阅读说明：本技术 一种基于激光干涉原理的凸轮测量装置及测量方法 (Cam measuring device and method based on laser interference principle ) 是由 林虎 薛梓 *** 杨武伟 于 2020-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开的一种基于激光干涉原理的凸轮测量装置及测量方法,包括测微测头、XZ轴运动装置、激光器；测微测头安装在XZ轴运动装置上,沿X轴或Z轴移动；测微测头的测球与凸轮表面相接触；激光器发出激光干涉测长双光路,包括激光光束通过分光镜被分为X光路和Z光路；X光路经过平面镜反射后被角锥镜一接收,角锥镜一接收的反射后X光路与测杆的轴向相平行；Z光路被角锥镜二接收,角锥镜二接收的反射后Z光路与测杆的轴向相垂直；角锥镜一和角锥镜二均设置在测微测头的测杆上。本发明采用激光干涉测长作为测量标准,替代光栅尺测长,大大降低了测量过程的阿贝误差,同时光路的布置适用于多种类型凸轮的测量。(The invention discloses a cam measuring device and a cam measuring method based on a laser interference principle, which comprise a micrometer measuring head, an XZ axis movement device and a laser; the micrometer measuring head is arranged on the XZ axis movement device and moves along the X axis or the Z axis; the measuring ball of the micrometer measuring head is contacted with the cam surface; the laser device emits laser interference length measurement double light paths, wherein laser beams are divided into an X light path and a Z light path through a spectroscope; the X light path is received by the pyramid mirror after being reflected by the plane mirror, and the reflected X light path received by the pyramid mirror is parallel to the axial direction of the measuring rod; the Z light path is received by the second pyramid mirror, and the reflected Z light path received by the second pyramid mirror is vertical to the axial direction of the measuring rod; the first angle cone mirror and the second angle cone mirror are both arranged on a measuring rod of the micrometer measuring head. The invention adopts laser interference length measurement as a measurement standard to replace a grating ruler to measure the length, thereby greatly reducing the Abbe error in the measurement process, and meanwhile, the arrangement of the optical path is suitable for the measurement of various types of cams.)

一种基于激光干涉原理的凸轮测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，涉及一种基于激光干涉原理的凸轮测量装置及测量方法。

背景技术

凸轮轴属于发动机的配气机构，其升程误差直接影响气门开闭间隙大小及配气效率，也是发动机噪声的影响因素之一。目前，凸轮测量方法主要依靠的是极坐标测量原理，即由精密主轴系统和高精度光栅编码器生成被测量凸轮回转角度的圆分度，由径向精密导轨和长光栅传感器在径向方向上扫描凸轮桃形面，最终由测量软件计算出凸轮参数的误差值。在此类仪器中，光栅尺不仅作为各坐标轴的测长单元，又作为各坐标轴运动的反馈控制单元，一般都布局在X、Y、Z导轨附近，远离凸轮被测点，由于导轨存在一定的角摆误差，以至产生较大的阿贝误差，大大降低了凸轮的测量精度。同时对于凸轮多个误差项的测量，现有测量原理对于不同凸轮的升程值测量无法避免测量光路间的位移影响，因而无法适用于多种凸轮的测量。

因此，提供一种能够提高凸轮的测量精度，且适用于多种凸轮的测量的基于激光干涉原理的凸轮测量装置及测量方法是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

为了实现上述的发明目的，本发明提供一种基于激光干涉原理的凸轮测量装置及测量方法，采用激光干涉测长作为测量标准，替代光栅尺测长，激光干涉测长光路布置在凸轮被测点附近，大大降低了测量过程的阿贝误差，同时光路的布置适用于多种类型凸轮的测量。为实现上述目的其具体方案如下：

一种基于激光干涉原理的凸轮测量装置，所述凸轮位于凸轮轴上，在凸轮轴带动下做回转圆周运动，包括测微测头、XZ轴运动装置、激光器；其中，

所述测微测头安装在所述XZ轴运动装置上，沿X轴或Z轴移动；所述测微测头包括测杆和位于所述测杆前端的测球，所述测球与所述凸轮表面相接触；

所述激光器发出激光干涉测长双光路，包括激光光束通过分光镜被分为X光路和Z光路；所述X光路经过平面镜反射后被角锥镜一接收，所述角锥镜一接收的反射后X光路与所述测杆的轴向相平行；所述Z光路被角锥镜二接收，所述角锥镜二接收的反射后Z光路与所述测杆的轴向相垂直；所述角锥镜一和所述角锥镜二均设置在所述测杆上。

优选的，所述XZ轴运动装置包括X轴导轨，和滑动连接于X轴导轨的X轴滑块，Z轴导轨，和滑动连接于Z轴导轨的Z轴滑块；所述X轴导轨安装于所述Z轴滑块上；所述测微测头安装于所述X轴滑块上。

优选的，所述测微测头还包括测头座，所述测头座安装于所述X轴滑块上，所述测杆安装于所述测头座上。

优选的，所述分光镜分出的X光路依次经过平面镜一、平面镜二后，入射至所述角锥镜一，所述平面镜一和所述平面镜二对各自的入射光路均进行90°反射。

优选的，所述凸轮包括盘形凸轮，所述测球与所述盘形凸轮侧表面相接触。

优选的，所述凸轮包括圆柱凸轮，所述圆柱凸轮上具有曲线槽，所述测球与所述曲线槽下端面和内底面相接触。

本发明还提供了一种基于激光干涉原理的凸轮测量装置的测量方法，其包括如下步骤：

步骤一、在所述凸轮轴一侧布置XZ轴运动装置及测微测头，并搭建激光干涉测长双光路；

步骤二、X轴和Z轴方向上的激光测量值清零，XZ轴运动装置带动测微测头与凸轮表面接触；

步骤三、凸轮轴在回转轴系带动下做回转圆周运动，XZ轴运动装置带动测微测头向凸轮表面进行触测，每间隔N°同时采集当前激光的测长值l_i和回转轴系角度值θ_i，直到凸轮转完一圈；

步骤四、测量结束后得到激光测长值和回转轴系角度值序列

获得激光测长值的最大值l_max，计算得到凸轮对应升程值序列(l_max-l_i,θ_i)。

优选的，所述步骤三凸轮轴回转过程中，依据测杆的偏移值来控制XZ轴运动装置沿X轴向移动或沿Z轴向移动，以保持测微测头与凸轮表面接触。

优选的，所述XZ轴运动装置沿X轴向移动向凸轮表面进行触测用于盘形凸轮的测量过程；根据激光测长值和回转轴系角度值序列，获得激光测长值的最大值l_max，计算得到盘形凸轮对应升程值序列(l_max-l_i,θ_i)。

优选的，所述XZ轴运动装置沿Z轴向移动向凸轮表面进行触测用于圆柱凸轮的测量过程；根据激光测长值和回转轴系角度值序列，获得激光测长值的最小值l_min，计算得到圆柱凸轮对应升程值序列(l_i-l_min,θ_i)。

本发明相较现有技术具有以下有益效果：

通过设计和布局激光干涉测长光路，采用激光干涉测长作为测量标准，替代光栅尺测长，激光干涉测长光路布置在凸轮被测点附近，大大降低了测量过程的阿贝误差。本发明通过设计改进的X、Z激光干涉测长双光路，可以实现凸轮多个误差项的测量，测量过程中，X激光干涉测长光路始终沿着被测凸轮的回转中心，与凸轮实际使用时，从动件的运动路径一致。同样，Z激光干涉测长光路始终平行被测圆柱凸轮的回转轴线，与凸轮实际使用时，从动件的运动路径一致，因此测量结果不仅可以计算被测凸轮的几何误差，也可以直接反映凸轮从动件的运动位移误差。且不同光路间的独立性强，对于不同凸轮的升程值测量过程不会受到测量光路间的位移影响，适用于多种凸轮的测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的基于激光干涉原理的凸轮测量装置原理图；

图2为本发明实施例一提供的基于激光干涉原理的凸轮测量装置俯视图；

图3为本发明实施例二提供的基于激光干涉原理的凸轮测量装置原理图。

图中：

1为凸轮；2为回转轴系；3为激光器；4为分光镜；5为角锥镜二；6为测微测头；7为平面镜一；8为平面镜二；9为角锥镜一；10为Z轴滑块；11为X轴滑块；12为凸轮轴；13为X轴导轨；14为Z轴导轨；15为测头座；16为测杆；17为测球；18为曲线槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种基于激光干涉原理的凸轮测量装置，凸轮1位于凸轮轴12上，在凸轮轴12带动下做回转圆周运动，包括测微测头6、XZ轴运动装置、激光器3；测微测头6安装在XZ轴运动装置上，沿X轴或Z轴移动；测微测头6包括测杆16和位于测杆16前端的测球17，测球17与凸轮1表面相接触；激光器3发出激光干涉测长双光路，包括激光光束通过分光镜4被分为X光路和Z光路；X光路经过平面镜反射后被角锥镜一9接收，角锥镜一9接收的反射后X光路与测杆16的轴向相平行；Z光路被角锥镜二5接收，角锥镜二5接收的反射后Z光路与测杆16的轴向相垂直；角锥镜一9和角锥镜二5均设置在测杆16上。

为了进一步优化上述技术方案，XZ轴运动装置包括X轴导轨13，和滑动连接于X轴导轨13的X轴滑块11，Z轴导轨14，和滑动连接于Z轴导轨14的Z轴滑块10；X轴导轨13安装于Z轴滑块10上；测微测头6安装于X轴滑块11上。测微测头6还包括测头座15，测头座15安装于X轴滑块11上，测杆16安装于测头座15上。

为了进一步优化上述技术方案，分光镜4分出的X光路依次经过平面镜一7、平面镜二8后，入射至角锥镜一9，平面镜一7和平面镜二8对各自的入射光路均进行90°反射。

XZ轴运动装置根据不同类型凸轮，带动测微测头6沿X轴向移动或沿Z轴向移动，其中，对于盘形凸轮1，测球17与盘形凸轮1侧表面相接触，启用X光路对凸轮进行测长。对于圆柱凸轮1，圆柱凸轮1上具有曲线槽18，测球17与曲线槽18下端面和内底面相接触，启用Z光路对凸轮进行测长。

实施例一

本实施例给出了针对盘形凸轮的测量方法：

如图1-2所示，将凸轮轴12用上下顶尖卡紧，下顶尖回转轴系2带动凸轮轴12转到角度零位处，测微测头6通过Z轴导轨14沿着Z轴运动至被测凸轮的中间截面高度。测量开始后，X轴方向上的激光测量值清零，X轴导轨13上的X轴滑块11带动测微测头6向凸轮表面触测，待测微测头6在X轴偏移值达到设定阈值后，测微测头6发出触发信号给上位机控制系统，控制系统采集当前激光的测长值l₁和回转轴系角度值θ₁。测微测头6保持与凸轮表面接触，接着回转轴系开始带动凸轮轴回转，在此过程中，控制系统会依据测杆16的偏移值来控制X轴滑块11前后移动，当测微测头6偏移值大于设定阈值后，X轴滑块11远离凸轮轴12；当测微测头6偏移值小于设定阈值，X轴滑块11靠近凸轮轴12，以保持测球17与凸轮表面接触的偏移值在设定阈值附近。另外，在凸轮回转过程中，每间隔0.1°控制系统会同时采集当前激光的测长值l_i和回转轴系角度值θ_i，直到凸轮转完一圈。测量结束后得到激光测长值和回转轴系角度值序列：(l_i,θ_i)，i＝1,2,...,3600，找到激光测长值的最大值l_max，可以计算得到凸轮对应升程值序列：(l_max-l_i,θ_i)，i＝1,2,...,3600，其与理论升程值l′_i的差值即为升程误差序列：(l_max-l_i-l′_i,θ_i)，i＝1,2,...,3600。

实施例二

本实施例给出了针对圆柱凸轮的测量方法：

如图3所示，将凸轮轴12用上下顶尖卡紧，下顶尖回转轴系2带动凸轮轴12转到角度零位处，测微测头6通过Z轴导轨14沿着Z轴运动至凸轮曲线槽18高度，并进入曲线槽18内。测量开始后，Z轴方向上的激光测量值清零，Z轴导轨14上的Z轴滑块10带动测微测头6向凸轮内底面及下端面触测，待测微测头6在Z轴偏移值达到设定阈值后，测微测头6发出触发信号给上位机控制系统，控制系统采集当前激光的测长值l₁和回转轴系角度值θ₁。接着回转轴系2开始带动凸轮轴12回转，Z轴滑块10带动测微测头6沿着Z轴上下移动，以保持测微测头6与曲线槽内底面和下端面接触。在凸轮回转过程中，每间隔0.1°控制系统会同时采集当前激光的测长值l_i和回转轴系角度值θ_i，直到凸轮转完一圈。测量结束后得到激光测长值和回转轴系角度值序列：(l_i,θ_i)，i＝1,2,...,3600，找到激光测长值的最小值l_min，可以计算得到凸轮对应升程值序列：(l_i-l_min,θ_i)，i＝1,2,...,3600，其与理论升程值l′_i的差值即为升程误差序列：(l_i-l_min-l′_i,θ_i)，i＝1,2,...,3600。

以上对本发明所提供的一种基于激光干涉原理的凸轮测量装置及测量方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。