（机械制造及其自动化专业论文）珩磨机气动测量系统的结构优化及精度分析研究.pdf

硕 ：学位论文 摘要 珩磨是精整加工的一种加工工艺。它不仅能去除预留的加工余量，而且是一 种提高工件尺寸、几何形状精度和表面光洁度的有效加工方法。珩磨技术现已成 为发动机气缸套、气缸体孔以及工程机械中重要的液压缸等精密偶件孔加工必不 可少的工艺技术。影响珩磨加工精度的因素很多，其中气动测量系统是影响精度 的重要因素之一，气动测量因其具有测量精度高、稳定性好、能够实现非接触式 测量等优点，在珩磨加工中得到了广泛的应用。 本文首先根据珩磨机气动测量系统的基本运行原理，得到了气动变换环节的 特征曲线，为结构设计与优化提供理论依据。利用g a m b i t 对测量系统的关键部位 进行网格化划分，设定边界条件及能量方程，并通过f l u e n t 流体仿真软件对关 键部位进行模拟仿真，分析压力、气体流速以及温度的变化，总结变化规律，得 到了适合于珩磨机气动测量的喷嘴分布结构以及优化后的护板结构。最后，利用 在珩磨过程中的三截面测量，针对各种不同的加工件内孔形状，建立测量点位置 的数学关系和优化后的三截面测量实现方法，提出了改善加工件珩后形状的优化 方案，利用c 语言对部分加工过程进行编程控制，使三截面测量得到了很好的应 用。 另外，本文通过对特性曲线的分析研究，提出了平衡时间的概念。并以平衡 时间为目标，重点研究护板的厚度、长度、曲率半径等因素与平衡时间的关系。 为进一步研究珩磨机气动测量系统的结构优化提供了新思路。 关键词：珩磨机；结构优化；精度分析；平衡时间；气动测量系统 一 珩磨机气动测量系统的结构优化及精度分析研究 a b s t r a c t h o n i n gi sam a c h i n i n gp r o c e s so ff i n i s h i n g i tc a nn o to n l yr e m o v et h er e s e r v e d p r o c e s s i n ga l l o w a n c e ，b u ta l s oi sak i n do fe f f e c t i v ep r o c e s s i n gm e t h o dw h i c hc a n l m p r o v et h ew o r k p i e c es i z e ，s h a p ep r e c i s i o na n ds u r f a c es m o o t h n e s s i ti s a n i n d i s p e n s a b l ep r o c e s st e c h n o l o g yo fh o n i n gt e c h n o l o g y , w h i c hh a s w i d e l yu s e do n e n g i n ec y l i n d e r , t h ec y l i n d e rb l o c kh o l e ，h y d r a u l i c c y l i n d e ra n do t h e rp r e c i s i o n w o r k p i e c ep r o c e s s i n g t h e r eh a v em a n yf a c t o r st oa f f e c tt h em a c h i n i n ga c c u r a c vo f h o n i n g o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o ri sp n e u m a t i cg a u g i n gs y s t e m p n e u m a t i c g a u g i n gh a saw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o no nt h ea r e ao fh o n i n gc a u s ei t sh i g hg a u g i n g p r e c i s i o n ，g o o ds t a b i l i t y , a n dc a nr e a l i z en o n c o n t a c tg a u g i n g f i r s t l y , o nt h eb a s i so ff u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo fp n e u m a t i cg a u g i n gs y s t e mo f h o n i n gm a c h i n e ，g e tp n e u m a t i ct r a n s f o r m f o u n d a t i o no fs t r u c t u r a ld e s i g na n do p t i m i z e 1 i n k i n d i c a t r i x ，p r o v i d et h e o r e t i c a l u s eg a m b i tp r o c e s sg r i d sd i v i d e d ，s e t b o u n d a r yc o n d i t i o n sa n de n e r g ye q u a t i o n ，a i ma tc r i t i c a l c o m p o n e n t u s ef l u n t s i m u l a t i o ns o f t w a r et os i m u l a t i o na n a l y s i s ，s u mu pr u l e so np r e s s u r e ，v e l o c i t yo f t h e g a s c h a n g eo ft h et e m p e r a t u r e l a s t ，u s et h r e es e c t i o nm e a s u r i n g ，a i ma ta l lk i n d so f s h a p eo fw o r k p i e c e ，e s t a b l i s hi t “i m p l e m e n t a t i o nm e t h o d s ，p u tf o r w a r dp r i o r i t i z a t i o n s c n e m eo ft h r e es e c t i o nm e a s u r i n g ，m a k eu s eo fc p r o g r a m m i n gl a n g u a g et op r o c e s s p r o g r a m m a b l ec o n t r o l ，m a k et h et h r e es e c t i o nm e a s u r i n gg e ta v e r yg o o da p p l i c a t i o n m o r e o v e r , t h r o u g ht ot h ea n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c c u r v e ，p u tf o r w a r dt h e c o n c e p to fb a l a n c et i m e ，a n dr e g a r db a l a n c et i m ea sat a r g e t ，a n a l y s et h er e l a t i o n so f g u a r db o a r d st h i c k n e s s ，l e n g t h ，r a d i u so fc u r v a t u r ew i t hi t s u p p l yn e w t h o u g h tf o rt h e s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o no f h o n i n gm a c h i n ep n e u m a t i cg a u g i n gs y s t e m k e yw o r d s ：h o n i n gm a c h i n e ；a c c u r a c ya n a l y s i s ；s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n ；b a l a n c e t i m e ；p n e u m a t i cg a u g i n gs y s t e m n 硕十学位论文 插图索引 图1 1 应用珩磨加工的部分领域2 图1 2 珩磨加工成型原理5 图1 3 轴承外滚道珩磨5 图1 4 美国爱德蒙得公司高精度数显气动量仪9 图2 1 气动测量基本流程图l l 图2 2 珩磨机气动测量系统的结构示意图1 l 图2 3 背压式气动测量原理图1 2 图2 4 背压间隙特征曲线1 3 图2 5 差压式气动测量原理图1 3 图2 6 差压一间隙特征曲线1 4 图3 1 喷嘴挡板机构示意图1 9 图3 2 一对对向配置喷嘴的结构示意图2 4 图3 3f l u e n t 的基本控制体形状2 5 图3 4 读入网格文件的信息反馈2 6 图3 5 流体物理属性设置图2 7 图3 6 ( 一对) 对向配置喷嘴条件下的压力变化图2 7 图3 7 ( 一对) 对向配置喷嘴条件下的速度变化图2 7 图3 8 ( 一对) 对向配置喷嘴条件下的温度变化图_ 2 7 图3 9 ( 两对) 对向配置喷嘴条件下压力变化图：2 8 图3 1 0 ( 两对) 对向配置喷嘴条件下速度变化图2 8 图3 1 1 ( 两对) 对向配置喷嘴条件下的温度变化图：2 8 图3 1 2 喷嘴数目变化下的速度对比图2 9 图3 1 3 喷嘴数目变化下的温度对比图2 9 图3 1 4 喷嘴数目变化下的压力对比图2 9 图3 1 5 具有一定角度的测量喷嘴配置方式3 0 图3 1 6 喷嘴夹角= 5 0 时的压力变化图3 l 图3 1 7 喷嘴夹角= 5 0 时的速度变化图3 i 图3 1 8 喷嘴夹角= 5 0 时的温度变化图3 l 图3 1 9 喷嘴夹角= 1 0 0 时的压力变化图3 1 图3 2 0 喷嘴夹角= 1 0 0 时的速度变化图3 l 图3 2 l 喷嘴夹角= 1 0 0 时的温度变化图3 2 图3 2 2 喷嘴夹角= 1 5 0 时的压力变化图3 2 图3 2 3 喷嘴夹角= 1 5 0 时的速度变化图3 2 i i i 珩磨机气功测量系统的结构优化及精度分析研究 图3 2 4 喷嘴夹角= 1 5 0 时的温度变化图3 2 图3 2 5 喷嘴夹角变化下速度对比图3 3 图3 2 6 喷嘴夹角变化下温度对比图3 3 图3 2 7 喷嘴夹角变化下的压力对比图3 3 图4 1 越程量a 与珩后加工件内孔形状的关系3 5 图4 2 不同测量喷嘴孔径下的背压特性曲线3 6 图4 3 气动测量修正柱度示意图3 7 图4 4 最佳适应控制框图3 7 图4 5 测量点位置示意图3 8 图4 6 珩磨机三截面测量示意图4 0 图4 7 可编程控制的珩磨系统框图4 l 图4 8 加工件腰形误差的形状修复4 2 图4 。9 加工件鼓形误差的形状修复一4 2 图4 1 0 加工件梯形误差的形状修复4 3 图4 1 1 加工件倒梯形误差的形状修复4 3 图4 1 2 刀具无条件驶出控制4 4 图4 1 3 刀具有条件驶出控制4 4 图4 1 4 折返控制4 5 图4 1 5 行程速度控制4 5 图5 1 珩磨头连杆与夹具自由度配置形式4 6 图5 2 珩磨测量头结构图4 8 图5 3 双进给珩磨头局部结构图4 8 图5 4 护板厚度与气压平衡时间关系曲线4 9 图5 5 气体绕内凹壁流动的激波5 0 图5 。6 压缩波聚集成的激波5 0 图5 7 带测量喷嘴的护板局部示意图5 2 图5 8 护板面上不同倒角示意图5 2 图5 9 护板面上倒角为3 0 0 情况下的速度变化图5 3 图5 1 0 护板面上倒角为4 5 0 情况下的速度变化图5 3 图5 1 1 护板面上倒角为3 0 0 情况下的温度变化图5 3 图5 1 2 护板面上倒角为4 5 0 情况下的温度变化图5 3 图5 1 3 护板面上倒角为3 0 0 情况下的压力变化图5 3 图5 1 4 护板面上倒角为4 5 0 情况下的压力变化图5 3 图5 1 5 护板面上倒角变化下的速度对比图5 4 图5 1 6 护板面上倒角变化下的温度对比图5 4 t v 硕十学位论文 图5 1 7 护板面上倒角变化下的压力对比图一：5 4 图5 1 8 护板面上圆角为3 0 0 情况下的速度变化图5 5 图5 1 9 护板面上圆角为4 5 0 情况下的速度变化图5 5 图5 2 0 护板面上圆角为6 0 0 情况下的速度变化图5 5 图5 2 l 护板面上圆角为3 0 0 情况下的温度变化图5 6 图5 2 2 护板面上圆角为4 5 0 情况下的温度变化图5 6 图5 2 3 护板面上圆角为6 0 0 情况下的温度变化图5 6 图5 2 4 护板面上圆角为3 0 0 情况下的压力变化图5 6 图5 2 5 护板面上圆角为4 5 0 情况下的压力变化图5 6 图5 2 6 护板面上圆角为6 0 0 情况下的压力变化图5 7 图5 2 7 护板面上圆角变化下的速度对比图5 7 图5 2 8 护板面上圆角变化下的温度对比图5 7 图5 2 9 护板面上圆角变化下的压力对比图5 7 v 珩磨机气动测量系统的结构优化及精度分析研究 曼璺曼曼曼曼量曼皇曼曼皇曼量曼量蔓皇曼皇鼍i i i 量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇皇曼曼曼曼皇寰皇曼曼曼鼍曼皇舅量曼曼曼葛曼曼皇曼曼笪皇量曼皇曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼皇 附表索引 表1 1 气动测量系统的技术指标4 表2 1 几种异型管道的临界雷诺数1 7 表3 1 测量系统工作方式变化表2 0 表3 2 一对对向喷嘴配置条件下的参数设置2 6 表3 3 喷嘴夹角= 5 0 条件下的参数设置3 0 表4 1 工件内表面形状判定表3 9 表5 1 护板面上倒角为3 0 0 和4 5 0 条件下的参数设置5 2 v i 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 前言 珩磨技术是随着汽车的诞生和发展应运而生的。为了提高发动机的性能，延 长汽车的寿命，人类发明了珩磨技术【l 2 】。 珩磨技术现已成为发动机气缸套、气缸体孔以及工程机械中重要的液压缸等 精密偶件孔加工必不可少的工艺技术。通过良好的珩磨，在发动机方面，大大缩 短了跑合时间，减少了燃料消耗，避免了孔的拉毛划伤。在液压偶件孔方面，它 通过工作表面均匀的油膜，大大提高了偶件间的配合精度，增强密封性能，提高 液压系统的稳定性与功率增长。珩磨工艺的质量直接影响气缸套、气缸体、液压 缸等关键基础件的使用寿命，决定了发动机的大修时间、油耗和尾气排放以及液 压系统的稳定性与可靠性。目前珩磨技术已成为汽车行业必不可少的关键制造技 术之一。实践表明，珩磨技术不仅可以用于汽车、拖拉机气缸、曲轴的制造，而 且可以广泛应用于飞机、坦克、液压气动、雷达、油泵油嘴等制造领域。 珩磨是精整加工的一种加工工艺。它不仅能去除预留的加工余量，而且是一 种提高工件尺寸、几何形状精度和表面光洁度的有效加工方法f 3 】。其主要特征在于： 不仅加工精度高( 工件表面光洁度能提高到r ：0 1 9 m 以上，而且能使零件加工尺 寸精度提高，圆度能达到0 0 0 5 m m 0 0 0 1 m m ，甚至达到0 0 0 0 2 m m ，柱度可达到 0 o l m m 0 0 0 1 m m ，轴向直线度可达1 p r o ) ，尤其是在珩磨后的加工面上形成交叉 网纹，不仅有利于润滑油的贮存及油膜的保持，大大改善了高速运动配合件的工 作条件，提高其运行速度和使用寿命。并且具有较高的表面支承度( t p ) ，因此能 承受较大的载荷，从而延长工件使用寿命。由于珩磨速度低，油石与孔是面接触， 因此每一磨粒的平均磨削压力很小，工件的发热量就很小，工件可能产生的变形 量也小，工件表面几乎没有热损伤和变质层，适应于加工相对运动精度高的精密 部件。 影响珩磨机加工精度的因素很多，其中气动测量系统是影响精度的重要因素 之一。气动测量分为差压式和背压式测量两种类型【3 ，4 】。因其具有测量精度高，稳 定性好，对环境要求不高、能够实现非接触式测量等优点【5 】，在珩磨加工中得到了 广泛的应用。气动测量的珩磨头系统由手动阀门、压力继电器、分水滤气器、精 过滤器、电磁阀、减压器、气动量仪、喷嘴、旋转密封头等组成。 气动测量的精度问题是珩磨加工中的关键，气动测量不仅为后续珩磨提供反 馈，指导加工过程的有序、准确进行。而且对于提高生产效率和加工质量，减轻 劳动强度，发挥重要的作用。当前的很多研究，将重点放在了改善气动量仪性能， 或者选择更优良的控制电路方面。而对测量系统本身的结构优化研究不多，没有 l 珩磨机气动测量系统的结构优化及精度分析研究 优化的测量结构是制约测量精度发展的一个重要因素。因此，对珩磨气动测量系 统的结构优化分析将是提高气动测量精度的关键所在。 ( a ) 气缸套 ， 豫 1 2 课题来源 ( b ) 曲轴 ( c ) 飞机( d ) 油泵喷嘴 图1 1 应用珩磨j g _ t _ 的部分领域 本课题来源于“高档数控机床与基础制造装备 国家重大科技专项一一“高 档数控珩磨机 ( 项目编号：2 0 0 9 z x 0 4 0 0 1 1 8 1 ) ，本研究内容属于“数控珩磨机自 动测量技术研究 的子项目任务。 我国珩磨加工技术的研究，主要还停留在国际引进，只局限于对珩磨头制作 以及砂条选材研究等较低层次。纵观国内采用珩磨加工工艺的各制造厂家，能生 产出合格的平顶珩磨网纹只有少数几家，而且都是依靠花高价外汇购置的外国品 牌珩磨机床来实现的。不仅如此，国内厂家在珩磨工艺参数方面的研究也几乎是 空白，对珩磨加工要求控制的参数也仅有r 。、r ：、f 瓶等少数几组，根本无法满足现 代工业，尤其是汽车工业的技术需求。 “高档数控珩磨机”项目是针对国内市场需求现状，研制出具有当今国际先 进水平的高档珩磨机床。提高发动机气缸套、气缸体等关键磨损件的珩磨加工质 量，改善偶件间的配副性能，减少磨料、磨粒磨损速度，从而大大延长发动机使用 寿命，降低油耗，改善尾气排放性能，推动我国发动机制造技术的发展。形成自有 知识产权，并扩大生产能力，以品种、质量、功能、价格和服务优势占领国内市 场。 本论文针对“数控珩磨机自动测量技术研究”子课题，主要通过对珩磨机气 2 礁一赫琵秘“ 硕t 学位论文 动测量系统气路的研究，分析影响其效率和精度变化的各项结构参数，利用 f l u e n t 进行流体仿真，分析气动测量系统中的气压、气体流速以及温度变化， 得到优化的珩磨机气动测量结构参数，从而达到气动测量系统的结构优化，并最 终应用于较高精度的珩磨机气动测量。 1 3 珩磨j j n - r 过程的尺寸测量类型 珩磨机的尺寸测量方法，包括机械式直接测量，人工经验检测以及气动式测 量。测量的参数包括表面粗糙度、圆柱度、直线度等。珩磨加工过程的尺寸测量 类型可分为以下几类： ( 1 ) 无尺寸控制装置 停机测量，由操作者经验手动控制尺寸，如m 4 2 1 5 机床。结构简单，劳动强 度大，生产效率低，废品率高。 ( 2 ) 非尺寸测量 a 、时间控制：如m b 4 2 1 5 机床，由时间继电器控制，经历低压预珩、高压余 量去除、低压修光三段加工时间，靠经验保证尺寸。当油石、工件差异引起加工 时间变化时，会影响尺寸一致性，一般尺寸精度为o 0 2 - 0 0 5 m m 。 b 、进给量控制：如m b 4 2 1 5x3 2 机床，以机构设定快进、工进及快退的进给 量，有油石磨损补偿及加工系统误差再补偿功能，油石磨耗及前序尺寸差异均影 响尺寸一致性，但使用本身磨耗很小的金刚石油石时，也可以得到比较高的尺寸 精度，一般为0 0 0 5 0 0 2 m m 左右。 ( 3 ) 机械式直接测量 a 、接触式：结构有多种形式，如机械塞规式，该测量装置又分为上置式、下 置式( 如m b 4 1 5 z x 2 5 机床) ，规杆式、扩张规式等。接触式测量有测量痕迹，塞 规与工件孔的不同轴、测量表面的不清洁等因素会影响测量精度，检验部位一般 只在塞规放置的孔端，塞规测头磨损后须经常调整或更换。优点是结构简单，比 较可靠，测量精度可以达到0 0 0 5 0 0 1 5 m m 左右。 b 、非接触式：如环规式( 英国琼斯公司7 3 8 机床) 。与油石一起磨损的塑料 块加工中复印工件孔的尺寸，每个往复均进入测量环规的孔中，当达到予定尺寸 时，摩擦力带动环规克服簧片力量而旋转，压电器开关发出停止进给的指令。工 件孔中没有测量痕迹，测量精度可达到0 0 0 5 0 0 1 5 m m 左右。 ( 4 ) 气动式直接测量【6 】 此种类型又分为气动塞规式或气动测量珩磨头。其测量喷嘴分别设在塞规或 珩磨头上。当测量喷嘴在工件孔中时，工件直径尺寸的大小，测量喷嘴与档板( 工 件内壁) 的间隙s 以及测量压力名在s 变化的一定范围内呈现如下的函数关系： 匕2 瓦南可 “1 p 式中，为测量压力；乞工作压力；a = 4 d ：a , ；面、吃为量仪入口和喷嘴 珩磨机气动测量系统的结构优化及精度分析研究 直径；一气动系统流量系数；卜测量间隙。 在气动测量的过程中，由于只，变化，使得量仪下腔压力只改变，量仪的薄膜 或波纹管变形，发出测量讯号。气动测量是非接触式，喷嘴与工件表面不接触， 可在工件全长范围测量，测量时喷嘴处的气流还可以吹净被测表面，在量仪的线 性范围内有较高的测量精度，一般为o 0 0 4 0 0 0 8 m m ，目前在珩磨加工中得到广 泛的运用。 在对珩磨机自动测量技术的研究中，通过设计不同的结构参数搭配，使气动 测量系统中要实现的技术指标如表1 1 所示。 表1 1 气动测量系统的技术指标 1 4 珩磨工艺的技术应用 珩磨加工是基于三方相关原理( 即俗称三块平板互研的原理) 的加工工艺。 如图1 2 所示为珩磨成型原理图，在假设的珩磨标准条件下，即油石每一次往复时， 约回转2 转。将工件内孔展开为a e f d 的长方形。此时，令油石z 1 的切削面为a ， 工件上半部a b c d 为b ，工件下半部b e f e 为c 。在油石做往复和旋转运动的过程中， 首先a 、b 两面互研，油石中凸出的磨粒像木工刨床的刨刃一样去除工件的高点， 同时，油石的高点也在运动中受到磨耗而脱落，被切削液冲掉。当z l 油石运动到 c 面上时，a 、c 又互研，原a 受到b 的影响，在a 、c 互研中传递给c 面，通 过运动，产生了新的表面a 、b ，、c 。这种不断互研传递影响的过程中，修正了 原有的面，又创造了新的面。油石表面和工件表面最大的贴合，这就是珩磨的三 方相关原理。 实践表明，珩磨加工具有较强的应用性和经济性，具体表现在： ( 1 ) 发动机行业采用珩磨加工缸孔，具有较高的生产效率。如大河机床厂生 产的半自动珩磨机床，磨削s 1 9 5 缸套，在2 0 秒钟可以去除0 1 5 m m 的余量。采 用自动测量后，机床可以实现全自动循环，生产率达到8 0 1 0 0 件小时。珩削内 表面可以获得理想的网纹角和表面质量。 ( 2 ) 机床等行业采用珩磨加工箱体孔、尾座孔、发动机曲轴孔等零件，在一 些较长的问断孔上采用长珩磨头可以获得高的形状及尺寸精度，保证间断孔的直 线度及同轴度，使产品的性能大大提高。如某机床厂采用金刚石珩磨头珩削坐标 4 硕上学位论文 镗床箱体孔( 1 2 0 h 5 x 3 2 0 m m ) ，可达到粗糙度r 。0 1 尺a 0 2 ，不直度o 2 5 o 7 1 x m ， 圆度1 2 1 t m ，锥度1 - 3 9 m ，比研磨加工提高工效3 倍，减轻了工人劳动强度，防 止了废品的发生。 图1 2 珩磨加工成型原理 ( 3 ) 轴承行业使用珩磨加工轴承内外环的圆滚道，由条状油石作进给和摆动 运动，工件旋转。新工艺代替磨削和抛光加工作最终工序，滚道直径的圆度由磨 削的1 2 5 1 , t m 提高到0 6 3 1 t m ，曲线尺差别不超过o 5 1 a m ，表面粗糙度达到r a 0 0 2 5 ， 轴承的精度得到了提高，从而减少了摩擦及噪音。 图1 3 轴承外滚道珩磨 ( 4 ) 液压件行业采用珩磨作为阀体孔、油缸孔的最终加工，可以比较经济的 获得较高的形状精度、表面粗糙度和尺寸精度，减少运动摩擦力及内泄漏，使液 压元件动作灵敏、可靠，性能大大改善。在液压件元件的生产中采用专用珩磨机 床进行加工由1 6 m m 的阀孔，在4 0 秒钟内迅速将原来圆度及柱度误差o 0 2 m m 的被 加工件，提高到o 0 0 3 m m 以内，短时间精度提高数倍。 ( 5 ) 医疗器械行业采用外球面珩磨机床珩磨加工人造股骨的髋关节球部，珩 磨加工的产品直接在人体上收到良好效果，扩大了珩磨的范围。 珩磨机气动测量系统的结构优化及精度分析研究 1 5 国内外研究现状 随着工程技术领域对发动机运行机理的深入研究，对珩磨工艺技术提出了更 高的要求，由2 0 世纪7 0 年代以前单纯追求珩磨工艺获得内壁尺寸高精度的尺寸 公差和形位公差，发展到当今在控制尺寸精度和形位公差的同时，更注重控制珩磨 网纹的微观结构( 如网纹石墨裸露率、表面金属折皱、波峰与波谷形态等) ，研究不 同珩磨类型的适用性( 如镜面和平台网纹等) 。在国内发动机气缸套、气缸体以及工 程机械液压系统制造业，现普遍采用珩磨加工技术，但珩磨工艺水平较低。 气动测量是一种较为古老而又成熟的精密测试技术【4 1 ，目前仍在继续发展。在 古代我国就有人利用简单的水柱式压力机来了解炉内的燃烧情况。1 9 1 4 年，世界 上出现了最早用喷嘴挡板机构来反映空气压力变化的测量方法。1 9 3 2 年，国外有 人在气动测量系统中采用了差动气路，使得气动测量的精度有了较大的突破。二 战期间，由于军事工业的迅速发展，对精密测试技术的要求不断提高，作为精密 测试技术的气动测量技术得到了较快的发展【5 】。 当今气动测量技术广泛应用于珩磨加工中，我国在气动测量技术方面与国外 还存在一定的差距，虽然较早的应用了气动测量技术，但大多处于初始阶段。新 中国成立后，我国先后在大连、哈尔滨、成都、上海等地建立了研究机构，对气 动测量技术及其应用方面进行深入的研究。经过几十年的发展，气动测量技术已 形成为一门独立的应用技术。 现将与本课题方向有关的国内外研究现状分析如下。 1 5 1 国内研究现状 1 5 1 1 国内珩磨机研究现状 珩磨加工在我国是2 0 世纪4 0 年代开始应用的，当时只有几家工厂有为数很 少的进口珩磨机床，或用手电钻来珩磨。新中国成立后，随着社会主义建设的发 展，珩磨加工逐渐增大了应用的行业，并开始自己生产珩磨机床。 ( 1 ) 1 9 5 5 年，沈阳中捷友谊厂( 原沈阳第二机床厂) 等厂家开始生产简易珩 磨机床。从1 9 5 8 年开始，中捷友谊厂先后仿制生产了m 4 2 1 6 、m 4 2 2 0 、m 4 2 5 0 等 中型立式珩磨机床，1 9 6 6 年宁夏大河机床厂结合我国国情，第一次自行设计制造 了适合修配行业、小批量生产用的m 4 2 15 珩磨机。之后又相继发展了大批量生产 用的缸套珩磨机、缸体珩磨机、自动测量珩磨机、平顶珩磨机等几十种系列珩磨 机床和数百种专用珩磨机床。 ( 2 ) 我国珩磨机床，加工直径的范围为由3 d p 5 0 0 m m ，在加工长度方面，最大 能达到立式：2 5 0 0 m m ；卧式：1 0 0 0 0 m m ，从而形成了较完整的系列。近年间 大河机床厂、芜湖重型机床厂、德州机床厂等厂家先后引进国外技术，生产了一 些新的珩磨机床。我国珩磨机床年产量约6 5 0 台，约占全国机床总产量的o 5 左 6 坝t 掌位论文 右。 ( 3 ) 1 9 7 8 年，我国在宁夏成立了第一所珩磨机床专业研究所，负责我国珩磨 机床的行业工作。珩研所的成立，促进了我国珩磨专业的理论和科研工作的发展， 一些成果先后涌现出来。如气动测量系统：尺寸分散度0 o l m m ，加工缸套生产 率由3 0 4 0 件d , 时，提高到8 0 1 0 0 件d , 时，废品率由6 下降为0 2 ；高精 度阀孔珩磨机：加工工件椭圆度达0 0 0 2 m m ，柱度达0 0 0 3 m m ：盲孔珩磨机： 往复换向精度为同速0 0 6 r a m ，异速0 6 m m ：顺序珩磨机：加工零件尺寸一致性、 圆度、圆柱度在o 0 0 2 m m 以内：平顶珩磨机：加工缸套达到上海内燃机研究所 制定的平顶网纹要求。这些成果都分别达到或接近世界先进水平。 1 5 1 2 国内气动测量研究现状 目前，国内气动测量及其设计参数优化的研究主要集中在哈尔滨工业大学与 合肥工业大学。其中，合肥工业大学仪器仪表学院在长期的教学和科研中，对气 动测量系统进行了广泛深入的研究，通过对气动测量系统的静态误差分析与动态 特性研究，得到提高气动测量精度的参数优化设计。杭州电子科技大学的张云电 教授亦在珩磨气动测量领域做了大量研究工作【j 7 1 。 ( 1 ) 薛明1 8 】、李济顺、孙金花根据薄壁轴承套圈的特点，将测量其内外径的 气动测量装置测头进行了改进，将测头设计成4 对对向设置小气孔喷嘴的结构，有 效地实现了薄壁轴承套圈内外径的非接触测量。 ( 2 ) 杭州电子科技大学的胡小平【9 a o 、于保华在分析内孔珩磨尺寸在线气动 测量系统工作原理的基础上，给出了内孔珩磨尺寸在线气动测量系统的总体方案 及主要功能模块构成。详细设计了系统的核心模块一气动测量模块，并进行了试 验。 ( 3 ) 介铁刚1 1 】对设计气动量仪及测量系统时所采用的特性方程进行了研究， 通过对测量系统工作方式的分析，验证了珩磨气动测量系统特性方程适合于珩磨 气动测量系统的设计。 ( 4 ) 合肥工业大学的杜青1 1 2 】对气动测量系统中的喷嘴挡板机构进行了研究。 将曲面测量近似为圆柱形平面平行喷嘴挡板机构，分析了其几何特性，并在平面 平行喷嘴挡板模型下在静态和动态特性两方面对测量系统的参数进行了研究。 ( 5 ) 安徽理工大学的杨洪涛、吴天凤【1 3 , 1 4 阐述了实现高精度、宽测量范围的 智能化气动测量系统的工作原理和主要设计方法，介绍了用于提高测量精度、扩 展测量范围、增益可编程控制放大器非线性修正技术的工作原理，给出了部分软 件的流程图，并对误差修正前后的测量系统的精度进行分析。 1 5 2 国外研究现状 1 5 2 1 国外珩磨机研究现状。 珩磨机气动测量系统的结构优化及精度分析研究 ! i i i i i i 皇曼蔓皇曼曼曼曼曼曼鼍曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼量皇曼曼曼鼍皇量皇皇 世界上最早的珩磨机被认为是美国的巴恩斯( b a m e sd r i l lc o ) 公司1 2 1 ，在 1 9 2 4 年为加工汽车内燃机汽缸而首先设计成功。随后由于气动、液压等技术的应 用，世界各珩磨机制造厂又相继推出外圆珩磨、平面珩磨、曲面珩磨( 如球面和 齿轮工作面) 等许多形式的专用型珩磨机。当代珩磨技术已广泛应用于汽车、工 程机械、航空等各种领域。在珩磨机领域比较著名的公司有德国纳格尔、格林、 k a d i a ，以及美国的善能公司。 ( 1 ) 1 9 2 4 年，美国开始发展了珩磨油石的液压扩张机构，开始切除大余量， 自动测量也开始出现，珩磨机床开始向自动化机床发展。 ( 2 ) 1 9 3 8 年，珩磨进给机构进一步改善，德国格林公司的珩磨机床中开始控 制油石进给速度，并能补偿油石磨损，使得加工精度进一步提高。 ( 3 ) 1 9 5 2 年，为了更好地适应在珩磨加工中对不同直径加工件的珩磨要求， 在德国开始出现完全补偿的电子油石扩张机构，通过油石的自动扩张，达到油石 与加工件内壁的良好接触。 ( 4 ) 美国的d i r kb i e r m a n n ，k a ym a r s c h a l k o w s k i 等人f 协1 7 1 ，提出了用于显著 改善大型联合机床轴对称部件珩磨加工的方法，在工件经过磨削加工后，先后通 过t g h c h a i n 和t h c h a i n 对加工件表面进行优化处理，并采用对进给方向进行控 制的策略保证加工质量。 ( 5 ) j l e e 和s m a l k i n 对孔珩磨的过程进行了试验改进【1 8 , 1 9 1 ，设计了用于改 善珩磨加工的整套设备，通过传感器的使用，迅速捕捉轴向力、扩张力以及珩磨 头的准确位移和坐标位置，并与传统珩磨加工进行比较，得到了比较满意的结果。 1 5 2 2 国外气动测量研究现状 国外很多学者对气动测量系统进行了研究【2 0 五4 1 ，并且很好的应用于机械制造 方面。从国外的研究成果来看，在2 0 世纪7 0 年代由于电动测量技术的出现而使 气动测量的发展受到影响，几乎处于停滞状态。在以后的一段时间，气动测量系 统虽然在结构上有所改进，但在性能上却没有什么新的突破。直至1 9 7 8 年，美国 b e n d i x 公司对背压式气动测量技术作了改进，并同时向五个国家申请了专利。 目前国外在气动测量方面广有影响力的研究机构或生产厂家，有英国泰勒霍 普森、德国霍梅尔、德国马尔、日本精工以及美国的西菲尔德和埃德蒙德等。 ( 1 ) 泰勒霍普森公司专业从事气动测量技术的研究，提供各种接触与非接触 式测量方法以满足应用需求，其测量技术和方法在半导体、硬盘、精密光学等领 域获得了广泛的应用。 ( 2 ) 德国马尔集团长期致力于高精度气动测量技术的研发，其测量技术和方 法在汽车制造业、机械加工业、精密光学行业，以及测量微量的长度尺寸、外形 和表面微观参数等方面得到了广泛的应用。此外，马尔还建有d k d 实验室。 8 硕士学位论文 曼舅舅置蔓曼量量皇量曼曼量量舅ii 鼍量量曼曼曼鲁詈量曼量量量曩罾皇曼曼曼量曼量皇置| 鼍量量量量量量舅詈喜曼曼曼曼曼曼皇曼皇量量曼 ( 3 ) 美国埃德蒙德公司致力于高精度气动测量技术的研究。其综合、完整的 气动测量系统，包括放大器、气动测头、校对规、连接器和各种附件等。 f 蜀 ( a ) 浮标式气动量仪( b ) 数显式气动量仪( c ) 指针式气动量仪 图1 4 美国爱德蒙得公司高精度数显气动量仪 ( 4 ) 日本对气动测量技术的研究工作开始于2 0 世纪5 0 年代中期，主要是从 美国引进专利和仿造外国产品。到2 0 世纪6 0 年代初期开始将气动测量技术大量 用于机械制造、汽车制造和电子工业中。到2 0 世纪6 0 年代中期，就已向国外出 售气动测量技术方面的专利。 1 6 课题研究的内容与方法 1 6 1 课题研究的内容 本论文主要针对珩磨机进行气动测量中的精度问题，从气动测量系统的结构 参数方面展开分析，并研究测量过程中的f l u e n t 仿真程序，具体表现在： ( 1 ) 研究测量喷嘴与挡板间隙s 和气室背压之间的关系，得出气动变换环节 特征曲线，为进一步分析研究提供理论基础； ( 2 ) 研究喷嘴夹角目和数目对测量系统精度的影响，分析气压和以上参数之 间的关系，并建立数学模型，利用f l u e n t 软件进行仿真，为提高测量精度提供理 论依据； ( 3 ) 研究不规则内孔表面形状的测量改进方法，在复杂的珩磨工况条件下， 利用气压反馈情况，确定油石进给量的大小，保证加工面形状的准确，分析不同 测量面形状下的p s 曲线图，给出多截面测量的模拟仿真与补偿策略； ( 4 ) 建立以气压平衡时间为目标函数的数学关系，在差压式气动测量中，从 护板厚度、喷嘴与挡板间隙s 进行优化分析，得到与平衡时间之间的数学模型，采 用g a m b i t 建立网格结构，并利用f l u e n t 流体软件进行相关仿真分析。 1 6 2 课题研究的方法 珩磨机的加工精度最终是从表面粗糙度的研究分析得出来的，在对粗糙度的 珩磨机气动测量系统的结构优化及精度分析研究 测量中，气动测量系统的结构参数将直接影响测量的线性范围和灵敏度。国内外 在气动测量系统参数设计上的研究，尤其是结构参数设计上主要采用人工经验和 试验对比，主要方法是将参数设定在一个比较接近的大致范围内，再通过试验对 比，最终得出最佳结果。 本文在理论计算的基础上，通过对空气动力学以及流体力学的理论研究，并 对珩磨机气动测量系统的动、静态实验进行对比分析，尤其是通过对测量系统各 结构参进行优化设计，利用g a m b i t 对测量系统的主要部件进行网格化处理，借助 f l u e n t 软件进行仿真分析，得出能提高气动测量精度和效率的结构参数，使其 具有更强的应用性，更好地应用于珩磨机加工领域。 1 7 本章小结 本章主要简述了课题的研究背景、内容和意义，介绍了国内外珩磨加工工艺 以及气动测量技术的发展历史、现状及发展趋势，分析了气动测量系统中尺寸测 量类型，并介绍了各测量类型的工作原理。在此基础上，介绍了本课题的研究方 法，制定出一套改善珩磨机气动测量系统结构的可行性方案。 1 0 硕t 学位论文 第2 章珩磨机气动测量的理论基础 气动测量是利用压缩空气的流量特性，把被测的尺寸变化量转换为空气物理 参数的变化来实现测量的。在珩磨机的气动测量系统中，根据测量原理的不同分 为背压式气动测量和差压式气动测量。大部分的气动测量系统，其结构组成都可 表示为如图2 1 所示的三个部分：i 、i i 两部分构成了测量系统的主体，过滤部分 i 是测量系统的附件，i i i 通常称为气动测头。在气动测量过程中，工件被测参数 变化量经气动测量系统的测量部变换为气体参数( 流量、压力等) 的变化量，通 过系统放大后，在指示装置中显示。压缩空气从气源流出后，经过滤附件进入稳 压器稳压，稳压后再由放大部、指示部和测量部流入大气1 2 孓2 3 j 。 图2 1 气动测量基本流程图 在珩磨头上配有气动测量装置，可以实现珩磨时对加工工件的在线无接触式 气动测量。在图2 2 中，给出了珩磨机气动测量系统的部分结构示意图。其中c u 为控制单元，p u 为气流分配单元。 图2 2 珩厝机气动测量系统的结构不惹图 1 带测量喷嘴装置的珩磨头，2 工件，3 气流分配器，4 气电转换仪 2 1 珩磨机气动测量系统的基本原理 2 1 1 气动测量系统分类 气动测量是利用压缩空气的流量特性，把被测的尺寸变化量转换为空气物理 参数的变化来实现测量的【2 9 啦】。在珩磨机的气动测量系统中，根据测量原理的不 1 1 珩磨机气动测量系统的结构优化及精度分析研究 同分为背压式气动测量