随动单元相连);
[0019]图4为本发明所述随动跟踪精密扫描测头系统的结构示意图之三(测头与伺服随动单元相连);
[0020]图5为本发明所述驱动控制组件的结构示意图；
[0021]图中:1为基座、2为立柱、3为尾座顶尖、4为精密回转轴系、5为随动跟踪精密扫描测头系统、6为第一直线导轨、7为第一滑板、8为丝杠、9为伺服电机、10为第二直线导轨、11为第二滑板、12为测头、13为弹簧、14为光栅尺、15为底板、16为Z轴电机、17为立柱滑板、18为工件装夹电机。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
[0023]参见图1，本发明所述凸轮轴复杂型线升程全自动随动跟踪精密扫描检测装置包括随动跟踪精密扫描测头系统5，所述随动跟踪精密扫描测头系统5包括测头12、伺服随动单元以及可伸缩的自由随动单元，自由随动单元可跟随伺服随动单元移动，测头12设置于自由随动单元上(参见图2-图3),或者,伺服随动单元可跟随自由随动单元移动,测头12设置于伺服随动单元上(参见图4)。
[0024]所述凸轮轴采用竖直或水平夹持方式；对于竖直夹持方式，所述装置还包括基座
1、立柱2以及用于装夹凸轮轴的尾座顶尖3和精密回转轴系4，精密回转轴系4以及立柱2设置于基座I上，尾座顶尖3以及随动跟踪精密扫描测头系统5设置于立柱2上，尾座顶尖3以及随动跟踪精密扫描测头系统5可沿立柱2上下移动(尾座顶尖3以及随动跟踪精密扫描测头系统5分别设置于对应的立柱滑板17上，由工件装夹电机18、Z轴电机16分别驱动对应的立柱滑板17实现所述上下移动)，精密回转轴系4上设置有圆光栅。
[0025]参见图2以及图3，所述伺服随动单元包括由伺服电机9驱动的第一滑板7，自由随动单元包括第二滑板11以及弹簧13，第二滑板11设置于第一滑板7上，弹簧13的一端与第一滑板7相连，另一端与第二滑板11相连，测头12设置于第二滑板11上，第一滑板7以及第二滑板11上分别设置有光栅尺14。所述随动跟踪精密扫描测头系统5还包括底板15、第一直线导轨6、丝杠8以及第二直线导轨10，丝杠8以及第一直线导轨6设置于底板15上，第一滑板7与第一直线导轨6相连，伺服电机9通过丝杠8与第一滑板7相连，第二直线导轨10设置于第一滑板7上，第二滑板11与第二直线导轨10相连。
[0026]或者，参见图4，所述伺服随动单元包括由伺服电机9驱动的第一滑板7，自由随动单元包括第二滑板11以及弹簧13，弹簧13的一端固定，另一端与第二滑板11相连，测头12设置于第一滑板7上，第一滑板7设置于第二滑板11上，第一滑板7以及第二滑板11上分别设置有光栅尺14。所述随动跟踪精密扫描测头系统5还包括底板15、第一直线导轨6、丝杠8以及第二直线导轨10，第二直线导轨10设置于底板15上，第二滑板11与第二直线导轨10相连，第一直线导轨6以及丝杠8设置于第二滑板11上，第一滑板7与第一直线导轨6相连，伺服电机9通过丝杠8与第一滑板7相连。
[0027]参见图5，所述装置还包括驱动控制组件，所述驱动控制组件包括上位机(计算机与软件系统统称上位机)、用于检测自由随动单元以及伺服随动单元位置变化的光栅尺14(即第一滑板以及第二滑板上分别设置的光栅尺)、用于检测凸轮轴转动信息的圆光栅(即精密回转轴系上设置的圆光栅)，上位机与光栅尺的读数头、圆光栅的读数头以及用于驱动伺服随动单元的伺服电机9相连；所述驱动控制组件还包括驱动器、运动控制卡以及记数卡，伺服电机9、用于驱动随动跟踪精密扫描测头系统5上下移动的Z轴电机以及精密回转轴系内的W轴电机分别通过驱动器与运动控制卡相连，运动控制卡与所述上位机相连，光栅尺以及圆光栅的读数通过记数卡采集并传递到所述上位机。
[0028]上述凸轮轴复杂型线升程全自动随动跟踪精密扫描检测装置的检测方法，包括以下步骤:
[0029]I)将工件(凸轮轴)装夹于尾座顶尖和精密回转轴系之间，以工件旋转中心为原点建立极坐标系；
[0030]2)确定基准点，具体方法包括以下三种:
[0031](I)以键槽为基准低点检测法:应用平测头(图3)测量凸轮轴键槽段轴颈半径，凸轮轴旋转一周，测量工件该段轴颈的极径值，测量结果中最小值位置即为键槽中心位置，以该位置为相位零位。[0032](2)以键槽为基准高点检测法:加工圆弧工装，安装于凸轮轴键槽位置并突出该段轴颈，凸轮轴旋转一周测量凸轮轴该段轴颈的极径值，测量结果中最大值位置即为键槽中心位置，以该位置为相位零位。
[0033](3)以销钉为基准高点检测法:在凸轮轴销钉孔位置安装销钉，设计防卡死夹具零件，安装于销钉位置，该零件与销钉组成类似凸轮结构，测头测量该部位型线，计算最高点即为相位零位。
[0034]3)通过伺服随动单元带动设置于自由随动单元上的测头12靠近并接触凸轮轴(参见图2-图3)，或者，伺服随动单元上的测头12随伺服随动单元的移动靠近并接触凸轮轴(参见图4);然后通过精密回转轴系4使所述凸轮轴转动，在凸轮轴的转动过程中，根据自由随动单元随凸轮轴升程变化的位置变化实时调整伺服随动单元的位置，使自由随动单元在保持测头12与凸轮轴接触的前提下始终处于行程的中间位置；同时，同步采集自由随动单元以及伺服随动单元的位移信息以及凸轮轴的转动信息，将同步采集的自由随动单元与伺服随动单元的位移信息叠加，然后结合同步采集的凸轮轴的转动信息得到凸轮轴的轮廓数据。
[0035]凸轮轴升程变化导致测头位置变化，进而引起自由随动单元上的光栅尺读数变化，自由随动单元上的光栅尺的读数通过计数卡传送到上位机，上位机根据自由随动单元上的光栅尺的读数发出指令给运动控制卡，运动控制卡控制伺服电机进行运动，进而引起自由随动单元上的光栅尺与伺服随动单元上的光栅尺读数发生变化，伺服随动单元上的光栅尺读数分为两路，一路进入运动控制卡与伺服电机形成闭环控制。另一路由计数卡采集，然后与当前采集的自由随动单元的光栅尺读数进行叠加运算，从而得到被测凸轮轴升程数据。
[0036]4)随动跟踪精密扫描测头系统得到的两路光栅尺的数据进行叠加以后，结合同步采集的圆光栅的角度信息，即得到凸轮轴的轮廓数据。对数据进行处理即可得到凸轮轴的各项误差。
[0037]实施例
[0038]一种凸轮轴复杂型线升程全自动随动跟踪精密扫描检测装置，该装置包括随动跟踪精密扫描测头系统、精密回转轴系、尾座顶尖和驱动控制组件。
[0039]随动跟踪精密扫描测头系统包括自由随动单元、伺服随动单元和测头三部分:测头为与工件(凸轮轴)接触的零件，测头系统前端为自由随动单元，自由随动单元包括刚性弹簧及滑板，通过高精度直线导轨实现自由随动单元的滑板的直线运动，测头设置于自由随动单元的滑板上，由刚性弹簧让测头与工件始终保持接触，通过0.1um分辨率高精度光栅尺进行位置计量。自由随动单元解决测量过程中凸轮型线的随动跟踪问题。测头系统后端为伺服随动单元，伺服随动单元包括滑板，由伺服电机控制丝杆驱动伺服随动单元的滑板在对应高精度直线导轨上实现与前端自由随动单元平行的直线运动(全长直线精度小于Ium),运动行程为100mm,同样由0.1um分辨率高精度光栅尺(不确定度3um/m)记录位置。检测工件时，自由随动单元与伺服随动单元协同工作，始终保持自由随动单元处于行程中间位置。在测头靠近工件过程中，通过伺服随动单元根据距工件距离实现对测头的自适应速度控制，实现测头的快速靠近，同时又有效防止与凸轮轴表面的撞击。检测过程中，伺服随动单元通过光栅尺的读数，适时进行调整，使自由随动单元始终处于行程的中间位置，实现闭环控制。伺服随动单元的控制策略可以分为按照随动控制实现和按照已知模型规划实现两种轨迹控制模式。
[0040]自由随动单元与伺服随动单元的前后顺序可互换，即与测头接触的可以是自由随动单元，也可以是伺服随动单元。
[0041]检测时，测头系统各部分协同工作，共同实现凸轮轴升程轨迹的精确获取。自由随动单元通过弹簧的作用保持测头端部与凸轮轴表面接触。随着工件的转动(工件夹持于尾座顶尖和精密回转轴系之间，由精密回转轴系驱动转动)，自由随动单元随升程变化改变位置，移动的位置信息被自由随动单元的光栅尺计量，并同时反馈给驱动控制组件，驱动控制组件根据该位置信息，实时调整伺服电机，使得自由随动单元在保证测头与工件接触的前提下，始终保持自由随动单元处于行程中间位置。
[0042]本发明采用多轴光栅同步锁存技术，利用上位机内数据采集卡，实现自由随动单元、伺服随动单元以及精密回转轴系的光栅同步计数，保证相关位置信息的同步性，同时通过等角度锁存采样测量，保证升程精度的有效比对。
【权利要求】
1.一种凸轮轴复杂型线升程全自动随动跟踪精密扫描检测装置，其特征在于:该装置包括随动跟踪精密扫描测头系统(5)，所述随动跟踪精密扫描测头系统(5)包括测头(12)、伺服随动单元以及可伸缩的自由随动单元，自由随动单元可跟随伺服随动单元移动，测头(12)设置于自由随动单元上，或者，伺服随动单元可跟随自由随动单元移动，测头(12)设置于伺服随动单元上。
2.根据权利要求1所述一种凸轮轴复杂型线升程全自动随动跟踪精密扫描检测装置，其特征在于:所述伺服随动单元包括由伺服电机(9)驱动的第一滑板(7)，自由随动单元包括第二滑板(11)以及弹簧(13)，第二滑板(11)设置于第一滑板(7)上，弹簧(13)的一端与第一滑板(7)相连，另一端与第二滑板(11)相连，测头(12)设置于第二滑板(11)上，第一滑板(7)以及第二滑板(11)上分别设置有光栅尺(14)。
3.根据权利要求2所述一种凸轮轴复杂型线升程全自动随动跟踪精密扫描检测装置，其特征在于:所述随动跟踪精密扫描测头系统(5)还包括底板(15)、第一直线导轨(6)、丝杠(8)以及第二直线导轨(10)，丝杠(8)以及第一直线导轨(6)设置于底板(15)上，第一滑板(7)与第一直线导轨(6)相连,伺服电机(9)通过丝杠(8)与第一滑板(7)相连,第二直线导轨(10)设置于第一滑板(7)上，第二滑板(11)与第二直线导轨(10)相连。
4.根据权利要求1所述一种凸轮轴复杂型线升程全自动随动跟踪精密扫描检测装置，其特征在于:所述伺服随动单元包括由伺服电机(9)驱动的第一滑板(7)，自由随动单元包括第二滑板(11)以及弹簧(13)，弹簧(13)的一端固定，另一端与第二滑板(11)相连，测头(12)设置于第一滑板(7)上，第一滑板(7)设置于第二滑板(11)上，第一滑板(7)以及第二滑板(11)上分别设置有光栅尺(14)。
5.根据权利要求4所述一种凸轮轴复杂型线升程全自动随动跟踪精密扫描检测装置，其特征在于:所述随动跟踪精密扫描测头系统(5)还包括底板(15)、第一直线导轨(6)、丝杠(8)以及第二直线导轨(10)，第二直线导轨(10)设置于底板(15)上，第二滑板(11)与第二直线导轨(10)相连，第一直线导轨(6)以及丝杠(8)设置于第二滑板(11)上，第一滑板(7)与第一直线导轨(6)相连，伺服电机(9)通过丝杠(8)与第一滑板(7)相连。
6.根据权利要求1所述一种凸轮轴复杂型线升程全自动随动跟踪精密扫描检测装置，其特征在于:所述装置还包括驱动控制组件，所述驱动控制组件包括上位机、用于检测自由随动单元以及伺服随动单元位置变化的光栅尺(14)、用于检测凸轮轴转动信息的圆光栅，上位机与光栅尺的读数头、圆光栅的读数头以及用于驱动伺服随动单元的伺服电机(9)相连。
7.—种如权利要求1所述凸轮轴复杂型线升程全自动随动跟踪精密扫描检测装置的检测方法，其特征在于:包括以下步骤: 通过伺服随动单元带动设置于自由随动单元上的测头(12)靠近并接触凸轮轴，或者，伺服随动单元上的测头(12)随伺服随动单元的移动靠近并接触凸轮轴；然后通过精密回转轴系(4)使所述凸轮轴转动，在凸轮轴的转动过程中，根据自由随动单元随凸轮轴升程变化的位置变化实时调整伺服随动单元的位置，使自由随动单元在保持测头(12)与凸轮轴接触的前提下始终处于行程的中间位置；同时，同步采集自由随动单元以及伺服随动单元的位移信息以及凸轮轴的转动信息，将同步采集的自由随动单元与伺服随动单元的位移信息叠加，然后结合同步采集的凸轮轴的转动信息得到凸轮轴的轮廓数据。
【文档编号】G01B11/24GK103868469SQ201410082699
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月7日 优先权日:2014年3月7日
【发明者】丁建军, 刘阳鹏, 王丰东, 马福禄, 申美娟, 李兵, 蒋庄德 申请人:西安交通大学