小孔測量中傳感器的自動對中系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種小孔測量中傳感器的自動對中系統(tǒng)，包括一個底座，所述的底座上面設(shè)有一個支撐座，在所述的支撐座的上面設(shè)有一個能在三維坐標X,Y方向上來回滑動的工作臺；所述的工作臺的中心位置設(shè)有一個電容探針，在工作臺的X、Y方向各固定兩個相互對稱的支桿，在相互對稱的支桿上面，其中一個支桿設(shè)有激光發(fā)射裝置，另一個支桿上面設(shè)有激光接收裝置；在工作臺的一側(cè)三維坐標Z向設(shè)有一個Z向步進電機驅(qū)動的絲杠III，在所述的絲杠III的螺母上連接一個滑臺，所述的滑臺連接一個用于支撐工件的光桿；所述的電容探針用于測量工件上的孔徑，且所述的電容探針與信號處理裝置相連。該系統(tǒng)具有很高的測量精度，響應(yīng)快速。
【專利說明】小孔測量中傳感器的自動對中系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型具體公開了一種小孔直徑測量中傳感器探針與被測孔的中心線的自動對中系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]接觸測量和非接觸測量的研究日趨成熟。對于直徑小于幾個毫米以下的小孔內(nèi)徑的測量，特別是要測量出小孔的中心軸線，目前還沒有十分完美的測量手段和方法。對于這種小孔徑的測量，英國早在80年代曾經(jīng)生產(chǎn)過一種小孔測量儀，這種測量儀用微小的玻璃球作為探針，接觸測量小孔的直徑。但是由于控制操作比較麻煩，尤其是前端的探針很容易損壞，不適合高精度的測量，所以這種儀器很快就被淘汰了。在我國的電容傳感器技術(shù)的發(fā)展過程中，天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點試驗室里的很多老師對不同的電容傳感器都有獨到的研究，他們合作制作了許多基于電容作傳感器的測量儀器，應(yīng)用在現(xiàn)代生產(chǎn)中。國內(nèi)的許多高校、廠家以及科研單位從事傳感器的研制和開發(fā)，跟隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的水平。電容傳感器存在許多的優(yōu)點，其中包括靈敏度高、精度高、動態(tài)響應(yīng)好、結(jié)構(gòu)簡單等典型的優(yōu)點，就是這些在測量方面的優(yōu)點，在很早的時候其就被利用來測量位移、內(nèi)徑、厚度、溫度、振動等。但是由于當時的制造水平和電容傳感器本身存在一些缺陷，科學(xué)技術(shù)發(fā)展不夠成熟，它在測量領(lǐng)域的應(yīng)用受到了很大限制。最近幾十年來，隨著電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，制造水平的提高。電容傳感器開始凸現(xiàn)其優(yōu)越性，微型元件的出現(xiàn)，使得電子線路能夠盡可能的靠近傳感器，這就為利用傳感器實現(xiàn)測量帶來了可能，進一步提高了精度和測量的靈敏度。
[0003]小孔測量中傳感器探針的自動對中技術(shù)，在國外甚受重視，許多廠家都研制了各種各有特色的自動對中裝置，其中有一些已在生產(chǎn)中應(yīng)用。目前在自動對中系統(tǒng)的研究設(shè)計中，以德國的產(chǎn)品最為成熟，激光對中儀的到來使得設(shè)備的維護人員可以更方便、更快、更精確的對機器實現(xiàn)更好的對中，實現(xiàn)了安裝簡單，偏差自動顯示，而且還可以自動的計算軸的移動角度和移動量。由于自動對中系統(tǒng)設(shè)計精確度的要求較高,而主要的生產(chǎn)設(shè)備主要來自國外，像德國、日本、美國等，所以這類設(shè)備的購買價格較高，而我國在這方面的研究起步相對較晚，技術(shù)相對落后，在在自主化生產(chǎn)過程中在傳感器的自動對中系統(tǒng)的應(yīng)用中要受到國外高額設(shè)備的限制。
[0004]我國90年代初開始高價從國外購進激光對中儀來實現(xiàn)自動對中和進行自動對中系統(tǒng)的研究和設(shè)計，激光對中儀是實現(xiàn)自動對中的快速方法，它被利用在多個領(lǐng)域，而在小孔測量中傳感器的自動對中系統(tǒng)中也得到很好的應(yīng)用。國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和其它行業(yè)的技術(shù)進步迫切要求信息化在工業(yè)方面得到廣泛的應(yīng)用，特別是需要新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，因此工業(yè)自動化技術(shù)得以很快發(fā)展，利用工業(yè)自動化技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提高自動化、智能化、信息化水平，增強企業(yè)競爭能力，是一項非常迫切的任務(wù)。隨著工業(yè)自動化技術(shù)的迅速發(fā)展，自動化控制系統(tǒng)的水平在不斷提高。從單機控制發(fā)展到分布式控制系統(tǒng)(DCS )，隨著可編程控制器(PLC)性能不斷完善，在DCS中得到了廣泛的應(yīng)用。[0005]在發(fā)動機的現(xiàn)代化生產(chǎn)過程中，能否快速準確的確定小孔中心軸線的位置，已成為企業(yè)實現(xiàn)有效的生產(chǎn)競爭的關(guān)鍵技術(shù)，它不但會影響發(fā)動機的性能，更能直接的影響發(fā)動機的生產(chǎn)效率，影響企業(yè)的生產(chǎn)力。近幾十年來，隨著制造業(yè)的發(fā)展，機械加工的精度越來越高，已達到了微米量級，尤其在精密和超精密加工領(lǐng)域。
[0006]如果小孔裝置對中不良，會造成聯(lián)軸節(jié)摩擦增大、軸承過早損壞、轉(zhuǎn)軸發(fā)生往復(fù)移動等一系列的問題，從而提高機器的運行成本，大大縮短機器的使用壽命，降低機器的能源利用效率。除此之外，對中不良會對轉(zhuǎn)軸的密封性產(chǎn)生嚴重的影響，而更換密封器件的費用有的時候時可以達到購買機器價格的20%。
實用新型內(nèi)容
[0007]為了解決孔類裝置對中不良對中粗度大產(chǎn)生的對聯(lián)軸節(jié)轉(zhuǎn)軸、軸承造成的不利影響，降低機器的運行的成本，降低維護的成本，延長機器的使用的壽命，提高機器的能源的利用效率，本實用新型提供了一種小孔測量中傳感器的自動對中系統(tǒng)。
[0008]本實用新型采用的技術(shù)方案如下:
[0009]小孔測量中傳感器的自動對中系統(tǒng)，包括一個底座，所述的底座上面設(shè)有一個支撐座，在所述的支撐座的上面設(shè)有一個能在三維坐標X，Y方向上來回滑動的工作臺；所述的工作臺的中心位置設(shè)有一個電容探針，在工作臺的X、Y方向各固定兩個相互對稱的支桿，且相對稱的支桿的中心線與電容探針的中心線在一條直線上，在相互對稱的支桿上面，其中一個支桿設(shè)有激光發(fā)射裝置，另一個支桿上面設(shè)有激光接收裝置(即光纖傳感器)；在工作臺的一側(cè)三維坐標Z向設(shè)有一個Z向步進電機驅(qū)動的絲杠III，在所述的絲杠III的螺母上連接一個滑臺，所述的滑臺連接一個用于支撐工件的光桿；所述的電容探針用于測量工件上的孔徑，且所述的電容探針與信號處理裝置相連。
[0010]所述的工作臺的驅(qū)動系統(tǒng)包括X向步進電機和Y向步進電機，所述的X向步進電機的輸出端連接齒輪傳動減速系統(tǒng)I，齒輪減速系統(tǒng)I的輸出端帶動絲杠I轉(zhuǎn)動，絲杠I上的螺母I帶動安裝于其上的支架系統(tǒng)一起在X向左右移動，在所述的支架系統(tǒng)上設(shè)有能沿其前后運動的工作臺；所述的Y向步進電機輸出端連接齒輪傳動減速系統(tǒng)II，齒輪減速系統(tǒng)II的輸出端帶動絲杠II轉(zhuǎn)動，絲杠II上的螺母II帶動安裝于其上的工作臺一起在Y向前后移動。
[0011]所述的Z向步進電機的輸出端連接齒輪傳動減速系統(tǒng)III，齒輪減速系統(tǒng)III的輸出端帶動絲杠III轉(zhuǎn)動，絲杠III上的螺母III帶動與其連接的滑臺在Z方向運動，所述的滑臺設(shè)于一個與絲杠III平行的導(dǎo)桿上，且滑臺能沿著導(dǎo)桿來回滑動。
[0012]所述的激光發(fā)射裝置為發(fā)射光纖，激光接收裝置為接收光纖，且接收光纖為2個；且兩個接收光纖相對于電容探針的中心線對稱排列。當激光通過電容探針后，若兩個光纖傳感器接收的光強一樣，說明電容探針在該方向上是居中的。若光纖接收的光強不一致，那么說明電容探針與孔中心線不一致，啟動X或Y向電機帶動工作臺移動，直到光纖傳感器的光強一致。
[0013]所述的電容探針與被測小孔之間形成的電容、標準電容與放大器相連，分別作為放大器的反饋電容和輸入電容；所述的放大器與振蕩器相連，振蕩器為其提供標準的振蕩信號；放大器的輸出端與精密整流電路相連，所述的精密整流電路與濾波器相連，所述的濾波器結(jié)合穩(wěn)壓電源、調(diào)零電路與數(shù)字表頭或計算機相連，計算機對測量的信號進行處理。
[0014]所述的X向步進電機、Y向步進電機和Z向步進電機由驅(qū)動器驅(qū)動，且分別各自與一個光柵編碼器相連，所述的光柵編碼器將采集的信號發(fā)送給運動控制卡，所述的運動控制卡控制驅(qū)動器。
[0015]所述的Z軸光柵編碼器選用L325型光柵尺，標尺長度325〃--,測量長度320遞? ；X>Y軸的光柵編碼器選用L30型光柵尺，標尺長度30〃?，測量長度25〃?，選用M1550S-40型讀數(shù)頭，電路進行20細分。
[0016]在實用新型所測的小孔直徑為1-7_。
[0017]本實用新型的工作過程如下:
[0018]激光光纖測量裝置安裝在二維工作臺上，事先將其與孔的中心線調(diào)整為一致。測量孔徑之前，先用激光光纖測量裝置對電容探針對中，若發(fā)現(xiàn)不對中，則啟動XY向電機動作，帶動二維工作臺運動，使其上的小孔運動，達到對中。探針與孔的中心線對中后，再啟動Z向電機向下帶動探針進行孔徑測量，測得的電容通過信號處理裝置進行處理。
[0019]本實用新型的有益效果是:
[0020]新型電容式小孔測量傳感器依據(jù)非接觸式測量原理，測量時對傳感器無測量力的影響；采用等位環(huán)消除了電容傳感器的邊緣效應(yīng)，采用驅(qū)動電纜技術(shù)減弱了雜散電容的影響，利用二維微調(diào)機構(gòu)實現(xiàn)傳感器與被測孔的精密同軸定位，在計算機的控制下，電容探針深入小孔內(nèi)部進行自動測量，因此，電容式非接觸小孔測量系統(tǒng)具有很高的測量精度，響應(yīng)快速，該系統(tǒng)有效解決了現(xiàn)有小深孔各截面內(nèi)徑尺寸測量的難題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1本實用新型的主 視圖；
[0022]圖2本實用新型的俯視圖；
[0023]圖3本實用新型的俯視圖；
[0024]圖4圖1中I部分的結(jié)構(gòu)放大圖；
[0025]圖5電容探針部分的信號處理圖；
[0026]圖6測量系統(tǒng)控制組成框圖；
[0027]圖中:1 X向步進電機，2絲杠I，3支桿，4電容探針，5絲杠III，6光桿，7導(dǎo)桿，8絲杠II，9滑臺，10 Z向步進電機，11支撐座，12底座，13支座，14工作臺，15 Y向步進電機。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖對本實用新型進行詳細說明:
[0029]如圖1-圖6所示，小孔測量中傳感器的自動對中系統(tǒng)，包括一個底座12，所述的底座12上面設(shè)有一個支撐座11，在所述的支撐座11的上面設(shè)有一個能在X，Y方向上來回滑動的工作臺14 ;所述的工作臺14的中心位置設(shè)有一個電容探針4，在工作臺14的X、Y方向各固定兩個相互對稱的支桿3，且相對稱的支桿3的中心線與電容探針4的中心線在一條直線上，在相互對稱的支桿3上面，其中一個支桿3設(shè)有激光發(fā)射裝置，另一個支桿上面設(shè)有光纖傳感器作為激光接收裝置；在工作臺14的一側(cè)設(shè)有一個Z向步進電機10驅(qū)動的絲杠1115，在所述的絲杠III5的螺母上連接一個滑臺9，所述的滑臺9連接一個用于支撐工件的光桿6 ;所述的電容探針4用于測量工件上的孔徑，電容探針4通過支座13固定在工作臺14。
[0030]工作臺14的驅(qū)動系統(tǒng)包括X向步進電機I和Y向步進電機15，所述的X向步進電機I的輸出端連接齒輪傳動減速系統(tǒng)I，齒輪減速系統(tǒng)I的輸出端帶動絲杠12轉(zhuǎn)動，絲杠12上的螺母I帶動安裝于其上的支架系統(tǒng)一起在X向左右移動，在所述的支架系統(tǒng)上設(shè)有能沿其前后運動的工作臺；所述的Y向步進電機15輸出端連接齒輪傳動減速系統(tǒng)II，齒輪減速系統(tǒng)II的輸出端帶動絲杠118轉(zhuǎn)動，絲杠118上的螺母II帶動安裝于其上的工作臺一起在Y向前后移動。[0031]所述的Z向步進電機10的輸出端連接齒輪傳動減速系統(tǒng)III，齒輪減速系統(tǒng)III的輸出端帶動絲杠III5轉(zhuǎn)動，絲杠III5上的螺母III帶動與其連接的滑臺9在Z方向運動，所述的滑臺設(shè)于一個與絲杠III5平行的導(dǎo)桿上，且滑臺能沿著導(dǎo)桿7來回滑動。
[0032]所述的激光發(fā)射裝置為發(fā)射光纖，激光接收裝置為接收光纖，且接收光纖為2個；且兩個接收光纖相對于電容探針的中心線對稱排列。當激光通過電容探針后，若兩個光纖傳感器接收的光強一樣，說明電容探針在該方向上是居中的。若光纖接收的光強不一致，那么說明電容探針與孔中心線不一致，啟動X或Y向電機帶動工作臺移動，直到光纖傳感器的光強一致。
[0033]所述的電容探針與被測小孔之間形成的電容、標準電容與放大器相連，分別作為放大器的反饋電容和輸入電容；所述的放大器與振蕩器相連，振蕩器為其提供標準的振蕩信號；放大器的輸出端與精密整流電路相連，所述的精密整流電路與濾波器相連，所述的濾波器結(jié)合穩(wěn)壓電源、調(diào)零電路與數(shù)字表頭或計算機相連，計算機對測量的信號進行處理。
[0034]由于電容傳感器的探針需要深入到小孔的不同深度進行探測，同時，電容傳感器需要進行測量前的精密對中調(diào)整，因此，測量系統(tǒng)需要Χ、Y、ζ三個方向的精密運動控制。其中，X、Y方向的運動由二維微動平臺實現(xiàn)，Z方向的運動由Z向步進電機驅(qū)動,運動控制模塊包括步進電機及驅(qū)動器、步進電機控制卡、脈沖信號發(fā)生器和光柵編碼器，其中脈沖信號發(fā)生器用于手動控制步進電機，計算機+運動控制卡用于自動控制步進電機。
[0035]在二維導(dǎo)軌兩個軸向分別配有28BYG步進電機，通過基于PCI總線技術(shù)的PC1-1240型4軸控制卡進行精確運動控制，步進距離僅為3~5〃?，步進電機控制Χ、Υ軸運動實現(xiàn)電容式測孔傳感器測頭與被測工件的精密對中，步進精度直接影響到孔徑測量精度。因此，通過驅(qū)動器對Χ、Υ軸步進電機進行32細分，其分辨率達到，對Z軸步進電機進行8細分，其分辨率達到。
[0036]為防止步進電機丟步現(xiàn)象,并進一步提高Χ、Υ、Ζ軸的定位精度,分別采用Micro-E光柵編碼器與步進電機構(gòu)成閉環(huán)控制模式，以光柵編碼器的返回值作為控制電機運動的有效信息，X、Y、Z軸測量范圍，Z軸選用L325型光柵尺，標尺長度325〃?，測量長度320.;Χ、Y軸選用L30型光柵尺，標尺長度30〃?，測量長度25〃?，選用M1550S-40型讀數(shù)頭，電路進行20細分，故光柵尺分辨率可達到。將光柵尺貼在Z軸測量臂上及Χ、Υ 二維微動滑臺導(dǎo)軌上，并且在合適位置處安放測量頭支架，傳感器測量頭通過安裝螺釘固定于支架上，利用光柵編碼器自帶的Smart Signal調(diào)直工具調(diào)整光柵尺與讀數(shù)頭之間的間隙和角度，保證光柵編碼器可正常工作，由此大大提高了步進電機的定位精度，從而保證了測量精度的要求。[0037]圖4為對電容傳感器的微弱測量信號進行放大處理和數(shù)據(jù)采集的結(jié)構(gòu)框圖，其中運算式電容測微儀主要包括精密穩(wěn)幅振蕩器、高增益主放大器、精密整流、低通濾波器、調(diào)零電路、穩(wěn)壓電源等。本儀器采用了其幅值穩(wěn)定在PPm級的文氏橋穩(wěn)幅振蕩器，頻率為15_22kHz。由于傳感器探針與被測孔的間距值很小，電容量很高，故要求前級放大器的輸入阻抗很高以及有足夠的放大增益(一般在80—95dB)，由于采用了獨特的設(shè)計和驅(qū)動電纜新技術(shù)，將其一個輸入極為懸浮地，很好地解決了雜散電容和寄生電容等的影響。
[0038]本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊利用KEITHLEY 182型號的七位半數(shù)字電壓表進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，精度可達到級別，并且通過NI公司的GPIB-USB接口將數(shù)字量傳入計算機中以進行數(shù)據(jù)處理及控制。GPIB-USB用于高速USB2.0的GPIB控制器；標準傳輸速率高達1.8MB/s ;即插即用式安裝，方便與電容測微儀連接使用。
【權(quán)利要求】
1.小孔測量中傳感器的自動對中系統(tǒng)，其特征在于:包括一個底座，所述的底座上面設(shè)有一個支撐座，在所述的支撐座的上面設(shè)有一個能在三維坐標X，Y方向上來回滑動的工作臺；所述的工作臺的中心位置設(shè)有一個電容探針，在工作臺的X、Y方向各固定兩個相互對稱的支桿，且相對稱的支桿的中心線與電容探針的中心線在一條直線上，在相互對稱的支桿上面，其中一個支桿設(shè)有激光發(fā)射裝置，另一個支桿上面設(shè)有激光接收裝置；在工作臺的一側(cè)三維坐標Z向設(shè)有一個Z向步進電機驅(qū)動的絲杠III，在所述的絲杠III的螺母上連接一個滑臺，所述的滑臺連接一個用于支撐工件的光桿；所述的電容探針用于測量工件上的孔徑，且所述的電容探針與信號處理裝置相連。
2.如權(quán)利要求1所述的自動對中系統(tǒng)，其特征在于:所述的工作臺的驅(qū)動系統(tǒng)包括X向步進電機和Y向步進電機，所述的X向步進電機的輸出端連接齒輪傳動減速系統(tǒng)I，齒輪減速系統(tǒng)I的輸出端帶動絲杠I轉(zhuǎn)動，絲杠I上的螺母I帶動安裝于其上的支架系統(tǒng)一起在X向左右移動，在所述的支架系統(tǒng)上設(shè)有能沿其前后運動的工作臺；所述的Y向步進電機輸出端連接齒輪傳動減速系統(tǒng)II，齒輪減速系統(tǒng)II的輸出端帶動絲杠II轉(zhuǎn)動，絲杠II上的螺母II帶動安裝于其上的工作臺一起在Y向前后移動。
3.如權(quán)利要求1所述的自動對中系統(tǒng)，其特征在于:所述的Z向步進電機的輸出端連接齒輪傳動減速系統(tǒng)III，齒輪減速系統(tǒng)III的輸出端帶動絲杠III轉(zhuǎn)動，絲杠III上的螺母III帶動與其連接的滑臺在Z方向運動，所述的滑臺設(shè)于一個與絲杠III平行的導(dǎo)桿上。
4.如權(quán)利要求1所述的自動對中系統(tǒng)，其特征在于:所述的激光發(fā)射裝置為發(fā)射光纖，激光接收裝置為接收光纖，且接收光纖為2個；兩個接收光纖相對于電容探針的中心線對稱排列。
5.如權(quán)利要求1所述的自動對中系統(tǒng)，其特征在于:所述的電容探針與被測小孔之間形成的電容、標準電容與放大器相連；所述的放大器與振蕩器相連；放大器的輸出端與精密整流電路相連，所述的精密整流電路與濾波器相連，所述的濾波器結(jié)合穩(wěn)壓電源、調(diào)零電路與數(shù)字表頭或計算機相連。
6.如權(quán)利要求2所述的自動對中系統(tǒng)，其特征在于:所述的X向步進電機、Y向步進電機和Z向步進電機由驅(qū)動器驅(qū)動，且分別各自與一個光柵編碼器相連，所述的光柵編碼器將采集的信號發(fā)送給運動控制卡，所述的運動控制卡控制驅(qū)動器。
7.如權(quán)利要求6所述的自動對中系統(tǒng)，其特征在于:所述的Z向光柵編碼器選用L325型光柵尺，標尺長度325.，測量長度320.;X、Y向的光柵編碼器選用L30型光柵尺，標尺長度30遞?，測量長度25膽，選用M1550S-40型讀數(shù)頭，電路進行20細分。
【文檔編號】G01B7/12GK203480322SQ201320587533
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年9月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月22日
【發(fā)明者】馬玉真, 孫選, 王新華, 董全成, 王曉琴, 劉民靜, 王成林, 徐增法 申請人:濟南大學(xué)