CN1031224C - 上死点自动检测定位方法及设备 - Google Patents

Abstract

内燃机活塞上死点自动检测定位方法及设备，其方法的特点是以活塞的最大位移值和所对应的曲轴转角值来确定活塞压缩冲程上死点的位置，其设备主要包括浮动式无间隙传动的对接夹紧装置、高精度无间隙传动的双导程蜗杆蜗轮减速箱、步进电机、圆光栅、浮动式位移测量装置、光电传感器和计算机。该发明自动化程度高，可靠性强，上死点定位精度＜±0.3°，工作方式多样，能满足生产现场各种不同情况的需要。

Description

上死点自动检测定位方法及设备

本发明涉及一种工业现场用的内燃机活塞上死点在线自动检测定位方法及设备，通过此种方法和设备，可以把装配中的内燃机第一缸活塞精确定位于压缩冲程的上死点。

在内燃机装配过程中，高压燃油泵阀门喷油正时开启角的调整是以第一缸活塞压缩冲程上死点作为基准，因此，在安装调整喷油泵之前必须首先将第一缸活塞精确定位于压缩冲程的上死点，否则将影响内燃机的整机性能。

对于装配中的内燃机活塞压缩冲程上死点的检测定位，国内普遍靠人工手动方式来实现，即检测者在千分表等检测仪表的配合下，根据自己的观察和经验来确定，这种方式不仅工效低、劳动强度大，而且定位精度差、难以达到工艺要求。美国康明斯发动机公司使用了一种自动检测定位方法和设备，该方法用磁电式传感器判断内燃机凸轮轴齿轮和曲轴齿轮上的凹圆记号是否对中来确定活塞临近压缩冲程上死点的状态，仅用活塞移动过程中的最大位移值来确定活塞压缩冲程上死点的位置，并以此值作为控制活塞定位上死点的目标值，其设备中用伺服电机作为曲轴转动的驱动源，而且其驱动头采用拨销与曲轴对接并驱动其转动，无法消除传动中间隙的影响，因此可靠性、定位精度不可避免地存在问题。

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种自动化程度高、定位精度高、可靠性强的内燃机活塞上死点在线检测定位方法和设备。

本发明所提供的方法，是在计算机控制下将所测得的值与目标值进行比较、调整而实现。目标值为活塞移动过程中的最大位移值和所对应的曲轴的转角值，通过检测值的比较而确定，当测得的活塞位移值和曲轴的转角值均满足定位目标值的精度时，表明活塞正位于压缩冲程的上死点。检测定位的具体步序如下：

(一)检测定位设备中的对接夹紧装置在转动中与输送到位的内燃机的曲轴自动对接并将其夹紧；

(二)检测定位设备中的位移测量装置自动到位定位于内燃机第一缸的缸体顶面；

(三)对接夹紧装置带动曲轴快速转动，当凸轮轴齿轮轮辐外端面特定位置处所贴的反光标记进入检测定位设备中的光电传感器的光照区时，表明活塞已临近压缩冲程上死点，光电传感器即给计算机发出信号，使其控制曲轴变为低速转动；

(四)在活塞低速经过压缩冲程上死点前后的过程中，测量活塞位移值的位移计和测量曲轴转角值的圆光栅仪同时输给计算机的信号被同时触发采样，经数据处理后即可获得活塞的最大位移值和所对应的曲轴的转角值，并以此两值作为控制活塞定位于上死点的目标值；

(五)活塞经过压缩冲程的上死点后，曲轴继续以快速转动，直至活塞再次临近压缩冲程上死点时在光电信号的控制下低速转动，当活塞位移值和曲轴的转角值均满足定位目标值的精度时，计算机立即发指令控制驱动装置制动，同时显示打印检测和定位数据，并伴有声光报警，说明定位完成。

根据上述方法专门设计的设备主要包括对接夹紧装置、减速箱、电机及其驱动电源、液压滑台、侧底座、圆光栅及圆光栅仪、光电传感器、交直流转换器、位移测量装置、位移传感器及位移计、立柱、液压站和计算机。侧底座和立柱为支承部件，它们分别安装在内燃机传输线的两侧，液压滑台的滑台座与侧底座固联，液压滑台的工作台安装对接夹紧装置和减速箱，电机装在减速箱上，减速箱的输入轴与电机相联，减速箱的输出轴两端分别与对接夹紧装置和圆光栅相联。位移传感器安装在位移测量装置上，位移测量装置和光电传感器固定于立柱上。光电传感器的输出端直接与计算机的输入端相联，圆光栅和位移传感器的输出端分别通过圆光栅仪和位移计与计算机的输入端相联，计算机的输出端接电机的驱动电源和液压站的各液压控制阀，液压站通过油管与液压滑台、对接夹紧装置和位移测量装置中的油缸相联。该设备中，光电传感器用来确定活塞临近压缩冲程上死点的状态，圆光栅及圆光栅仪用来测量曲轴的转角值，位移传感器及位移计用来测量活塞的位移值。

本发明的具体步序和结构由以下的实施例及其附图给出。

图1是根据本发明提出的上死点自动检测定位方法及设备的原理图；图2是上死点自动检测定位设备的结构简图；图3是对接夹紧装置的结构图；图4是对接夹紧装置的对接机构的结构图；图5是减速箱的结构图；图6是位移测量装置的结构图；图7是位移测量装置的A向局部视图；图8是位移测量装置的C—C剖视图；图9是位移测量装置的E-E剖视图；图10是位移测量装置的G向视图。

下面结合附图详细说明依据本发明提出的上死点自动检测定位设备的具体结构，检测定位方法的特点。

如图1、图2所示，上死点自动检测定位设备的侧底座1和立柱10分别安装在内燃机传输线的两侧，它们为支承部件，用于安装其它部件。侧底座1支承液压滑台3、圆光栅4、减速箱5、电机6和对接夹紧装置7。液压滑台3的滑台座与侧底座1固联，液压滑台3的工作台，安装对接夹紧装置7和减速箱5，电机6装在减速箱5上，减速箱5的输入轴通过联轴器与电机6相联，减速箱5的输出轴一端通过联轴器与对接夹紧装置7相联，另一端通过弹性联轴器与圆光栅4的主光栅轴相联，圆光栅4的指示光栅及壳体固定在减速箱箱体38的凸缘上。立柱10支承位移传感器8、位移测量装置9和光电传感器11，位移传感器8安装在位移测量装置9上，位移测量装置9固定于立柱10的正上部，光电传感器11固定于立柱10的中部。液压站2和控制柜分别独立安置在内燃机传输线两侧，控制柜中装有计算机(STD总线机、PC机)、电机驱动电源、交直流转换器、圆光栅仪和数字位移计等仪器仪表和电器元件。光电传感器11的输出端直接与计算机输入端相联，圆光栅4和位移传感器8的输出端分别通过圆光栅仪和数字位移计与计算机的输入端相联，计算机的输出端接电机6的驱动电源和液压站2的各液压控制阀，液压站2通过油管与液压滑台3、对接夹紧装置7和位移测量装置9中的油缸相联。为了适应工业现场装配中的各种情况，该设备还设置了按钮站12，以方便设备的手动调试，按钮站12安装在侧底座1侧面。为了减振，侧底座1和立柱10底部均安装有防振垫13。

如图3、图4所示，对接夹紧装置7为浮动式对接夹紧装置，它包括与被驱动件对接的对接机构、夹紧被驱动件的夹紧机构、控制夹紧机构工作的液压传力机构、可使对接机构、夹紧机构同时实现平移和摆动的浮动机构、主支承体22、辅助支承体30和使上述各机构实现转动的轴承。该装置的对接机构和夹紧机构设计成一体，对接机构设计了自动定心对接式和拨销对接式两种结构，夹紧机构为液性塑料定心夹紧式结构，由对接头体16、弹性套14、衬套15、液性塑料31、圆柱销32、拨销弹簧33、拨销34组成。弹性套14前端的引导锥面及其内孔形成定心对接式结构，弹性套14的内孔与对接头体16和衬套15底部安装的拨销34形成拨销对接式结构，拨销孔有4个，其中两个孔安装了拨销34，另两个孔作为备用孔，为了防止衬套15转动，备用孔中安装有圆柱销32。液压传力机构由单作用油缸、滑柱17和一端安装有钢球的接长杆18组成，单作用油缸包括缸体25、活塞24、Y形密封圈20、轴承密封隔套23、进油和回油用的锥螺纹长管接头19和端盖21，为了简化结构，缸体25与浮动机构中的后V形槽盘设计成一个零件，端盖21的外端面设计有安装联轴器的轴。浮动机构为十字V形槽盘付结构，由前V形槽盘29、后V形槽盘25、十字V形槽盘27、十字槽盘套28和钢球26组成，前V形槽盘29、后V形槽盘25的端面上开有径向V形凹槽，前V形槽盘29的V形凹槽端还设计有球面台阶，十字V形槽盘27的两端均开有径向V形凹槽，且两V形凹槽相互垂直，前V形槽盘29的无V形凹槽端与对接头体16固联，十字V形槽盘27的外圆压套上十字槽盘套28，钢球26装在十字V形槽盘27的两端V形凹槽中，两端V形凹槽中的钢球联心线垂直相交，球面台阶的球心位于此交点上。该装置中各机构的零部件按以下方式组装：安装上了对接夹紧件的对接头体16、前V形槽盘29、十字V形槽盘27和单作用油缸的缸体25(也是后V形槽盘)安装在主支承体22和辅助支承体30上，并形成整体式结构，滑柱17位于对接头体16的中心部位并与液性塑料31相贴，接长杆18位于前V形槽盘29的中心孔内，其有钢球端顶着滑柱17，另一端接单作用油缸的活塞杆，把活塞24运动产生的挤压力传递给液性塑料，迫使弹性套14内孔收缩而夹紧被驱动件，轴承分别安装在前V形槽盘29、单作用油缸缸体25、前V形槽盘29的球面台阶和后V形槽盘25的轴肩处。为了调节轴向间隙和抵消夹紧机构、对接机构因自重量下垂压在被驱动件的轴上造成的附加转矩，辅助支承体30前端安装有法兰盘，其上设置有两圈共12套由调整螺钉、压缩弹簧和导柱组成的调节机构。此种结构的对接夹紧装置具有拨动加定心夹紧的功能，因此既可降低单作用油缸的压力，以减少Y形密封圈的摩擦转矩、提高电机输出转矩的利用率，又可实现无间隙传动；浮动机构便对接机构和夹紧机构的轴心线可同时在任意方向平移和摆动浮动，且浮动量可达±2毫米，因此，即使被驱动件定位误差较大、主机安装误差较大，也能方便地实现对接夹紧。

鉴于对接夹紧装置的上述结构特点，检测定位方法的第一步序—“对接夹紧”具有以下特点：首先，对接夹紧装置与输送到位的内燃机曲轴自动对接，然后，对接夹紧装置旋转，在180°内拨销自动进入曲轴端的拨销孔，并带动曲轴旋转，待曲轴转动200多度后，弹性套内孔再将曲轴夹紧。

如图5所示，减速箱5为无间隙传动的高精度双导程蜗杆蜗轮减速箱，由箱体38、蜗杆41、蜗轮42、配油器43、轴承39、44和蜗杆轴向移动调节机构组成。蜗杆41的螺旋升角设计在自锁范围内；蜗杆轴向移动调节机构包括钢套35、圆螺母36、40、防转止动螺钉37，钢套35与轴承39形成整体结构，圆螺母3640、防转止动螺钉37用于钢套35在箱体38上的移动和定位。当出现间隙需要调整时，松开圆螺母36和防转止动螺钉37，沿顺时针方向转动圆螺母40，钢套35即可通过轴承39带动蜗杆41向右轴向移动以消除间隙。因此，该减速箱能实现高精度无间隙传动和高精度定位，且调节机构结构简单、性能可靠、使用方便。蜗杆轴为输入轴，蜗轮轴为输出轴。

如图6、图7、图8、图9、图10所示，位移测量装置由油缸46、缸罩支承47、密封套48、自锁机构、导向机构、压头、位移传感器锁紧机构和微调机构组成，油缸46、缸罩支承47和导向机构的导轨58固定在立柱10上，密封套48紧贴缸罩支承47的端面安装，压头与油缸46的活塞杆相联。压头为浮动压头，包括压头体55、压头座56、压缩弹簧51、螺钉52、垫圈53和限位块50，螺钉52和垫圈53把压头体55、压头座56联接成一体，压头体55通过其上面的孔与压头座56之间的间隙及安装在压头体55和压头座56上的压缩弹簧51实现浮动，限位块50固定在压头座56的上端面。压头体55的下端面安装有三个定位块54，上端面安装有导向杆59，位移传感器8也安装于其上；压头体55的法兰盘外侧面安装有滑块57，该滑块与导轨58组成的导向机构可保证位移传感器的测点位置不变。该装置中，压头处于最高位置时防止其下滑是靠自锁机构来保证，自锁机构由钢球60、滑柱61、弹簧62、调节螺钉63、限位螺钉64和安装以上零件的限位支承49构成，限位支承49紧贴密封套48的端面安装，当压头上升到最高位置处时，滑柱61在弹簧62的作用下使钢球60自动地落进限位块50的V形槽中，通过调节弹簧62，使弹性定位装置产生自锁，从而实现无下滑的自锁功能；同时，该自锁机构不影响压头的下降，当压头下降后，还可保证钢球60不与活塞杆接触。位移传感器8的锁紧机构由滚花高头螺钉67、切向夹紧套66、65组成，以上零件安装在压头体55上，锁紧时，依靠滚花高头螺钉67产生的挤压力使切向夹紧套66、65沿弧面抱紧位移传感器8。位移传感器8的微调机构由螺杆74、锁紧套73、螺母72、70、68、微调支承71和垫圈69组成，微调时，先松开位移传感器8的锁紧机构，然后调节螺母72即可实现位移传感器8的上下微动，调节好后再将位移传感器8锁紧。此种结构的位移测量装置既不会压伤内燃机缸体顶面，又能保证其上安装的位移传感器测杆与缸体顶面垂直和测点位置不变，从而使待测件与立柱各部件的安装误差不影响检测精度。

为了保证检测精度，提高整机的可靠性，驱动减速箱蜗杆轴转动的电机6选用步进电机。

为了排除测试及控制过程中外界干扰造成的不良影响，计算机软件具有对输入信号在线数据处理的功能，如有误操作，即可通过显示器和蜂鸣器提醒操作人员纠正。

由于组成设备的各装置和部件具有上述性能，当减速箱的传动比为1∶30时，步进电机可使内燃机曲轴以0.02°/步旋转，足以保证±0.3°的测量和定位精度要求。

本实施例的主要技术指标如下：

上死点定位精度    ＜±0.3°(曲轴转角)

位移传感器精度    ±0.5μm

圆光栅精度        ±25角秒

噪声              ＜75dB(A)

设备工作节拍      2.25分钟

本发明具有以下优点：

1、设备具有手动、单周期自动循环和自动循环三种工作方式，适应性强。

2、检测定位精度高，上死点定位精度＜±0.3°。

3、可靠性强，步进电机、光电传感器、反光标记配合计算机软件处理，使设备不易出现误动作。即使有人为的误操作(如贴错反光标记位置)，也具有提醒操作人员纠正错误的功能。

4、价格低，为从美国康明斯发动机公司引进同种用途设备价格的

本发明的结构不限于上述实施例，其保护范围由权利要求决定。

Claims (3)

1、一种内燃机活塞上死点的自动检测定位方法，在计算机控制下将所测得的值与目标值进行比较、调整而实现，其特征在于目标值为活塞移动过程中的最大位移值和所对应的曲轴的转角值，通过检测值的比较而确定，具体步序如下：

①检测定位设备中的对接夹紧装置在转动中与输送到位的内燃机的曲轴自动对接并将其夹紧，

②检测定位设备中的位移测量装置自动到位定位于内燃机第一缸的缸体顶面，

③对接夹紧装置带动曲轴快速转动，当凸轮轴齿轮轮辐外端面特定位置处所贴的反光标记进入检测定位设备中的光电传感器的光照区时，表明活塞已临近压缩冲程上死点，光电传感器即给计算机发出信号，使其控制曲轴变为低速转动，

④在活塞低速经过压缩冲程上死点前后的过程中，测量活塞位移值的位移计和测量曲轴转角值的圆光栅仪同时输给计算机的信号被同时触发采样，经数据处理后即可获得活塞的最大位移值和所对应的曲轴的转角值，并以此两值作为控制活塞定位上死点的目标值，

⑤活塞经过压缩冲程上死点后，曲轴继续以快速转动，直至活塞再次临近压缩冲程上死点时在光电信号的控制下低速转动，当活塞位移值和曲轴的转角值均满足定位目标值的精度时，计算机立即发指令控制驱动装置制动，同时显示打印检测和定位数据，并伴有声光报警，说明定位完成。

2、一种根据权利要求1所述的方法而专门设计的检测定位设备，包括对接夹紧装置(7)、减速箱(5)、电机(6)及其驱动电源、液压滑台(3)、侧底座(1)、位移测量装置(9)、位移传感器(8)及其位移计、立柱(10)、液压站(2)和计算机，其特征在于还包括光电传感器(11)、交直流转换器、圆光栅(4)及其圆光栅仪，侧底座(1)和立柱(10)为支承部件，它们分别安装在内燃机传输线的两侧，液压滑台(3)的滑台座与侧底座(1)固联，液压滑台(3)的工作台安装对接夹紧装置(7)、减速箱(5)，电机(6)装在减速箱(5)止，减速箱(5)的输入轴与电机(6)相联，减速箱(5)的输出轴两端分别与对接夹紧装置(7)和圆光栅(4)相联，位移传感器(8)安装在位移测量装置(9)上，位移测量装置(9)和光电传感器(11)固定于立柱(10)上，光电传感器(11)的输出端直接与计算机的输入端相联，圆光栅(4)和位移传感器(8)的输出端分别通过圆光栅仪和位移计与计算机的输入端相联，计算机的输出端接电机(6)的驱动电源和液压站(2)的各液压控制阀，液压站(2)通过油管与液压滑台(3)、对接夹紧装置(7)和位移测量装置(9)中的油缸相联。

3、根据权利要求2所述的检测定位设备，其特征在于：

①对接夹紧装置(7)为浮动式对接夹紧装置，其浮动机构为十字V形槽盘付结构，由前V形槽盘(29)、后V形槽盘(25)、十字V形槽盘(27)、十字槽盘套(28)和钢球(26)组成，前V形槽盘(29)、后V形槽盘(25)的端面上开有径向V形凹槽，前V形槽盘(29)的V形凹槽端还设计有球面台阶，十字V形槽盘(27)的两端均开有径向V形凹槽，且两V形凹槽相互垂直，前V形槽盘(29)的无V形凹槽端与对接夹紧装置中的对接头体(16)固联，后V形槽盘(25)与对接夹紧装置中的油缸缸体设计成一个零件，十字V形槽盘(27)的外圆压套上十字槽盘套(28)，钢球(26)装在十字V形槽盘(27)的两端V形凹槽中，两端V形凹槽中的钢球联心线垂直相交，球面台阶的球心位于此交点上，

②减速箱(5)为双导程蜗杆蜗轮减速箱，由箱体(38)、蜗杆(41)、蜗轮(42)和蜗杆轴向移动调节机构组成，蜗杆轴为输入轴，蜗轮轴为输出轴，

③电机(6)为步进电机，

④位移测量装置(9)中用于定位的压头为浮动压头，它包括压头体(55)、压头座(56)、压缩弹簧(51)、螺钉(52)、垫圈(53)和限位块(50)，螺钉(52)和垫圈(53)把压头体(55)、压头座(56)联结成一体，压头体(55)通过其上面的孔与压头座(56)之间的间隙及安装在压头体(55)和压头座(56)上的压缩弹簧(51)实现浮动，限位块(50)固联在压头座(56)的上端面。

Images