CN107449372B - 基于激光三角的滚珠丝杠螺母综合参数检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光三角的滚珠丝杠螺母综合参数检测装置，包括铸铁床身和设置在床身上的X轴直线运动平台、光栅尺和V块底座；所述X轴直线运动平台中上设置有龙门，所述龙门上设置有两个垂直运动单元，所述两个垂直运动单元是由伺服电机驱动的丝杠导轨副传动机构，第一垂直运动单元的工作板上设置有螺母内滚道轮廓测量组件，第二垂直运动单元的工作板上设置有螺母外圆测量组件；所述光栅尺用于测量龙门的横向位移；所述V块底座上设置有V块，所述V块上设置待测螺母和两个标准量棒。通过该装置可直接测量出螺母内滚道的关键参数与外圆直径，具有精度高、效率高、自动化程度高等优点。

Description

基于激光三角的滚珠丝杠螺母综合参数检测装置及方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别是一种基于激光三角的滚珠丝杠螺母综合参数检测装置及方法。

背景技术

目前，滚珠丝杠副螺母由于其独特的结构，关于其滚道轮廓，一般采用间接法或接触式传感器测量，间接法是在螺母内滚道加工前检测加工工具砂轮的型面至选择到合适的砂轮，用该砂轮试磨样件，把得到的样件沿轴线切开，然后投影至大屏幕上观察滚道剖面的轮廓，若满足要求，则将该砂轮作为该型滚道的标准加工工具，该方法需要切开螺母导致破坏待测件，且人为因素很大，测量结果重复性差；接触式测量是用轮廓仪进行测量，探针深入螺母内部沿滚道爬行，轮廓仪可得到放大信号的滚道型面，该方法对安装基准要求很高，且没有考虑到螺旋升角的影响，误差较大，效率低。关于其外径，一般用千分尺测量，精度不高且没有实现自动化。

综上所述，现阶段尚无专用的综合参数检测装置，现有的检测方法不能得到螺母内滚道的具体相关参数。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于激光三角法的滚珠丝杠螺母综合参数检测装置，以实现在线自动化检测，提高效率与精度。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于激光三角的滚珠丝杠螺母综合参数检测装置，包括铸铁床身和设置在床身上的X轴直线运动平台、光栅尺和V块底座，X轴直线运动平台的一端设置V块底座，铸铁床身的内侧面设置光栅尺；

所述X轴直线运动平台上设置有龙门，所述龙门上设置有第一垂直运动单元和第二垂直运动单元，所述第一垂直运动单元和第二垂直运动单元都是伺服电机驱动的丝杠导轨副传动机构；所述第一垂直运动单元的第一工作板上通过垂直转接板与螺母内滚道轮廓测量组件相固连，螺母内滚道轮廓测量组件位于龙门的内部；

所述螺母内滚道轮廓测量组件包括手动平移台、传感器工装、三棱镜、第一激光三角传感器和水平转接板；所述手动平移台居中安装在垂直转接板上，所述三棱镜和第一激光三角传感器安装在传感器工装上，所述传感器工装通过水平转接板安装在手动平移台上。

所述第二垂直运动单元的第二工作板上设置有螺母外圆第一测量组件和螺母外圆第二测量组件；所述螺母外圆第一测量组件包括第二激光三角传感器、阻尼条、锁紧块、锁紧螺钉、手轮、微型导轨副、微型支撑座、微型丝杠副和微型工作板。所述第二激光三角传感器安装在微型工作板上；所述锁紧块安装在微型工作板侧部；所述阻尼条安装在第二工作板上；所述锁紧螺钉通过锁紧块可顶住阻尼条从而实现锁紧；所述手轮安装在微型丝杠副的轴端；所述微型丝杠副轴端固定在微型支撑座上；所述微型工作板安装在微型丝杠副的螺母座和微型导轨副的滑块组成的平面上。所述螺母外圆第二测量组件的结构与螺母外圆第一测量组件的结构完全一致且沿螺母法截面对称布置。

所述V块底座上设置有V块，所述V块上依次设置待测螺母、第一标准量棒和第二标准量棒。

所述手动平移台用于调节第一激光三角传感器的位置，最佳位置是入射激光光线经过三棱镜反射后达到待测螺母的径向最低处，这样保证了测量的是待测螺母的法向截形轮廓。

所述第一垂直运动单元用于调节螺母内滚道轮廓测量组件的高度，以便于第一激光三角传感器伸入测量不同规格的螺母。

所述第二垂直运动单元用于调节螺母外圆第一测量组件和螺母外圆第二测量组件的高度，目的是找到待测螺母、第一标准量棒和第二标准量棒分别距离螺母外圆第一测量组件和螺母外圆第二测量组件最近的位置，处于该位置的螺母外圆第一测量组件和螺母外圆第二测量组件的传感器的光斑之间的距离就是待测螺母、第一标准量棒和第二标准量棒的直径。

所述第一标准量棒和第二标准量棒的直径是已知的，作用是补偿V块夹持带来的误差。

所述手轮驱动微型丝杠副，微型工作板会沿着微型导轨副布置的方向运动，从而安装在微型工作板上的第二激光三角传感器会沿着微型导轨副布置的方向运动，实现了相对于待测螺母距离的变化，仪便对于不同规格螺母的外圆直径测量。

当第二激光三角传感器调节至相对于待测螺母距离在量程范围内时，用锁紧螺钉通过锁紧块顶住阻尼条实现锁紧，预防第二工作板在沿Z轴运动时第二激光三角传感器产生Y向的位移。

一种基于上述装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤1、将待测螺母与两个标准量棒放置于V块上，打开V块的磁力开关；

步骤2、X轴直线运动平台的伺服电机通电，带动龙门整体沿X轴运动至第一激光三角传感器测头伸入待测螺母中，此时使用手动平移台调整第一激光三角传感器的位置，反馈是传感器控制器的读数值最大，锁紧手动平移台；

步骤3、X轴直线运动平台带动龙门后退至第一激光三角传感器测头离开待测螺母，准备完毕；

步骤4、X轴直线运动平台带动龙门向螺母运动，布置于龙门上的螺母内滚道轮廓测量组件的测头深入螺母内部获取轮廓的高度值，布置于床身的光栅尺获取X向运动的位移，将两者获得的数据导入软件中便可获得螺母内滚道的轮廓参数；

步骤5、当布置于龙门上的螺母外圆测量组件的传感器光斑到达待测螺母时，第二垂直运动单元带动螺母外圆测量组件沿Z轴运动，寻找螺母外圆最大值并与后面两个标准量棒测量结果比对便可获取外圆的直径。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)该测量装置采用的非接触式测量稳定性好、速度快、精确度高；适用于工厂检测一批同一规格的螺母，只需调整一次手动平移台，其余过程全为自动化，且可以准确测量出螺母内滚道型面的关键参数与外径，从而可以计算出其余参数；2)本发明的方法主要利用激光测量位移，将传感器读数导入现有软件中进行计算分析，测量方便而且精度很高，重复性很好。

附图说明

图1为基于激光三角法的滚珠丝杠螺母综合参数检测装置的总体结构图。

图2为基于激光三角法的滚珠丝杠螺母综合参数检测装置的YOZ方向的视图。

图3为螺母内滚道轮廓测量组件结构图。

图4是本发明的测试方法流程图。

具体实施方式

结合附图，本发明的一种基于激光三角的滚珠丝杠螺母综合参数检测装置，包括铸铁床身1和设置在床身上的X轴直线运动平台2、光栅尺3和V块底座4，X轴直线运动平台2的一端设置V块底座4，铸铁床身1的内侧面设置光栅尺3；

所述X轴直线运动平台2上设置有龙门5，所述龙门5上设置有第一垂直运动单元6和第二垂直运动单元7，所述第一垂直运动单元6和第二垂直运动单元7都是伺服电机驱动的丝杠导轨副传动机构；所述第一垂直运动单元6的第一工作板8通过垂直转接板9-1与螺母内滚道轮廓测量组件9相固连，螺母内滚道轮廓测量组件9位于龙门5的内部；

所述螺母内滚道轮廓测量组件9包括手动平移台9-2、传感器工装9-3、三棱镜9-4、第一激光三角传感器9-5和水平转接板9-6；所述手动平移台9-2居中安装在垂直转接板9-1上，所述三棱镜9-4和第一激光三角传感器9-5安装在传感器工装9-3上，所述传感器工装9-3通过水平转接板9-6安装在手动平移台9-2上。

所述第二垂直运动单元7的第二工作板10的两侧对称设置结构相同的螺母外圆第一测量组件11-1和螺母外圆第二测量组件11-2，所述螺母外圆第一测量组件11-1包括第二激光三角传感器12、阻尼条17、锁紧块18、锁紧螺钉19、手轮20、微型导轨副21、微型支撑座22、微型丝杠副23和微型工作板24；所述第二激光三角传感器12安装在微型工作板24上；所述锁紧块18安装在微型工作板24侧部；所述阻尼条17安装在第二工作板10上；所述锁紧螺钉19通过锁紧块18可顶住阻尼条17从而实现锁紧；所述手轮20安装在微型丝杠副23的轴端；所述微型丝杠副23轴端固定在微型支撑座22上；所述微型工作板24安装在微型丝杠副23的螺母座和微型导轨副21的滑块组成的平面上，所述螺母外圆第二测量组件11-2的结构与螺母外圆第一测量组件11-1沿螺母法截面对称布置。

所述V块底座4上设置有V块13，所述V块13上依次设置待测螺母14、第一标准量棒15和第二标准量棒16。

手动平移台9-2用于调节第一激光三角传感器9-5的位置，手动平移台9-2最佳位置是入射激光光线经过三棱镜9-4反射后达到待测螺母14的径向最低处。

一种基于上述检测装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤1、将待测螺母14、第一标准量棒15和第二标准量棒16放置于V块13上，打开V块13的磁力开关；

步骤2、X轴直线运动平台2的伺服电机通电，带动龙门5整体沿X轴运动至第一激光三角传感器9-5测头伸入待测螺母14中，此时使用手动平移台9-2调整第一激光三角传感器9-5的位置，反馈是传感器控制器的读数值最大，锁紧手动平移台9-2；

步骤3、X轴直线运动平台2带动龙门5后退至第一激光三角传感器9-5测头离开待测螺母14，准备完毕；

步骤4、X轴直线运动平台2带动龙门5向待测螺母14运动，布置于龙门5上的螺母内滚道轮廓测量组件9的测头深入螺母14内部获取轮廓的高度值，布置于床身的光栅尺3获取X向运动的位移，将两者获得的数据导入现有仿真软件便可获得螺母内滚道的轮廓参数；

步骤5、当布置于龙门5上的螺母外圆第一测量组件11-1和螺母外圆第二测量组件11-2的传感器光斑到达待测螺母14时，第二垂直运动单元7带动上述两个螺母外圆测量组件沿Z轴运动，寻找螺母外圆最大值并与第一标准量棒15和第二标准量棒16测量结果比对便可获取外圆的直径。

获取外圆的直径方法为：

假设螺母外径测量组件运动至待测螺母时，两个激光三角传感器的读数值为x₁和x₂；螺母外径测量组件运动至第一标准量棒时，两个激光三角传感器的读数值为x₃和x₄；螺母外径测量组件运动至第二标准量棒时，两个激光三角传感器的读数值为x₅和x₆；假设两个传感器发射口之间距离为H，则H＝x₃+x₄+D₁ ¹，其中D₁ ¹是由于安装倾斜α角后D₁在Y轴的投影，同时H＝x₅+x₆+D₂ ¹，其中D₂ ¹是由于安装倾斜α角后D₂在Y轴的投影，/>利用同等关系便可求出安装倾斜角α，那么待测螺母外圆的直径D₀＝(H-x₁-x₂)·cosα。

本发明的测量装置采用的非接触式测量稳定性好、速度快、精确度高；适用于工厂检测一批同一规格的螺母，只需调整一次手动平移台，其余过程全为自动化，且可以准确测量出螺母内滚道型面的关键参数与外径，从而可以计算出其余参数。

下面进行更详细的描述。

一种基于激光三角的滚珠丝杠螺母综合参数检测装置的床身、龙门和V块底座都为铸件，两个垂直运动单元的电机座位焊接件，滚珠丝杠导轨副安装面需磨削，第二垂直运动单元安装在龙门的侧面，需保证侧面和正面的垂直度。

基于激光三角的滚珠丝杠螺母综合参数检测装置中的两个标准量棒的外径相差在10mm以内，待测螺母的外径值在两个标准量棒的外径值之间，假设螺母外径测量组件运动至待测螺母时，两个激光三角传感器的读数值为x₁和x₂；螺母外径测量组件运动至第一标准量棒时，两个激光三角传感器的读数值为x₃和x₄；螺母外径测量组件运动至第二标准量棒时，两个激光三角传感器的读数值为x₅和x₆；假设两个传感器发射口之间距离为H，则H＝x₃+x₄+D₁ ¹，其中D₁ ¹是由于安装倾斜α角后D₁在Y轴的投影，同时H＝x₅+x₆+D₂ ¹，其中D₂ ¹是由于安装倾斜α角后D₂在Y轴的投影，/>利用同等关系便可求出安装倾斜角α，那么待测螺母外圆的直径D₀＝(H-x₁-x₂)·cosα。

基于激光三角的滚珠丝杠螺母综合参数检测装置中光栅尺获取X向的位移数据和第一激光三角传感器获取Z向的高度值导入MATLAB软件中，便可拟合出螺母内滚道的轮廓。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。

实施例

测量某滚珠螺母的内滚道型面参数，根据第一激光传感器控制器的读数值(0.006,0.01,……21.028)与光栅尺读数头的读数值(-1.832,-1.833……-4.862)，将这两列数据导入MATLAB中，计算可得出滚道轮廓参数，结果如下：左圆弧圆心坐标(3.655，-1.051)，右圆弧圆心坐标(3.389，-1.013)，左圆弧半径为3.3886，右圆弧圆心为3.3827，滚珠圆心坐标为(3.459，-1.413)；

测量上述滚珠螺母的外圆直径，当螺母外圆测量组件的传感器光斑到达待测螺母时，第二激光传感器读数x₁＝1.451与第三激光传感器读数x₂＝3.259，当螺母外圆测量组件的传感器光斑分别到达待第一标准圆棒与第二标准圆棒时，第二激光传感器读数分别为x₃＝0.832和x₅＝0.213，第三激光传感器读数分别为x₄＝1.868和x₆＝0.475，其中第一标准圆棒直径D₁＝72，第二标准圆棒直径D₂＝74，传感器发射口距离H＝75，测得第一标准圆棒直径第二标准圆棒直径/>求出安装倾斜角度α＝5.22°，/>则该滚珠螺母外圆直径D₀＝70。

由上可知，本发明的装置能够检测滚珠螺母的内滚道型面与外圆直径，准确度高，测量数据真实可靠。

Claims (6)

1.一种基于激光三角的滚珠丝杠螺母综合参数检测装置，其特征在于，包括铸铁床身[1]和设置在床身上的X轴直线运动平台[2]、光栅尺[3]和V块底座[4]，X轴直线运动平台[2]的一端设置V块底座[4]，铸铁床身[1]的内侧面设置光栅尺[3]；

所述X轴直线运动平台[2]上设置有龙门[5]，所述龙门[5]上设置有第一垂直运动单元[6]和第二垂直运动单元[7]，所述第一垂直运动单元[6]和第二垂直运动单元[7]都是伺服电机驱动的丝杠导轨副传动机构；所述第一垂直运动单元[6]的第一工作板[8]通过垂直转接板[9-1]与螺母内滚道轮廓测量组件[9]相固连，螺母内滚道轮廓测量组件[9]位于龙门[5]的内部；

所述螺母内滚道轮廓测量组件[9]包括手动平移台[9-2]、传感器工装[9-3]、三棱镜[9-4]、第一激光三角传感器[9-5]和水平转接板[9-6]；所述手动平移台[9-2]居中安装在垂直转接板[9-1]上，所述三棱镜[9-4]和第一激光三角传感器[9-5]安装在传感器工装[9-3]上，所述传感器工装[9-3]通过水平转接板[9-6]安装在手动平移台[9-2]上；

所述第二垂直运动单元[7]的第二工作板[10]的两侧对称设置结构相同的螺母外圆第一测量组件[11-1]和螺母外圆第二测量组件[11-2]。

2.根据权利要求1所述的基于激光三角的滚珠丝杠螺母综合参数检测装置，其特征在于，所述螺母外圆第一测量组件[11-1]包括第二激光三角传感器[12]、阻尼条[17]、锁紧块[18]、锁紧螺钉[19]、手轮[20]、微型导轨副[21]、微型支撑座[22]、微型丝杠副[23]和微型工作板[24]；所述第二激光三角传感器[12]安装在微型工作板[24]上；所述锁紧块[18]安装在微型工作板[24]侧部；所述阻尼条[17]安装在第二工作板[10]上；所述锁紧螺钉[19]通过锁紧块[18]可顶住阻尼条[17]从而实现锁紧；所述手轮[20]安装在微型丝杠副[23]的轴端；所述微型丝杠副[23]轴端固定在微型支撑座[22]上；所述微型工作板[24]安装在微型丝杠副[23]的螺母座和微型导轨副[21]的滑块组成的平面上，所述螺母外圆第二测量组件[11-2]的结构与螺母外圆第一测量组件[11-1]沿螺母法截面对称布置。

3.根据权利要求1所述的基于激光三角的滚珠丝杠螺母综合参数检测装置，其特征在于，所述V块底座[4]上设置有V块[13]，所述V块[13]上依次设置待测螺母[14]、第一标准量棒[15]和第二标准量棒[16]。

4.根据权利要求1所述的基于激光三角的滚珠丝杠螺母综合参数检测装置，其特征在于，手动平移台[9-2]用于调节第一激光三角传感器[9-5]的位置，手动平移台[9-2]最佳位置是入射激光光线经过三棱镜[9-4]反射后达到待测螺母[14]的径向最低处。

5.一种基于权利要求3所述检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将待测螺母[14]、第一标准量棒[15]和第二标准量棒[16]放置于V块[13]上，打开V块[13]的磁力开关；

步骤2、X轴直线运动平台[2]的伺服电机通电，带动龙门[5]整体沿X轴运动至第一激光三角传感器[9-5]测头伸入待测螺母[14]中，此时使用手动平移台[9-2]调整第一激光三角传感器[9-5]的位置，反馈是传感器控制器的读数值最大，锁紧手动平移台[9-2]；

步骤3、X轴直线运动平台[2]带动龙门[5]后退至第一激光三角传感器[9-5]测头离开待测螺母[14]，准备完毕；

步骤4、X轴直线运动平台[2]带动龙门[5]向待测螺母[14]运动，布置于龙门[5]上的螺母内滚道轮廓测量组件[9]的测头深入螺母[14]内部获取轮廓的高度值，布置于床身的光栅尺[3]获取X向运动的位移，将两者获得的数据导入现有仿真软件便可获得螺母内滚道的轮廓参数；

步骤5、当布置于龙门[5]上的螺母外圆第一测量组件[11-1]和螺母外圆第二测量组件[11-2]的传感器光斑到达待测螺母[14]时，第二垂直运动单元[7]带动上述两个螺母外圆测量组件沿Z轴运动，寻找螺母外圆最大值并与第一标准量棒[15]和第二标准量棒[16]测量结果比对便可获取外圆的直径。

6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，步骤5获取外圆的直径方法为：

假设螺母外径测量组件运动至待测螺母时，两个激光三角传感器的读数值为x₁和x₂；螺母外径测量组件运动至第一标准量棒时，两个激光三角传感器的读数值为x₃和x₄；螺母外径测量组件运动至第二标准量棒时，两个激光三角传感器的读数值为x₅和x₆；假设两个传感器发射口之间距离为H，则H＝x₃+x₄+D₁ ¹，其中D₁ ¹是由于安装倾斜角α后D₁在Y轴的投影，D₁是第一标准量棒[15]直径，同时H＝x₅+x₆+D₂ ¹，其中D₂ ¹是由于安装倾斜角α后D₂在Y轴的投影，D₂是第二标准量棒[16]直径，/>利用同等关系便可求出安装倾斜角α，那么待测螺母外圆的直径D₀＝(H-x₁-x₂)·cosα。