CN103465108A - 活塞异型销孔的轮廓误差在位检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种活塞异型销孔的轮廓误差在位检测装置。导轨水平固定在机床基座上，托板安装在导轨上并沿导轨水平移动，对中杆通过对中杆支架安装在托板上，活塞通过装夹装置固定安装在托板上，活塞销孔与对中杆对齐；箱体安装在机床基座上，测量杆与箱体内机床主轴连接，测量套固定套在测量杆末端，测头安装在测量套上，光电编码器通过编码器支架与机床主轴连接，测量杆与活塞销孔中心轴线重合且平行于导轨；感应同步器和限位开关安装在机床基座上，感应同步器、测头和光电编码器均经数据采集卡与计算机连接。本发明采用了在位检测，结构简单，检测方便，不需要二次装夹，精度高，适用范围广，可对活塞异型销孔轴向截面和径向截面进行检测。

Description

活塞异型销孔的轮廓误差在位检测装置

技术领域

本发明涉及一种轮廓误差检测装置，特别是涉及一种活塞异型销孔的轮廓误差在位检测装置。

背景技术

随着对发动机的输出功率与转速的要求日益提高，人们开始追求耐热性、耐磨性、密封性良好、导向性平稳的活塞，同时要求满足工作效率高，能耗低，噪声小等要求，而传统圆柱活塞销孔在发动机高速运转中，会产生严重的应力集中现象，使活塞工况恶化。研究试验结果表明，将活塞圆柱销孔设计加工成非圆柱形，是目前均化应力分布，消除应力集中最为有效的途径。但是活塞异型销孔的尺寸变化量小，而几何尺寸精度、轮廓精度要求都较高，这对检测造成了很大困难。

在活塞异型销孔检测领域，国防科技大学提出一种使用电感旁向位移传感器，检测销孔母线轮廓的非在位测量装置，该测量装置无径向截面轮廓误差检测功能，且受限于电感旁向位移传感器尺寸，适用于较大的活塞销孔测量。常德师范学院提出了一种非圆截面在位测量方法，论文主要关于数据处理与误差补偿，且主要用于外圆轮廓检测，并未给出具体检测机构。兰州理工大学使用传感器深入轴承孔旋转检测圆度的方法，检测装置体积大，且数据处理方法趋于简化，精度较低，主要用于大轴承孔检测。

发明内容

为了解决活塞异型销孔检测的问题，本发明的目的在于提供一种活塞异型销孔的轮廓误差在位检测装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明装置包括限位开关、对中杆支架、托板、对中杆、感应同步器、装夹装置、导轨、测头、测量套、测量杆、箱体、机床基座、编码器支架、光电编码器、数据采集卡和计算机。导轨水平固定在机床基座上的一侧，托板安装在导轨上并沿导轨水平移动，对中杆通过对中杆支架安装在托板远离箱体的一侧上，装夹装置固定安装在托板靠近箱体的一侧上，活塞固定在装夹装置上，活塞的销孔与对中杆对齐；箱体安装在机床基座上的另一侧，测量杆与箱体内机床主轴朝向导轨的一端连接，测量套固定套在测量杆的末端，测头安装在测量套上，光电编码器通过编码器支架与箱体内机床主轴远离导轨的一端连接，测量杆与活塞销孔的中心轴线重合且平行于导轨；用于测量托板水平位移的感应同步器包括定尺和滑尺，定尺安装在机床基座上，滑尺安装在导轨上，定尺、滑尺均与导轨平行；感应同步器、测头和光电编码器均经数据采集卡与计算机连接。

所述的测头为传感器测头，外表面设有螺纹，传感器测头通过螺母安装在测量套上并通过螺母调节位置。

所述的传感器测头的传感器采用电涡流位移传感器。

所述的机床基座上装有用于设置托板起始位置的限位开关。

本发明的有益效果是：

本发明采用了在位检测，使用镗杆作为测量杆，保证了测量杆与活塞销孔同轴。在加工完成之后不需要拆卸活塞，省去了重新装夹定位的步骤。本发明结构简单，检测方便，不需要二次装夹，精度高，适用范围广，可对圆柱形、圆锥形、以及椭圆形销孔进行轴向截面及径向截面的轮廓误差检测，能很好地满足对活塞异型销孔的轮廓误差的检测需求。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

图2是测量套与测量杆的安装结构示意图。

图3是轴向截面轮廓母线的检测数据及截取段示意图。

图4是截取母线段数据点及拟合直线段示意图。

图5是图4局部放大效果图。

图6是径向截面为圆的检测数据及拟合圆示意图。

图7是图6局部放大效果图。

图8是径向截面为圆的轮廓误差分布极坐标示意图。

图9是径向截面为椭圆的检测数据及拟合圆示意图。

图10是图9局部放大效果图。

图11是径向截面为椭圆的轮廓误差分布极坐标示意图。

图12是锥形活塞销孔示意图。

图13是图12的局部示意图。

图中：1.限位开关、2.对中杆支架、3.托板、4.对中杆、5.感应同步器、5a.定尺、5b.滑尺、6.装夹装置、7.活塞、8.导轨、9.测头、10.测量套、11.镗刀、12.测量杆、13.箱体、14.机床基座、15.编码器支架、16.光电编码器、17.计算机、18.数据采集卡。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1、图2所示，本发明装置包括限位开关1、对中杆支架2、托板3、对中杆4、感应同步器5、装夹装置6、导轨8、测头9、测量套10、测量杆12、箱体13、机床基座14、编码器支架15、光电编码器16、计算机17、数据采集卡18；导轨8水平固定在机床基座14上的一侧，托板3安装在导轨8上并可沿导轨8水平移动，对中杆4通过对中杆支架2安装在托板3远离箱体13的一侧上，装夹装置6固定安装在托板3靠近箱体13的一侧上，活塞7固定在装夹装置6上，活塞7的销孔与对中杆4对齐；箱体13安装在机床基座14上的另一侧，测量杆12与箱体13内机床主轴朝向导轨的一端连接，测量套10固定套在测量杆12的末端，测头9安装在测量套10上，光电编码器16通过编码器支架15与箱体13内机床主轴远离导轨的一端连接，测量杆12与活塞7销孔的中心轴线重合且平行于导轨8；用于测量托板3在导轨8上水平位移的感应同步器5包括定尺5a和滑尺5b，定尺5a安装在机床基座14上，滑尺5b安装在导轨8上，定尺5a、滑尺5b均与导轨8平行；感应同步器5、测头9和光电编码器16均经数据采集卡18与计算机17连接。

所述的测头9采用传感器测头，外表面设有螺纹，测头9通过螺母安装在测量套10上并通过螺母调节位置。在检测过程中，测头9与活塞7销孔被测面之间的间距可通过测头9的螺母调节，使其位于测头的测量范围之内。

加工时测量杆12为镗杆，镗刀11安装在测量杆12上末端，用于活塞7销孔的加工，检测时镗刀11不必取下，镗刀11的刀尖从测量套10下部缺口伸出，测量杆12末端与测量套10配合，并以螺钉连接固定。由于避免了镗刀11的重复拆装，测量套10的安装与拆下对于再次加工活塞销孔没有影响。

所述的机床基座14上装有用于设置托板3起始位置的限位开关1。限位开关是机床的一部分，限位开关通过导线连接到机床基座内部。

测头采用电涡流位移传感器，用于测量测头至销孔内表面的位移，选用湖南天瑞公司生产的TR81系列电涡流传感器。

感应同步器5用于检测托板水平位移，可以采用上海博测水平仪有限公司生产的SF13型感应同步器。感应同步器5分为定尺与滑尺，定尺固定于机床基座14上，滑尺固定于托板上，通过检测其相对位移量，获得托板的水平位移。

光电编码器16为精密角度测量元件，用于测量测头旋转角度，采用日本Koyo公司的TRD-J1000-RZ增量式光电编码器。

感应同步器5、测头9、光电编码器16采集信号经过数据采集卡18输入到计算机17中进行处理，获得活塞销孔的轮廓数据。

本发明采用了在位检测方式，加工完成之后不需要进行活塞的拆卸与二次装夹，能够保证测量杆与活塞销孔同轴。所述的测量套下部缺口对准镗刀，使镗刀从缺口中伸出，测量杆与测量套间隙配合，通过螺钉连接固定。测量套的安装与拆下不需拆卸镗刀，对于再次加工活塞销孔没有影响。

测量杆轴线与导轨平行；测头轴线与活塞销孔轴线共面且垂直；并可通过螺母调节传感器测头与被测面间距，使其处于测头的线性测量范围内。托板3沿导轨移动过程中传感器测头可检测其与销孔被测面的径向间距变化信息，结合感应同步器同步采集的轴向位移信息，通过最小二乘法拟合直线段，计算出活塞销孔轴向截面的轮廓误差（包括锥形孔的锥度及母线直线度误差）；测量杆周向旋转时，测头检测其与销孔被测面径向间距变化信息，结合光电编码器同步采集对应角度信息，以最小二乘法拟合出径向截面理想轮廓，并计算轮廓误差（包括圆柱、圆锥销孔的截面圆度误差，椭圆柱、椭圆锥销孔的截面椭圆度与轮廓度误差）。

本发明具体实施过程如下：

检测用活塞销孔精加工设备为超磁致伸缩智能镗杆实验系统，可镗削加工直径35～42mm的销孔。检测用锥形销孔理想锥度为13.5/1000，如图12、图13所示；椭圆销孔理想椭圆度50μm，长轴竖直。

在活塞7销孔加工完成之后，因为测量杆12即为镗杆，对活塞7销孔的加工过程保证了测量杆12与活塞7销孔同轴，并且其轴线与导轨8方向相平行，因此不需对活塞进行拆卸与重新装夹定位，免去了二次装夹引入的定位误差。在测量杆12末端安装测量套10，并把测头9安装在测量套10上，当检测活塞7的轴向截面轮廓误差时，托板3沿导轨水平移动，测头9与活塞7销孔被测面之间的间距发生变化，通过测头9和感应同步器5测量此径向位移变化及对应轴向位移信息，经数据采集卡18传输至计算机17，由计算机17进行数据处理，部分实验数据如表1所示。

表1轴向截面检测数据

测头电压信号（V）	光电编码器角度数据（°）	感应同步器计数
			…	…	…

6.264213	-1.980000	25759.000000
			6.269692	-1.980000	25760.000000
6.267114	-1.980000	25760.000000
			6.264535	-1.980000	25760.000000
6.269047	-1.980000	25760.000000
			6.269369	-1.980000	25760.000000
6.266791	-1.980000	25760.000000
			6.264535	-1.980000	25761.000000
6.267436	-1.980000	25761.000000
			…	…	…

采用Matlab工具（也可采用其他工具），截取销孔有效测量段，将感应同步器计数转换为轴向位移x_i，测头电压信号转换为径向位移y_i。截取图像如图3所示。以每一检测点的轴向位移值x_i，径向位移值y_i，设检测点数为n，采用最小二乘法可拟合母线直线段，确定其方程（y＝ax+b）各项系数，如下公式1所示：

$\left[\begin{array}{cc}\mathrm{\Σ}{x}_i^2& \mathrm{\Σ}{x}_i\\ \mathrm{\Σ}{x}_i& n\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}a\\ b\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Σ}{x}_i{y}_i\\ \mathrm{\Σ}{y}_i\end{array}\right]---\left(1\right)$

式1中，a、b均为直线方程待定系数，a为直线方程第一待定系数，b为直线方程第二待定系数。

上式中a实际也为母线斜率，通过求解a，可求出销孔锥度；通过将每一测量点与拟合母线方程在相同X坐标下求其Y坐标之差，即为母线沿轴向位移的轮廓误差的分布，取轮廓误差的最大值与最小值之差即为母线直线度。

检测结果如图4所示，其局部放大效果见图5。图中所示截面轮廓检测结果为：母线倾角0.392°，销孔锥度13.7/1000，母线直线度3.574μm。

当检测活塞7销孔的径向截面轮廓时，首先使托板3前进，使测头9进入活塞7销孔中，测头9与活塞7销孔被测面之间的间距需保证在测头9的量程范围内，此间距可由螺母调节。测量杆12随着机床主轴旋转，带动测量套10和测头9旋转，在旋转过程中通过光电编码器16和测头9检测各角度下对应的径向位移信息，经数据采集卡传输至计算机，由计算机进行数据处理，部分实验数据如表2、表3所示。

表2径向截面检测数据（圆）

测头电压信号（V）

光电编码器角度数据（°）

感应同步器计数

…	…	…
			4.139171	-0.180000	20000.000000
4.136271	-0.180000	20000.000000
			4.131436	-0.270000	20000.000000
4.138849	-0.270000	20000.000000
			4.135304	-0.270000	20000.000000
4.133370	-0.270000	20000.000000
			4.134337	-0.270000	20000.000000
4.137237	-0.360000	20000.000000
			4.138849	-0.360000	20000.000000
4.135626	-0.360000	20000.000000
			…	…	…

表3径向截面检测数据（椭圆）

测头电压信号（V）	光电编码器角度数据（°）	感应同步器计数
			…	…	…
7.882336	73.890000	20000.000000
			7.881611	73.980000	20000.000000
7.881450	74.070000	20000.000000
			7.883303	74.160000	20000.000000
7.882739	74.250000	20000.000000
			7.882900	74.340000	20000.000000
7.882873	74.430000	20000.000000
			7.882981	74.520000	20000.000000
…	…	…

同样采用Matlab工具（也可采用其他工具），将光电编码器数据转换为角度θ_i，测头电压信号转换为径向位移r_i。设检测点数为n，由每一点的径向位移r_i与角度θ_i，计算各点的X、Y坐标，如下公式2所示：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=r_i\cos \left({\mathrm{\θ}}_i\right)\\ y_i=r_i\sin \left({\mathrm{\θ}}_i\right)\end{array}\right.---\left(2\right)$

利用最小二乘法拟合圆轮廓或椭圆轮廓，确定其一般方程的各项系数。

圆一般方程：x²+y²+cx+dy+e＝0，求其各项系数，如下公式3所示：

$\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{\Σ}{x}_i^2& \mathrm{\Σ}{x}_i{y}_i& \mathrm{\Σ}{x}_i\\ \mathrm{\Σ}{x}_i{y}_i& \mathrm{\Σ}{y}_i^2& \mathrm{\Σ}{y}_i\\ \mathrm{\Σ}{x}_i& \mathrm{\Σ}{y}_i& n\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}c\\ d\\ e\end{array}\right]=-\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Σ}{x}_i^3+\mathrm{\Σ}{x}_i{y}_i^2\\ \mathrm{\Σ}{x}_i^2{y}_i+\mathrm{\Σ}{y}_i^3\\ \mathrm{\Σ}{x}_i^2+\mathrm{\Σ}{y}_i^2\end{array}\right]---\left(3\right)$

式3中，c、d、e均为圆一般方程待定系数，c为圆一般方程第一待定系数，d为圆一般方程第二待定系数，e为圆一般方程第三待定系数。

椭圆一般方程：x²+fxy+gy²+hx+ky+m＝0，求其各项系数，如下公式4所示：

$\left[\begin{array}{ccccc}\mathrm{\Σ}{x}_i^2{y}_i^2& \mathrm{\Σ}{x}_i{y}_i^3& \mathrm{\Σ}{x}_i^2{y}_i& \mathrm{\Σ}{x}_i{y}_i^2& \mathrm{\Σ}{x}_i{y}_i\\ \mathrm{\Σ}{x}_i{y}_i^3& \mathrm{\Σ}{y}_i^4& \mathrm{\Σ}{x}_i{y}_i^2& \mathrm{\Σ}{y}_i^3& \mathrm{\Σ}{y}_i^2\\ \mathrm{\Σ}{x}_i^2{y}_i& \mathrm{\Σ}{x}_i{y}_i^2& \mathrm{\Σ}{x}_i^2& \mathrm{\Σ}{x}_i{y}_i& \mathrm{\Σ}{x}_i\\ \mathrm{\Σ}{x}_i{y}_i^2& \mathrm{\Σ}{y}_i^3& \mathrm{\Σ}{x}_i{y}_i& \mathrm{\Σ}{y}_i^2& \mathrm{\Σ}{y}_i\\ \mathrm{\Σ}{x}_i{y}_i& \mathrm{\Σ}{y}_i^2& \mathrm{\Σ}{x}_i& \mathrm{\Σ}{y}_i& n\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}f\\ g\\ h\\ k\\ m\end{array}\right]=-\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Σ}{x}_i^3{y}_i\\ \mathrm{\Σ}{x}_i^2{y}_i^2\\ \mathrm{\Σ}{x}_i^3\\ \mathrm{\Σ}{x}_i^2{y}_i\\ \mathrm{\Σ}{x}_i^2\end{array}\right]---\left(4\right)$

式4中，f、g、h、k、m均为椭圆一般方程待定系数，f为第一椭圆一般方程待定系数，g为第二椭圆一般方程待定系数，h为第三椭圆一般方程待定系数，k为第四椭圆一般方程待定系数，m为第五椭圆一般方程待定系数。

拟合径向截面形状后，可确定其中心及偏心量、圆截面的直径、椭圆截面的长轴、短轴长度及椭圆度（椭圆度=长轴长度-短轴长度），通过计算各点距中心矢径与对应角度下拟合轮廓矢径之差，即为径向截面各角度下的轮廓误差分布，取其最大值与最小值之差，即为径向截面的轮廓误差。

圆截面实验数据及检测结果如图6所示，局部放大效果如见图7，其轮廓误差分布如图8所示。图中所示截面检测结果为：直径37.593mm，圆度14.7μm。

椭圆截面实验数据及检测结果如图9，局部放大效果见图10，轮廓误差分布如图11所示。图中所示截面检测结果为：长轴38.315mm，短轴38.264mm，椭圆度51.86μm，轮廓误差6.13μm，长轴与Y轴夹角11.54°。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种活塞异型销孔的轮廓误差在位检测装置，其特征在于：包括限位开关（1）、对中杆支架（2）、托板（3）、对中杆（4）、感应同步器（5）、装夹装置（6）、导轨（8）、测头（9）、测量套（10）、测量杆（12）、箱体（13）、机床基座（14）、编码器支架（15）、光电编码器（16）、数据采集卡（18）和计算机（17），导轨（8）水平固定在机床基座（14）上的一侧，托板（3）安装在导轨（8）上并沿导轨（8）水平移动，对中杆（4）通过对中杆支架（2）安装在托板（3）远离箱体（13）的一侧上，装夹装置（6）固定安装在托板（3）靠近箱体（13）的一侧上，活塞（7）固定在装夹装置（6）上，活塞（7）的销孔与对中杆（4）对齐；箱体（13）安装在机床基座（14）上的另一侧，测量杆（12）与箱体（13）内机床主轴朝向导轨的一端连接，测量套（10）固定套在测量杆（12）的末端，测头（9）安装在测量套（10）上，光电编码器（16）通过编码器支架（15）与箱体（13）内机床主轴远离导轨的一端连接，测量杆（12）与活塞（7）销孔的中心轴线重合且平行于导轨（8）；用于测量托板（3）水平位移的感应同步器（5）包括定尺（5a）和滑尺（5b），定尺（5a）安装在机床基座（14）上，滑尺（5b）安装在导轨（8）上，定尺（5a）、滑尺（5b）均与导轨（8）平行；感应同步器（5）、测头（9）和光电编码器（16）均经数据采集卡（18）与计算机（17）连接。

2.根据权利要求1所述的一种活塞异型销孔的轮廓误差在位检测装置，其特征在于：所述的测头（9）为传感器测头，外表面设有螺纹，传感器测头通过螺母安装在测量套（10）上并通过螺母调节位置。

3.根据权利要求1所述的一种活塞异型销孔的轮廓误差在位检测装置，其特征在于：所述的传感器测头的传感器采用电涡流位移传感器。

4.根据权利要求1所述的一种活塞异型销孔的轮廓误差在位检测装置，其特征在于：所述的机床基座（14）上装有用于设置托板（3）起始位置的限位开关（1）。

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