細(xì)長(zhǎng)軸類零件徑向圓跳動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)處理方法研究

翟 華 ，趙子建 ，萬(wàn)文松 ，3

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 工業(yè)與裝備技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；3.航空結(jié)構(gòu)件成形制造與裝備安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230009)

細(xì)長(zhǎng)軸類零件徑向圓跳動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)處理方法研究

翟 華1，2，3，趙子建1，萬(wàn)文松1，3

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 工業(yè)與裝備技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；3.航空結(jié)構(gòu)件成形制造與裝備安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230009)

基于激光位移傳感器三角測(cè)量技術(shù)，利用摩擦結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)合PLC對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在線實(shí)現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)軸桿類零件徑向圓跳動(dòng)測(cè)量。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)量精度可達(dá)0.05mm，滿足中小直徑軸類零件的非接觸式測(cè)量要求。

激光三角測(cè)量；徑向圓跳動(dòng)；數(shù)據(jù)處理；細(xì)長(zhǎng)軸

軸類零件圓跳動(dòng)的測(cè)量由手工測(cè)量向自動(dòng)化測(cè)量，由接觸式測(cè)量向非接觸式測(cè)量發(fā)展。大多數(shù)企業(yè)都是通過(guò)人工利用量具進(jìn)行接觸測(cè)量，其測(cè)量精度低，速度慢，易受人工因素影響，且不適用在線檢測(cè)[1]。

本文提出利用紅色激光位移傳感器三角測(cè)量原理，結(jié)合三圓定心機(jī)構(gòu)對(duì)軸類零件定心，實(shí)現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)軸桿類零件徑向圓跳動(dòng)的光電非接觸測(cè)量，該方法能實(shí)現(xiàn)快速高精度測(cè)量，適合在線自動(dòng)化檢測(cè)。在CAJ40-2M軸類自動(dòng)矯直機(jī)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證能夠滿足徑向圓跳動(dòng)測(cè)量要求。

1 細(xì)長(zhǎng)軸徑向圓跳動(dòng)測(cè)量

圓跳動(dòng)國(guó)標(biāo)定義為：被測(cè)實(shí)際要素繞基準(zhǔn)軸線回轉(zhuǎn)一周，指示器最大讀數(shù)與最小讀數(shù)差。徑向圓跳動(dòng)的公差帶為在任一垂直于基準(zhǔn)軸線的橫截面內(nèi)、半徑差等于公差值t、圓心在基準(zhǔn)軸線上兩同心圓所限定區(qū)域。

忽略軸截面圓度誤差，如圖1所以，Y軸為激光位移傳感器M發(fā)出激光束，O為軸截面回轉(zhuǎn)中心，O1軸圓截面中心，回轉(zhuǎn)方向如圖示，截面圓半徑R，一次旋轉(zhuǎn)角度取值為θ，O1O偏心距為e，O1B與A2B垂直。軸回轉(zhuǎn)一周，傳感器測(cè)得以O(shè)為回轉(zhuǎn)中心半徑OAN值，N為測(cè)量點(diǎn)數(shù)，最大值和最小值差值為軸件徑向圓跳動(dòng)。

圖1 徑向圓跳動(dòng)測(cè)量示意圖

基于回轉(zhuǎn)中心O半徑值為：

2 細(xì)長(zhǎng)軸類零件定心機(jī)構(gòu)

在實(shí)際生產(chǎn)中，軸類零件矯直機(jī)中細(xì)長(zhǎng)軸定心回轉(zhuǎn)要求細(xì)長(zhǎng)軸的回轉(zhuǎn)中心線與零件中心重合，滿足軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)徑向圓跳動(dòng)的位置精度要求，減少測(cè)量誤差。

常用無(wú)頂針孔軸類工件矯直夾緊定位，通過(guò)滾輪與工件摩擦力驅(qū)動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)。滾輪摩擦驅(qū)動(dòng)[2]按動(dòng)輪布置方式不同分壓緊輪驅(qū)動(dòng)和支持輪驅(qū)動(dòng)兩種，本文選用壓緊滾輪驅(qū)動(dòng)裝置，如圖2所示。

壓緊滾輪驅(qū)動(dòng)方式是在上方驅(qū)動(dòng)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)后，通過(guò)夾緊力F控制驅(qū)動(dòng)零件旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)支撐滾輪為零件旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)支撐。壓緊滾輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)成對(duì)使用，放在被測(cè)件兩端。

圖2 滾動(dòng)摩擦驅(qū)動(dòng)裝置簡(jiǎn)圖

3 細(xì)長(zhǎng)軸徑向圓跳動(dòng)的測(cè)量

3.1 輸入信號(hào)的濾波處理

本文選用松下HL-G1型紅色半導(dǎo)體激光位移傳感器，直接將模擬量信號(hào)輸入西門(mén)子S7-1200PLC的CPU中，模擬量信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后進(jìn)行處理。為消除徑向圓跳動(dòng)測(cè)量過(guò)程中的干擾信號(hào)而獲得真實(shí)的數(shù)據(jù)，常采用數(shù)字濾波處理[3]。PLC中數(shù)字濾波方法有：軟件延遲濾波、平均值濾波、中間值濾波和慣性濾波等[4]。

軟件延遲濾波可以提高系統(tǒng)可靠性，通過(guò)軟件可設(shè)置延時(shí)幾毫秒至幾十毫秒，并對(duì)同一測(cè)量信號(hào)多次讀取，結(jié)果一致時(shí)，才確認(rèn)有效。本文主要通過(guò)軟件進(jìn)行數(shù)字量輸入濾波和模擬量信號(hào)數(shù)字濾波處理。

均值濾波法在采樣次數(shù)越多時(shí)，濾波效果越明顯，需綜合考慮采樣時(shí)間及控制系統(tǒng)的需要。需對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行排序和比較，去掉極值后，求出算術(shù)平均值，對(duì)消除脈沖干擾和隨機(jī)干擾有效。在控制程序中通常選用均值濾波法。

3.2 徑向圓跳動(dòng)數(shù)據(jù)采集和處理

3.2.1 數(shù)據(jù)采集

徑向圓跳動(dòng)測(cè)量的采樣周期須從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)綜合考慮，采樣周期過(guò)短，不僅增大CPU負(fù)擔(dān)，而且增大A/D轉(zhuǎn)換精度，可能導(dǎo)致和選定的A/D轉(zhuǎn)換精度不匹配。過(guò)分追求高A/D轉(zhuǎn)換精度變得意義不大[5]。對(duì)于本文的激光位移傳感器，適當(dāng)延長(zhǎng)測(cè)量周期使其獲得充足的光量，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定測(cè)量。

在PLC控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，模擬輸入信道均包含在模擬量輸入模塊中。編程直接讀取模擬量連接輸入模塊地址，即可實(shí)現(xiàn)模擬量采樣。如圖3為模擬量采集過(guò)程中數(shù)據(jù)顯示圖。

圖3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)顯示

3.2.2 數(shù)據(jù)處理

PLC對(duì)于模擬量測(cè)量范圍、采樣周期和采樣次數(shù)均可編程設(shè)定[6]。通過(guò)PLC函數(shù)運(yùn)算、循環(huán)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳送和轉(zhuǎn)換等功能，完成圓跳動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)分析和處理。如圖4為數(shù)據(jù)處理模塊圖。

圖4 數(shù)據(jù)處理模塊結(jié)構(gòu)圖

松下HL-G1型紅色半導(dǎo)體激光位移傳感器，最大輸出功率1MW，分辨率0.5μm，測(cè)量范圍±4mm，安裝在被測(cè)中心30mm處，入射激光束光斑直徑100μm，采樣周期有 200μs、500μs、1ms、2ms可選擇。每檢測(cè)一次，工件轉(zhuǎn)動(dòng)一周，激光位移傳感器采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成一維數(shù)組存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)塊中，求取數(shù)組最大值與最小值之差，得出徑向圓跳動(dòng)。在同一采樣周期，設(shè)置不同旋轉(zhuǎn)速度V，可調(diào)節(jié)測(cè)量精度。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖5為徑向圓跳動(dòng)誤差檢測(cè)裝置圖，實(shí)驗(yàn)所采用工件尺寸?14×160mm的鋁合金桿件，表面較光滑，顏色為灰白色。

測(cè)量時(shí)，確保數(shù)據(jù)完整性，設(shè)置伺服電機(jī)帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)超過(guò)一圈，每轉(zhuǎn)動(dòng)一次，測(cè)量結(jié)果及時(shí)顯示。本實(shí)驗(yàn)選擇傳感器采樣周期2ms，旋轉(zhuǎn)速度10＜V＜100(單位mm/s)，對(duì)工件同一圓截面進(jìn)行10次測(cè)量并記錄結(jié)果。用千分表再對(duì)同一圓截面進(jìn)行徑向圓跳動(dòng)測(cè)量，測(cè)量值為2.225mm，繪出徑向圓跳動(dòng)與軸轉(zhuǎn)速關(guān)系如圖6所示。

圖5 徑向圓跳動(dòng)誤差檢測(cè)裝置圖

圖6 不同轉(zhuǎn)速下徑向圓跳動(dòng)誤差曲線

由圖可知，同一采樣周期，速度越大，徑向圓跳動(dòng)誤差越大，采樣軸速度 10～50(mm/s)，測(cè)量誤差0.05mm，采樣軸速度 50～100(mm/s)，測(cè)量誤差0.1mm。

5 結(jié)論

本文采用激光傳感器建立細(xì)長(zhǎng)軸類零件徑向圓跳動(dòng)件測(cè)量方法，結(jié)合PLC對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在線顯示細(xì)長(zhǎng)軸類零件徑向圓跳動(dòng)測(cè)量值。實(shí)驗(yàn)表明，采樣周期 2ms，采樣軸速度 10～50(mm/s)，測(cè)量誤差0.05mm。同一采樣周期下，采樣軸速度對(duì)徑向圓跳動(dòng)測(cè)量值有影響，速度越大，徑向圓跳動(dòng)誤差越大。

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Treatment of measurement data for radial circular run-out of slender shaft parts

ZHAI Hua1,2,3，ZHAO Zijian1,WAN Wensong1,3
(1.Research Institute of Industry and Equipment Technology,Hefei University of Technology,Hefei 230009,Anhui China;2.College of Mechanical and Automotive Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,Anhui China;3.Anhui Province Key Lab of Aerospace Structural Parts Forming Technology and Equipment,Hefei 230009,Anhui China)

On the basis of triangulation technology from laser displacement sensor,the friction mechanism has been adopted to rotate the driving shaft.The measurement data has been processed by combination of PLC.The radial circular run-out measurement of slender shaft parts has been achieved on-line.Through test,the measuring accuracy can reach 0.05mm,which can satisfy the non-contact measurement of shaft parts in small and medium diameter.

Laser triangulation measurement;Circular run-out;Data processing

TP274

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.05.021

1672-0121(2017)05-0070-03

2017-04-24；

2017-06-12

2016年度安徽省科技計(jì)劃項(xiàng)目資助(1604a0902129，1604a 0902138)

翟 華(1973-)，男，博士，教授，研究院副院長(zhǎng)，從事校直工藝?yán)碚摷霸O(shè)計(jì)、液壓系統(tǒng)及元件、現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論及方法等研究。E-mail：jxzhaihuajx@sina.com