（机械工程专业论文）连杆综合检测仪的研制.pdf

摘要 e8 78 弓3 5 在机械设备的装配、使用过程中，关键零部件的尺寸误差和形位误 差是保证整套设备技术性能的重要因素之一。随着科学技术的迅猛发展 和对产品质量要求的不断提高，传统的检测方法和手段已经无法满足现 代制造业的检测要求，因此，运用计算机和传感器技术而实现智能化检 测的新型检测系统应用而生。 论文主要工作是研制开发一种适用于加工和检修工序使用的柴油机 连杆尺寸和形位误差的在线综合检测系统。 本文首先根据现代测量原理、检测方法以及连杆的结构特点、工作 特点及技术要求，进行了内燃机车柴油机连杆尺寸误差和形位误差的智 能检测系统的总体方案设计，然后进行了传感器、电机控制卡、工业p c 机等硬件设计：并采用多线程技术，通过a p i 进行串行通讯，完成了检 测数据的采集、分析、处理及显示软件的设计。最后对该系统进行实践 验证，证明检测仪方便现场使用，可操作。 论文的主要贡献在于开发了一种一次扫描，可同时完成连杆7 个尺 寸和形位误差的在线综合检测仪，不仅提高了检测的准确性，降低测量 人员的劳动强度，而且为其它同类型孔系尺寸和形位误差的在线检测提 供了方法指导。 关键词：检测系统、连杆、数据采集、数据处理、串行通信 误差 a b s t r a c t i nt h e a s s e m b l i n ga n dr u n n i n g o ft h em e c h a n i c a ld e v i c e ，c r i t i c a l c o n l p o n e n t s t o l e r a n c eo fs i z ea n df b r ma n dp o s i t i o nt o l e r a n c ea r eo n eo f t h ei m p or t a n tf a c t o r st om a i n t a i nt h et e c h n i c a lp e r f o r m a n c eo ft h ec o m p l e t e s e to fd e v i c e w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n 0 1 0 9 y ，a n d c o n s t a n ti n l p r o v e m e n ti nt h eq u a l i t yo fp r o d u c t s ，i ti sv e r yd i f “c u l tt om e e t t h en e e d so ft e s t i n gi nt h ec h a n g i n gm a n u f h c t u r i n gi n d u s t r yb yu s e dt e s t i n g m e t h o d sa n dm e a n s t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pt h en e w l yt y p eo f t e s t i n gs y s t e m t or e a c ht h ea i mo fi n t e l l i g e n tt e s t i n gw i t ht h eu s eo f a d v a n c e dc o n l p u t e ra n ds e n s o rt e c h n i q u e t h i st h e s i sm a i n l yf o c u s e so nt h e d e v e l o p i n go fag e n e r a lt e s t i n g s y s t e m f o rt o l e r a n c eo fs i z ea n df o r ma n dp o s i t i o nt 0 1 e r a n c ei nt h e c o n n e c t i n gr o du n d e rt h em a c h i n i n ga n dm a i n t a i n i n gp r o c e s s t h i st h e s i st r e a t so nn o to n l yt h e1 a y o u td e s i g ni nt h ei n t e l l ig e n tt e s t i n g s y s t e m ，w h i c hi s u s e df o rd e c i d i n go ft 0 1 e r a n c eo fs i z ea n df o r ma n d p o s i t i o nt o l e r a n c ei nt h ec o n n e c t i n gr o d ，b u ta l s ot h eh a r d w a r ed e s i g ni nt h e s e n s o r a l t e r n a t o rc o n t r 0 1c a r da n di n d u s t r i a lp cm a c h i n ea n ds o f t w a r e d e s i g ni nt h et e s td a t ag a t h e r i n g ，a n a l y s i s ，p r o c e s s i n ga n dd i s p l a yw i t ht h e a i do fm u l t i a c c e s sa n ds e “a 1c o m m u n i c a t i o nb ya p i t h ea u t h o rt h i n k st h a t t h et e s t i n gi n s t r u m e n ti se a s yt ou s ei ns i t eo p e r a t i o n t h ea u t h o rn n a l l yp o i n t so u ti nt h et h e s i st h a tt h en e ws y s t e mc a nt e s t t o l e r a n c e so fs i z ea n df b r ma n dp o s i t i o nt o l e r a n c e si nt h e7p o s n i o n so f c o n n e c t i n gr o dt h r o u g ho n es c a n n i n g i th e l p st ot e s to n l i n et o l e r a n c eo f s i z ea n df o r ma n dp o s i t i o nt o l e r a n c ei no t h e rh o l e s ，a sw e l la st or a i s et h e t e s t i n ga c c u r a c y k e yw o r d s ：t e s t i n gs y s t e m ；c o n n e c t i n gr o d ；d a t ag a t h e r i n g ；d a t ap r o c e s s i n g s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ：t 0 1 e r a n c e 北京交通大学工程硕士专业学位论文第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 1 1 1 连杆简介 东风型7 型内燃机车e q l 2 v 2 4 0 z j 6 f 柴油机结构如图1 1 所示，件4 为连杆，是 柴油机主要运动件之一。它的小头端孔通过活塞销与活塞相连，大端孔与曲轴相连。 在工作中，把活塞的往复直线运动转变为曲轴的回转运动，并传递作用力。在工作 时，主要承受气体压力和活塞连杆组往复运动惯性力，这些力的大小和方向都发生 周期变化，使连杆处于拉伸、压缩、弯曲状态，在工作中连杆易产生疲劳和变形。 图1 1东风型7 型内燃机车1 2 v 2 4 0 z j 6 f 柴油机结构图 北京交通大学工程硕士专业学位论文第1 章绪论 连杆结构如图1 2 所示，主要有连杆体、连杆盖、小头衬套和连杆螺栓等组成。 连杆是由4 2 c r m 0 合金剐模锻制 成，经调质、喷丸处理，使其疲 劳强度提高。连杆体与连杆盖采 用4 0 。剖分面，使连杆能从气缸 孔内抽出来。连杆体与连杆盖轴 向采用一个巾3 7 哪的定位套来 定位。 柴油机连杆采用并列连杆， 用两条3 3 2 螺栓将连杆体和连 杆盖连接在一起。 连杆瓦采用钢背铝基薄壁轴 瓦，下连杆瓦上开有油槽和油孔， 油由这些孔经连杆杆身的细长油 孔流到连杆小端，润滑小端衬套 和冷却活塞。上、下连杆瓦的背 面各有一个定位销孔，用销钉定 图1 2 连杆装配图 位。连杆小端装有衬套。 l - 轴瓦 2 连杆体及盖3 连杆螺钉 连杆检修周期3 6 个月，在一 4 定位套5 连杆销钉6 小头衬套 个大修期内要经过3 个中修期， 在中修时，柴油机要解体检测连杆等主要件的精度，而连杆做为重要运动件之一是 必检项目。在新造、厂修和中修时连杆检测的主要参数如表卜1 表卜l连杆主要技术参数及使用限度如下： 限度 名称原形( 册) 中修厂修 连杆大头孔直径 由2 0 5 o 0 2 0 5 连杆大头孔圆柱度 0 0 lo 0 40 0 2 5 + o s 连杆小头衬套孔直径 中1 1 2o 0 1 l 岔” 连秆小头衬套孔圆柱度 o 0 1 5o 0 40 0 2 5 2 北京交通大学工程硕士专业学位论文第1 章绪论 限度 名称原形( 哪) 中修厂修 平行度4 0 0 ：o 1 24 0 0 ：o 24 0 0 ：o 1 2 交错度 4 0 0 ：0 24 0 0 ：0 3 4 0 0 ：o 2 大小孔中心距5 8 0 o 15 8 0 o 1 5 1 1 2 课题的研究背景 由于连杆在工作中受力的复杂性，不论新造和检修都对连杆的精度( 即连杆两 孔尺寸和位置精度) 提出了较高的要求，若大小头两孔直径、两孔中心距、以及两 孔平行度超差，均会导致曲轴、活塞、气缸的运动状态破坏，发生敲缸、偏磨、柴 油机烧轴烧瓦等质量事故。随着列车不断提速，对柴油机功率、承载能力以及运动 可靠性要求越来越高，连杆做为柴油机主要运动件之一，对它的尺寸精度和位置精 度要求也越来越高。目前，对连杆尺寸和位置精度的检测一般用三坐标、穿假轴、 光学测量仪或气动测量仪进行测量。三坐标测量精度高，测量可靠，但由于检测成 本高、检测效率低，检测环境要求苟刻，因而很难满足大批量现场检测的需求，且 大部分厂家和机务段还不具备三坐标测量仪。穿假轴测量法测量简便，但测量误差 较大，不可靠，且效率低，不能作为批量生产检测仪器的首选。光学测量仪或气动 测量仪，虽结构简单、操作方便。测量精度较高，但不能同时完成连杆两孔圆度、 圆柱度和平行交错度等参数的测量。 由上看出，目前连杆尺寸和位置精度的检测方法，要么适合于实验室检定用， 不能实现在线检测；要么只能粗略给出检测结论，不能给出精确的检测值；要么只 能给出某一误差的评定，不能高效检测多个尺寸和形位精度。因此，现有连杆尺寸 和位置精度的检测手段还不能适应铁路高速跨越式发展的需求，急需开发一种能成 功实现在线检测、高精度和高效率且准确检出连杆两孔尺寸和位置精度的测量仪器。 本课题就是在分析连杆加工、检修特点以及连杆尺寸和位置精度技术要求的基础上， 研究和开发一种适用于加工和检修工序使用的柴油机连杆尺寸和形位误差的在线综 合检测系统，一次性完成连杆两孔尺寸和形位误差的检测，给出测量值和测量结论。 北京交通大学工程硕士专业学位论文第1 章绪论 1 1 3 选择课题的意义 连杆是工厂主产品东风7 内燃机车柴油机的重要零件，制造周期长，工序复杂， 制造成本高，月产量约1 8 0 根。厂修连杆月检修量8 0 多根。目前，工厂新造连杆 两孔尺寸和形位误差主要靠专用制造设备来保证。连杆加工完成后。用光滑环觑分 别检测两孔直径，用光学准直仪检测两孔的平行度，靠人工计算出两孔的圆柱度和 孔距，检测复杂，数据计算量大。而厂修连杆，在分解后，首先用光滑环规检测两 孔直径并计算出圆柱度：用光学准直仪检测出两i l 的平行度，若以上测量参数均在 检修范围内，则依据相应的检修工艺修理连杆。检修完成后，再重复上述检测过程， 给出检测值和检测结论。因此，相比之下，厂修连杆比新造连杆检测更复杂，数据 计算量更大。 连杆两孔尺寸和形位精度对连杆以及柴油机的性能均有重大影响，因此对其尺 寸和形位精度提出了严格的要求，在制造和检修工序中要严格控制其尺寸和形位精 度，适时检测其是否超出允许的公差范围，是保证柴油机质量的重要一环。因此， 高效准确且在线检测出连杆尺寸和形位精度非常必要。另外，工厂其它配件( 如摇 臂、机体、传动箱体等) 孔系尺寸和位置精度的检测手段比较落后，有的甚至不能 有效检出。因此，本论文主要是研究和开发一种适合于现场在线检测连杆两孔尺寸 和形位误差的综合检测仪，一次自动检测出连杆两孔中心距、两孔平行交错度、大 小头孔孔径尺寸以及两孔圆柱度，并与给定值比较后自动输出或显示检测结论。同 时，探索一条类似配件孔系尺寸和位置精度的高效、高精度在线测量方法之路，以 提高工厂的检测能力，保证配件质量，适应铁路高速跨越式发展对机车配件制造和 修理质量的要求。 1 2 本论文主要内容 本课题主要是设计、开发和制造柴油机连杆尺寸和形位精度的在线综合检测系 统。该综合检测系统以激光传感器为前端测量仪对连杆进行检测，利用行、帧扫描 结合的方式采集获得的三维曲面形状数据信息，通过a d 转换后，经p c 的串行口进 入计算机内部，最后由应用程序分析处理输出检测结果。 主要研究内容概括如下： 第一章通过对目前连杆尺寸和形位精度检测方法的分析，归纳不足，明确选择 课题的意义和本课题的主要内容。 4 北京交通大学工程硕士专业学位论文第l 章绪论 第二章依据设计原则，通过对检测系统的技术要求和被测参数的分析，确定测 量原理和测量方法，完成总体方案设计，并对设计难点进行研究分析。 第三章在分析、确定系统检测功能基础上，进行了检测系统的硬件设计，包括 传感器、a d 转换器、电机控制卡、工业p c 机以及交流伺服电机等。 第四章在分析、确定系统检测功能基础上，进行了软件部分的设计，并对软件 体系特点、软件功能结构、串行通信技术和应用程序模块作了简要介绍。 第五章对所设计的系统进行了实际运用考核，并对检测系统的考核结果进行分 析论证。 第六章对本课题进行了总结，并展望了今后的工作，提出了改进建议。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 第2 章检测系统总体方案设计 第2 章检测系统总体方案设计 2 1 设计原则 应用目前国内比较先进的测量技术开发适用于现场检测且一次能完成多个形 位公差的检测和评定测量仪，方便现场使用，操作简单，具有人机对话功能，能自动 处理和分析数据。 2 2 检测系统的主要技术要求 传感器静态分辨率o 3 u m ，工作台行程1 5 0 m ，检测系统系统误差分别为：孔距 误差和平行度误差为1 0 u m ；孔径误差和圆柱度误差为1 0 u m ，系统重复性和稳定 性好。 2 3 测量原理 2 3 1 被测参数 ( 1 ) 连杆两孔中心距：5 8 0 0 1 m 0 0 2 9一+ 0 5 ( 2 ) 连杆两孔直径分别：巾2 0 5 o 咖、巾1 1 2 o m m ； ( 3 ) 连杆大头孔圆柱度：o o l m ； ( 4 ) 连杆小头衬套孔圆柱度：o 0 1 5 唧： ( 5 ) 两孔轴线的平行度为4 0 0 ：o 1 2 ； ( 6 ) 两孔轴线的交错度：4 0 0 ；0 2 。 2 3 2 测量原理 零件的尺寸和形位误差对机械产品的质量有很大影响，因此准确测量其几何尺 寸和形位误差一直是国内外学者普遍关心的问题。在零件的形位误差测量领域，圆 度、圆柱度误差的测量与评定较为典型和复杂。在测量圆柱面时，测点在圆柱面上 所进行的轨迹不仅应获得某一截面圆周方向的信息，而且还应该包含轴向不同截面 的信息。一位日本学者分别利用以下六种方法截取圆柱面，获得测量信息： ( 1 ) 分剐在5 个等距截面上测量； ( 2 ) 在一条螺旋线上测量； 6 北京交通大学工程硕士专业学位论文第2 章检测系统总体方案设计 ( 3 ) 分别沿两条相位差1 8 0 0 的螺旋线轨迹上测量； ( 4 ) 分别在上、下两个正截面和一条螺旋线轨迹上测量； ( 5 ) 分别在上、下两个正截面和两条初相位差1 8 0 。的螺旋线轨迹上测量； ( 6 ) 分别在上、下两个正截面测量； 对以上方法获取的信息进行分析比较后，得出的结论是方法( 1 ) 和( 5 ) 获得 的信息量最多，所以文中选用方法( 1 ) 进行测量，沿连杆轴线在5 个等距截面上测 量数据，按最小二乘法原理求得最小二乘法圆心、最小二乘法半径和最小二乘法轴 线，建立回转面即连秆大小头孔各项形位误差的最小二乘数学模型，利用计算机强 大的数据处理功能进行被测量的计算，经与给定标准值进行比较后，输出检测结果。 2 3 2 1 最小二乘法原理”1 近几年来，对误差评定方法的数学模型的研究，集中在建立能用最优的选点策 略、最快的误差测量和最快的寻优速度找到基准圆的数学模型。这些数学模型的构 建和求解，都是依赖于计算机技术的快速运算和大量数据存储能力“1 。 设有一独立等精度的测量序列五( i _ l ，2 ，n ) ，其偏差为v ，= 一一i ，其残差 ( 偏差) 的平方和为： 式中， v ? = ( t 神2= ( 互，2 ) 一厩2( 2 1 ) i ：! 兰! 苎；：兰12 ：争量 月 智” ( 2 2 ) 如果不按式( 2 2 ) 来计算x ，而按其它方式计算，如对月个独立的等精度的测 量值，任取其中m 个平均值( m o ，所以u 2 d i 2 7 北京交通大学工程硕士专业学位论文第2 章检测系统总体方案设计 即v 。2 为最小值，记为： f l v ，2 = m i n 由此可见，真值的最佳估计值( 算术平均值j ) ，具有残差平方和最小的特征。 换句话说，欲得真值的最佳估计值，应使各测量值z 的残差v i 的平方之和为最小， 这就是最小二乘原理” 。 本文通过直角坐标系下最小二乘圆心、最小二乘法半径和最小二乘轴线的求取， 不仅建立了任意空间位置回转表面各项形位误差的最小二乘数学模型，也为三坐标 测量机或其它仪器评定形位误差提供了可靠实用的依据。 2 3 2 2 模型最小二乘圆心和半径的求取 检测时，软件初始化程序对装置进行复位，然后交流伺服电机驱动两个激光传 感器沿连杆两孔的轴线方向同时旋转一周，此时传感器的输出为孑l 内壁某一截面上 各点相对于传感器基准点的位移值z i ，而孔内壁某一截面上各点的径向尺寸足为传 感器的回转轴至传感器基准点的距离三与传感器输出位移值z ；的代数和，即“”： 墨= 三+ z f f = l ，2 ) ( 2 4 ) 式( 2 4 ) 中f 为采样点的序号，为传感器旋转一周采集点的个数，为已知量。 测得任一截面径向尺寸r “= l ，2 小) 后，由极坐标与直角坐标的的变换公式得”1 ： = 1 ，2 ，m ) ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 中臼，为传感器第f 次检测时与鼻轴正方向的夹角，卅为一周采集点个数。 如图2 1 所示，以传感器的初始检测位置为工轴，传感器的回转轴方向为z 轴， 按右手准则建立空间坐标系。将柴油机连杆置于坐标系如，z 时，设d ，z 为最小二乘 圆柱面的轴线，可以在与z 轴垂直的n 个采样截面上分别取m 个采样点，根据式 ( 2 5 ) 可设各个采样点为绋= ( ，y 口，z f ) ( f = l ，2 ，- m ；，= l ，2 - n ) 在每个采样 截面上，令最小二乘圆心和最小二乘半径分别为d i ( 口，6 ，z ) 和r ，各离散采样点 到最小二乘圆的径向偏差为岛。则采样点岛( z d ，y 口，z 口) 到最小二乘圆圆心 0 j o i ，6 i ，z i ) 的半径矗表示为： 勺= 正i 万i 而 ( 2 6 ) 口e s lo 盯 c s 弼r = = 工 y ，j【 北京交通大学工程硕士专业学位论文第2 章检型系统整堡查塞堕梦 图2 1空间坐标系下的内燃机车柴油机连杆i l 所以可以得到：岛= ( 石f 一口，) ! + ( 均一q ) 2 一r ， ( 2 7 ) 根据最小二乘法原理，有： mmr 一甲 d ，= 乓= 【一，) 2 + ( _ y f 一6 ) 2 一r ，j = m i n ( 2 8 ) l t lf t i 但直接求取满足式( 2 8 ) 条件的口，、6 ，和r ，难以得到显式表达式。为此必须对式 ( 2 7 ) 进行线性化处理，即将其在 经f ( “f ，6 f ，r ，) 附近领域内的一点 x “( ，) 处进行泰勒级数展开，并取一阶近似。 令 口j2 口q + 幽j 6 j = 6 w + 0 r i = r ”+ 曲i ( 2 9 ) 于是有： 岛= + 鲁l 血，+ 鲁l 地+ 薏l ，。丛， 1 0 ) 其中：= 厄i 了石j 了一瞄熹。l 叫： 北京交通大学工程硕士专业学位论文第2 章检测系统总体方案设计 烈- ( - ) 厅丽 孰叫圹厅丽 “咆；忙乱；忙孰 则式( 2 1 0 ) 可改写为：e p = 岛一猷，一m 口d ，一v 口峨 即： s = 尺，+ f d + j 口6 j + e f 下面用矩阵最小二乘法求满足式： 岛= ( 一丝一m 口血，一0 ) 2 = m i n 的如j 、屯、猷，。 由上式或见，数据的结果矩阵为： rl1 1 z i = m t i m 2 j m 畸 n t jn 2 i n q 正规方程组的系数矩阵为： a j = z ：zj = m 肘 f = l 蔷 n 口 f = i m i m ? m j nu m ，2 令：g ，= b ，s ：，s 。p ，则正规方程组的常数项矩降为 彤= z j q = 1 g 口m 口岛g fl im mm l l i t t f = i l - l j j o ( 2 一1 1 ) ( 2 一1 2 ) ，_-_j 北京交通大学工程硕士专业学位论文第2 章检测系统总体方案设计 令：弓= k ，口，6 ，r ，则正规方程组的矩阵表达式为：4 ，弓= b ，求解该方 程组得：0 = 巧“， 即 州 m f m #m f 2 m ， 嚷 m 。呜 g 。 求解得： 艘，抽，6 ，r 。 在各个离散采样截面中，选取彼此相隔角度大致为( 2 疗3 ) 的三个采样点只，、 r ，、只，令此三点的圆心为( 4 “，6 ) 、 半径为r 。， 则： ( x 口一口。) 2 + ( y f 一) 2 = r 西2 ；( f = l ，2 ，3 ；j = 1 ，2 ，- 一，n ) ( 2 一1 3 ) 所以：( r 可2 一口“2 6 q2 ) + 2 口x f + 2 _ y 口= 工f 2 + y 口2 设 将式( 2 一1 3 ) 写成矩阵形式为： 瞧 i 口。= “j 2 则 = v ，2 k = 厄i 可 ( 2 一1 4 ) 解方程组得【叶v ，1 r ，从而得到k 。n 。r 。将k 。n 。r 代入式 ( 2 9 ) ，于是可得 口6 r ，j r ，从而得出最小二乘半径和二乘圆心。 2 3 2 3 模型最小二乘轴线的求取3 假设最小二乘轴线与坐标平面舯y 的交点为口。( z 。，y o ，o ) ，l 的一组方向向量 盯 。p。阢。p。 一 一 砉弛，砌 = l i = 匕 + + + 舶剐圳 ，。l = 晰蛳蜥 丌iii儿 m n n 北京交通大学工程硕士专业学位论文 第2 章检测系统总体方案设计 为p = k ，七，1 ，则轴线方程可写为： 上当：生羔：( 2 一1 5 ) ：一= = 一= z l z 1 0 j g k 1 在j ，d y 坐标平面上，q ( 口，t ，：，) 的坐标分量口，到最小二乘轴线在肋y 坐标 平面内投影( x 。+ 器j ) 的偏差为： ，= 口厂。一譬z ， ( 2 一1 6 ) 由最小二乘原理得：d ，= e ，2 = ( ，一x 。一黟，) ! = m i n ( 2 一1 7 ) 由式( 2 一1 6 ) 可知：d ，= x o + f ，+ ， ( 2 1 8 ) 所以数据的结构矩阵为：抒：1 1 1 l z l ：2 z 。j 一酰爿= 融娶 ， 令d = k ，据：】7 ，常数项矩阵可为：b = 7 d = 医。，口z ，】7 令p = kg 】7 ，则尸= 日，求解方程组： 0 ，当心= 臃 _ _ 可得【五g r 。由于对称性，同样求得k 七】，从而可以确定最小二乘轴线 的方程。 2 3 3 被测参数的确定 通过上述所得，可以确定以下参数： 1 圆度误差嘲：由于只有一个截面，所以n = 1 ，各采样点坐标为q ，( i ，y 。) ，圆 度误差： 局瘦：m a x 娓忑再而卜m i n j 再丽 ( 江1 如，m ) 2 轴线直线度误差。“：令各离散采样截面的最小二乘圆心到轴线的距离为 蹦川 2 川川：掣 北京交通大学工程硕士专业学位论文 第2 章检测系统总体方案设计 式中：q = 扛，6 ，z i 爿= 讧。，y 0 ，o ks = k ，七，l 。 故轴线直线度误差为： 矗线度：m a x 2 d ，) 矗线度：m a x 哆j ( - ，：1 ，2 ，。) 3 两孔直径：在两孑l 的第，个截面上，最小二乘圆半径尺，和r ：分别已知，则两孔直 径分别为：d = 兰y 尺，d = 兰y 月：。 n 篙管 4 ，中心距：已知同一水平面内两孔的第个截面的二乘圆心分别为 q ( “，6 ，= ，) 和o ( “：，6 ：，：j ) ，锐= 似，一口；) 二+ ( 6 ，一6 j ) 二，则两孔中心距d = 乃 ，j = i 5 圆柱度：由式( 2 一l o ) 知磊和彰，令厂为圆柱度则两孔的圆柱度分别为： 届柱度= m a x 虹j m i n 忙，j ，届柱度= m a x 岛j m i n 忸；j 。 6 平行度：分别测得同一水平面两孔的个截面，每个截面的最小二乘圆心为 q ( 。，6 ，z j ) 和d ，( 。j ，6 ：，z j ) ，令平行度，则： 度= m a x 婀i 万可f 耵 _ m i n 她万i i 了矿 o 最小二乘法作为一种经典的求极值的方法，是求解最优化问题的一种方便而有 效的方法”。 在整个检测过程，会得到多组测量数据，由于外界干扰，采样数据很可能会有 “畸值”，如果不对“畸值”进行处理，会对最终的检测结果产生较大的影响，从而 影响到系统的检测精度。对此，可以在软件中采用数字滤波的技术将其剔除，实现 方法为：假设j ( 月) 为第n 时刻的采样值，其为“畸值”，则可以对工( 月) 、x ( ”一1 ) 、 x ( n 小+ 1 ) 共棚个数据作中值z ，以工来代替x ( ”) 。同样可以对其它的“畸值”作 类似处理。 通过最小二乘法解决了采样值为直角坐标值的情况下，通过合适的数学模型， 采用无约束的直接算法，求出最小二乘圆心、最小二乘半径和最小二乘轴线。 2 4 测量方法 被测连杆安装在连杆支架上夹紧后，由计算机给出执行指令，通过工控机转换 成执行机构的动作指令，驱动程序驱动执行机构沿x 、y 坐标运动，使两激光传感器 北京交通大学工程硕士专业学位论文第2 章检测系统总体方案设计 进入检测初始位置。测杆带动传感器分别沿大小头孔的轴线方向移动一定距离，绕 孔的轴线以非接触式旋转周，在一次扫描中完成一个轴向截面数据采集。接着重 复以上步骤，开始检测下一个截面，共沿连杆两j l 轴向截面测量5 次，完成全部数 据采集。采集的数据，由传输机构传回计算机进行处理，显示或通过打印机输出检 测结果。 2 5 综合检测仪总体方案和基本功能设计 测量系统方框如图2 2 所示： 图2 2 测量系统方框图 本系统用于内燃机车柴油机连杆尺寸和形位误差的检测，整个检测系统具有良 好地人机交换界面。系统主要由信号传输处理、控制模块和执行机构三部分组成， 主要部件有传感器、a d 转换器、连杆支架、设备驱动软件、数据传输和处理软件等。 检测系统的主要功能设计为： ( 1 ) 控制模块接收计算机面板输入的控制指令，驱动检测滑台进入检测初始位 置； ( 2 ) 传感器沿连杆孔圆周方向旋转，采集一个截面的数据回传后，沿连杆孔轴 向移动，采集下一个截面的数据并回传： ( 3 ) 信号处理与传输系统实现采样保持、提取信息处理后转换成计算机可执行 的数据，输入到计算机； ( 4 ) 计算机按建立的数学模型，对数据进行分析处理，与给定标准值比较后贮 存并显示或输出检测结果： ( 5 ) 执行机构支承被测连杆和传动系统各件，并执行控制模块的控制指令，实 4 北京交通大学工程硕士专业学位论文 第2 章检测系统总体方案设计 现准确位移。 2 5 1 数据采集、传输及处理系统 具有人机交互晃面的计算机仪器，它由硬件设备与接口、计算机、设备驱动软 件和虚拟仪器面板组成，其中硬件设备与接口可以是各种以p c 机为基础的内置功能 插卡( 如p c l 一8 3 9 ) 、通用接口总线( g p i b ) 接口卡、串行口( r s 一2 3 2 ) 、v x i 总线仪器接 口等设备，或者是其它可程控的外设测试设备。操作人员通过计算机的控制面板， 调用软面板程序，发布各项指令，通过设备驱动程序驱动机械系统带动传感器动作， 采集被测量数据，通过信号处理装置传回计算机，调动应用程序进行数据分析处理 和测量评定。整个检测系统的数据传输和处理如图2 3 所示。 传采i o应用 感 样 加接 微软件 器保 口 机存储 挂 计器 算 执驱i o 机 仃动 d a 接 ：。4 操作 一一 - 一 机 口 面板 “f 图2 3 数据传输和处理示意图 设备驱动软件是直接控制各种硬件设备接口的驱动程序，操作面板通过底层设 备驱动软件与真实的仪器系统进行直接通信，并在计算机屏幕上显示与真实仪器的 操作元素相对应的各种控件，面板应用程序负责对采集的数据进行存储、分析、图 形显示等操作，面板上的按扭对应各种功能，这样不仅充分实现单键操作和屏幕显 示，而且用户对虚拟仪器的操作比真实仪器的操作更为方便。 信号处理是为正确而有效地传送记忆信号，并从信号中抽出各种各样的信息而 实施的。从传感器装置得到的信号一般比较微弱，通常伴有噪声且不够稳定，采集 与处理模块的作用即是对这些信号进行预处理，对其进行放大、解调、滤波、线性 化等处理，将其转化成计算机可直接处理的数字信号。 信号处理单元连接传感器测头和控制系统，是课题的重要组成部分。它不但要 北京交通大学工程硕士专业学位论文第2 章检测系统总体方案设计 接收来自传感器的输出数据，对其进行信号预处理和数据分析，而且还要实现检测 系统的运动功能，并不断调整检测系统。 2 5 2 传感器 传感器的作用主要是获取信息，它是将各种外界信号变成可以直接测量信号的 一种器件。在现在的社会中所有以计算机为核心的检测系统都需要传感器，而系统 中的信息存储、处理、转换等多与计算机直接相关，属共性技术，而传感器的形式 千变万化，所以系统的功能较多的体现在传感器方面。用来检测几何量的传感器应 用最普及最广泛的有电阻式、电感式、电容式、电涡流式传感器。随着激光、光纤 技术和电子技术的发展，利用激光、光栅、射线及超声波技术的传感器检测已获得 了广泛的应用。本检测系统采用的是德国米铱测试技术公司生产的激光三角位移传 感器i l 叭4 0 0 一l o ，它是非接触激光位移传感器。 2 5 3 软件系统 软件部分主要由工控机和个人计算机组成，主要发号动作命令，对采集的数据 进行处理，对结果进行评定并输出结果。工控计算机是检测系统的主处理器。其中 整个检测装置运动的控制是由计算机通过电机控制卡( p c 一3 8 9 ) 来实现的，该卡是 一种智能化接口卡，能直接插入p c 机和工控机插槽的扩展接口中。通过电机控制卡， 可实现激光位移传感器的精确旋转和滑台水平方向的准确移动。 2 5 4 执行系统 根据连杆的形状和测量要求，为保证测量系统具有较好的结构稳定性、较强的 抗干扰能力、高的测量精度和数据采样保持能力，确定检测装置采取卧式结构，并 采用非接触式测量，其结构如图2 4 所示。机械装置主要由连杆架组件、滑动平台、 底座、测杆组件、传动系统、直线导轨滑块组成，主要实现测件定位和传输驱动以 及数据采集。被测连杆1 6 固定在支架上，两个交流伺服电机l l 通过同步带驱动两 个激光传感器1 4 同时作圆周运动，完成一周检测后，交流伺服电机5 通过滚动丝杠 与螺母的传动驱使工作滑台2 沿连杆孑l 的轴线移动，重复上述过程，连续测得几个 不同截面完成整个被测件数据的采集。 北京交通大学工程硕士专业学位论文第2 章检测系统总体方案设计 图2 4检测系统机械装置示意图 1 工作台2 滑台3 滚动导轨4 滑块5 ( 1 1 ) 6 ( 1 0 ) 谐波减速器7 滚动丝杠8 螺母9 同步带传动 1 3 传感器引线 1 4 传感器1 5 被测连杆1 6 连杆支架 伺服电机 1 2 测轴 2 5 4 1 连杆架支架如图2 5 所示，分别以连杆小头和大头外形取3 点定位( 其 中小头取2 点、大头取i 点) ，在连杆大头孔位置以两个压杆夹紧。此定位和夹紧方 式完全采用连杆大小头孔制造过程中的定位和夹紧方式，保证测量基准与制造基准 的统一，减小了测量误差。为使测量系统不受连杆外形尺寸的影响或者检测装置能 更大范围的适用于不同尺寸连杆( 如2 4 0 、2 8 0 ) 的检测，定位机构特设计成可调机构。 北京交通大学工程硕士专业学位论文第2 章检测系统总体方拳设计 向 图2 5连杆组件 2 5 4 2 滑动平台采用铸件结构，保证平台的刚度和强度，同时为保证主轴座和 座架的运动精度，要求4 一由1 2 的孔与主轴座和座架的组件上相应的孔配做，滑动平 台采用直线导轨。 2 5 4 3 底座主要是机械部分的支承装置，所有的机械设施均座落在底座上。为 保证检测系统的稳定性和刚度，本方案采用铸件结构。为减小测量装置的整体重量， 本方案采用中空结构。 2 5 4 4 测杆组件伺服电机驱动谐波传动装置带动大小带轮转动，从而带动主轴 绕连杆两孔轴线转动，传感器扫描被测表面完成数据采集。为保证测量系统的运动 精度，大小带轮采用配套件，主轴采用具有预紧力的精密轴承，以消除其轴向间隙， 确保其转动时径向跳动公差小于o 0 0 5 m m 。 2 5 4 5 传动系统交流伺服电机驱动谐波减速器运动，从而驱动滚动丝杠转动， 通过丝杠配合的螺母驱使工作滑台2 沿连杆i l 的轴线移动。 2 6 设计中重点研究的问题 2 6 1 运动系统的精度和结构的稳定- 陛 为保证检测系统的稳定性，本方案反复比较，确定采用卧式结构以提高其刚度 和强度。为减少干扰和环境变化的影响，本检测系统除提出地基的减振和抗干扰捂 施外，更要求检测仪与被测件同处相同的环境，以减少环境量的影响。为保证检测 北京交通大学工程硕士专业学位论文第2 章检测系统总体方案设计 仪的刚度和传动系统的精度，在本方案确定中先后多次聘请工厂多年来从事非标检 具设计和青造的高级工程师进行方案评审，对各部件的强度、刚度进行了理论与实 际相结合的论证，对影响运动精度的偶件( 包括轴承、丝杠和滑块、同步带轮、谐 波器、导轨) 进行细致比选，均以配套件束保证其配合精度。为避免两测杆运动的 同步误差，本系统采取测杆运动到指定位置后两传感器单独测量数据，分别完成大 小头孔数据采集，传输回数据处理系统进行数据分析。其中两个测轴1 2 是检测系统 的一个很重要的部分，它旋转的稳定性在很大程度上影响着系统的检测精度。根据 检测需要，要求测轴偏摆小，运行匀速平稳，定位精度高，且安装空间和位置都已 经限定。因此，为了减少体积保证精度，提高工作的可靠性，本方案采用了精密 轴承。 2 6 2 传感器的选择 由于自动检测系统的要求各异，用于同一目的的检测系统可以采用不同的方案： 同一类型的传感器又往往可以用于多种检测目的，因此，在建立自动检测系统时， 对众多的传感器如何正确、合理地选用，往往会感到无所适从，而这恰恰又是影响 检测系统成败的关键。传感器作为自动检测系统的入口，通常需要能快速、准确、 可靠、经济地实现信息转换。本检测仪在综合考虑检测仪的使用目的、精度、环境 条件、被测对象状况和输出信号等要求后，采用德国米铱测度技术公司生产的 i l d l 4 0 0 一l o 型激光三角位移传感器，利用光三角反向原理非接触式测量，由传感器 输出的光速经聚集，成为一束极细小的光点投射到测量体表面，并通过成像折射到 灵敏的光学性检波器上。 2 6 3 测点的选择 现有的检测方法中，均是在定数量的采样点位置上对工件表面进行扫描测量 的，这样，测头所拾取的只是被测表面全部要素中的一部分，而且又是离散的，并 非是全部信息。因此，如何正确选取采样间距和采样频率就显得十分重要。如果间 距过大，采样点过少，则丢失信息太多，不能真实地反映被测要素，影响测量结果。 一般说来，此时结果有偏小的趋势。反之，采取间距过小，采取频度过高，则容易 引入一些干扰信号和其它无用信号，同样给测量带来影响，而且还给出大量无用数 据，使测量和评定效率下降，此时测量结果一般偏大。此外，采用不同的采样间距 测量时，得到的测量结果一般也是不一样的。本方案经理论和经验论证，采用等闻 距法采样，在一个圆周截面上等角度采样3 6 个点，较好地解决了此问题。 9 北京交通大学工程硕士专业学位论文第2 章检测系统总体方案设计 2 6 4 测量影响量的控制 本检测仪激光测头采取非接触式采样，避免了由于被测件表面的变化对测量真 值的影响。因此，本检测系统的误差主要来源是传感器的稳定性、机械传动系统( 包 括导轨、测轴精度、测轴与被测件两孔中心差) 运动和配合精度。对传感器稳定性 和传动系统精度除2 4 1 、2 4 4 和2 4 5 的方法来削除和减少误差外，本方案还采 取固定测量人员、固定测量方法，以保证测量的复现性。同时本系统除定期对机械 系统和传感器进行检定校准外，软件系统设最了自校功能，且委托大连厂设计并制 做了标准连杆，以定期对整个系统进行标定，然后，对标定结果进行分析，采取相 应的措施修讵和补偿误差，保证测量精度。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 第3 章检测系统的硬件设计 第3 章检测系统的硬件设计 硬件是检测系统工作的基础，它的主要功能是完成对被测信号的采集、处理、 测量结果显示及系统运动的实现等。硬件部分一般由感知器件、过程通道、微型计 算机及人机联系设备等部分组成。 本系统的硬件主要由传感器、a d 转换器、电机控制卡、工业p c 机以及交流伺 服电机等组成。 3 1 传感器的设计 传感器作为在线、自动检测系统的入口，通常需要能快速、准确、可靠、经济 地实现信息转换、对其基本要求可概括为如下几个方面： ( 1 ) 性能满足测量要求，即：具有足够大的测量范围、灵敏度、精度和响应速 度，并有一定的过载能力： ( 2 ) 与测量、控制系统相匹配； ( 3 ) 对被测对象的干扰和影响小； ( 4 ) 使用安全、可靠、长期稳定性好： ( j ) 具有良好的环境适应性，抗干扰能力强； ( 6 ) 能互换一更换时不需要对其尺寸的参数进行调整，就能满足使用要求； ( 7 ) 使用经济，价格低廉、寿命长、使用、维修和校准方便。 由于在线、自动检测系统的要求各异，用于同一目的的检测系统可以采用不同 的方案：同一类型的传感器又往往可以用于多种检测目的。因此，在建立在线自动 检测系统时，应该对传感器的使用目的、精度、环境条件、被测对象和输出信号要求 等作全面综合考虑，使所选传感器既能胜任工作，又不奢求过高性能，以取得最佳 性能价格比。且由于在线自动检测系统的传感器长期、连续地工作在生产现场，尤 其应注意其工作可靠性、长期稳定性及对环境的适应能力。问题的关键在于如何正 确掌握这个“度”，恰到好处地将上述要求融汇到某个( 或某种) 传感器上“。 传感器作为在线自动检测系统的信息感知、获取的基本器件，使其发挥应有作 用，要解决的核心问题是： 1 传感器的合理选择与正确使用： 2 传感器的定标调整和补偿； 北京交通人学工程硕士专业学位论文第3 章检测系统的硬件设计 3 传感器与系统检澳通道正确接口。 随着信息时代的来临，作为获取信息重要手段之一的光电型几何量精密测量用 传感器电目益受到了广泛的重视，显然科学技术和工业的发展对测量技术及相应的 测量仪器提出了越来越高的要求。精密测量用激光传感器与其它非接触式原理诸如 电容式、涡流式、超声波式和s 删( 标准电子组件) 等测量方法相比，具有受环境影 响小、工作距离大、测量精度高和可测非金属表面等优点。精密测量用激光传感器 可以分为两大类： ( 1 ) 几何光学类，其中主要有基于光切法的投影式、基于离焦法的临界角焦 点检出式、基于光束散射法的光散射式、基于三角法的光学三角法式； ( 2 ) 物理光学类中大都是基于光干涉原理，如于涉条纹计数式、微分干涉方 式以及差动干涉方式等u 。 数据采集系统的信号是由传感器