活塞环梯形角测量仪的设计说明书

1、活塞环梯形角度测量仪设计姓名：李洋学号：0743024017学院：制造学院指导老师：赵世平黄玉波陆小龙2011年1月活塞环梯形角度测量仪的设计一.概述活塞环 （Piston Ring） 是用于崁入活塞槽沟的环，分为两种：压缩环 和机油环。 压缩环可用来密封燃烧室内的压缩空气； 机油环则用来刮 除汽缸上多余的机油。 活塞环是一种具有较大向外扩张变形的金属弹 性环，它被装配到剖面与其相应的环形槽内。 往复和旋转运动的活塞 环，依靠气体或液体的压力差， 在环外圆面和气缸以及环和环槽的一 个侧面之间形成密封。活塞环作用包括密封、调节机油（控油）、导热（传热）、导向 （支承）四个作用。密封：指密封燃气，

2、不让燃烧室的气体漏到曲轴箱，把气体的泄 漏量控制在最低限度，提高热效率。漏气不仅会使发动机的动力 下降，而且会使机油变质，这是气环的主要任务； 调节机油（控油）：把气缸壁上多余的润滑油刮下，同时又使缸 壁上布有薄薄的油膜，保证气缸和活塞及环的正常润滑，这是油 环的主要任务。在现代高速发动机上，特别重视活塞环控制油膜 的作用；导热：通过活塞环将活塞的热量传导给缸套，即起冷却作用。据可靠资料认为，活塞顶所受的的热量中有 7080%是通过活塞环 传给缸壁而散掉的；支承：活塞环将活塞保持在气缸中， 防止活塞与气缸壁直接接触， 保证活塞平顺运动，降低摩擦阻力，而且防止活塞敲缸。一般汽 油发动机的活塞采用

3、两道气环，一道油环，而柴油发动机则采用 三道气环，一道油环。作为发动机的关键零件， 活塞环的形状对内燃机的性能有着重要的影 响, 活塞环的梯形角是梯形活塞环的一个重要参数, 其角度大小直接影响到活塞环的质量及使用性能。 角度过大 , 易发生拉缸现象 , 角 度过小 , 则密封性能差 , 发动机功率下降且容易发生烧机油现象。 要 提高活塞环的质量和性能， 就必须首先提高其检测技术， 为解决梯形 活塞环角度测量问题， 我们改进设计一种检测系统活塞环梯形角 度测量仪。二设计目的及技术指标1. 设计目的 本次设计课题为活塞环梯形角度测量仪的设计，其目的如下：a、巩固所学传感器、检测技术、精密机械设计、

4、机械制图、公差分 析等相关知识；b、培养综合运用所学课程和知识的能力;c、培养独立分析和解决实际问题的能力;d、初步掌握仪器设计的基本方法和步骤。2. 主要技术指标被测梯形活塞环的截面图如下图所示:a. 测量夹角，示值误差：士 2b. 测量角度范围：士 5°,可在1.5mm处测环高（选项）c. 活塞环外圆厚度：3-8mm内圆厚度：2.5-6mmd. 活塞环径向宽度：4-6mme. 测量效率没有要求，可以是连续自动测量，也可以是单点或多点手 动测量3. 任务要求本课程设计应该包括：测量原理框图、结构布局，主要元器件选 择（传感器，导轨等），主要误差项及估算值，误差分配考虑。以测 量原理

5、和仪器总体轮廓及布局为主。a. 仪器工作原理图一张。b. 仪器总装配图一张（0号或1号图纸）一一不要求所有的结构 都详细设计，但至少要能表达仪器的工作原理， 要求标注出主要的结 构参数、零件序号及零件名称。c. 零件图5张及以上（图号不限）一一要求标注所有的尺寸、公 差及技术要求；d. 设计说明书一份（5000字以上，五号或小四号字）仪器概述，仪器工作原理设计说明，仪器传感器及基准的选择及工作原理， 仪器主要结构参数确定和计算，仪器精度分析和优化设计，对与之配 合的电气和计算机部分的要求说明等。三设计内容1. 测量原理目前存在的测量梯形角度的一般有三种方法： 两点法，多点法以及光 学读数测量法

6、，其中光学读数测量法属于直接测量法， 而两点法和多 点法属于间接测量法。本仪器选取多点测量法为测量原理。所谓多点法就是测量多个点，用位移传感器来间接测量梯形环角度， 通过测量梯形环端面的一段组成三角形的两个直角边的长度，然后由数学关系求出梯形环角度，通过用位移传感器来测角边的长度。测量时，首先用压板压紧被测工件梯形活塞环，然后由步进电机通过 传动机构的精密丝杆带动空气静压导轨和工作台自左向右移动。台架上固定的电涡流传感器同时对活塞环的上、下侧面进行扫描测量，并由水平光栅位移传感器记录横向位移。计算机对测量信号进行采样，然后将被测面的上、下边界轮廓按比例放大显示在屏幕上。 信号采样 完成后 ,

7、导轨退回到起始位置 , 同时计算机对所采样信号进行数据处 理, 得出测量结果 , 并对所需数据或图形进行输出和打印。对于不同 厚度的环 , 由步进电机移动上传感器来实现测量。2. 主要结构 本仪器的主要结构详见装配图。3. 各主要元器件的选取 本仪器所涉及到的主要元器件包括：传感器，导轨，精密丝杆，步进 电机等。下面将逐一进行分析。a.传感器设计技术指标中要求， 测角范围为± 5°，活塞环径向宽度为 46mm ， 示值误差为± 2'，故可知上下传感器测量量程和精度分别为：6*tan5 ° =0.525mm 最小量程4*tan2 '2um

8、最小精度水平传感器的测量范围为 0-10mm 。上下传感器为小位移传感器， 可以选择电容式传感器， 电感式传感器， 霍尔式传感器等。他们具有各自的技术特点：(1)电容传感器一般量程都小于1mm。精度能达到纳米级。一般用 于厚度测量， 要先对被测体的导电性进行标定再进行测量。 响应频率 几KHz-几十KHz不等。但只能在实验室或者精密的生产线上进行测 量。( 2)霍尔式传感器是非接触式测量，精度较高，但是在生产环境中 容易出现较大位差。( 3)电感式位移传感器(电涡流式)电感式位移传感器具有无滑动 触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命， 可使用在各种恶劣条件下。量程一般是毫

9、米级，精度一般是微米级。 响应频率几 KHz。鉴于仪器工作环境的影响， 以及测量范围的限制等一系列工艺和技术 问题，上下传感器选用电感式位移传感器。 同时该传感器要求精度大 于2um，因此采用了电涡流传感器，其具有结构简单、几何尺寸小、 灵敏度高、抗干扰能力强特点，其分辨率达到0.1um，完全符合测量 需要。水平传感器选用分辨率为0.1um，测量范围为0-10mm的光栅位移 传感器。其具有易实现数字化、精度高、抗干扰能力强、没有人为读 数误差、安装方便、使用可靠等特点。调频式电涡流电感位移传感器 和光栅位移传感器组成二维测量空间。b.导轨由于导轨误差将会1:1的传递到测量值中，直接影响测量精度

10、，故对 导轨精度要求很高，为此选用全封闭式空气静压导轨（导向精度 0.2um/100mm ）。其具有刚度大、抗干扰力强、耐磨、运动灵活、 运行精度高等特点。c. 精密丝杆为了实现将步进电动机的动力传第给气浮导轨使之作平稳的水平运 动，我们采用精密丝杆副作为传动机构。选用滚珠丝杆螺母副作为精 密丝杆副。其原理图如图。滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相 互转换的新型传动装置。在丝杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，当它们 套装在一起时形成了螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠。当丝杠相对于 螺母旋转时，两者发生轴向位移，而滚珠则沿着滚道滚动，螺母螺旋 槽的两端用回珠管连接起来，使滚珠能作周而复始的循环运动， 管

11、道 的两端还起着挡珠的作用，以防滚珠沿滚道掉出。d. 步进电机采用HB（混合式）步进电机。考虑到混合式步进电机的结构特点，于是 采用了双极恒流、细分控制驱动器，从而达到低速、平稳、角度细分 均匀的效果。4.电气部分设计电气部分主要完成对步进电机的控制和对三个传感器输出信号的采 集。其主要组成部分有微机、A/D& D/ A多功能卡、传感器前置放大电路及电机驱动部分等组成。其原理框图如上所示。一方面从微机中发出的数字信号给电机驱动电路以驱动步进电机运 动;另一方面，从三个传感器中的非电量信号通过放大电路变成电压 信号，再经过A/ D转换变成数字信号，输入到微机中，进行数据处理。 放大电路的

12、选择：放大电路是连接传感器与中央处理系统的纽带，是获取被测信号不可或缺的重要环节，是信息输入通道。同时，测量电 路性能的好坏直接影响到测量仪器的精度和可靠性。由于传感器输出信号的大小、变化往往是很微小的，因此，对放大电路的主要要求可 概括为精、快、灵、可靠，当然还有一些其他要求，如量程和经济性。 具体要求是：低噪声与高抗干扰能力；低漂移、高稳定性；线性与保 真度好。A/D& D/ A的选择：在本设计中，采用计算机对输出数据进行处理， 因此，A/D& D/ A转换器必不可少的器件。A/D转换器将传感器输出 的模拟信号转换成数字信号；D/ A转换器将计算机输出的数字信号 转换成执行

13、机构需要的模拟信号。四误差分析影响仪器测量精度的主要误差有：1. 传感器的示值误差所选用的调频式传感器分辨率为 0.1um,每个传感器本身带来的随机 误差为“二士 0.2um。其在水平方向的误差分量经过计算由带来的角 度误差为厶”二士0.2 '。光栅传感器的分辨率为1um对梯形角的测 量误差2 0。在实际的测量中采用的是多点法，通过扫描测量梯形环上下轮廓， 然后利用数据处理软件采用一元线性回归法计算而得， 所以由于传感 器得示值误差引起的误差要小于计算值。2. 导轨运动直线度误差空气静压导轨的实际导向精度为 0.2um/100mm所以取也3=士 0.2um。 由导轨引起的侧面角误差.&

14、quot;3± 0.2 '.由于在测量时，工作台行程 只有2 3mm所以由于导轨运动直线度对角度测量的影响比这个要 小。3. 导轨运动轴线与光栅传感器测杆轴线的平行度误差和导轨运动轴 线与电感位移传感器测杆轴线的垂直度误差两项误差源可造成二维测量坐标轴不垂直，引起测量仪器的系统误差 但均为二次误差，可利用角度标准件和调整附件进行调整标定予以消 除，即丄=4 74.梯形环定位误差梯形环定位误差可造成梯形环的实际被测截面不通过梯形环的理论 中心轴线，从而引起梯形角测量误差。如图：但是通过计算可以求得其定位误差对测量误差的影响比较小，一般可以在设计的忽略不计。所以这项误差可以不用考

15、虑，即."5 -65. 工件因素引起的误差工件自身的因素，也会给测量带来误差，主要有以下几项：a. 由于工件变形，基面不平整，每次安装时，压紧的情况都不一 致，都会给引起测量结果的变化，在一次安装下多次测量不反映这项 误差。只有在多次安装测量下才会产生。b. 每次安装由于调整步进电机位置，即测量点起点和终点的位置 都会有变化，又因工件表面有波度，因此测量值也会有变化。c. 上下测头位置不重合，在正、反安装工件时，也会因波度影响 而测的值不一致。d. 定位基准不平行，正、反安装时，测量同一锥角，因其定位面 不同而引进了正、反安装之间的系统误差。以上4种情况随工件的质量不同，其影响也是不

16、一样的。6. 环境因素引起的误差由于本仪器属于精密仪器，其工作环境要求很高，但是在实际的应用 中，需要仪器工作在车间现场。车间现场的温度、振动等各种环境因 素都是恶劣的。a. 温度对测量的影响实验表明，随着温度的升高，角度会略微升高。可以通过软件把 此项误差弥补掉。b. 振动对测量的影响振源主要来自水平步进电机。因此首先要减小步进电机本身的振动， 主要措施是：采用细分驱动法并选择“线性 +正弦规律波”作为控制 电流波形。除了采用减小自身电机的振动外， 还通过使用弹性连轴器、在电机连 接处增加橡胶垫、改善零件的结构以及增加工件的刚度等方法来减小 振动。虽然采取了诸多减小振动的有效措施，但毕竟不能

17、完全消除振动。 为了不影响测量的精度结果，采用延时采集的方法。即在扫描测量时， 在电机运行后，不立即采集，而是待振动趋于稳定后再采集传感器的 读数。这样可以有效的减少振动对角度测量的影响。 最后得出环境因 素对测量结果的影响为6± 0.3um。由此综合仪器的角度测量误差为二*%日1八2 乜日2八2 +心日3八2"日4八2 +48 52 乜日6八2 =0.42 '该误差完全满足仪器的设计要求。五总结1. 设计总结本次梯形活塞环角度测量仪的设计，本人是从以下几个方面来完成的：a. 先根据测量对象、测量任务和测量目的，研究具体的测量方法。 最后从三种现有的测量方法中（光学

18、读数测量法、两点发和多点法） 确定用多点法来测量，即采用扫描测量法。用这种方法的优点是检测 的精度高，准确性好，可以更详细、更真实的反映活塞环表面的状态， 从而提高检测的质量。b. 根据测量方法研究具体的实现方法。整台仪器以计算机为核心。 一方面，从计算机中发出的数字信号经数据采集卡输入给电机驱动电 路，驱动步进电机运动，从而带动工作台水平运动和上传感器的垂直 运动，从而实现扫描测量；另一方面，从三个传感器中的非电量信号 通过放大电路变成电压信号，再经过数据采集卡 A/ D转换变成数字 信号，输入到计算机机中，通过软件进行数学处理，虽后得出梯形角。c. 根据具体的实现方法，把测量仪分为主要三个部分来完成。它们分别是机械部分、电气部分和软件部分。机械部分主要功能是给测 量提供一个工作台面：完成活塞环的装夹、定位和拆卸；完成三个传 感器的定位和固定；电机的固定和运动机构的实现。 电气部分主要的 功能是提供硬件的