专利名称：激光扫描式发动机凸轮轴轴径测量装置及测量方法
技术领域：
本发明涉及一种发动机凸轮轴轴径测量。特别是涉及一种对被测凸轮轴表面没有 任何损伤的激光扫描式发动机凸轮轴轴径测量装置及测量方法。
背景技术：
凸轮轴是发动机的核心部件之一，它通过自身的不断旋转推动气门顶杆 上下运 动，进而控制气门的开启与关闭，因而其轮廓尺寸和形状误差是影响气门开闭间隙大小和 配气效率的主要因素，直接影响发动机的功率输出。随着汽车工业的高速发展和制造工艺 的提高，凸轮轴的加工已广泛采用自动化生产，传统的光学机械量仪及样板测量已不能适 应生产需要，高精度、高效率的凸轮轴综合测量仪是非常必要的。目前，凸轮轴测量机的分度装置大都采用圆光栅编码器测量系统，线值装置采用 直线光栅测量系统。计算机发出的控制信号启动直流同步电机旋转，精密回转轴系带动凸 轮轴转动，通过回转轴圆光栅传感器和径向直线光栅传感器分别将凸轮轴的角位移、径向、 轴向位移转换成明暗条纹的光强变化信号，经光电信号变换及处理后送入计算机，通过数 据分析就获得每个凸轮轮廓对应于各个转角的径向测量值(升程)。这种方法采用刚性测 头接触被测物，容易对被测物表面造成划伤，并且结构复杂、成本高。由于光学非接触式测量具有速度快、精度高、对被测物无损害等优点，近年来已经 被应用到凸轮轴检测领域。基于机器视觉的CCD三维视觉测量方法使用三维扫描仪对凸轮 轴进行分段拍摄，再将所有区域的测量结果拼接在一起形成完整的形貌。实际测量时需要 进行在被测物表面粘贴标记点或者特征体的准备工作，同时受图像特征提取和拼接算法的 限制，测量精度只能达到10_2mm数量级。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种采用非接触的激光扫描方式，对被测凸 轮轴表面没有任何损伤，测量速度快、效率高的激光扫描式发动机凸轮轴轴径测量装置及 测量方法。本发明所采用的技术方案是一种激光扫描式发动机凸轮轴轴径测量装置及测量 方法。激光扫描式发动机凸轮轴轴径测量装置，包括依次设置的准直激光光源、扫描平晶、 透镜和光电接收器，所述的扫描平晶通过直流伺服电机驱动运转，所述的直流伺服电机与 光电接收器之间连接有用于对光电信号进行放大整形、计数和电机控制的信号处理及控制 电路，所述的扫描平晶和透镜之间用于放置被测凸轮轴。所述的准直激光光源是由二极管激光器、光纤和光纤准直器组成，二极管激光器 产生的光线沿光纤传至光纤准直器后出射。所述的被测凸轮轴是安装在精密回转轴系上。用于激光扫描式发动机凸轮轴轴径测量装置的测量方法，包括如下步骤1)将被测凸轮轴安装在精密回转轴系上，通过轴系上的圆光栅传感器读出回转角度，以确定凸轮轴轮廓渐开线对应的相位信息；2)将扫描平晶通过夹持装置安装在直流伺服电机上作勻速转动，光源发出准直激 光光束透射扫描平晶后，对设定范围进行扫描；3)设激光光束刚刚进入扫描区的时刻为、，激光光束刚被凸轮轴遮挡时刻为t1; 激光光束离开凸轮轴另一边缘时刻为t2，t0+T时刻表示下一测量周期的开始；4)计算被测凸轮轴的直径d 最大入射角由扫描平晶的长度L和宽度D决定，即<formula>formula see original document page 4</formula>设外界折射率为1，平晶材料折射率为η，则扫描光束的偏移量S与入射角θ的关 系为<formula>formula see original document page 4</formula>最大扫描区域为<formula>formula see original document page 4</formula>通过计时电路测量得到，扫描平晶转动一周的时间T的对应角度为2 π、时刻的入射角代= -^*2π+ θ0，其中i = L2 ; θ Q为tQ时刻光束照射到平晶
工作表面的入射角被测凸轮轴的直径为<formula>formula see original document page 4</formula>本发明的激光扫描式发动机凸轮轴轴径测量系统信测量方法，结构简单，便于制 作，并且是采用非接触的激光扫描方式，对被测凸轮轴表面没有任何损伤，测量速度快、效 率高，精度可达1 μ m。


图1是扫描光束产生示意图；图2是测量装置组成示意图；图3是光电接收器输出信号示意图。其中1 准直激光光源2 扫描平晶3 直流伺服电机4 被测凸轮轴5:透镜6:光电接收器7:信号处理及控制电路d:凸轮轴上边缘跳变e:凸轮轴下边缘跳变
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明的激光扫描式发动机凸轮轴轴径测量系统信测 量方法做出详细说明。
如图2所示，本发明的激光扫描式发动机凸轮轴轴径测量装置，包括依次设置的 准直激光光源1、扫描平晶2、透镜5和光电接收器6，所述的扫描平晶2通过直流伺服电机 3驱动运转，所述的直流伺服电机3与光电接收器6之间连接有用于对光电信号进行放大整 形、计数和电机控制的信号处理及控制电路7，所述的扫描平晶2和透镜5之间用于放置被 测凸轮轴4。所述的被测凸轮轴4是安装在精密回转轴系上，控制电路负责产生同步控制信 号。所述的准直激光光源1是由二极管激光器、光纤和光纤准直器组成，二极管激光器产生 的光线沿光纤传至光纤准直器后出射。在本发明的实施例中二极管激光器选用LPM-660-PC;光纤准直器选用 CFS2-1064-FC;直流伺服电机选用MAX0N EC 4550w ；信号处理及控制电路中所用的电机 控制器选用EP0S24-5 ；光电编码器选用HKT30-3011000线。本发明的激光扫描式发动机凸轮轴轴径测量方法的测量原理是当平行光束扫描 被测凸轮轴，并由放在被测凸轮轴后面的光电接收器接收，投射到光电接收器上的光线在 光束扫描到凸轮轴时被遮蔽，所以光电接收器输出的是一个方波脉冲，通过对方波信号时 间相位的测量得到扫描光束的旋转角度，最终由光束透射平晶产生偏移距离的规律确定凸 轮轴轴径大小。产生高度平行的扫描光束是保证测量精度的关键技术，本发明中扫描光束的产生 原理如图1所示。当一束光从空气中以入射角θ照射到平晶时，会在入射点a处会发生折 射现象，由平晶的b点出射时再次折射，两次折射的偏转角度相同，使得出射光线的传播方 向不会发生改变，只是平移了距离S，即形成一定的扫描区域。<formula>formula see original document page 5</formula> (1)式中D为平晶的厚度，η为平晶的折射率。由于平晶外形尺寸的限制，入射角不可能达到η/2，最大入射角由平晶的长度L 和宽度D决定，即<formula>formula see original document page 5</formula>(2)那么最大扫描区域为<formula>formula see original document page 5</formula>测量时，被测凸轮轴4安装在精密回转轴系上，放置于扫描平晶与光电接收器之 间，回转角度通过轴系上的圆光栅传感器读出，如图2所示。红外激光光源1产生一束准 直光束，当扫描平晶2通过夹持装置安装在直流伺服电机3上在直流伺服电机3的带动 下逆时针作勻速转动时，控制信号对电机进行同步，扫描光束be将从下向上移动，最后沿 b' c'离开透镜5，平晶与透镜5之间的光束是平行于系统光轴的平行光束。光电接收器 6在光束扫描测件的时间内信号为零，而处于其它扫描区域时有输出，信号及控制电路7负 责对光电信号进行放大整形、计数和电机控制等操作，扫描平晶由a转动到a'时完成一次 测量扫描周期。本发明的激光扫描式发动机凸轮轴轴径测量方法，具体包括如下步骤1)将被测凸轮轴安装在精密回转轴系上，通过轴系上的圆光栅传感器读出回转角 度，以确定凸轮轴轮廓渐开线对应的相位信息；
2)将扫描平晶通过夹持装置安装在直流伺服电机上作勻速转动，光源发出红外准 直激光光束透射扫描平晶后，对设定范围进行扫描；3)如图3所示，根据光电接收器输出波形起初扫描光束尚未进入扫描区域，光电 接收器输出为零，当光束刚刚进入扫描区域且没有扫描到被测凸轮轴时，光电接收器有信 号输出，测得该时刻为、；当光束继续扫描而被凸轮轴遮挡时，光电接收器输出信号为零， 当光束离开凸轮轴边缘时，光电管再次有信号输出，测得该时刻为t2 ；当光束继续扫瞄离开 扫描区域，光电管输出恢复为零。设激光光束刚刚进入扫描区的时刻为、，激光光束刚被凸轮轴遮挡时刻为、，激 光光束刚离开凸轮轴边缘时刻为t2，t0+T时刻表示下一测量周期的开始；4)计算被测凸轮轴的直径d 在t(l时刻同步脉冲的作用下测量周期开始，、时刻的信号电平变化表示扫描到了 被测凸轮轴的一端边缘，t2时刻信号电平表示光束离开被测凸轮轴，接着、+Τ时刻表示下 一测量周期的开始。测量周期就是扫描平晶转动一周的时间Τ，可以通过计时电路测量得 至|J，对应角度为2 π，如果事先校准出、时刻对应的入射角θ 0,即将时间量、和t2转换成 角度量，那么通过、时刻的入射角代+氏(i=l，2;汍为t0 时刻的入射角)(4)(i = l，2;e。 为to时刻的入射角)(4)测量并计算出扫描到凸轮轴两个边缘时光束的偏移量S1和S2，S2-S1即为凸轮轴 轴径d <formula>formula see original document page 6</formula> (5)最终完
成轴径测量任务。
权利要求
一种激光扫描式发动机凸轮轴轴径测量装置，其特征在于，包括依次设置的准直激光光源(1)、扫描平晶(2)、透镜(5)和光电接收器(6)，所述的扫描平晶(2)通过直流伺服电机(3)驱动运转，所述的直流伺服电机(3)与光电接收器(6)之间连接有用于对光电信号进行放大整形、计数和电机控制的信号处理及控制电路(7)，所述的扫描平晶(2)和透镜(5)之间用于放置被测凸轮轴(4)。
2.根据权利要求1所述的激光扫描式发动机凸轮轴轴径测量装置，其特征在于，所述 的准直激光光源(1)是由二极管激光器、光纤和光纤准直器组成，二极管激光器产生的光 线沿光纤传至光纤准直器后出射。
3.根据权利要求1所述的激光扫描式发动机凸轮轴轴径测量装置，其特征在于，所述 的被测凸轮轴(4)是安装在精密回转轴系上。
4.一种用于权利要求1所述的激光扫描式发动机凸轮轴轴径测量装置的测量方法，其 特征在于，包括如下步骤1)将被测凸轮轴安装在精密回转轴系上，通过轴系上的圆光栅传感器读出回转角度， 以确定凸轮轴轮廓渐开线对应的相位信息；2)将扫描平晶通过夹持装置安装在直流伺服电机上作勻速转动，光源发出准直激光光 束透射扫描平晶后，对设定范围进行扫描；3)设激光光束刚刚进入扫描区的时刻为、，激光光束刚被凸轮轴遮挡时刻为、，激光 光束离开凸轮轴另一边缘时刻为t2，t0+T时刻表示下一测量周期的开始；4)计算被测凸轮轴的直径d:最大入射角由扫描平晶的长度L和宽度D决定，即<formula>formula see original document page 2</formula>设外界折射率为1，平晶材料折射率为n，则扫描光束的偏移量S与入射角0的关系为<formula>formula see original document page 2</formula>最大扫描区域为<formula>formula see original document page 2</formula> 通过计时电路测量得到，扫描平晶转动一周的时间T的对应角度为2 ji、时刻的入射角A+氏，其中i = 1，2 ; e ^为t(1时刻光束照射到平晶工作表面的入射角被测凸轮轴的直径为<formula>formula see original document page 2</formula>
全文摘要
一种激光扫描式发动机凸轮轴轴径测量装置及测量方法，装置有依次设置的准直激光光源、扫描平晶、透镜和光电接收器，扫描平晶通过直流伺服电机驱动运转，直流伺服电机与光电接收器之间连接有用于对光电信号进行放大整形、计数和电机控制的信号处理及控制电路，扫描平晶和透镜之间用于放置被测凸轮轴。方法有确定凸轮轴轮廓渐开线对应的相位信息；对设定范围进行扫描；设激光光束刚刚进入扫描区的时刻、激光光束刚被凸轮轴遮挡时刻、激光光束离开凸轮轴另一边缘时刻和下一测量周期的开始时刻；计算被测凸轮轴的直径d。本发明结构简单，便于制作，采用非接触的激光扫描方式，对被测凸轮轴无损伤，测量速度快、效率高，精度可达1μm。
文档编号G01B11/08GK101832758SQ20101017459
公开日2010年9月15日 申请日期2010年5月17日 优先权日2010年5月17日
发明者任永杰, 杨学友, 王一, 邾继贵 申请人:天津大学