一种基于直流伺服电机的自定心三爪测头及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于直流伺服电机的自定心三爪测头及其控制方法，自定心三爪测头包括自定心三爪测头本体、滑动联轴器、直流伺服电机、信号采集模块和控制模块。在对大距离分布孔系几何参数进行测量时，将自定心三爪测头本体伸入孔系内，由直流伺服电机驱动测头三爪的伸缩。直流伺服电机正转，通过滑动联轴器带动锥形杆将三爪顶出。当三爪与孔内壁紧密接触时，直流伺服电机的电枢电流上升至给定阈值，电机停转，自定心测头开始孔系参数的测量。测量完成后，控制电机反转，带动三爪缩回。本发明提高了测头的控制速度和精度，避免了传统棘轮打滑电机空转所造成的电机损耗，使得孔系测量更加方便。
【专利说明】一种基于直流伺服电机的自定心三爪测头及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及几何量测量【技术领域】，尤其涉及一种基于直流伺服电机的自定心三爪测头及其控制方法。
【背景技术】
[0002]同轴大距离分布孔系在机械传动中应用极为广泛，如飞机襟缝翼连接件、主轴箱体以及大尺寸支承等均属于此类零件。该类零件具有孔数多、孔径小、相邻孔间距小等特点，目前常用的直径和同轴度误差测量方法很难对其进行快速测量，同时也不能保证较高的测量精度。为此，专利号为CN102322825A、发明名称为超长孔系零件同轴度光学测量系统及方法的专利中公开了一种专用的三爪自定心综合测量系统，能够同时实现孔直径尺寸与孔系同轴度误差的测量。
[0003]其中，自定心三爪测头采用旋转电机通过联轴器与螺杆螺套相连，驱动锥形杆将三爪顶出。当三爪与孔壁紧密接触时，记录旋转电机转过的脉冲数，结合标准环规的标定结果，即可得到孔的直径尺寸。同时，测头前端的二维PSD位置传感器测量准直激光的光斑位置，再经过坐标变换后可得到当前孔绝对坐标系下的中心坐标。依次完成孔系所有各孔测量后，可拟合评定出孔系的同轴度误差。
[0004]在上述测量过程中，接触式测头的测量力会对孔直径和同轴度误差测量结果带来影响。该专利中采用了棘轮机构来对测量力进行控制，控制精度不高。同时，由于采用外接的编码器测量电机转动量，增加了一个联轴器，造成自定心三爪测头长度较大，提高了测头装配难度且操作不便。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是针对【背景技术】中基于棘轮机构进行孔系参数接触式测量的不足，提出一种基于直流伺服电机的自定心三爪测头及其控制方法，有利于提高测量力控制精度和效率，简化测头结构、降低孔系参数测量的操作难度和提高测量精度。
[0006]本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
一种基于直流伺服电机的自定心三爪测头，包括自定心三爪测头本体、滑动联轴器、直流伺服电机、信号采集模块和控制模块；
所述自定心三爪测头本体的锥形杆通过滑动联轴器与直流伺服电机连接；
所述信号采集模块用于采集直流伺服电机的电枢电流信号和转动量信号，并将这些信号传递给控制模块；
所述控制模块用于控制直流伺服电机的运行和停止。
[0007]作为本发明一种基于直流伺服电机的自定心三爪测头进一步的优化方案，所述信号采集模块包含电阻采样电路和旋转编码器，所述电阻采样电路用于采集直流伺服电机的电枢电流信号，所述旋转编码器用于采集直流伺服电机的转动量信号。
[0008]作为本发明一种基于直流伺服电机的自定心三爪测头进一步的优化方案，所述控制模块采用DSP控制器和H桥驱动电路，所述DSP控制器通过H桥驱动电路与直流伺服电机相连，所述DSP控制器包含SPI模块、ADC模块和QEP模块，其中，ADC模块、QEP模块与信号采集模块相连，SPI模块与上位机相连。
[0009]本发明还公开了一种基于直流伺服电机的自定心三爪测头的控制方法，包含以下步骤:
步骤I )，控制模块接收到工作指令后，控制直流伺服电机正转，直流伺服电机通过滑动联轴器带动自定心三爪测头本体的测头三爪伸出；
步骤2)，采集模块采集直流伺服电机的电枢电流值和转动量并将其传递给控制模块；步骤3)，控制模块比较采集模块采集的电枢电流值与预先设定的阈值，如果直流伺服电机中的电枢电流值大于等于预先设定的阈值，则控制直流伺服电机停止运转，并且读取此时采集模块采集的直流伺服电机的转动量；
步骤4)，当控制模块接收到结束指令时，控制直流伺服电机反转，直流伺服电机通过滑动联轴器带动自定心三爪测头本体的测头三爪缩回。
[0010]本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果:
1.通过测量直流伺服电机的电枢电流来控制自定心三爪测头，代替了【背景技术】中的机械式棘轮测力机构，提高了测头的控制速度和精度；
2.当自定心三爪测头达到一定的测量力时，直流伺服电机中的电枢电流将大于等于预先设定的阈值，此时控制直流伺服电机停止运转，避免了【背景技术】中棘轮打滑电机空转所造成的电机损耗；
3.直流伺服电机采用自带的旋转编码器测量电机转动量，并通过滑动联轴器直接与自定心三爪测头本体的锥形杆连接，省去了【背景技术】中的外接编码器、螺杆螺套以及棘轮机构及其与电机间的联轴器等传动机构，大大简化了测头结构，缩短了测头长度，从而使孔系测量更加方便。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本发明的直流伺服电机与自定心三爪测头本体的结构示意图；
图2是直流伺服电机输出扭矩与电枢电流关系曲线图；
图3是实现自定心三爪测头控制方法的硬件组成框图。
[0012]图中，101-测头三爪，102-锥形杆，103-滑动联轴器，104-直流伺服电机。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
本发明公开了一种基于直流伺服电机的自定心三爪测头，包括自定心三爪测头本体、滑动联轴器、直流伺服电机、信号采集模块和控制模块；
所述自定心三爪测头本体的锥形杆通过滑动联轴器与直流伺服电机连接；
所述信号采集模块用于采集直流伺服电机的电枢电流信号和转动量信号，并将这些信号传递给控制模块；
所述控制模块用于控制直流伺服电机的运行和停止。
[0014]所述信号采集模块包含电阻采样电路和旋转编码器，所述电阻采样电路用于采集直流伺服电机的电枢电流信号，所述旋转编码器用于采集直流伺服电机的转动量信号。
[0015]所述控制模块采用DSP控制器和H桥驱动电路，所述DSP控制器通过H桥驱动电路与直流伺服电机相连，所述DSP控制器包含SPI模块、ADC模块和QEP模块，其中，ADC模块、QEP模块与信号采集模块相连，SPI模块与上位机相连。
[0016]如图1所示，自定心三爪测头本体包含测头三爪101和锥形杆102，其通过滑动联轴器103与直流伺服电机104连接:
测头三爪101:测量时从自定心三爪测头本体中伸出，与被测工件孔壁紧密接触，起到在孔内支承测头的作用，同时实现测头在孔内的自定心。测量完毕后，三爪缩回测头内；锥形杆102:锥形杆设计为塔形阿基米德螺旋体结构，一端与测头三爪螺纹连接，另一端通过滑动联轴器与直流伺服电机连接。测量时，锥形杆经直流伺服电机驱动可在测头内同时作绕自身轴线的转动和沿轴向的移动，推动测头三爪伸出和缩回；
滑动联轴器103:滑动联轴器内部的键槽与镶嵌在轴套上的圆柱销配合，圆柱销可以在键槽内滑动，保证联轴器与锥形杆一起转动的同时，锥形杆还能沿轴向移动。滑动联轴器另一端通过紧定螺钉与直流伺服电机的主轴固连；
直流伺服电机104:测量时，直流伺服电机通过上述传动机构驱动测头三爪伸缩。在转矩控制模式下，直流伺服电机的电枢电流与转矩等效，可通过控制直流伺服电机的电枢电流大小来控制电机的输出扭矩，并可以给电机设定一个阈值电流以促使电机进入保护状态停止工作。
[0017]测量时，自定心三爪测头伸入被测孔内，测头尾端的直流伺服电机104正转，通过滑动联轴器103带动锥形杆102将测头三爪101顶出。当直流伺服电机中的电枢电流大于等于预先设定的阈值时，电机停转并开始孔参数的测量。测量完毕后，控制模块发出控制信号，直流伺服电机反转带动测头三爪缩回。
[0018]图2所示为直流伺服电机的输出扭矩与电枢电流之间的关系曲线。图中横坐标为直流伺服电机的电枢电流，单位为mA，纵坐标为电机输出扭矩，单位为mNm。由图2可知，直流伺服电机的输出扭矩与电枢电流成正比，两者是等效的。因此，可以通过控制直流伺服电机电枢电流的大小来控制电机的输出扭矩，并通过测量电机工作状态下的电枢电流来实时监测电机的输出扭矩，起到检测自定心三爪测头测量力的作用。
[0019]图3所示为实现自定心三爪测头控制方法的硬件系统组成。整个控制系统由上位机、DSP控制部分和电机驱动部分组成。上位机通过无线模块与DSP控制器的SPI模块相连，实现与DSP控制器之间的数据通信。测量人员通过设置上位机界面的电机参数及运行模式，由无线模块将指令发送至下位机的DSP控制器，再由DSP控制器输出PWM信号，经驱动电路控制直流伺服电机工作。同时，DSP采集直流伺服电机的电枢电流值和转动量，再通过无线模块返回给上位机。
[0020]基于直流伺服电机的自定心三爪测头的控制方法包含以下步骤:
步骤I)，控制模块接收到工作指令后，控制直流伺服电机正转，直流伺服电机通过滑动联轴器带动自定心三爪测头本体的测头三爪伸出；
步骤2)，采集模块采集直流伺服电机的电枢电流值和转动量并将其传递给控制模块；步骤3)，控制模块比较采集模块采集的电枢电流值与预先设定的阈值，如果直流伺服电机中的电枢电流值大于等于预先设定的阈值，则控制直流伺服电机停止运转，并且读取此时采集模块采集的直流伺服电机的转动量；
步骤4)，当控制模块接收到结束指令时，控制直流伺服电机反转，直流伺服电机通过滑动联轴器带动自定心三爪测头本体的测头三爪缩回。
[0021]以上只是对本发明的优选实施方式进行了描述。对该【技术领域】的普通技术人员来说，根据以上实施方式可以很容易地联想到其它的优点和变形。因此，本发明并不局限于上述实施方式，其仅仅作为例子对本发明的一种形态进行详细、示范性的说明。在不背离本发明宗旨的范围内，本领域普通技术人员在本发明技术的方案范围内进行的通常变化和替换，都应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于直流伺服电机的自定心三爪测头，其特征在于，包括自定心三爪测头本体、滑动联轴器、直流伺服电机、信号采集模块和控制模块； 所述自定心三爪测头本体的锥形杆通过滑动联轴器与直流伺服电机连接； 所述信号采集模块用于采集直流伺服电机的电枢电流信号和转动量信号，并将这些信号传递给控制模块； 所述控制模块用于控制直流伺服电机的运行和停止。
2.根据权利要求1所述的基于直流伺服电机的自定心三爪测头，其特征在于，所述信号采集模块包含电阻采样电路和旋转编码器，所述电阻采样电路用于采集直流伺服电机的电枢电流信号，所述旋转编码器用于采集直流伺服电机的转动量信号。
3.根据权利要求2所述的基于直流伺服电机的自定心三爪测头，其特征在于，所述控制模块采用DSP控制器和H桥驱动电路，所述DSP控制器通过H桥驱动电路与直流伺服电机相连，所述DSP控制器包含SPI模块、ADC模块和QEP模块，其中，ADC模块、QEP模块与信号采集模块相连，SPI模块与上位机相连。
4.基于权利要求1所述的基于直流伺服电机的自定心三爪测头的控制方法，其特征在于，包含以下步骤: 步骤I)，控制模块接收到工作指令后，控制直流伺服电机正转，直流伺服电机通过滑动联轴器带动自定心三爪测头本体的测头三爪伸出； 步骤2)，采集模块采集直流伺服电机的电枢电流值和转动量并将其传递给控制模块；步骤3)，控制模块比较采集模块采集的电枢电流值与预先设定的阈值，如果直流伺服电机中的电枢电流值大于等于预先设定的阈值，则控制直流伺服电机停止运转，并且读取此时采集模块采集的直流伺服电机的转动量； 步骤4)，当控制模块接收到结束指令时，控制直流伺服电机反转，直流伺服电机通过滑动联轴器带动自定心三爪测头本体的测头三爪缩回。
【文档编号】G01B11/27GK104238587SQ201410412226
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年8月21日 优先权日:2014年8月21日
【发明者】余厚云, 赵转萍, 陆永华 申请人:南京航空航天大学