CN107655416B - 一种轴的直径检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴的直径检测装置及检测方法，其装置系统主要包括：基座、标定装置、X向移动装置、Z向移动装置、高精度移动检测装置组成，通过两对光幕千分尺，即安装于Z轴旋转装置上的两对光幕千分尺，分别旋转一定角度获取A₁、B₁值作为标定值，对待检测轴获取A₂、B₂值作为测量值，与标定值进行计算，获得待测量轴的直径；再进行上述操作，测量三次后，取平均值作为轴的直径的测量值。

Description

一种轴的直径检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种轴的直径检测装置及检测方法，是一种在线检测系统，属于机器视觉领域。

背景技术

机器视觉是一项集合了数字图像处理、机械、控制、光学、计算机等技术的综合技术。机器视觉系统可以实现对目标进行非接触检测，可以快速获取大量信息，而且易于自动化处理。因此，机器视觉技术作为一种重要的检测技术已经引起人们的重视，并在检测领域得到了越来越广泛的应用。

目前，轴类零件的直径测量仍依靠人工手持传统的检测仪器完成，检测人员易受现场环境的影响，导致直径测量结果误差大、测量精度低，而且人工检测也存在检测人员劳动强度大、工作效率低、易对被测轴类表面造成损伤的缺点。

随着光学技术及电子计算机技术的发展，非接触式的轴类零件直径检测装置和方法也在不断改进。在工业上应用于轴类零件测量的基于CCD成像原理的光幕式检测方法，其测量精度受限于相机精度，而且也没有解决好发射器与接收装置对准带来的误差问题，存在直径测量精度不足的缺点。

考虑到检测装置的性价比和精度要求，选择光幕千分尺传感器对轴的直径进行测量。以非接触的方式在线快速完成检测，提高了直径测量速度，也确保了检测数据的有效性，解决了当前人工检测所带来的效率和精度问题。但现有光幕千分尺传感器虽然解决了轴的直径检测问题，但是不能修正因装夹时轴线不与光幕千分尺传感器垂直而产生的微小误差问题。

发明内容

根据上述问题，本发明的目的在于提供一种轴的直径检测装置及检测方法，采用以固定支架固定标定块，高精度检测装置向固定支架方向运动，完成对轴的标定块标定；在标定完成后，输送待检测轴至检测工位，完成待检测轴的定位；采用X向移动导轨，完成检测组件针对不同断面的检测；采用Z向移动导轨，完成检测组件针对不同直径的轴适应性；采用绕Z轴小幅度摆动，完成对轴安装误差的校正。控制系统中采用伺服电机控制与绝对光栅位移反馈系统构成闭环控制系统，保证精确控制激光位移传感器的测量位置，提高系统的重复定位精度；测量系统中采用2对光幕千分尺，采用符合实际工况的定位基准，完成对不同类型的轴的尺寸公差的测量，能够保证高检测精度、高重复定位精度和满足企业生产节拍的目的。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种轴的直径在线检测系统，机械系统由基座、标定装置、X向移动装置、Z向移动装置、高精度移动检测装置组成。其特征在于：基座上安装标定装置、X向移动装置；X向移动装置上安装Z向移动装置；Z向移动装置上安装Z轴旋转部件、高精度移动检测装置。

所述的标定装置由标定块、固定框架组成；固定框架对称安装于基座上，负责位置限制。标定块安装于固定框架上，负责标定块的固定。

所述的X向移动装置由线性导轨Ⅰ、X向移动平台、支撑座和电机组成；线性导轨Ⅰ对称安装于基座上，X向移动平台安装于线性导轨Ⅰ上，负责X向的直线运动。支撑座安装于X向移动平台，负责Z向移动装置、高精度移动检测装置等组件的固定支撑。

所述的Z向移动装置由线性导轨Ⅱ、Z向移动平台、支撑板Ⅰ、支撑板Ⅱ和电机组成；线性导轨Ⅱ对称安装于支撑座上，Z向移动平台安装于线性导轨Ⅱ上，负责Z向的直线运动。支撑板Ⅰ安装于支撑座后侧，负责电机固定及提供支撑板ⅡZ轴移动的动力。支撑板Ⅱ安装于线性导轨Ⅱ上，负责Z向移动。Z轴旋转部件、高精度移动检测装置安装于支撑板Ⅱ，负责高精度移动检测装置等组件的固定支撑。

所述的高精度移动检测装置由Z轴旋转装置、伺服电机、电机固定板和两对光幕千分尺组成；两对光幕千分尺安装于Z轴旋转装置上，负责对两对光幕千分尺固定。电机固定板安装于Z轴旋转装置及支撑板Ⅱ上，负责两个部件间的连接功能。伺服电机安装于电机固定板上，负责绕Z轴小幅度摆动。

所述的在线检测系统是采用PMAC伺服电机控制与光栅位移反馈系统构成闭环控制系统，用于精确控制高精度移动检测装置的测量位置，该控制系统共分为四部分，PMAC伺服电机控制，光栅位移反馈控制，PLC控制以及测量数据采集系统；工控机发出指令给PMAC运动控制卡，PMAC运动控制卡发出信号给伺服驱动器，再由伺服驱动器控制车X向移动装置和Z向移动装置，两者移动距离由光栅尺测得并反馈给PMAC运动控制卡，再由控制卡计算出补偿量实现移动平台的精确位置控制。保证系统的高重复定位精度。PLC控制系统控制标定装置的气缸、X向移动装置的电机、Z向移动装置的电机、高精度移动检测装置的伺服电机。测量数据采集系统通过数据采集卡采集2对光幕千分尺的数据。

具体的检测过程如下：

①将待检测轴输送至检测工位；

②高精度检测装置沿X反方向向标定装置移动，完成标定；

③X向移动装置沿轴的轴向方向运动，到达第一断面位置；

④Z向移动装置沿轴的径向方向运动，到达测定轴的固定位置；

⑤伺服电机带动Z轴旋转装置，检测最大直径位置；

⑥X向移动平台继续沿轴的轴向方向运动，重复④、⑤，分别到达第二断面位置、第三断面位置，求平均值；

⑦检测完成后，各移动平台回到初始位置。

本发明的积极效果是其采用绕Z轴小幅度摆动，完成对轴安装误差的校正。控制系统中采用伺服电机控制与绝对光栅位移反馈系统构成闭环控制系统，保证精确控制激光位移传感器的测量位置，提高系统的重复定位精度；测量系统中采用2对光幕千分尺，采用符合实际工况的定位基准，完成对不同类型的轴的尺寸公差的测量，能够保证高检测精度、高重复定位精度和满足企业生产节拍的目的。

附图说明

图1为本发明的光幕千分尺扫描原理示意图。

图2为本发明轴的直径检测总装示意图。

图3为本发明标定装置部装图。

图4为本发明X向移动装置部装图。

图5为本发明Z向移动装置部装图。

图6为本发明高精度移动检测装置示意图。

具体实施方式

参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，对本发明做进一步的详细描述：机械系统如图2所示，由基座Ⅰ、标定装置Ⅱ、X向移动装置Ⅲ、Z向移动装置Ⅳ、高精度移动检测装置Ⅴ组成。其特征在于：基座上Ⅰ安装标定装置Ⅱ、X向移动装置Ⅲ；X向移动装置Ⅲ上安装Z向移动装置Ⅳ；Z向移动装置Ⅳ上安装高精度移动检测装置Ⅴ。

如图3所示，标定装置Ⅱ由标定块1、固定框架2组成；固定框架2对称安装于基座Ⅰ上，负责位置限制。标定块1安装于固定框架2上，负责标定块1的固定。

如图4所示，所述的X向移动装置Ⅲ由线性导轨Ⅰ-3、X向移动平台4、支撑座5和电机6组成；线性导轨Ⅰ-3对称安装于基座1上，X向移动平台4安装于线性导轨Ⅰ-3上，负责X向的直线运动。支撑座5安装于X向移动平台4，负责Z向移动装置Ⅳ、高精度移动检测装置Ⅴ等组件的固定支撑。

如图5所示，所述的Z向移动装置Ⅳ由线性导轨Ⅱ-7、Z向移动平台8、支撑板Ⅰ-9、支撑板Ⅱ-10和电机11组成；线性导轨Ⅱ-7对称安装于支撑座5上，Z向移动平台8安装于线性导轨Ⅱ-7上，负责Z向的直线运动。支撑板Ⅰ-9安装于支撑座5后侧，负责电机固定及提供支撑板Ⅱ-10Z轴移动的动力。支撑板Ⅱ-10安装于线性导轨Ⅱ-7上，负责Z向移动。高精度移动检测装置Ⅴ安装于支撑板Ⅱ-10，负责高精度移动检测装置Ⅴ等组件的固定支撑。

如图6所示，所述的高精度移动检测装置Ⅴ由Z轴旋转装置12、伺服电机13、电机固定板14和两对光幕千分尺15组成；两对光幕千分尺15安装于Z轴旋转装置12上，负责对两对光幕千分尺15固定。电机固定板14安装于Z轴旋转装置12及支撑板Ⅱ-10上，负责两个部件间的连接功能。伺服电机13安装于电机固定板14上，负责绕Z轴小幅度摆动。

具体的检测过程如下：

(1)标定过程：

本设计中直径的检测，采用与标定块进行比对的方法来对轴直径进行检测。

首先，标定装置沿轴向移动，将其输送到指定位置，A、B两对(两对共四只，分别为A_a、A_b、B_a、B_b)光幕千分尺采用如图1的检测原理，对待检测轴16，沿现有位置进行检测，然后逆时针旋转5°，从逆时针5°位置旋转至顺时针5°位置，存储扫描获得的最大值。例如：A光幕千分尺(即A_a、A_b)从逆时针5°位置旋转至顺时针5°扫描存储的最大数值为10.002mm；B光幕千分尺(即B_a、B_b)从逆时针5°位置旋转至顺时针5°扫描存储的最大数值为9.997mm；以此两值作为120mm校准轴外径的校准值。

(2)在系统开启后，标定装置运行到指定位置，高精度移动检测同通过光幕千分尺对标定块进行标定，沿顺、逆时针各摆动5°扫描获取最大值，完成对检测系统的校正标定。然后将所需检测轴输送至指定位置，运用上述工作原理(如图所示)，获得所需的测量值，如测量数值偏差过大，则进行警报。完成一次检测之后，X向移动装置带动Z向移动装置、高精度移动检测装置等组件，移动10mm，高精度移动检测装置，再次顺、逆时针各摆动5°扫描获取最大值。重复此过程，完成三个位置的检测之后，检测装置回到初始位置。

(3)直径测量：

光幕千分尺按图1所示的方式采集轴的直径数据，并将测量数据与校准数据进行差值来计算轴的直径。公式如下：

D_out＝D₁-((A₂+B₂)-(A₁+B₁))

式中：D_out：被测轴直径，D₁：校准轴直径，A₁、B₁：光幕千分尺在图所示位置测量校准轴获取值，A₂、B₂：光幕千分尺在扫描时所取得的最大值。

先驱动Z轴旋转装置，使其逆时针旋转5°；再驱动Z轴旋转装置，使其回到初始位置后，再顺时针旋转5°，光幕千分尺存储扫描过程中每一单元测得的值，并将测量值进行比较，选取最大值；然后跟标准件测量值进行比较计算。

以上述测量轴直径实际测量数据阐述测量直径的方法。

重复上述操作，实现轴不同断面直径的测量。

Claims (6)

1.一种轴的直径检测装置，其特征在于，包括：

采用以固定支架固定标 定块，高精度检测装置向固定支架方向运动，完成对轴的标定块标定；在标定完成后，输送 待检测轴至检测工位，完成待检测轴的定位；采用X向移动导轨，完成检测组件针对不同断 面的检测；采用Z向移动导轨，完成检测组件针对不同直径的轴适应性；采用绕Z轴小幅度摆 动，完成对轴安装误差的校正；控制系统中采用伺服电机控制与绝对光栅位移反馈系统构 成闭环控制系统，保证精确控制激光位移传感器的测量位置，提高系统的重复定位精度；测 量系统中采用A、B两对，两对共四只，分别为Aa、Ab、Ba、Bb，光幕千分尺，采用符合实际工况的 定位基准，完成对不同类型的轴的尺寸公差的测量，能够保证高检测精度、高重复定位精度 和满足企业生产节拍的目的；

所述检测装置由基座、标定装置、X向移动装置、Z向移动装置、高精度移动检测装置组成；基座上安装标定装置、X向移动装置；X向移动装置上安装Z向移动装置；Z 向移动装置上安装Z轴旋转部件、高精度移动检测装置；

所述高精度移动检测装置由Z轴旋转装置、伺服电机、电机固定板 和两对光幕千分尺组成；两对光幕千分尺安装于Z轴旋转装置上，负责对两对光幕千分尺固 定；电机固定板安装于Z轴旋转装置及支撑板Ⅱ上，负责两个部件间的连接功能；伺服电机 安装于电机固定板上，负责绕Z轴小幅度摆动；

所述标定装置运行到指定位置，高精度移动检测同通过光幕千分尺对标定块进行标定，沿顺、逆时针各摆动5°扫描获取最大值，完成对检测系统的校正标定。

2.根据权利要求1所述的一种轴的直径检测装置，其特征在于，所述的标定装置由标定块、固定框架组成；固定框架对称安装于基座 上，负责位置限制；标定块安装于固定框架上，负责标定块的固定。

3.根据权利要求1所述的一种轴的直径检测装置，其特征在于，所述的X向移动装置由线性导轨Ⅰ、X向移动平台、支撑座和电机组成； 线性导轨Ⅰ对称安装于基座上，X向移动平台安装于线性导轨Ⅰ上，负责X向的直线运动；支撑 座安装于X向移动平台，负责Z向移动装置、高精度移动检测装置组件的固定支撑。

4.根据权利要求1所述的一种轴的直径检测装置，其特征在于，Z向移动装置由线性导轨Ⅱ、Z向移动平台、支撑板Ⅰ、支撑板Ⅱ和电机组成；线 性导轨Ⅱ对称安装于支撑座上，Z向移动平台安装于线性导轨Ⅱ上，负责Z向的直线运动；支 撑板Ⅰ安装于支撑座后侧，负责电机固定及提供支撑板ⅡZ轴移动的动力；支撑板Ⅱ安装于 线性导轨Ⅱ上，负责Z向移动；Z轴旋转部件、高精度移动检测装置安装于支撑板Ⅱ，负责高 精度移动检测装置组件的固定支撑。

5.根据权利要求1所述的一种轴的直径检测装置，其特征在于，所述的在线检测系统是采用PMAC伺服电机控制与光栅位移反馈系统 构成闭环控制系统，用于精确控制高精度移动检测装置的测量位置，该控制系统共分为四 部分，PMAC伺服电机控制，光栅位移反馈控制，PLC控制以及测量数据采集系统；工控机发出 指令给PMAC运动控制卡，PMAC运动控制卡发出信号给伺服驱动器，再由伺服驱动器控制车X 向移动装置和Z向移动装置，两者移动距离由光栅尺测得并反馈给PMAC运动控制卡，再由控 制卡计算出补偿量实现移动平台的精确位置控制；保证系统的高重复定位精度；PLC控制系 统控制标定装置的气缸、X向移动装置的电机、Z向移动装置的电机、高精度移动检测装置的 伺服电机；测量数据采集系统通过数据采集卡采集2对光幕千分尺的数据。

6.一种轴的直径检测方法，其特征在于，使用如权利要求1-5任一项所述的一种轴的直径检测装置进行检测，该方法包括：

(1)待检测轴输送至检测工位；

(2)高精度检测装置沿X反方向向标定装置移动，完成标定；

(3)X向移动装置沿轴的轴向方向运动，到达第一断面位置；

(4)Z向移动装置沿轴的径向方向运动，到达测定轴的固定位置；

(5)伺服电机带动Z轴旋转装置，检测最大直径位置；

(6)X向移动平台继续沿轴的轴向方向运动，重复(4)、(5)，分别到达第二断面位置、第三断面位置，求平均值；

(7)检测完成后，各移动平台回到初始位置。

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