一种汽车传动轴圆跳动检测与校直系统及方法

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一种汽车传动轴圆跳动检测与校直系统及方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种汽车传动轴圆跳动检测与校直系统及方法，尤其涉及一种基于非接触式激光位移传感器及步进电机控制的圆跳动检测与校直系统及方法。\n背景技术\n[0002] 汽车传动轴在生产过程中，是由前端和后端两部分焊接而成的。在焊接时，理想的状态是前端部分与后端部分轴心在同一水平线上,但在实际焊接时，汽车传动轴前端部分和后端部分的轴心通常并不是在同一水平线上，会存在一定的夹角θ，此时焊接处的圆跳动量不为0。若汽车传动轴焊接处圆跳动超过允许范围，且此汽车传动轴未经检测、校准就直接投入使用，可能会造成汽车在行驶过程中的不平稳，同时因为传动轴的同轴度不好，轴向力的方向不同，长期使用，必然会对传动轴造成损害，影响其使用寿命，甚至会因此造成交通事故。因此，传动轴在投入使用之前，必须运用相应的圆跳动检测系统对其圆跳动量进行检测并对圆跳动量超出规定范围的传动轴进行校准。\n[0003] 传统的圆跳动检测与校直系统，普遍采用百分表测量位移信息，利用人眼来观察百分表读数，并且依靠人工手动转动汽车传动轴。传统的圆跳动量检测方法依靠人眼读取位移信息，因此随机误差大，不能达到高精度的要求，同时依靠人工转动并定位传动轴，不仅工作量大，耗费人力而且定位精度不高。\n[0004] 本发明提供的汽车传动轴圆跳动检测与校直系统是一种高自动化地智能型系统，主要由控制电路模块、机床固定模块及上位机显示模块组成。精确地控制步进电机的转速、定位和输出数据的可靠性、稳定性是系统研制的核心和难点。\n发明内容\n[0005] 本发明主要是提供一种新型系统以解决圆跳动自动检测与校直的技术问题：(1)提供了一种采用非接触式激光位移传感器作为检测元件，精确的检测汽车传动轴在转动一周的过程中表面检测点距传感器的位移信息数据，从而通过处理获得该检测表面的圆跳动量，并通过工业控制柜上显示屏显示；(2)通过步进电机驱动待测汽车传动轴旋转，主控芯片根据(1)中获取的数据，驱动动步进电机旋转或停止，使待测汽车传动轴表面需要校直的点位于液压机正下方。液压机下压即可完成汽车传动轴圆跳动的检测与校直过程。\n[0006] 本发明的具体技术方案如下：\n[0007] 一种汽车传动轴圆跳动检测与校直系统，包括机床(1)、固定在机床上的步进电机模块(2)、固定在机床侧边的4个激光位移传感器单元(6)、固定在机床正上方的液压机构(7)、以及固定在机床上方的工业控制柜(8)。\n[0008] 所述步进电机模块(2)包括一个步进电机(3)、与步进电机相连的减速器(4)以及固定在机床(1)上的端面齿轮(5)；所述步进电机(3)中心轴、减速器(4)中心轴与端面齿轮(5)中心轴同轴放置，减速器(4)一端沿中心轴开有深孔，与步进电机(3)伸出轴配合固定，端面齿轮(5)一端沿中心轴开有深孔，与减速器(4)伸出轴配合固定；步进电机(3)通过固定片固定在减速器(4)上，减速器(4)通过固定片固定在端面齿轮(5)上，以保证步进电机(3)在驱动减速器(4)、端面齿轮(5)、待测汽车传动轴转动时，步进电机(3)、减速器(4)、端面齿轮(5)、待测汽车传动轴在轴向和径向上均不发生移动。\n[0009] 所述激光位移传感器单元(6)包括激光位移传感器(61)、传感器安装盒(62)、传感器轨道(63)；所述传感器轨道(63)固定焊接在机床(1)侧面，传感器安装盒(62)安装于传感器轨道(63)上，传感器安装盒(62)可沿传感器轨道(63)在水平方向上移动，传感器(61)安装于传感器安装盒(62)内，传感器(61)可沿传感器安装盒(62)的开口方向里外移动。\n[0010] 所述工业控制柜(8)包括用于显示的工业电脑(9)、控制电路模块(10)、步进电机驱动器(11)、为控制电路模块(10)供电的开关电源(12)、为步进电机驱动器(11)供电的变压器(13)，控制电路模块(10)分别与工业电脑(9)、步进电机驱动器(11)、开关电源(12)连接；所述的控制电路模块(10)包括A/D转换电路(102)、主控芯片(103)；A/D转换电路(102)与激光位移传感器(61)连接，所述激光位移传感器单元(6)采集数据后经由控制电路模块(10)中的A/D转换电路(102)后，再由主控芯片(103)完成均值、滤波、求差的数据处理，通过主控芯片(103)内置的定时器向步进电机驱动器(11)发送频率可控的PWM脉冲控制步进电机(3)以一定转速转动或启动停止，并由此带动减速器(4)、端面齿轮(5)、待测汽车传动轴以相应速度转动或启动停；同时通过串口传输，将处理得到的圆跳动信息和步进电机(3)的转动信息经由工业电脑(9)显示，操作人员根据工业电脑(9)显示的结果利用液压机下压，快捷方便地完成汽车传动轴圆跳动的检测与校直。\n[0011] 所述步进电机(3)转动速度的控制是通过设置主控芯片(103)内的定时器时钟分割实现的：定时器每发生两次中断，向步进电机驱动器(11)发送一个PWM脉冲，即步进电机驱动器(11)接收到一个上升沿，从而驱动步进电机(3)转动，继而带动减速器(4)、端面齿轮(5)、待测传动轴转动；通过改变定时器发生中断的时间，即可改变脉冲的频率，从而实现对步进电机转速(3)的控制，计算公式如下：\n[0012]\n[0013] 式中：m为步进电机细分数，T0为定时器时钟，T1为定时器时钟分割，K为定时器计数值；为保证待测汽车传动轴旋转速度不至于太高伤到操作人员，本发明通过设置m、T2、K的值，以一定的规律改变T1的值，控制待测传动轴转速在每分钟1～10圈。\n[0014] 为保证步进电机(3)启动与停止过程以及加速过程的平稳顺利进行，必须保证步进电机(3)启动时有个较低的速度，并且保证步进电机(3)速度变化缓慢，本发明通过以一定规律改变控制电路模块(10)中主控芯片(101)内置定时器的时钟分割T1来实现，具体计算公式如下：\n[0015]\n[0016] 式中：K1、K2、K3为常数，d为步进电机(3)转动步数的记录变量，当步进电机转动一步，变量d加1，通过改变K1、K2、K3的大小，以精确地控制步进电机(3)的启动过程初始速度，通过判断d的大小，控制步进电机(3)加速过程的时间长短，达到对步进电机(3)加速过程步数的精确控制。\n[0017] 一种基于上述系统的汽车传动轴圆跳动检测与校直方法，其特征在于：包括以下步骤：\n[0018] 步骤1：控制电路模块(10)中的主控芯片(103)向步进电机驱动器(11)发送控制脉冲，步进电机驱动器(11)接收上升沿，驱动步进电机(3)转动，减速器(4)以减速比6:1将转动传递给端面齿轮(5)，从而带动待测汽车传动轴转动；\n[0019] 步骤2：步进电机(3)转动的同时，4个激光位移传感器(61)实时采集待测点距激光位移传感器(61)的距离，并经A/D转换电路(102)完成AD转换，将数字信号传递给主控芯片(103)做进一步处理；\n[0020] 步骤3：步骤2完成后，主控芯片(103)通过串口传输，将处理所得圆跳动信息及步进电机转动信息数据经由工业电脑(9)显示；同时，主控芯片(103)控制步进电机(3)继续转动，直到待测汽车传动轴待测点表面最高点至于液压机(7)正下方；\n[0021] 步骤4：步骤1、2、3完成后，操作人员根据工业电脑(9)显示的数据，按下液压机控制按钮完成下压动作，即完成待测传动轴圆跳动检测与校准。\n[0022] 以下是对于本发明的上述技术方案及设计原理所作的进一步阐述：\n[0023] 第一部分为机床固定模块，包括步进电机、传动比为6:1的减速器、两个端面齿轮、\n4个激光位移传感器单元、工业控制柜以及液压机；\n[0024] 第二部分为控制电路模块，包括电源管理电路、A/D转换电路、主控芯片及其外围电路组成；\n[0025] 第三部分为显示模块，由工业控制柜上的电脑显示屏以及为此系统编写的特定软件组成，软件运行环境为Windows XP系统或更高版本。\n[0026] 本发明所述第一部分的主要作用是固定各部件。步进电机、减速器、端面齿轮、4个激光位移传感器单元、工业控制柜以及液压机均安装在机床上。为保证步进电机能以一定速度驱动待测传动轴转动，系统为步进电机添加传动比为6：1的减速器。其中步进电机中心轴、减速器中心轴与端面齿轮中心轴同轴放置，减速器一端沿中心轴开有深孔，与步进电机伸出轴配合固定，端面齿轮一端沿中心轴开有深孔，与减速器伸出轴配合固定。步进电机通过固定片固定在减速器上，减速器通过固定片固定在端面齿轮上，而端面齿轮则固定在机床上，与待测汽车传动轴啮合。第二部分的控制电路模块精确控制步进电机转动速度或者停止，从而带动待测汽车传动轴以相应速度转动或者停止。4个激光位移传感器单元包括4个激光位移传感器、4个传感器安装盒和1个传感器轨道。激光位移传感器可在传感器轨道上自由移动，也可以在传感器安装盒内微小移动，从而达到调整激光位移传感器距待测汽车传动轴距离以及调整测量点的目的。激光位移传感器测得的位移信息以模拟量电压的形式输出到第二部分控制电路模块的A/D转换电路。第二部分的控制电路模块以及第三部分显示模块的工业电脑均安装在工业控制柜中。\n[0027] 本发明所述第二部分的主要作用是获取传感器测得的位移信息并处理，通过发送控制PWM脉冲精确控制步进电机的转动速度及启动停止。本系统A/D转换电路连续的采集第一部分机床固定模块中的激光位移传感器的模拟量电压输出，激光位移传感器测量范围为\n4cm～6cm，对应的电压输出为5v～1v，AD转换电路输出为0～65535，通过计算与实际校准，得到激光位移传感器与汽车传动轴待测点之间的距离。与此同时，主控芯片通过内置定时器向步进电机驱动器精确发送频率可控的PWM脉冲，控制步进电机以一定速度转动或启动停止，从而带动待测汽车传动轴以相应速度转动或启动停止。步进电机驱动器接受到一个上升沿信号，即驱动步进电机转动一步。若步进电机的细分数为m，则步进电机转速计算公式如下：\n[0028]\n[0029] 式中：T0为定时器时钟，T1为定时器时钟分割，K为定时器计数值。因此，可以通过改变T0、T1、K或者m的值，达到精确控制步进电机转速的目的。本系统拟定采用控制改变T1的值达到控制步进电机转速的目的。汽车传动轴在步进电机的驱动下转动一周，控制电路模块可以同时完成4个传感器数据的采集与进一步处理，将得到的圆跳动量信息以及步进电机的转动信息通过串口传输至第三部分显示模块，最后，根据得到的圆跳动量信息以及步进电机的转动信息，继续控制步进电机转动一定角度，使得待测传动轴表面需要液压机下压的点位于液压机的正下方。\n[0030] 本发明所述第三部分起到显示检测结果的作用。利用为此系统编写的基于VC \n6.0MFC的特定软件，将第二部分获得的各个测量点的圆跳动量信息、步进电机的转动信息通过工业电脑屏幕形象具体的显示出来并加以辅助操作说明，操作人员可根据屏幕显示的结果利用液压机下压，快捷方便地完成汽车传动轴圆跳动的检测与校直。\n[0031] 本发明主要通过步进电机代替人工转动待测汽车传动轴，利用激光位移传感器代替人眼观察测量结果，完成汽车传动轴圆跳动的检测与校直。上述第一、第二、第三部分有机组合在一起，使得汽车传动轴圆跳动得检测与校直工作能够便捷高速精确的进行。\n附图说明\n[0032] 图1是本发明的一种立体结构示意图。\n[0033] 图2是本发明激光位移传感器安装示意图。\n[0034] 图3是本发明工业控制柜结构示意图。\n[0035] 图4是本发明控制流程框图。\n[0036] 图5是本发明控制电路模块电源电路示意图。\n[0037] 图6是本发明控制电路模块AD转换电路示意图。\n[0038] 图中，机床1、步进电机模块2、步进电机3、减速器4、端面齿轮5、激光位移传感器单元6、激光位移传感器61、传感器安装盒62、传感器轨道63、液压机7、液压机按钮71、工业控制柜8、工业电脑9、控制电路模块10、电源电路101、整流桥1011、电容1012、电容1013、LM117-5v稳压芯片1014、电容1015、电容1016、LM1117-3.3v稳压芯片1017、电容1018、AD转换电路102、电阻1021、电容1022、电容1023、电阻1024、模数转换芯片ADS83611025、电容\n1026、电阻1027、步进电机驱动器11、开光电源12、变压器13。\n具体实施方式\n[0039] 下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。\n[0040] 实施例：\n[0041] 本发明的一种汽车传动轴圆跳动检测与校直的系统。包括机床(1)、固定在机床上的步进电机模块(2)、固定在机床侧边的4个激光位移传感器单元(6)、固定在机床正上方的液压机构(7)、以及固定在机床上方的工业控制柜(8)。\n[0042] 1、系统整体结构组成：\n[0043] 该部分具体设计参见图1.所述步进电机模块(2)包括一个步进电机(3)、与步进电机相连的传动比为6：1的减速器(4)以及固定在机床上的端面齿轮(5)。所述步进电机(3)中心轴、减速器(4)中心轴与端面齿轮(5)中心轴皆同轴放置，减速器(4)一端沿中心轴开有深孔，与步进电机(3)伸出轴配合固定，端面齿轮(5)一端沿中心轴开有深孔，与减速器(4)伸出轴配合固定。步进电机(3)通过固定片固定在减速器(4)上，减速器(4)通过固定片固定在端面齿轮(5)上，保证步进电机(3)在驱动减速器(4)、端面齿轮(5)、待测汽车传动轴转动时，步进电机(3)、减速器(4)、端面齿轮(5)、待测汽车传动轴转动在轴向和径向上均不会发生移动。\n[0044] 所述激光位移传感器单元(6)包括激光位移传感器(61)、传感器安装盒(62)、传感器轨道(63)。所述传感器轨道(63)固定焊接在机床(1)侧面，传感器安装盒(62)安装于传感器轨道(63)上，传感器安装盒(62)可沿传感器轨道(64)于水平方向上移动，在其他方向上固定。激光位移传感器(61)安装于传感器安装盒(62)内，因传感器安装盒(62)的限制，激光位移传感器(61)只能沿传感器安装盒(62)方向里外移动，以及上下方向微小的移动。由上述激光位移传感器单元(6)的机械结构决定，激光位移传感器(61)只能在传感器导轨(63)以及垂直于此方向上移动，保证了激光位移传感器(61)在整个检测与校直过程中始终正对着待测汽车传动轴的轴心，同时，激光位移传感器(61)也能因为需求的不同而在传感器轨道(63)方向上自由移动以及垂直于传感器轨道(63)的方向上微小移动。\n[0045] 所述控制柜(8)由作为显示用的工业电脑(9)、控制电路模块(10)、步进电机驱动器(11)、为控制电路模块(10)供电的开关电源(12)、为步进电机驱动器(11)供电的变压器(13)组成。所述激光位移传感器单元(6)采集数据输出模拟量电压，经由控制电路模块(10)A/D转换电路(102)完成AD转换，由主控芯片(103)完成滤波、均值、求差等数据处理，计算出待测点的圆跳动量，与此同时，主控芯片(103)通过内置定时器向步进电机驱动器(11)发送频率精确可控的PWM脉冲，控制步进电机(3)以一定转速转动或停止，并由此带动减速器(4)、端面齿轮(5)、待测汽车传动轴以相应速度转动或停止。同时主控芯片(103)通过串口传输，将检测结果形象具体的在工业电脑(9)上显示，同时辅助以各种操作参数，以便于操作人员观察及操作。最后，根据得到的圆跳动量信息以及步进电机(3)的转动信息，控制电路模块(10)继续控制步进电机(3)转动一定角度，使得待测传动轴表面需要液压机(7)下压的点位于液压机的正下方。其中，开关电源(12)、分别为变压器(13)控制电路模块(10)、步进电机驱动器(11)提供所需电源。整个流程如图4所示。\n[0046] 2、控制电路模块组成\n[0047] 所述控制电路模块(10)主要包括电源电路(101)、AD采样电路(102)以及主控芯片及其外围电路(103)。\n[0048] 所述电源电路(101)主要目的是将开关电源(12)提供的12v电源转换为控制电路模块(10)各部分需要的直流电源，该部分设计详见图5.由于本设计中主控芯片的工作电压为3.3v，并且设计中使用到了5v、3.3v的直流电源，因此，电源电路(101)中使用整流桥、大电容、稳压芯片lm1117-5v将开关电源(12)的12v电源输入转化为稳定的5v直流电源，同时以此5v电源作为lm1117-3.3v电源芯片的输入，得到稳定的3.3v直流电源，保证控制电路模块(10)各部分的正常工作。\n[0049] 所述AD采样电路(102)主要目的是将激光位移传感器单元(6)输出的模拟电压量转化为主控芯片易于处理的数字量。该部分设计详见图6.所述AD采样电路(102)采用16位差分式四通道AD转换芯片ADS8361，参考电压为REF196基准电压芯片输出3.3v，最小分辨率为3.3v/65535＝0.05mv，激光位移传感器单元(6)测量范围为4cm～6cm，对应的电压量输出为5v～1v，可计算出0.05mv对应的测量距离为0.25um，远小于系统设计需求。\n[0050] 3、步进电机转速及启停控制设计：\n[0051] 主控芯片(103)内置的定时器每产生两次中断就向步进电机驱动器(11)发送一个控制脉冲，即步进电机驱动器(11)接收一个上升沿，步进电机(3)转动一步。若步进电机(3)的细分数为m，定时器时钟T0，定时器时钟分割为T1，定时器计数值为K，则步进电机的转速为[0052]\n[0053] 在保持T0、T1、m不变的前提下，主控芯片(103)通过程序更改定时器计数值K，即可完成对步进电机(3)转速的精确控制。为保证步进电机(3)启动与停止过程以及加速过程的平稳顺利进行，必须保证步进电机(3)启动时有个较低的速度，并且保证步进电机(3)速度变化缓慢。本发明通过以一定规律改变控制电路模块(10)中主控芯片(101)内置定时器的时钟分割T1来实现，计算公式如下：\n[0054]\n[0055] 式中：K1、K2、K3为常数，d为步进电机(3)转动步数的记录变量(当步进电机转动一步，变量d加1)。通过改变K1、K2、K3的大小，可以精确地控制步进电机(3)的启动过程初始速度，也可以通过判断d的大小，控制步进电机(3)加速过程的时间长短，达到对步进电机(3)加速过程步数的精确控制。实际操作时，取K1＝38400000、K2＝76800、K3＝404。当d从0增加到800时跳出加速过程，步进电机(3)加速过程的初始K＝500，步进电机转动800步后加速过程结束，此时K＝96。\n[0056] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。\n[0057] 尽管本文较多地使用了机床1、步进电机模块2、步进电机3、减速器4、端面齿轮5、激光位移传感器模块6、激光位移传感器61、传感器安装盒62、传感器轨道63、液压机7、液压机按钮71、工业控制柜8、工业电脑9、控制电路模块10、电源电路101、整流桥1011、电容\n1012、电容1013、LM117-5v稳压芯片1014、电容1015、电容1016、LM1117-3.3v稳压芯片1017、电容1018、AD转换电路102、电阻1021、电容1022、电容1023、电阻1024、模数转换芯片ADS83611025、电容1026、电阻1027、步进电机驱动器11、开光电源12、变压器13等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。