专利名称：基于单片机的转盘轴承直径及锥度自动测量装置及测量方法
技术领域：
本发明涉及轴承检测技术，具体地说是一种转盘轴承端面圆直径、滚道轮廓直径及锥形体部位锥度的基于单片机的转盘轴承直径及锥度自动测量装置及测量方法。
背景技术：
回转支承又叫转盘轴承，有些人也称其为旋转支承、回旋支承。回转支承是实现两部分相对回转运动的基础零件，广泛应用于机器人、风力发电机、雷达、工程机械、载人升降机、轨道车辆、饮料灌装机械、污水处理装置以及医疗设备等领域，处于结构承上启下的关键部位，它的质量直接影响这些设备的性能。转盘轴承由轴承内圈、外圈和滚动体三部分组成。由于转盘轴承滚道形状复杂， 内、外圈滚道轮廓直径测量对转盘轴承的稳定运行及其使用寿命有着极为重要的意义。四点接触球转盘轴承滚道截面图如图I所示，其滚道截面为两个半圆弧的桃形沟道。滚道直径测量，其圆心是钢球与桃形沟道接触后产生的接触点所形成的中心，由于位置特殊，对滚道的测量一直是困扰业界的一大难题。国内厂家大都采用测量棒对内外滚道中心直径进行测量，技术手段落后。此外，转盘轴承的型号不同，其滚道形状结构也不同，常见的四种型号的转盘轴承滚道截面如图2所示。因此在内、外滚道中心直径测量基础之上更需要对其滚道轮廓直径进行逐点测量，并对其锥形体部位的锥度值进行测量。到目前为止，对转盘轴承滚道轮廓直径进行逐点测量以及锥形体部位的锥度测量技术尚属于业内空白。
发明内容
本发明恰当地解决了上述所存在的问题，针对转盘轴承，提供了一种基于单片机的转盘轴承直径及锥度自动测量装置及测量方法，本发明测量装置既能检测传统意义上端面圆直径，还能检测其特殊部位的直径滚道轮廓直径和锥形体部位的锥度值。本发明的基于单片机的转盘轴承直径及锥度自动测量装置及测量方法通过机械机构、传感器、常用的单片机及外围电路来构成整个自动测量装置。利用三点定圆原理，由测量头23上3路位移传感器17获得3路位移变化信号，根据三点定圆的原理，经单片机采集并计算出转盘轴承截面圆的直径，一路光栅尺20位移信号对测量头23在轴向方向进行定位，获得离调整端面4的轴向位移。本发明不仅能够测量出转盘轴承端面圆的直径，而且能够逐点检测出内、外圈形状复杂的滚道轮廓的直径值，能够对大直径工件锥形体表面进行检测并计算出锥度值。对转盘轴承特殊部位的直径及锥度检测，提高了转盘轴承在装配过程中的效率和精度，整体上提高了转盘轴承的质量。本发明装置体积小、便于携带、操作简单、并且本发明装置能够自动完成整个测量过程。为了达到上述目的，本发明的具体技术方案如下本发明提供一种基于单片机的转盘轴承直径及锥度自动测量装置，所述自动测量装置包括机械机构和单片机测量系统两大部分；所述机械机构由测量保持架22、测量滑动架24及测量头23组成；单片机测量系统包括单片机、A/D转化�？�、参数命令输入�？�、并行接口�？椋凰龅テ莶问钍淙肽？槭淙朊钪葱邢喙囟鳎⒊龅亩餍藕趴煽刂剖致�11和上端导轨滑轮I、下端导轨滑轮9转动，并且带动测量头轴向和水平运动，测量头23完成动作后，单片机对四路传感器信号进行采集和计算。所述测量保持架22主要包括上端导轨滑轮I、下端导轨滑轮9、调整端面4、调整杆
5、固定杆6、夹紧杆10。调整端面4与转盘轴承上端面2500重合，调整杆5与转盘轴承柱面2501相切，从而保证了测量头(23与转盘轴承上端面2500相互平行，与转盘轴承25中心轴相互垂直。通过夹紧杆10与转盘轴承下端面2502接触加紧，使测量保持架22固定在转盘轴承上；上端导轨滑轮I和下端导轨滑轮9通过自身的螺纹杆与保持架上端板3及保持架下端板7相连接；调整杆5和固定杆6与保持架上端板3及保持架下端板7，通过保持架上端固定螺母2及保持架下端固定螺母8相互连接。所述测量滑动架24主要包括手轮11、滚珠丝杠12、导轨14，18、滑杆15、测量头 23、光栅尺20及后盖21。上端导轨滑轮I、下端导轨滑轮9和手轮11与伺服电机相接，并由伺服电机所带动；手轮11固定在滚珠丝杠12的上端；上端导轨14和下端导轨18与滑杆15通过滑动架上端固定螺母13及滑动架下端固定螺母19相互连接。滚珠丝杠12及滑杆15垂直穿过测量头23的基板16 ;光栅尺20固定在后盖21上，并连接测量头23，测取测量头23的轴向位移。后盖21与上端导轨14和下端导轨18相固定。所述测量头23由并排的3路位移传感器17和基板16组成。3路位移传感器17相互平行且在同一平面内，3路位移传感器17的尾端共同垂直固定在基板16的前端面上；上端导轨滑轮I、下端导轨滑轮9转动，带动测量滑动架24及测量头23水平运动。手轮11转动，带动测量头23轴向运动。所述测量系统还包括用于显示状态参数的显示模块，其与单片机相接。所述测量系统还包括与单片机连接的译码器，译码器连接并行接口。以实现单片机控制并行接口�？橹械南嘤涌�。所述单片机还通过232接口实现与PC机通信。所述单片机还设有用于更新系统、扩展功能的UART接口和用于更新系统、测量U盘文件的U盘读写�？�。本发明还提供一种基于单片机的转盘轴承直径及锥度自动测量方法，包括如下步骤(I)设置基于单片机的转盘轴承直径及锥度自动测量装置。测量保持架22固定在转盘轴承25上，测量头23退回到调整端面4。并将轴向一路光栅尺20位移信号的位移设置为起始零点。(2)端面圆直径测量时，测量头23轴向与水平运动后接触被测物体，采集3路位移传感器17位移变化量信号，根据三点定圆的原理，单片机计算出转盘轴承25端面圆的直径。(3)滚道轮廓直径测量时，测量头23接触转盘轴承形状复杂的滚道轮廓，由单片机测算出滚道轮廓上某一点处的直径值。逐点多处测量后，便可拟合出滚道轮廓形状。(4)锥形体锥度测量时，测量头23在锥形体轴向一定距离两点处测得两截面圆的直径值。根据锥度计算公式，单片机可计算出锥度值。
(5)待测量完毕后，测量头按原来路径退回到调整端面4。 本发明通过机械机构、传感器、常用的单片机及外围电路来构成整个自动测量装置。利用三点定圆原理，由测量头23上3路位移传感器17获得3路位移变化信号，单片机采集并计算出转盘轴承25截面圆的直径，一路光栅尺20位移信号对测量头23的轴向方向进行定位，获得轴向位移。 本发明不仅可以检测转盘轴承端面圆的直径，还可以逐点检测出形状复杂的滚道轮廓直径以及检测出锥形体部位的锥度值。本发明装置体积小、便于携带、操作简单、并且能够自动完成整个测量过程。
图I为四点接触球转盘轴承滚道截面图。图2a为常见的四种型号的转盘轴承滚道截面之一。图2b为常见的四种型号的转盘轴承滚道截面之二。图2c为常见的四种型号的转盘轴承滚道截面之三。图2d为常见的四种型号的转盘轴承滚道截面之四。图3为本发明的自动测量装置的机械机构的整体结构示意图。图4为本发明的自动测量装置的机械机构的分解结构示意图。图5为本发明的自动测量装置的机械机构的主视图示意图。图6为本发明的自动测量装置的机械机构的侧视图示意图。图7为本发明的自动测量装置的机械机构的俯视图示意图。图8为本发明的自动测量装置的测量转盘轴承内圈的效果图。图9为本发明的自动测量装置的机械机构的局部放大图。图10为本发明的转盘轴承直径测量建模图。图11为本发明的转盘轴承锥度测量建模图。图12为本发明的单片机测量系统的组成框图。图13为本发明的单片机测量方法的流程图。图中1为上端导轨滑轮、2为保持架上端固定螺母、3为保持架上端板、4为调整断面、5为调整杆、6为固定杆、7为保持架下端板、8为保持架下端固定螺母、9为下端导轨滑轮、10为夹紧杆、11为手轮、12为滚珠丝杠、13为滑动架上端固定螺母、14为上端导轨、15为滑杆、16为基板、17为3路位移传感器、18为下端导轨、19为下端固定螺母、20为光栅尺、21为后盖、22为测量保持架、23为测量头、24为测量滑动架、25为转盘轴承、2500为转盘轴承内圈上端面、2501为转盘轴承内圈柱面、2502为转盘轴承内圈下端面。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述如图I至13，、一种基于单片机的转盘轴承直径及锥度自动测量装置，自动测量装置包括机械机构和单片机测量系统两大部分；所述机械机构由测量保持架22、测量滑动架24及测量头23组成；单片机测量系统包括单片机、A/D转化�？�、参数命令输入�？�、并行接口�？椋凰龅テ莶问钍淙肽？槭淙朊钪葱邢喙囟鳎⒊龅亩餍藕趴煽刂剖致�11和上端导轨滑轮I、下端导轨滑轮9转动，并且带动测量头轴向和水平运动，测量头23完成动作后，单片机对四路传感器信号进行采集和计算。测量保持架22主要包括上端导轨滑轮I、下端导轨滑轮9、调整端面4、调整杆5、固定杆6、夹紧杆10。调整端面4与转盘轴承上端面2500重合，调整杆5与转盘轴承柱面2501相切，从而保证了测量头(23与转盘轴承上端面2500相互平行，与转盘轴承25中心轴相互垂直。通过夹紧杆10与转盘轴承下端面2502接触加紧，使测量保持架22固定在转盘轴承上；上端导轨滑轮I和下端导轨滑轮9通过自身的螺纹杆与保持架上端板3及保持架下端板7相连接；调整杆5和固定杆6与保持架上端板3及保持架下端板7，通过保持架上端固定螺母2及保持架下端固定螺母8相互连接。测量滑动架24主要包括手轮11、滚珠丝杠12、导轨14，18、滑杆15、测量头23、光栅尺20及后盖21。上端导轨滑轮I、下端导轨滑轮9和手轮11与伺服电机相接，并由伺服电机所带动；手轮11固定在滚珠丝杠12的上端；上端导轨14和下端导轨18与滑杆15通过滑动架上端固定螺母13及滑动架下端固定螺母19相互连接。滚珠丝杠12及滑杆15垂直穿过测量头23的基板16 ;光栅尺20固定在后盖21上，并连接测量头23，测取测量头23 的轴向位移。后盖21与上端导轨14和下端导轨18相固定。测量头23由并排的3路位移传感器17和基板16组成。3路位移传感器17相互平行且在同一平面内，3路位移传感器17的尾端共同垂直固定在基板16的前端面上；上端导轨滑轮I、下端导轨滑轮9转动，带动测量滑动架24及测量头23水平运动。手轮11转动，带动测量头23轴向运动。测量系统还包括用于显示状态参数的显示�？椋溆氲テ嘟�。测量系统还包括与单片机连接的译码器，译码器连接并行接口。以实现单片机控制并行接口�？橹械南嘤涌�。单片机还通过232接口实现与PC机通信。单片机还设有用于更新系统、扩展功能的UART接口和用于更新系统、测量U盘文件的U盘读写�？�。一种基于单片机的转盘轴承直径及锥度自动测量方法，包括如下步骤(I)设置基于单片机的转盘轴承直径及锥度自动测量装置。测量保持架22固定在转盘轴承25上，测量头23退回到调整端面4。并将轴向一路光栅尺(20)位移信号的位移设置为起始零点。(2)端面圆直径测量时，测量头23轴向与水平运动后接触被测物体，采集3路位移传感器17位移变化量信号，根据三点定圆的原理，单片机计算出转盘轴承25端面圆的直径。(3)滚道轮廓直径测量时，测量头23接触转盘轴承形状复杂的滚道轮廓，由单片机测算出滚道轮廓上某一点处的直径值。逐点多处测量后，便可拟合出滚道轮廓形状。(4)锥形体锥度测量时，测量头23在锥形体轴向一定距离两点处测得两截面圆的直径值。根据锥度计算公式，单片机可计算出锥度值。(5)待测量完毕后，测量头按原来路径退回到调整端面4。为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
本发明是一种基于单片机的转盘轴承直径及锥度自动测量装置，整个测量装置由测量保持架22、测量头23、测量滑动架24、单片机系统、伺服电机所构成。测量保持架22固定在被测物体上，测量滑动架24保证了测量头23能够水平与轴向运动，单片机系统对3路位移传感器17和光栅尺20 信号进行采集与运算，并发出动作信号。伺服电机接收到动作信号后带动手轮11与上端导轨滑轮I、下端导轨滑轮9转动，使测量头23轴向与水平运动与被测物体接触。通过采集测量头23上的3路位移传感器17位移变化量信号，根据三点定圆原理，计算得到转盘轴承25截面圆的直径，一路光栅尺20位移信号对测量头23的轴向位移进行定位，获得两截面圆的轴向位移，经过运算获得锥形体部位的锥度值。基于上述的设计原理，本发明提供的基于单片机的转盘轴承直径及锥度测量装置测量效果图如图8所示。测量保持架22的调整端面4与转盘轴承上端面2500重合，调整杆5与转盘轴承柱面相切2501，保证了测量头23与转盘轴承上端面2500相互平行，与转盘轴承25中心轴相互垂直。测量滑动架24由上端导轨滑轮I、下端导轨滑轮9带动，使得测量头23跟随测量滑动架24水平运动。测量头23由手轮11带动，使得测量头23能够轴向运动。测量系统包括了单片机、A/D转换芯片、三八译码器、由8255构成的并行接口�？�、LCD�？榧凹獭⑺欧缁约按衅�。单片机与A/D转换芯片相接，测量头23上3路位移传感器17信号经过A/D转换后接入单片机，通过并行接口�？橛胫嵯蛞宦饭庹こ呶灰菩藕畔嘟�。单片机通过三八译码器与由8255构成的并行接口�？橄嘟�。单片机还配置有串行EEPR0M、232接口、UART接口以及USB接口。IXD�？榉直鹩氲テ⒓桃约�8255构成的并行接口模块相接。8255构成的并行接口�？橛胨欧缁嘟樱テ⒊龆餍藕牛刂扑欧缁醋辈饬客�23运动到测量位置后，伺服电机停止。整个测量系统中单片机为核心，其可采用stm32fl07VC单片机。单片机主要负责传感器信号采集与运算、向伺服电机发出动作信号、人机通信，通过LCD�？榈南允咀刺问僮髟贝蛹淌淙肟刂撇问兔睿テ菝钪葱邢嘤Φ牟僮�。键盘输入先经过IXD模块处理，然后再由IXD�？樗椭�8255端口，单片机通过三八译码器选通相应8255端口，并通过读8255端口获取按键的键数据。同时单片机通过8255端口获得3路位移传感器17经转化后的信号、一路光栅尺20轴向位移信号、伺服电机动作控制信号。本发明中的三八译码器用来选通不同的8255，以实现单片机对不同接口的控制。串行EEPROM用来保存一些设置的参数。单片机上的232接口可以与电脑主机相连，实现通信；UART接口可以用来更新系统和扩展功能；USB接口用来更新系统和U盘测量文件。本发明中的LCD�？槭窍低匙刺南允敬翱冢淌涑觥⑾低呈涑觥⑼馕藕欧蠢《伎梢栽贗XD的显示中看到。根据上述技术方案，本直径及锥度自动测量装置，其进行测量主要涉及以下参数测量头23上3路位移传感器17两两之间的水平距离el和e2，
测量头23完成测量动作后3路位移传感器17位移变化量y0、yl和y2，测量头23轴向方向上距离调整端面4的轴向位移1，本发明装置是利用三点定圆原理，由测量头23上的3路位移传感器17采集信号，通过单片机计算获得转盘轴承截面圆的直径，一路光栅尺20位移信号对测量头23的轴向位移进行定位。本发明不仅可以测算转盘轴承端面圆的直径，还可以测算转盘轴承复杂的滚道轮廓直径以及锥形体部位的锥度值。基于上述原理，本发明转盘轴承直径及锥度自动测量装置的测量具体过程如下
第一步，参数配置和程序编写。通过键盘输入测量头3路位移传感器17两两之间的水平距离el和e2参数，以及测量头运动路径程序，参数保存在EEPROM里面，程序保存在FLASH里面。第二步，单片机解析测量程序。将测量头23运动路径程序读取出来放在RAM区。第三步，测量头23由手轮11带动开始轴向运动，运动到程序所设定的轴向位移处停止，上端导轨滑轮I、下端导轨滑轮9转动带动测量滑动架24水平运动。测量头23接触被测物体表面，获得3路位移变化量y0、yl和y2。第四步，由参数3路位移传感器17两两之间的水平距离el和e2及接触被测物体后获得的3路位移变化量参数y0、yl和y2，根据三点定圆的原理，单片机计算出截面圆的
直径值。第五步，单片机根据3路位移传感器17是否都有位移变化量信号，判断测量头23是否到达测量位置；如果达到，暂停一会儿，单片机采集信号，测量头23后退。若不需测量锥度则执行第八步。若需要测量锥度，则执行以下步骤。第六步，测量头23运动到程序所设定的另一轴向位移处停止，上端导轨滑轮I、下端导轨滑轮9转动带动测量滑动架24水平运动。3路位移传感器17接触转盘轴承表面，获得3路位移变化量y0、yl和y2。第七步,重复步骤四,根据轴向两截面圆直径D和d及两截面圆轴向距离L,单片机计算锥形体部位的锥度值C。第八步，测量头23按原路返回，并退回到调整端面4。本发明的自动测量方法根据三点定圆原理及锥度公式，直径及锥度测量模型建立过程如下所示直径测量建模方法，如图3所示( I)三路位移传感器23接触某一平面并建立坐标系，并用仪器标定两两传感器之间的距离为el和e2。(2)测量头23接触被测物体后，三路位移传感器23获得三个位移变化量，分别为y0> yl 和 y2。
7 aIahc⑶棚公式功v—a4—y—c4i十算出截面圆直
径值。三路位移传感器触头各触头A、B、C，接触被测物后获得各触头坐标为A (_el，yl)、B (O, y0)、C(e2，y2)。其中a，b, c分别为各顶点的对边，可由下面公式计算得到。a =」e22 +(j0 - y2 )权利要求
1.一种基于单片机的转盘轴承直径及锥度自动测量装置，其特征在于所述自动测量装置包括机械机构和单片机测量系统两大部分；所述机械机构由测量保持架(22)、测量滑动架(24)及测量头(23)组成；单片机测量系统包括单片机、A/D转化�？�、参数命令输入�？椤⒉⑿薪涌谀？椋凰龅テ莶问钍淙肽？槭淙朊钪葱邢喙囟鳎⒊龅亩餍藕趴煽刂剖致�(11)和上端导轨滑轮(I)、下端导轨滑轮(9)转动，并且带动测量头轴向和水平运动，测量头(23)完成动作后，单片机对四路传感器信号进行采集和计算。
2.根据权利要求I所述的基于单片机的转盘轴承直径及锥度自动测量装置，其特征在于所述测量保持架(22)主要包括上端导轨滑轮(I)、下端导轨滑轮(9)、调整端面(4)、调整杆(5 )、固定杆(6 )、夹紧杆(10 )。调整端面(4)与转盘轴承上端面(2500 )重合，调整杆(5 )与转盘轴承柱面(2501)相切，从而保证了测量头(23)与转盘轴承上端面(2500)相互平行，与转盘轴承(25)中心轴相互垂直。通过夹紧杆(10)与转盘轴承下端面(2502)接触加紧，使测量保持架(22)固定在转盘轴承上；上端导轨滑轮(I)和下端导轨滑轮(9)通过自身的螺纹杆与保持架上端板(3)及保持架下端板(7)相连接；调整杆(5)和固定杆(6)与保持架上端板(3)及保持架下端板(7)，通过保持架上端固定螺母(2)及保持架下端固定螺母(8)相互连接。
3.根据权利要求I所述的基于单片机的转盘轴承直径及锥度自动测量装置，其特征在于所述测量滑动架(24)主要包括手轮(11)、滚珠丝杠(12)、导轨(14，18)、滑杆(15)、测量头(23)、光栅尺(20)及后盖(21)。上端导轨滑轮(I)、下端导轨滑轮(9)和手轮(11)与伺服电机相接，并由伺服电机所带动；手轮(11)固定在滚珠丝杠(12)的上端；上端导轨(14)和下端导轨(18)与滑杆(15)通过滑动架上端固定螺母(13)及滑动架下端固定螺母(19)相互连接。滚珠丝杠(12)及滑杆(15)垂直穿过测量头(23)的基板(16);光栅尺(20)固定在后盖(21)上，并连接测量头(23)，测取测量头(23)的轴向位移。后盖(21)与上端导轨(14)和下端导轨(18)相固定。
4.根据权利要求I所述的基于单片机的转盘轴承直径及锥度自动测量装置，其特征在于所述测量头(23 )由并排的3路位移传感器(17 )和基板(16 )组成。3路位移传感器(17)相互平行且在同一平面内，3路位移传感器(17)的尾端共同垂直固定在基板(16)的前端面上；上端导轨滑轮(I)、下端导轨滑轮(9)转动，带动测量滑动架(24)及测量头(23)水平运动。手轮(11)转动，带动测量头(23 )轴向运动。
5.根据权利要求I所述的基于单片机的转盘轴承直径及锥度自动测量装置，其特征在于所述测量系统还包括用于显示状态参数的显示�？椋溆氲テ嘟�。
6.根据权利要求I所述的基于单片机的转盘轴承直径及锥度自动测量装置，其特征在于所述测量系统还包括与单片机连接的译码器，译码器连接并行接口。
7.根据权利要求I所述的基于单片机的转盘轴承直径及锥度自动测量装置，其特征在于所述单片机还通过232接口实现与PC机通信。
8.根据权利要求I所述的基于单片机的转盘轴承直径及锥度自动测量装置，其特征在于所述单片机还设有用于更新系统、扩展功能的UART接口和用于更新系统、测量U盘文件的U盘读写模块。
9.一种基于单片机的转盘轴承直径及锥度自动测量方法，其特征在于包括如下步骤 (I)设置基于单片机的转盘轴承直径及锥度自动测量装置。测量保持架(22)固定在转盘轴承(25)上，测量头(23)退回到调整端面(4)。并将轴向一路光栅尺(20)位移信号的位移设置为起始零点。
(2)端面圆直径测量时，测量头(23)轴向与水平运动后接触被测物体，采集3路位移传感器(17)位移变化量信号，根据三点定圆的原理，单片机计算出转盘轴承(25)端面圆的直径。
(3)滚道轮廓直径测量时，测量头(23)接触转盘轴承形状复杂的滚道轮廓，由单片机测算出滚道轮廓上某一点处的直径值。逐点多处测量后，便可拟合出滚道轮廓形状。
(4)锥形体锥度测量时，测量头(23)在锥形体轴向一定距离两点处测得两截面圆的直径值。根据锥度计算公式，单片机可计算出锥度值。
(5)待测量完毕后，测量头按原来路径退回到调整端面(4)。
全文摘要
一种基于单片机的转盘轴承直径及锥度自动测量装置，其特征在于，所述自动测量装置整个测量装置包括机械机构和单片机测量系统两大部分；所述机械机构由测量保持架(22)、测量滑动架(24)及测量头(23)组成；单片机测量系统包括单片机、A/D转化�？�、参数命令输入�？�、并行接口�？椋槐痉⒚鞑唤隹梢约觳庾讨岢卸嗣嬖驳闹本叮箍梢灾鸬慵觳獬鲂巫锤丛拥墓龅缆掷本兑约凹觳獬鲎缎翁宀课坏淖抖戎�。本发明装置体积小、便于携带、操作简单、并且能够自动完成整个测量过程。
文档编号G01B11/26GK102778204SQ201210149970
公开日2012年11月14日 申请日期2012年5月8日 优先权日2012年5月8日
发明者杨茂彪, 王 华, 袁鸿, 陈捷 申请人:南京工业大学, 南京工大数控科技有限公司
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