专利名称：用以测量制造物体尺寸的设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种用以测量制造物体尺寸的设备和方法，特别是涉及一种用以测量在外圆磨床上所加工的制造物体尺寸的设备和方法，其具有非接触型测量传感器，它能在将制造物体安装在外圆磨床上的情况下，测量制造物体的外径和圆柱度。
通常，在通过外圆磨床进行加工阶段的最后阶段时，需要对制造物体进行精确的测量。因此，为了避免各种测量的干扰因素，精确的测量是通过安装在精确测量室中的各种精确测量装置而进行的。因此，在将制造物体运到精确测量室以后，要对制造物体进行清洁，并安置到测量装置上。之后，对制造物体进行精确测量。
当用户按照现有技术进行一系列精确测量工作时，将会花去大量的时间和高昂的代价。实际上，考虑到生产率，精确测量只是在制造物体中对若干试样而进行。
如果为了必要的精度要对制造物体进行额外加工的话，将会花去大量的时间和大量的能量。另外，用以加工制造物体的机械工具的寿命会降低。再有，在制造物体的加工过程中，需要不断地进行测量。
同时，更为实际的是，还会存在污染物的大量的污染，如废切削油、废冷却水或加工屑。另外，在制造物体的加工过程中，会产生震耳欲聋的噪音和严重的振动。因此，实际操作区域不适合于进行精确测量。
按照现有技术，运用机械原理、电子原理、光学原理和压力空气的特定设备适用于测量制造物体的圆柱度，这引起了使用特定设备时的不方便。在特定设备中，尤其是接触型测量设备具有一些缺点，如由于接触力而引起测量误差，并由于传感头上的磨损而引起误差。
本发明就是要试图解决上述问题。本发明的一个目的就是提供一种用以测量在外圆磨床上进行加工的制造物体尺寸的设备，其具有非接触型测量传感器，它能够在将制造物体安装到外圆磨床上的情况下测量制造物体的外径。
本发明的另一个目的是提供一种用以测量在外圆磨床上进行加工的制造物体尺寸的设备，其具有非接触型测量传感器，它能够测量制造物体的圆柱度而不用附加的测量设备。
本发明的再一个目的是提供一种用以测量在外圆磨床上进行加工的制造物体尺寸的设备，其具有非接触型测量传感器，它能够有效地去除测量的噪音。
本发明还有一个目的是提供一种用以同时测量在外圆磨床上进行加工的制造物体尺寸的设备，其具有非接触型测量传感器，它能够在许多测量点上测量具有各种尺寸的制造物体的外径。
为了实现上述目的，本发明提供一种用以测量制造物体尺寸的设备，它包括位于外圆磨床上方的主体，主体包括通过其中心形成有通孔的机床，和用以支撑机床的多个支撑元件；位于机床上方的传感器辅助装置，传感器辅助装置包括至少两对非接触型测量传感器，其中成对的非接触型测量传感器相互间隔并相对，以便测量制造物体的外径和圆柱度；馈送机构，用以将传感器辅助装置传送到预定位置，以便测量制造物体的尺寸；控制板，用以控制馈送机构的定位和操作信号；和主控制器，用以处理由非接触测量传感器所传递的测量数据。
非接触型测量传感器位于至少两个柱体的前端，它能够向制造物体移动或移开。
馈送机构包括第一馈送装置，其用以使传感器辅助装置相对于制造物体在垂直方向上移动通过通孔，以便测量制造物体的外径，和第二馈送装置，用以使传感器辅助装置相对于制造物体在水平方向上移动，以便测量制造物体的圆柱度。
优选地，非接触型测量传感器由旋涡电流传感器组成。
用以测量制造物体尺寸的设备进一步包括扩展的Kalman滤波器，用以处理由非接触型测量传感器所测量的具有噪音的测量数据，以便判断制造物体的尺寸和形状。另外，设备进一步包括一中间滤波器，用以除去由非接触型测量传感器所测出的包含在测量数据中的噪音。中间滤波器可按照移动平均方法来使用。
通过参照附图对优选实施例的详细描述，将对本发明的上述目的和其它特征及优点更为清楚，其中
图1是按照本发明优选实施例用以测量制造物体尺寸的设备的侧视图，其表示在设备中包含有多个非接触型传感器；图2是用以在机床上以水平方向传送传感器辅助装置的第二馈送机构的平面图，其包含在按照本发明优选实施例用以测量制造物体尺寸的设备中；图3是包含在按照本发明优选实施例用以测量制造物体尺寸的设备中的传感器辅助装置的平面图；图4是包含在按照本发明优选实施例用以测量制造物体尺寸的设备中的传感器辅助装置的侧视图；图5是按照本发明优选实施例用以测量制造物体尺寸的设备的控制系统的方框图；和图6是用以除去噪音的算法流程图，其噪音将会施加到按照本发明优选实施例用以测量制造物体尺寸的设备上。
下面将参照附图更详细地说明本发明的优选实施例。
图1是按照本发明优选实施例用以测量制造物体尺寸的设备的侧视图，其表示在设备中包含有多个非接触型传感器。
参照图1，制造物体12被安置在外圆磨床10上。按照本发明优选实施例用以测量制造物体12尺寸的设备位于制造物体12的上方。用以出来制造物体12尺寸的设备的主体28包括机床24和用以支撑机床24的多个支撑元件22。机床24具有通孔26，它是通过其中心而形成的。
用以测量制造物体12尺寸的设备的传感器辅助装置40可移动地设置在通孔26上，使得传感器辅助装置40可以通过通孔26而向上和向下。用以使传感器辅助装置40在垂直方向上移动的第一馈送机构30可与传感器辅助装置40的连接部分43相连接。第一馈送机构30包括第一驱动电机82a。第一馈送机构30安装在机床24上。
传感器辅助装置40与在机床24上用以使传感器辅助装置40在水平方向上移动的第二馈送机构31相连接(参见图2)。第二馈送机构31包括第二驱动电机82。第一馈送机构30和第二驱动机构31通过托架33而互相连接。第一馈送机构30与第二驱动机构31相交成直角。
图2表示在机床24上用以使传感器辅助装置40在水平方向上移动的第二馈送机构31。参见图2，拖板35被安装在馈送导轨37上，使得托架35可以通过第二驱动电机82的操作而在水平方向上移动。
图3是包含在按照本发明优选实施例用以测量制造物体尺寸设备中的传感器辅助装置40的平面图，和图4是包含在按照本发明优选实施例用以测量制造物体尺寸设备中的传感器辅助装置40的侧视图。
参见图3和4，至少一对柱体42被安装在制造物体12的两侧上。制造物体12位于成对柱体42之间，成对柱体42相互间隔并相对。成对柱体42可向制造物体12的外表面移动。
传感器头组件44与柱体42的前端相连。传感器46位于传感器头组件44的前端上，传感器46面向制造物体12，并且沿与传感器头组件44相同轴线而定位。最好是，传感器46由非接触型涡流传感器组成。传感器头组件44可滑动地固定在导轨部分45上，其导轨部分45安装在传感器辅助装置40的框架48上(参见图4)。传感器头组件44可以在导轨部分45上滑动。
前定位块47和后定位块49通过使用定位固定螺栓50而固定到框架48的一侧上。前定位块47和后定位块49可以通过定位固定螺栓50来控制，使得柱体42的向前行程和向后行程可以根据制造物体12外径的尺寸而改变。以与前定位块47和后定位块49相同的方式，通过使用固定螺栓52将柱体42固定到框架48的另一侧上。柱体42的位置可以根据制造物体12外径的尺寸而改变。柱体42可以借助于气压来操作。
下面，将参照图5来描述按照本发明优选实施例用于测量制造物体尺寸的设备的控制系统和操作方法。传感器辅助装置40包括至少两个柱体42，其用以使传感器46向制造物体12移动或从其移开。主控制器60包括A/D变换器62，其用以将由传感器46产生的模拟信号变为数字信号，数字输入-输出端口部分64，其可输入或输出数字信号，升降计数器66，其可接收编码器信号，以便输入传感器辅助装置40的左右位置和升降位置；发送器端口68，其可将传感器辅助装置40定位的命令发到伺服控制器72和72a上，用以控制传感器辅助装置40的左右位置和升降位置；和中央处理单元(下面简称为“CPU”)69，其可相对于A/D变换器62，升降计数器66和发送器端口68进行测量运算，同时控制用以测量制造物体尺寸设备的所有操作。
控制板70包括第一伺服驱动器74a，第二伺服驱动器74和P.L.C.装置76。第一伺服驱动器74a通过接收伺服控制器72a的位置命令而驱动馈送机构80的第一伺服驱动器82a，第二伺服驱动器74通过接收伺服控制器72的位置命令而驱动馈送机构80的第二伺服驱动器82，P.L.C.装置76产生一控制信号，用以控制柱体42向前和向后的运动，执行控制系统的逻辑控制。操作板75可以根据手动方式和自动方式进行操作。此外，馈送机构80包括第一伺服驱动器82a和第二伺服驱动器82。
下面将说明用以测量制造物体尺寸的设备以自动方式的操作方法。
如果将相对于柱体42的位置的起点返回命令放给发送器端口68的话，无论如何柱体42都必须返回起点，除非不加以确定。之后，柱体42前进。当柱体42向制造物体12前进时，传感器辅助装置40通过使用发送器端口68而向下移动到测量准备位置。在这里，测量准备位置就是用以设定编码器信号零点位置的初始位置。测量准备位置就是在距离制造物体12中心上方10mm的位置。
当传感器辅助装置40停在测量准备位置上时，将计数器的值设为零，并且将传感器辅助装置40传递到最终测量位置。在这里，最终测量位置就是距离制造物体12中心下方10mm的位置。
在传感器辅助装置40向下运动过程中传感器46所获得的信息通过A/D变换器62而传递给主控制器60。对应于传感器辅助装置40垂直位置的升降计数器66的值通过数字输入-输出端口64而传递给主控制器60。在这里，传感器46具有测量噪音，它是在大部分频带上均匀产生的，因此，对于特定频带使用常用噪音除去滤波器来除去测量噪音的话是不可能的。因此，在本发明中，使用了系统参数估算原理来除去测量噪音。系统参数估算原理不会除去包含有噪音的信号中的噪音。系统参数估算原理是一种算法，它能假设一种系统变化状态。
另外，在本发明中，系统方程和测量方程均是非线性型方程。因此，对于非线性系统可以使用扩展的Kalman滤波器。数据的线性化是相对于由扩展的Kalman滤波器所假设的状态矢量路径而在每个步骤中完成的。
按照上述测量方法，可以除去在传感器变换过程中在测量方向上所产生的机械振动。再有，为了除去包含在由传感器所测量的数据中的噪音，可以使用中间滤波器用以进行滤波。中间滤波器可以按照移动平均方法来使用。
当用户想测量制造物体的圆柱度时，用户可以通过在制造物体旋转状态下在水平方向上移动馈送机构而获得数据。
同时，为了进行上述测量，还可以只使用一个传感器来进行间接测量。然而，使用一个传感器来测量制造物体尺寸所获得的测量精度低于使用两个传感器来测量制造物体尺寸所获得的测量精度。
图6是用以除去测量噪音的算法的流程图，其可用于按照本发明优选实施例用以测量制造物体尺寸的设备中。在图6中，参考标号表示预定变量如下c0＝c0初始态值；P0＝I初始态估算误差的协方差矩阵；ck￡通过直到k-1步骤测量值所获得的k步骤的预计估算值；Pk￡预计估算误差的协方差矩阵；KkKalman增益；ck通过直到k步骤测量值所获得的k步骤的预计估算值；和Pk估算误差的协方差矩阵。
k的值在初始态时为0，而在初始态的下一步骤时为1。如果重复地进行计算的话，k的值将以1增加。对于前一步骤的估算值和估算误差的协方差矩阵在初始值和初始态估算误差的基础上被更新。然后，分别地更新状态估算值，Kalman增益和估算误差的协方差矩阵。如果该步骤结束的话，将进行前一步骤估算值和估算误差协方差矩阵的更新步骤。
按照本发明优选实施例用以测量制造物体尺寸的设备可以应用于各种设备，如外圆磨床。
如上所述，在用以测量制造物体尺寸的设备中，其中该设备具有非接触型测量传感器，通过在将制造物体安装到外圆磨床上的情况下测量制造物体的外径，可以提高生产率。
另外，设备可以精确地测量制造物体的外径，并且可以通过只使用扩展的Kalman滤波器就可以有效地除去包含在数据中的测量噪音，由此，制造物体的部分缺陷就可以减少。另外，设备还可以测量制造物体的圆柱度，而不需要任何附加的测量设备。
设备可以通过使用在许多测量点上的许多传感器来测量具有各种尺寸的制造物体的外径。
由于设备可以测量制造物体的外径和圆柱度，而不需要与制造物体接触，就可以除去由于测量力和传感头的磨损所造成的误差。
在参照特定实施例对本发明进行特别说明的同时，本技术领域的普通专业人员可以对其进行各种变形并可完成各种细节，但其均不会超出由后续权利要求所限定的本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种使用非接触型传感器来测量制造物体尺寸的设备，它包括位于外圆磨床上方的主体，所述主体包括通过其中心形成有通孔的机床，和用以支撑机床的多个支撑元件；位于机床上的传感器辅助装置，传感器辅助装置包括至少两对非接触型测量传感器，其中成对的非接触型测量传感器相互间隔并相对，以便测量制造物体的外径和圆柱度；馈送机构，用以将传感器辅助装置传送到预定位置，以便测量制造物体的尺寸；控制板，用以控制所述馈送机构的定位和操作信号；和主控制器，用以处理由所述非接触型测量传感器所传输的测量数据。
2.如权利要求1的用以测量制造物体尺寸的设备，其中所述非接触型测量传感器定位在至少两个柱体的前端，其相对于制造物体可以向前或向后移动。
3.如权利要求1的用以测量制造物体尺寸的设备，其中所述馈送机构包括第一馈送装置，其用以使传感器辅助装置相对于制造物体在垂直方向上移动通过通孔，以便测量制造物体的外径，和第二馈送装置，用以使传感器辅助装置相对于制造物体在水平方向上移动，以便测量制造物体的圆柱度。
4.如权利要求1的用以测量制造物体尺寸的设备，其中所述非接触型测量传感器是由旋涡电流传感器组成。
5.如权利要求1的用以测量制造物体尺寸的设备，其进一步包括扩展的Kalman滤波器，用以处理具有噪音的测量数据，其中噪音是通过所述非接触型测量传感器所测得的，以便判断制造物体的尺寸和形状。
6.如权利要求1的用以测量制造物体尺寸的设备，其进一步包括中间滤波器，用以除去包含在测量数据中的噪音，它是通过所述非接触型测量传感器所测得的，所述中间滤波器可按照移动平均方法来使用。
7.如权利要求1的用以测量制造物体尺寸的设备，其中所述控制板包括可接收伺服控制器信号的第一伺服驱动器，其可控制左右和前后位置，以驱动馈送机构的左右驱动电机，第二伺服驱动器，用以驱动馈送机构的上下驱动电机，和PLC，其可完成系统的逻辑控制，同时控制柱体的向前和向后运动。
8.如权利要求1的用以测量制造物体尺寸的设备，其中所述主控制器包括A/D变换器，用来将传感器所产生的模拟信号转换为数字信号；数字输入-输出端口部分，其可接收或发出数字信号；升降计数器，其可接收编码器信号，以便输入传感器辅助装置的左-右位置和上-下位置；发送器端口，发送信号，用以按伺服控制器使传感器辅助装置定位，其控制器可控制传感器辅助装置的左右位置和上下位置；和中央处理单元，其可相对于A/D变换器、升降计数器和发送器端口进行测量运算，同时控制用以测量制造物体尺寸设备的所有操作。
9.一种使用非接触型传感器测量制造物体尺寸的方法，其包括将传感器辅助装置移动到测量准备位置的步骤；将计数器设定到初始值的步骤；获得测量数据的同时发送给所述传感器辅助装置的步骤；传递所述传感器辅助装置位置的计数器数值的步骤；和由测量数据对系统状态变化之一进行估算的步骤。
10.如权利要求9的用于测量制造物体尺寸的方法，其中所述估算步骤包括用扩展的Kalman滤波器进行的处理。
11.如权利要求9的用于测量制造物体尺寸的方法，其中所述估算步骤包括用中间滤波器和移动平均方法进行的处理。
全文摘要
本发明公开了一种用以对在外圆磨床上进行加工的制造物体的尺寸进行测量的设备,其具有非接触型测量传感器和位于外圆磨床上方的主体。主体包括通过其中心形成有通孔的机床,和用以支撑机床的多个支撑元件。传感器辅助装置位于机床上方。传感器辅助装置包括至少两对非接触型测量传感器。成对的非接触型测量传感器相互间隔并相对,以便测量制造物体的外径和圆柱度。
文档编号G01B5/20GK1180834SQ9711501
公开日1998年5月6日 申请日期1997年7月15日 优先权日1996年10月25日
发明者金钟建, 许成哲, 李万亨 申请人:三星重工业株式会社