（光学工程专业论文）连杆几何参数综合测量方法的研究.pdf

中文摘要 摘要：连杆是发动机的关键零件之一，它的质量直接影响着发动机的工作性 能和使用寿命，因此对其有很高的尺寸和形位精度的要求。 本文针对2 6 5 型连杆特点设计了专用的机电一体化的连杆综合测量系统，可 以同时测量多个参数。本测量仪采用比较测量的方法，将大尺寸测量转变为微小 尺寸的测量，降低了测量的难度，提高了测量精度。详细分析了引起测量误差的 各种因素并计算出由此引起的系统误差及随机误差，得出整个连杆综合测量系统 的总不确定度；用v b 编写了基于数据库的应用软件，使得测量操作简便并实现了 对测量数据及计算结果的存储管理。 分析现有的实验数据可知，本系统的测量精度小于允许的极限误差6g m ，可 以满足测量需要。后续工作将在实验条件逐渐完善的情况下获取更丰富的实验数 据，为进一步提高连杆测量系统的测量精度奠定基础。 关键词：连杆几何参数形位精度比较测量误差 分类号： t h 8 2 、t h l3 3 5 j 垦塞交道太堂亟堂位i 金塞垦墨! b ! a bs t r a c t a b s t r a c t ：c o n n e c t i n gr o di so n eo ft h ek e yc o m p o n e n t so fe n g i n e ，w h o s e q u a l i t ya f f e c t se n g i n e sw o r kp e r f o r m a n c ea n dl i f e s p a nd i r e c t l y c o n s e q u e n t l y , h i g h p r e c i s i o no fs i z ea n df o r mi sn e c e s s a r y t h i sp a p e rd e s i g n e dac o m p r e h e n s i v em e a s u r e m e n ts y s t e mo fc o n n e c t i n gr o df o r t h e2 6 5t y p eb a s e do nm e c h a t r o n i c sw h i c hc o u l dg e ts e v e r a lg e o m e t r yp a r a m e t e r s c o n v e n i e n t l ya t o n et i m e t h i ss y s t e mw a sd e s i g n e db a s e do nt h em e t h o do f c o m p a r a t i v em e a s u r e m e n tw h i c hc a nc o n v e r tb i g - s i z em e a s u r e m e n tt om i c r od i m e n s i o n m e a s u r e m e n ta n dr e d u c em e t r i c a l d i f f i c u l t ya n di n c r e a s ep r e c i s i o n e v e r y 虹n do f m e a s u r e m e n te r r o rw a sa n a l y z e da n dc a c u l a t e dt h e o r e t i c a l l yi nd e t a i l ，i n c l u d i n gs y s t e m e r r o ra n dr a n d o me r r o r ，a n dg a i n e dt o t a le r r o ro ft h ee q u i p m e n t f i n a l l y av bp r o g r a m w a sd e s i g n e df o rt h es y s t e mw h i c hc o u l dm a k et h eo p e r a t i n gp r o c e s sc o n v e n i e n t l y t h e m e a s u r i n ga n dc a l c u l a t i o nr e s u l ti sm a n a g e da n dm a i n t a i n e db yt h ep r o g r a mb a s e do na a c c c s sd a t a b a s ea sw e l l t h et o t a le r r o ro ft h ee q u i p m e n tw a sl e s st h a na l l o w e dh i g h p o i n te r r o r ( 6 m ) t h r o u g ha n a l y s e de x p e r i m e n td a t aa tp r e s e n t s ot h ee q u i p m e n tw ed e s i g n e dc a nf i l lt h e m e a s u r i n gd e m a n d t h en e x tw o r ki st oo b t a i nm o r ee x p e r i m e n td a t ao ft h es y s t e ma s t h ee x p e r i m e n tc o n d i t i o nr e a c h e dw h i c hw i l le s t a b l i s hb e d r o c kf o ri m p r o v i n g m e a s u r i n g p r e c i s i o no ft h em e t r i c a lm e c h a n i s m k e y w o r d s ：c o n n e c t i n gr o dp a r a m e t e rp r e c i s i o no ff o r ma n dp o s i t i o n c o m p a r a t i v em e a s u r e m e n t e r r o r c l a s s n o ： t h 8 2 、t h l3 3 5 】 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 伊夕年月如日 致谢 本论文的工作是在崔建英高级工程师亲切关怀和悉心指导下完成的。崔老师 严谨的学风，诲人不倦的治学精神、高度负责的育人精神和高尚的人格是我毕生 追求的境界。在本人两年多的课程学习、课题研究以及撰写论文的过程中，导师 给了我全面的指导和帮助，引导我进入了本文所研究的领域并有所收获，我将永 远感激。在我完成论文，即将毕业之际，谨向为培养我而付出辛勤劳动的崔老师 表示衷心的感谢和崇高的敬意! 在本课题的研究过程中，崔建英老师在机械设计、刘依真老师在电路设计以 及陈士谦老师在程序编写方面都给了我热情帮助和精心指导，感谢冯其波教授的 悉心指点。他们对我的无私帮助将使我受益终身，在此向他们表示衷心的感谢! 另外，感谢实验室朝夕相处的兄弟姐妹，特别感谢博士吴思进在课题中进行 的深入有益的讨论，感谢硕士同学雷和平、史增辉、岳鹏远、贾佳、毛雅亚在本 论文工作中给予的帮助和支持l 感谢我的家人和朋友李陆军，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 硕士阶段的学业! 1 绪论 1 1连杆几何参数测量问题的提出 连杆是发动机中的重要零件，它连接着活塞和曲轴，其作用是将活塞的 往复运动转变为曲轴的旋转运动，并把作用在活塞上的力传给曲轴以输出功 率。其大、小头孔的直径、圆柱度以及两孔中心轴线的平行度等尺寸和形位精度 将直接影响到发动机的工作性能、使用寿命及机车的整体性能。因此，对其尺寸 和形位精度都有很高的要求。而且，连杆的生产过程是流水作业，产量很大。因 此，在生产过程中进行严格的质量控制就非常重要。生产过程中严格控制连杆的 尺寸精度和形状位置精度，不仅可以提高产品质量，更好的实现互换性，还可以 获得最佳的社会经济效益。 因此，需要对连杆的尺寸和形位误差进行测量，连杆测量仪向高精度、高效 率、操作简便的方向发展。 1 2连杆测量方法综述 目前的检测方法大致可分为以下几种：传统分项检测、综合量仪检测和一些 其它的检测方法。 1 2 1传统的分项检测 在2 0 世纪8 0 年代，主要是采用手工或半自动的分项检测来校正。长期停留 在专用量规和机械式检验夹具的水平。在检测效率、精度和使用的广度方面都有 很大的局限性。 ( 1 ) 连杆平行度简单测量方法【1 】 用千分表配合伸缩触头做成的量仪，是一种简易的连杆孔平行度测量工 具。 如图1 1 所示，量具由伸缩触头、刚性测量杆、千分表及表架组成。量具的伸 缩触头跟千分表架在同一轴线上，并紧固在刚性测量杆上，所以刚性测量杆绕轴 线旋转，千分表也跟着转动，千分表上的最小读数就是连杆的最短距离。 图1 1 千分表法测量连杆平行度误差 1 一伸缩触头：2 刚性测最杆；3 一千分表及表架；4 一连杆 这种方法测量范围及精度为：连杆小头孔径：1 3 0 m m ，孔距l = 7 8 0 m m ，测 量精度0 0 1 m m ，量具重复精度0 0 0 5 m m 。该设备不需辅助件，测量安全准确， 对测量场所无特殊要求。但是测量精度主要取决于被测连杆的精度。 用心轴或心轴模拟测量两孔的平行度【2 】 如图1 2 所示，在连杆两孔中心穿上心轴，用千分表测量连杆两孔和相互垂直 的两个方向上的平行度误差，基准轴线和被测轴线由心轴模拟。将基准心轴调整 到两端等高，测量两轴线在共面内的平行度，需使零件稍作摆动，当指示器出现 最大读数时，说明连杆已处于垂直位置。在被测心轴两端相距，的两个位置上测 得数值为m 。和m ：。换算成被测孔长度的三，平行度误差如式( 1 1 ) i m 。- m 2 i l 2 ( 1 1 ) 若测量垂直于上述方向上的平行度，可使零件处于水平位置，用同样的方法 测出心轴两端的高度差。因为测量时心轴需要装卸，所以孔轴之间有间隙，测量 精度较低。 连杆校正检测仪【3 】 该校正检测仪由两部分组成，检测台架和测量部分。检测台架部分包括底座、 顶针座组件、顶针和定位杆；测量部分包括测量表和测量棒。 连杆校正检测仪主要用来同时校正检测连杆两孔两个方向的平行度，其结构 如图1 3 所示。1 一底座；2 一顶针座；3 一顶针：4 、6 一测量棒；5 一定位杆；7 、8 、 9 一千分表；1 0 一待测连杆。将待测连杆按要求插入测量棒4 和6 ，装央于检测仪， 并使连杆轻靠在定位杆5 上。测量表7 在正反向测得示值差即为连杆垂直方向平 行度数值，测量表8 和9 的示值差即为连杆水平方向的平行度数值。再与技术要 求比较，若不合格就兼顾水平和垂直两个方向进行校正，在校正检测仪上直接校 2 j 下检测直至合格。 这种方法的优点是结构简单，操作调整方便，装夹可靠，校正检测能同时完 成。 被测轴线 基准轴线 图1 2 心轴法测量连杆平行度误差图图1 3 校止检测仪的结构 连杆位置精度检验量规【4 】 位置量规是检验零件关联被测要素的实际轮廓是否超越规定的理想边界的量 规。 位置量规具有测量部位和定位部位，测量部位即检测被测要素的部位，定位 部位是模拟体现基准要素的部位，同时还可以用于检验基准要素。量规测量部位 和定位部位的形状分别与零件的被测要素和基准要素的形状相对应，两者构成几 何偶件。该量规的测量部位、定位部位均为圆柱体。有时，量规还具有导向部位， 用于活动测量元件或定位元件。位置量规的结构有固定式和活动式两类，只有将 量规的测量部位做成活动的，才可测量一定尺寸范围内的所有零件。量规工作尺 寸的计算就是确定各组成部位的极限尺寸。量规可以有同时检验和分别检验两种 情况。量规在检验平行度的同时还可检验基准孔的精度，也可以先用光滑极限量 规检验基准孔的精度，再用位置量规检验平行度。 位置量规只能控制关联要素的作用尺寸在理想边界之内，不能测出零件的实 际尺寸和形位误差的具体数值。但是它能迅速准确的反映被测要素实际轮廓上定 形尺寸与形位公差的综合结果，保证零件装配时的互换性，因此其检验效率很高。 ( 2 ) 气动量仪平行度检测陌1 3 传统的气动量仪测量连杆两孔的平行度 气动测量两孔在一个方向平行度的传统方法，需要有八个喷嘴组成两组气路 并接到两台量仪上，若要测量两个方向的平行度，则还需要在此方向同样布置两 组气路。测量时，两量仪示值差的一半就是连杆两孔在长度上的平行度偏差。该 量仪共需要布置八对喷嘴，共四台量仪。这种方法需要用校准件或借助辅助装置 对量仪校准，这样校准件或辅助装置的精度将影响测量结果。并且该方法只能定 性评定精度，不能定量评定误差大小、方向和位置。 比较测量法测量连杆两孔的平行度 如图1 4 所示，不用校准件，采用一台量仪，连杆翻面两次的比较测量方法， 比起传统气动测量方法显著简化，它只用一组气路和一台量仪，将两测轴做成可 旋转的，便可测各方向的平行度。 ， j 11 、 彳l 。j 彳2爿3 。彳4 1，1 占 o - o f 刁 夕磊 萋 f 1 。， 豸耄 、 ， ； 哆 ， ， ， ， 图1 4比较测量法气动量仪测量原理图1 5 比较测量法气动量仪测量过程 比较测量法气动量仪测量过程为：连杆先以彳面定位，从量仪得到一个示值， 然后翻转连杆以平面口定位，得到另一示值，两次读数差的一半就是两孔在长度 上的平行度。由几何分析知，即使在么、b 两面平行度偏差较大的情况下，其对测 量精度的影响也可以完全忽略。当工件以彳面定位时，连杆两孔的位置如图1 5 实 线所示，量仪示值反映间隙 ( 墨+ 是+ 岛+ 墨) ( 1 2 ) 翻转后工件以b 面定位，翻转后的孔位置如图1 5 虚线所示，反映间隙 ( s + ，) + ( 是- a ：) + ( s + ，) + ( 只- a 。) ( 1 3 ) 若两孔轴线平行，则。= a 。，a ，= ：，量仪示值仍然反映间隙 ( 墨+ 最+ s + 只)( 1 4 ) 若两孔轴线不平行，则量仪两次示值差为 ( l 一2 + 3 一4 )( 1 5 ) 4 ( 3 ) 连杆大、小头孔径及中心距的测量【7 】 连杆大、小头孔径及中心距的测量的方法的定位、测量原理如图1 6 所示。这 种方法主要用于连杆生产线中的工序间检测，其测量的定位基准是底面和大、小 头孔。底面定位采用4 个6 小圆柱的上平面彳，、4 2 、么，、彳。，前后各2 个。两 孔定位则以大、小头内孔圆柱面定位，设计中采用了夹角为9 0 。的二钢球定位，类 似于工件外圆表面通过v 形块定位。当两组钢球对向夹紧时，有自动定心作用， 使被测连杆的大、小头孔中心线稳定地处于两组钢球的对称线上。把4 个球形测 头布置在与中心线相一致的大、小头孔直径方向，每个测头又与一个独立的电感 位移传感器相连，通过组合它们的输出信号就能求出大头孔径、小头孔径和两孔 中心距。图1 6 中d 、d 表示被测件的大头孑l 径和小头孔径。设自左至右4 组测量 信号分别为r 。、r ：、r ，、r 。，则大头孔径d 、小头孔径d 和两孔中心距l 可用下 列公式1 6 求出： d = 互+ 正 d = 互+ 正 l = ( 五+ 五一互- r 3 ) 2( 1 6 ) 图1 6 连杆孔径及中心距测量的方法的定位、测量原理 该装置的测量误差主要来自于检测仪表的示值误差，标准件的制造公差及由 定位精度的影响。测量误差：大、小头孔径误差4 ，6 p m ，中心距误差8 。3 2 岬。 1 2 2智能型连杆综合测量仪测量方法嘲吲 从上世纪9 0 年代中期起，连杆检测出现了采用微机控制的多参数综合量仪， 5 这类检测装置成为趋向。由于使用了微机的辅助，使检测装置在精度、效率、数 据处理能力和操作使用方便诸多方面有了很大的提高。这类设备一般都能一次测 量1 0 多项甚至2 0 多项尺寸误差、形位误差类参数，也可以根据用户需要仅测其 中几个参数，可以全部选用传感器，也可以气、电结合。有的量仪如果不需要测 完全部参数，则可以去掉相应的传感器，如国外进口的传感器已经模块化，可以 方便的组合。从而在连杆最终检测及连杆生产线工序间检测中得到了普遍的应用。 新型的智能型测量仪大同小异，大致由两部分组成：一是测量部分，即机械 部分，二是数据处理部分，即电器部分。其工作流程图如图1 7 所示。 图1 7 智能型迕杆测鼙系统工作流程图 装置中使用各类传感器对数据进行实时采集，采集方案各有所长。检测时， 模数转换器( a d ) 将传感器所反映的连杆参数变化量的模拟信号转化为计算机可 以识别的数字信号，计算机对测量数据实时采集，得到两孔内多个检测点的数据， 进行数据处理分析，最后将检测的结果在计算机屏幕上显示出来。尽管这些新型 的智能型测量仪的基本结构大同小异，但其实现方法和所用传感器有所不同，主 要有以下几种情况。 ( 1 ) 传感器与待测连杆相对位置固定 这种检测系统如图1 7 所示，用于测量的传感器分若干层安装在大、小测柱( 测 柱也称为定位销或测头等) 内，每层又有若干传感器均匀分布在测柱圆周上，每 个传感器触头伸出测柱圆柱面外，用于与待测连杆大、小孔壁接触。测量部分可 以分为两种情况，一种是大、小测柱固定不动，待测连杆落位于大、小测柱上( 图 1 7 ) ；另一种是待测连杆固定不动，大、小测柱落位于待测连杆上。这两种方法 原理相同，数据处理部分也相同。 这种测量方法采用比较测量法测量，要求加工一个高精度的连杆标准件，作 用是：调整检测装置大、小测柱之间的中心距；调整传感器的触头伸出测柱的距 6 离，保证同一横截面上各传感器触头在非检测初始状态时处在同一圆周上，即将 检测装置“对零”；检测装置使用一段时间后需要用标准件校核，以提高检测精度。 这种方法的特点是测量部分结构简单，定位要求较低，操作方便，测量速度 快，测量精度很高。缺点是传感器较多，测量数据较少。 ( 2 ) 传感器与待测连杆在轴线上有相对位移 这种检测系统如图1 8 所示，用于测量的传感器一般只有一层或两层，安装在 大、d , n 柱内，每层有两对相互垂直的传感器均匀分布在测柱圆周上，每个传感 器触头伸出测柱圆柱面外，用于与待测连杆大、小孔壁接触。测量时传感器与待 测连杆在轴线方向上相对运动，从而测出多个截面的参数。测量部分也可以分为 两种情况，一种是大、d , n 柱固定不动，待测连杆沿轴向移动；另一种是待测连 杆固定不动，大、d , n 柱沿轴向移动。这两种方法原理相同，数据处理部分也相 同。 同样，这种测量方法也采用比较测量法测量，也要求加工一个高精度的连杆 标准件，其作用与前面所述相同。 待测连杆沿轴向移动的情况【9 】 穴定纯铺连扦小定位镇镟鬣饥棒 图1 8 连杆加工误差综合检测装置示意图 如图1 8 所示，主要由以下5 部分组成。 a ) 定位元件：采用一面两销定位，检测时，连杆在垫板上定位，由垫板带动 沿垂直导轨向下做直线运动，连杆大、小头孔分别插入大、小定位销中，直到与 测柱底部接触而脱离垫板。 b ) 检测元件：安装在定位销内部，共安装1 6 个光栅式位移传感器，分别均 匀分布在大、小定位销上、下两个横截面上。传感器非工作初始状态为最大伸长 状态，测量时传感器触头产生径向收缩位移。 7 c ) 压板机构：其作用是使连杆能够准确的沿定位销轴线上下运动。 d ) 调整机构：为使检测装置适合于多种不同型号连杆的检测，大小定位销之 间的距离是可调的。大定位销底板固定在机架上，小定位销底板可沿两条水平导 轨滑动，并被锁紧。 e ) 连杆标准件：按照所检测连杆要求制造的高精度标准连杆。 检测时，在待测连杆沿轴向移动的同时传感器连续测量。模数转换器( a d ) 将传感器径向位移变动量的模拟信号转换为计算机识别的数字信号，计算机对测 量数据实时采集，得到两孔多个检测点的位置坐标，进行数据处理分析，最后在 计算机屏幕上显示计算结果。以大小头孔轴线为中心要素，用它对应的轮廓要素 来体现。系统采用分析法体现基准中心要素和被测中心要素，通过测量轴线对应 的孔的若干个截面上的若干点，求得这些横截面轮廓的中心点，取这些中心点的 连线作为实际轴线。系统建立直角坐标系，求得实际轴线对该坐标系的坐标值， 然后进行误差评定。 影响检测精度的主要因素：测量装置的几何精度，包括直线导轨运动精度， 导轨与垫板的垂直度，导轨与定位销的平行度，各传感器触头初始状态的调整精 度，所采用的评定方法的误差。 这种方法的测量精度：大头孔圆柱度误差0 0 0 6 m m ，小头孔圆柱度误差 0 0 0 4 r a m ，小头孔轴线对大头孔轴线平行度误差在水平方向上0 4 l m a ，垂直方向上 0 6 1 x m ；大头孔端面对大头孔轴线的垂直度误差l p m ；大小头孔中，i i , 距误差o 3 m m 。 大、小测柱沿轴向移动的情况n 羽 a ) 正常检测模式 如图1 9 所示，每个测头有4 个测量触头( 均匀分布) ，分别感知被测孔圆 截面上4 个点径向位置相对于4 个触头初始位置的微小位移。由4 根位移传递杠 杆将径向位移转换成轴向位移，传递给4 个高精度电感式位移传感器进行测量， 并由计算机采样。已知各触头的初始位置，即可计算出4 个被测点的位置坐标。 轴向移动测头，测出另一截面4 个点的位置坐标。两孔共测出8 个截面共3 2 个点 的坐标。由这些数据，用计算机构造出两孔圆柱面及其轴线位置，即可得到孔的 形状参数和两孔位置关系参数。 8 图1 9 通用智能型连杆精度综合检测系统测量原理 b ) 反向检测模式 每变换一种连杆型号，仪器的结构参数都将发生变化。因此，要进行j 下常检 测，必须在每次调整后准确测出仪器l o 个结构参数( 每个测头的4 个触头的5 个 初始位置参数，两测头共1 0 个参数) 。故利用已知参数的连杆标准件进行反向检 测。 测量连杆标准件的一个孔的某个截面n 次，得到甩组传感器的读数，用计算机 的优化方法计算出四个触头的位置参数，及行个孔径值。计算得到使孔径的方差达 到最小的触头的位置参数( 即优化解，不唯一) 。这些位置参数即是仪器的结构参 数，如果仪器的真实参数包括在这些位置参数的优化区间内，当方差足够小时， 优化解的不同对测值的影响很小，可以忽略不计。反向检测模式实际上行不通。 c ) 自我检测模式 由于制造误差的存在，连杆的定位精度、杠杆的刚性和杠杆支点的回转精度 是影响测量精度的主要因素：两测头导轨的上下移动的轴线不可能绝对平行，大 孔测头导轨的运动轴线也不可能与大孔定位端面绝对垂直，而存在相应的平行度 误差和垂直度误差。为保证测量的准确，必须要将这些系统误差从测量值中剔除， 则用反向检测模式，方法是：先用其它仪器准确测出连杆位置误差的真值，再与 本仪器测出的值比较，二者的差值即为仪器结构误差。 这种模式的工作原理是将连杆标准件按两种方法装夹，使其位置误差在两次 装夹中改变方向，利用误差分离技术将结构误差从测量值中分离出来。 这种方法的测量精度和尺寸范围为：传感器的分辨率为o 1 p m ，重复测量误差 9 0 5 1 0 p m ( 尺寸误差) ，重复测量误差1 0 2 0 9 i n ( 形位误差) ，孔径的示值误 差o 6 9 r a ，孔径的示值变动量o 7 9 m 。中心距1 3 0 2 0 0 r a m ，大孔直径0 5 0 8 0 m m ， 小孔直径0 2 5 0 4 0 r a m 。 传感器与待测连杆孔有回转运动n 订 图1 1 0 回转法连杆测量结构及原理 这种检测系统如图1 1 0 所示，用于测量的传感器大、小孔各一个。这种测量 方法采用坐标测量的原理，不需要加工高精度的连杆标准件，能够正确地测出连 杆两孔的全部误差，适合于生产现场的使用。该检测系统采用圆度仪的测量方法， 利用两个精密回转主轴，分别带动高精度的电感测头回转，各自在连杆两孔的不 同截面上连续取样，取样数据经微机处理，计算出各项测量误差，其中，测量数 据的采集、分析计算与测量结果的显示打印等，全部由微机控制自动进行。 这种方法的特点是： a ) 测量精度高，该量仪的测量精度可达l p m ，比三坐标机的测量精度高，这 是因为，三坐标机有三个方向的导轨运动，会出现三个方向的误差，而该量仪依 靠主轴的回转运动测量，所以只有一个回转误差。另外，在环境温度变化时，轴 心线的变动比直线导轨的变形小得多。 b ) 完全按误差的定义测量，例如圆度、圆柱度的测量和圆度仪的取样计算方 法一样。对于直径，中心距等误差的测量也不像综合量规那样只测得一个随机的 数据，而能测出误差变化的上下限与几何平均值，从而可清楚地看出实际误差的 分布情况。 c ) 应用范围广，该量仪测量的孔径和孔距可无级调整，一台量仪可测量多种 规格尺寸的连杆。 l o d ) 操作简单，该量仪不用标准连杆能自动校零，启动按钮，一次取样可测出 全部误差数据。 1 2 3 其它方法及发展前景m 3 1 除了以上介绍的连杆测量方法之外，还有三坐标测量机测量、用不同的传感 器( 如激光c c d 位移传感器、电容式位移传感器、差动式直线位移传感器等) 制 造的综合量仪及水柱式气动量仪测量等等。 三坐标测量机( c m m ) 是一种以精密机械为基础n4 i ，综合应用电子、计算机 技术、光栅与激光干涉技术等先进技术的高精度、高效率的自动化检测设备，它 已广泛地用于机械制造、电子、汽车和航空等领域。理论上这是种先进的测量 仪器，但实际使用对环境条件要求较高。目前国内连杆加工都在常温下进行，而 三坐标机在恒温下工作，工件进入恒温室一般需要经过3 4 小时测温度平衡时间， 检测的周期太长，不便于生产。 随着汽车工业的迅猛发展，对这类量仪的要求也越来越高。用激光c c d 位移 传感器制造的综合量仪将是连杆几何参数测量的主要的发展趋势。采用激光c c d 位移传感器是因为它精度高、速度快、不与被测表面直接接触，并且体积较小， 可以直接放进连杆孔里进行测量，简化了检测仪的结构。但目前测量范围及测量 精度都有限，同时系统较复杂，难以在生产现场使用。 1 2 4 本文采用的方案及要解决的问题 以上所述，由计算机辅助的智能型综合测量仪以其造价低，操作方便，测量 精度高，可以在生产现场使用等优势，从而得到了广泛的应用。本文目标是研制 一种高精度的由微机控制的专用2 6 5 型机车连杆综合测量系统，同时测量连杆大 小头孔的直径、中心距、连杆两头孔中心轴线的平行度、连杆两孔的圆柱度、轴 线对底面的垂直度及顶面对底面的平行度等等。 为实现这些功能，本文采用测柱落位于连杆孔，测柱上安装高精度的电感式 位移传感器测量定点间的距离。具体工作如下： 明确系统要实现的功能及技术要求。在综合考虑系统的先进性、可靠性、 成本的基础上，对连杆尺寸及形位精度测量方法的可行性进行分析。 在分析论证的基础上，根据技术要求进行系统各部分的设计。包括机械设 计、数据采集系统中电路的设计、配套应用软件的设计。 完成样机的研制，进行一系列相关的实验，对测量数据进行分析处理。 1 2 2d g 3 p 差动式电感位移传感器的研究 本专用测量仪采用中测量仪厂生产的d g 3 p 差动式电感位移传感器作为测量 元件。 2 1d g 一3 p 差动式电感位移传感器原理1 5 3 2 1 1d g - 3 p 差动式电感位移传感器的结构 电感式传感器是一个带铁芯的可变电感，有各种损耗和分布电容的影响，并 非纯电感。目前常用的电感式传感器有以下三种类型：变间隙型、变面积型、螺 管插铁型。这三种类型的传感器，单个线圈使用时，由于线圈中流往负载的电流 不可能等于零，存在起始电流，因而不适用于精密测量。衔铁始终受到电磁吸力， 会引起附加误差，线性误差较大，如变间隙型；一些干扰，如电源、电压、频率、 温度的变化，都会影响输出而产生误差；所以由于这些问题存在使得单个线圈构 成的简单的电感传感器一般不宜用在精密测试系统中。 本测量仪采用的d g 一3 p 差动式电感位移传感器的外观及尺寸如图2 1 所示。 2 4 7 。5 4 坷 h _ j r 、 卜 o o 。 e 7 + r 图2 1d g 3 p 差动式电感位移传感器外观尺寸示意图 2 1 2 工作原理和输出特性n 6 1 传感器将测杆的位移量转换成为电信号输出。本文采用d g 3 p 差动式电感位 1 3 移传感器作为自动化测量的核心元件来实现这一转换。采用两个相同的传感线圈 共用一个活动衔铁构成差动式传感器，提高电感传感器的灵敏度，非线性得到了 改善。电感传感器工作原理如图2 2 所示： 磁缢缓弦滋琵搿煳 图2 2 差动式电感位移传感器工作原理 当衔铁处于中间位置时，两个线圈的感应电动势相等，输出电压为零；当衔 铁离开中间位置上下移动，线圈的电感量变化不同，有电压输出。传感器输出的 电信号接入整流滤波放大电路以后，可以根据所显示电压的大小来判断位移的大 小和方向。图2 3 是差动式电感传感器的输出特性曲线，随着位移的变化，电压的 变化是非线性的。 输山电压 l 厂 位移 图2 3 著动式电感位移传感器输出特性曲线 本测量系统采用的d g 3 p 差动式电感位移传感器的各参数如表2 1 ： 表2 1 传感器参数表 前行程总行程线性范围 重复性 线性误差测量力 ( m m )( m m ) ( m m )( p x n )( m m )( n ) 0 5 5 0 6 51 3 o 3o 1l o 6 0 9 1 4 nui x t；，+ 2 2影响d g - 3 p 差动式位移传感器精度的因素分析 误差是指电感位移传感器的实际特性曲线与理想特性直线之间的差异，为了 减小误差，首先对影响传感器精度的因素进行分析。 2 2 1 输出特性的非线性 根据对输出特性的分析可知，虽然差动电感传感器与单个线圈传感器相比， 差动电感传感器的非线性有所改善，但是由于电感变化与衔铁位移之间的关系是 非线性的，而且电桥本身也是非线性的，因此从原理上就带来了非线性误差。解 决方法是采用差动式电感传感器和限制衔铁的最大位移量，以减小非线性误差。 2 2 2零位误差 差动电感传感器的实际特性曲线如图2 3 所示，由图可见，衔铁即测杆在中 间位置时，即位移为零时，电桥理论上处于平衡状态，输出电压为零，但实际上， 位移为零时，输出电压并不等于零，这样就带来了零位误差。 产生零位误差的原因如下：差动传感器两个线圈和导磁体不完全对称； 传感器工作在磁化曲线的非线性段，因此输出电压有高次谐波；激励信号有 高次谐波；分布电容的影响。 为减小零位误差，可采取相应的措施，如减小激励信号的谐波成分，减少励 磁电流，以使传感器工作在磁化曲线的线性段，采用适当的补偿电路进行补偿。 2 2 3温度影响 温度变化会影响线圈的电阻和导磁材料的磁导率，这样引起线圈阻抗的变化， 即当无被测量的变化时，也有电量输出，这样也造成了误差。另外温度变化会导 致零件几何尺寸的的变化，导致温度误差。 为减小温度带来的误差，有以下方法改善：适当选择材料膨胀系数的匹配， 即在温度变化时，尽可能减小零件几何尺寸等变化带来的影响。对于差动式电感 传感器，在制造和装配时，尽可能使两个电感线圈对称，这样在差动电桥电路中 可有效的补偿温度的影响。 1 5 2 2 4电源电压和频率的影响 电感传感器采用交流电桥时，由于输出电压也取决于输入电压，所以电源电 压的波动会导致输出电压的波动。另外电源电压变化也会引起铁芯磁阻变化而造 成测量误差，为此铁芯感应强度的工作点要选在磁化曲线的线性段，以免在电压 波动的时候磁感应强度b 值进入饱和区使磁导率发生很大变动。 电源的频率波动也会引起线圈感抗的变化从而造成误差，采用电感线圈严格 对称的差动电桥能补偿频率波动的影响。 电源电压与输出电压还存在一定的相移，即输出电压含有与电源电压相差9 0 度的正交分量，过大的正交分量经高增益电路处理后，可能会使波形失真。这可 通过采用相敏整流电路，使用高q 值的电感线圈来削弱正交分量。 2 3d g - 3 p 差动式位移传感器的标定及分析 2 3 1电感位移传感器的标定 由于d g 一3 p 差动式电感位移传感器的输入量位移与输出量电压之间的关系在 整个行程范围内并非线性，为了提高测量精度，必须进行标定。d g - 3 p 差动式电感 位移传感器的主要参数见表2 1 。 本系统采用灵敏度为0 5 p r o 的光栅尺对电路系统进行标定，光栅尺的高灵敏度 从一定程度上保证了测量的精度。标定系统如图2 4 所示。 图2 4 电感位移传感器标定系统不意图 根据阿贝原则，当被测量的测量轴线与标准量的基准轴线重合或在其延长线 上时，才能得到精确的测量结果。把传感器和光栅尺分别固定在精密位移机构的l 形板的两侧，传感器的测头中心线要与光栅尺的测头中心线处于同一直线上。旋 转精密位移机构的螺栓，带动l 形板左右移动，电感位移传感器与光栅尺有同样 的位移量。记录下光栅尺的位移量和数据采集系统的读数。 1 6 2 3 2电感位移传感器标定结果分析n 7 m 8 1 如上所述，在传感器测量范围0 3 m m 内取1 3 个点，对应的输出电压值为土2 5 v ， 每隔0 0 5 m m 采样一次，得到表2 2 数据和图2 5 。( 注：编号为0 7 0 3 1 的传感器) 表2 2 电感位移传感器标定数据( s 为位移量，【，为输出电压) 位移( 姗)一o 30 20 10o 。l 0 2 0 3 输出1 ( v )- 2 5 6 9一1 7 1 70 8 5 5- 0 0 0 50 8 4 3 1 6 7 42 4 9 8 输出2 ( v ) - 2 5 7 6一1 7 1 7 0 8 6 1 0 0 0 70 8 3 91 6 7 32 4 9 8 输出3 ( v ) 一2 5 7 6一1 7 1 9 0 8 6 2 0 0 0 90 8 3 91 6 7 22 4 9 2 输 j 4 ( v ) 2 5 61 7 0 8- 0 8 5 4- 0 0 0 10 8 4 41 6 7 82 4 9 8 输j | j5 ( v ) - 2 5 6 7一1 7 0 80 8 5 2o0 8 4 61 6 7 82 4 9 8 输出6 ( v )- 2 5 6 7一1 7 1- 0 8 5 3o0 8 4 31 6 7 82 4 9 7 平均值( v )一2 5 6 9 1 7一1 7 1 3 1 70 8 5 6 1 7- 0 。0 0 3 6 70 8 4 2 3 31 。6 7 5 52 4 9 6 8 3 输出盯0 0 0 6 1 10 0 0 5 0 30 0 0 4 2 60 0 0 2 9 90 0 0 2 8 00 0 0 2 8 1 0 0 0 2 4 0 位移盯 0 0 0 0 7 20 0 0 0 5 90 0 0 0 5 00 0 0 0 3 50 0 0 0 3 10 0 0 0 3 30 0 0 0 2 8 传感器实际测量线性研究 u v 输出电压 一线性( 输 3 2 1 一。4一。3 l：i，：；!7：j， 0 10 20 30 4 l 图2 5 传感器标定图 根据测量的几组数据用e x c e l 拟合的曲线近似为直线，方程为 u = 8 4 5 4 9 s o 0 1 8 2 r 2 = 0 9 9 9 9 线性拟合的相关系数为0 9 9 9 9 ，在本文的测量范围内，此线性关系是合理的。 由表中数据分析可知，传感器及其测量电路的误差为： 3 0 - 3 0 3 5 = 1 0 5 m 1 7 由于传感器的线性工作范围很小，实际测量范围远远小于蜘3 m m ，只工作在 ：k - o i m m 的范围内，所以这部分误差不超过1 0 5 i l r n 。 从表2 2 中数据可以看出，在零点右侧工作区域线性最好。在实际使用时， 要尽可能工作在线性好的区域，所以选用传感器位移为o 1 m m 的地方作为零点。 2 4小结 本章介绍了d g - 3 p 差动式电感位移传感器的结构、工作原理、输出特性，分 析了影响传感器测量精度的因素以及改进措施，最后对该位移传感器进行标定， 并对标定数据进行了分析，确定了传感器的工作范围。 1 8 3 连杆参数测量及计算方法的研究 3 1 连杆参数测量技术要求及测量原理n 钔 本测量仪是柴油机2 6 5 型连杆专 用量仪，按照2 6 5 连杆要求测量的参 数及其技术要求进行量仪各部分的 设计。 连杆的几何精度包括尺寸精度 和形位精度瞳0 1 ，需要测量的参数及其 测量精度主要包括：大、小头孔直径、 大、小头孔圆柱度、两孔中心距、两 孔平行度。连杆加工图如图3 1 所示。 3 1 12 6 5 连杆测量精度要求 1 4 0 嚣裟m 2 2 6 + o 0 1 9 图3 1 连杆加工图 表3 1 列出了需要测量的连杆各个参数描述及其加工精度和测量精度要求卫。 表3 1 连杆测量技术要求 工件名称测量项目 测量项目描述 加t 精度测量精度 直 大头孔 直径为孔内任意圆截面圆周上过圆心的两点之 2 2 6 o 0 1 9l l l m 6 1 m a 径 间的距离 ( i l a n + 。0 0 4 摆m m 小头孔 大小头孔中垂直中心轴线任意截面最大尺寸 圆 大孔 与最小尺寸差为圆柱度，网柱度的公差带是两 柱 0 0 5 m m 3 9 m 同轴圆柱面间的区域，该两同轴圆柱面间的径 连杆 度 小孔 向距离即为公差值 连杆两孔中心距为连杆大小头孔中心轴线之 中心距 6 1 5 0 o s 咖 6 坤 i l 间的距离 以大孔中心轴线a 为基准要素，如图3 1 所示， 平行度测量小孔中心轴线对大孔中心轴线两个方向0 。o l m m 1 5 1 t m 平行的误差最大允许值即为公差值 1 9 3 1 2测量点布局 测点分布主视图如图3 1 所示，俯视图如图3 2 所示。 大孔中测量三个横截面，各截面距离大孔上端面的距离分别为l o m m 、3 0 m m 、 7 5 m m ，每个截面4 个测点均匀排列，即相邻两测点之间成9 0 。夹角，由于待测连 杆在大小头孔中心连线方向有加油槽，因此为了避开加油槽，特将测点旋转4 5 。 角。 小孔中测量两个截面，各截面距离小孔上端面的距离分别为4 0 m m 、7 6 m m ， 每个截面4 支均匀分布，相邻两测点之间亦成9 0 。 图3 2 测量点分布不恿图 测点分布如图3 2 所示。 大孔中测量三个横截面，各截面距离大孔上端面的距离分别为l o m m 、3 0 m m 、 7 5 m m ，每个截面4 个测点均匀排列，即相邻两测点之间成9 0 。夹角，由于待测连 杆在大小头孔中心连线方向有加油槽，因此为了避开加油槽，特将测点旋转4 5 。 角。 小孔中测量两个截面，各截面距离小孔上端面的距离分别为4 0 m m 、7 6 m m ， 每个截面4 支均匀分布，相邻两测点之间亦成9 0 。 3 1 3测量原理 本仪器采用比较法进行测量，由微位移传感器测量出标准件与被测件的差值， 2 0 从而计算出待测连杆各参数的大小。这种方法可将较长尺寸的测量转变为微小尺 寸的测量，自动清除测量定位机构的不准等因素引起的测量误差，从而提高了测 量精度。 该测量系统需要制造一高精度的连杆标准件作为比较基准，测量时，以经过 高精度三坐标机标定的标准件的尺寸作为测量的真值。 如图3 3 所示为比较测量法的原理，例如图中为被测件直径，d 标为标准 件直径，丛为直径测量差，测量出a s ，即可由公式d 溪i = + 篮计算出待测件直 径。 图3 3 比较法测量原理示意图 3 2各几何参数测量方法的计算 本测量仪采用2 0 支传感器进行测量，相关测点如图3 2 所示。小孔相关测点 为1 、2 8 ；大孔相关测点为9 、1 0 2 0 。 r 。j 叁k k y 3 j j | | ， 。lt l ，7 j o 图3 4 连杆大小孔直径检测原理图 2 l 图3 4 中设大小孔截面圆心分别为q 、皱，厶为连杆标准件的中心距。 开始测量时，需要借助标准件对测柱进行标定，使各截面上微位移传感器处 在同一圆周上。标定完成后，各传感器的初始示值分别为q 、吃、。： 对应的小孔直径分别为d 。、d 2 、d 3 、d 4 ，大孔直径分别为d 5 、d 6 d l 。把 标定过的测柱测杆落位于待测连杆的大小头孔中，各个传感器相对于初始位置的 变动量为口：、口二。 3 2 1连杆大小头孔直径的计算 小孔第一层0 。直径变动量i = ( a 3 + a 7 ) ，9 0 。直径变动量a 2 = ( 口i + 口5 ) ；第 二层直径变动量为3 、。大孔第一层4 5 。直径变动量为a ，= ( + q ，) ，9 0 。直 径的变动量为。= ( q 3 + 口。8 ) ；第二、三层的直径变动量依次为，。测得 的各直径为： 纠= 口+ a ( 3 1 ) 小孔直径变动量平均值：小2 去善氆 ( 3 2 ) 测得被测工件小孔直径：或、2 善d f + 言善氆 ( 3 3 ) 大孔直径的变动量平均值：大5 土6 i = 5 z ( 3 ，4 ) 测得大孔直径：砹2 善口+ 吉善， ( 3 5 ) 3 2 2连杆中心距测量的计算 建立如图3 5 所示坐标系，设大小头孔底面所在的平面视