CN103909473B - 切点跟踪磨削中曲轴角向定位测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及切点跟踪磨削中曲轴角向定位测量方法及装置。测量装置安装在砂轮架上，整个装置随砂轮架一起移动，由气缸推动连接杆将测头放下到测量状态，使得测头位于有效测量区域内，利用头架的旋转，带动曲轴连杆颈分别以顺、逆时针两个方向与测头接触两次，由数控系统记下两次接触时的头架C轴的角度坐标值。在测量结束后，对两次测量的数据处理、求解，即可得到机床头架C轴的坐标偏移量，使加工使用的机床坐标系与编程使用的工件坐标系重合，实现曲轴的角向定位。本发明利用安装在砂轮架上的测量机构和曲轴磨床本身的运动，即可完成人工定位所完成的工作，结构简单，稳定可靠，提高了定位的精度及效率。

Description

切点跟踪磨削中曲轴角向定位测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种切点跟踪磨削中曲轴角向定位测量方法及装置。

背景技术

采用切点跟踪磨削方法加工曲轴必须通过角向定位使得加工时使用的机床坐标系与编程时使用的工件坐标系重合或接近，才能使磨削余量分布均匀、保证曲轴各档相位角的加工精度。一旦曲轴角向定位存在偏差，圆周上变化的余量会影响曲轴连杆颈轮廓加工精度；当角向定位偏差大时，还可能产生负磨削余量的情况，此时将无法磨出要求的连杆颈半径尺寸，产生较大的尺寸误差。基于曲轴角向定位的重要性，我们希望寻求一种兼具高效率和高精度的测量、定位方法，以保证后续加工的效率和精度。目前，曲轴数控磨床上普遍采用的人工定位，即利用塞片、千分表等量具凭经验进行位置调整的方法，不仅效率较低而且定位精度不高，所使用的测量工具也有一定的局限性。因此，切点跟踪磨削中曲轴角向定位测量装置及方法的发明对保证曲轴连杆颈尺寸和轮廓精度非常有必要。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种切点跟踪磨削中曲轴角向定位测量方法及装置，利用安装在砂轮架上的测量机构和曲轴磨床本身的运动，即可完成人工定位所完成的工作，该装置的机械结构简单，稳定可靠。

为了达到上述目的，该发明的构思是：充分利用曲轴数控磨床C轴、X轴和Z轴的高精度运动以及机床各轴所配光栅尺测得的轴位置数据，通过控制砂轮架的移动使得测头定位在有效测量区域，然后利用头架旋转，使得曲轴连杆颈以顺时针和逆时针两个方向分别与测头接触两次，并通过机床数控系统读取两次接触时的C轴坐标。在测量结束后，对两次测量的数据进行处理、计算，即可得到曲轴初始零位，实现曲轴的角向定位。该装置及方法，可以很好的替代人工定位，提高定位精度及效率。

根据上述构思，本发明采用以下技术方案：

一种切点跟踪磨削中曲轴角向定位测量方法，该方法以曲轴回转中心为坐标原点，砂轮架进给方向为Xc轴，竖直方向为Yc轴，建立如图5所示的曲轴角向定位坐标系X_CO_CY_C，测量装置安装在砂轮架上，使用前需要先利用标准曲轴工件对测头中心在X_CO_CY_C坐标系中的位置O_D1(x_D1，y_D1)进行标定，其中：

y_D1仅与测头安装位置有关，可通过标定得到：

y_D1=Cy（1）

其中，Cy是测头在Yc轴方向的安装常数，随测头安装位置的不同而变化，但测头安装完毕后即固定不变。

x_D1除了与安装常量有关，还与测量时机床X轴及直线导轨X₉轴坐标相关，标定后可得到：

x_D1=Cx+X+X₉（2）

其中，Cx是测头在Xc轴方向的安装常数，随测头安装位置的不同而变化，但测头安装完毕后即固定不变。

完成测头标定后，角向定位测量的操作步骤为：

1).测量装置随砂轮架沿机床Z轴移动到曲轴的被测档位，由气缸推动连接杆将测头放下到测量状态，通过伺服电机驱动测量装置沿直线导轨X₉轴由初始位置运动到测量位置，使得测头位于有效测量区域内，并由数控系统读取、记录该测量位置时机床X轴及直线导轨X₉轴坐标。

2).由头架驱动曲轴绕C轴先以较高的速度沿逆时针旋转，当曲轴连杆颈接近测头时切换至低速，慢慢靠近直至接触到测头，由数控系统读取并记下当前机床C轴角度坐标值θ₁。然后头架驱动曲轴以低速退回一定角度，并再次切换至较高的速度沿顺时针旋转，当曲轴连杆颈接近测头时切换至低速，慢慢靠近直至接触到测头，再次由数控系统读取并记下当前机床C轴角度坐标值θ₂。

3).测量完成后，测量机构由伺服电机驱动沿直线导轨X₉轴退回至初始位置，再由气缸拉动连接杆将测头竖起至加工状态。

4).根据记录的X轴、X₉轴坐标以及公式（1）、（2）可求出测头处于测量位置时，测头中心在坐标系X_CO_CY_C中的坐标O_D1(x_D1，y_D1)。

5).如图5所示,根据两次测得的C轴角度坐标值θ₁、θ₂，可求出两次触碰时，连杆颈中心坐标O¹ _W1(X¹ _W1,Y¹ _W1)和O² _W1(X² _W1,Y² _W1)的数学表达式（3）和（4）：

（3）

（4）

式中β₁=θ₁-θ₀；β₂=θ₂-θ₀，正半轴之间的夹角，即机床头架C轴位于零时，连杆颈与主轴颈中心的连线与X_C轴正半轴之间的夹角，为所求未知量；LS为已知的所测曲轴的曲柄半径。

6).如图5所示，在直角三角形中，满足

，即：

（5）

在直角三角形中，满足

，即：

（6）

式中，rp为所求连杆颈半径，d为所用测头直径。

由表达式（1）—（6）可以整理得到求解θ₀和rp的方程组：

（7）

7).利用数值迭代的方法求解非线性方程组（7），即可得到θ₀和rp，根据θ₀设置机床头架C轴的坐标偏移量，即可使加工时使用的机床坐标系与编程时使用的工件坐标系重合，从而实现曲轴的角向定位。

本发明中所用的测量装置，主要由触发式测头系统、伺服电机、直线导轨、气缸及其他辅助机构组成。其特征在于：

1).伺服电机与直线导轨组成的直线运动机构固定在悬臂支架上，装有触发式测头系统的底座与导轨相连接，而悬臂支架则固定在砂轮架上，因此整个装置能随砂轮架沿机床的X、Z轴方向运动，测量范围可覆盖整根曲轴。

2).伺服电机与导轨的组合，可实现测量装置在X轴方向上的灵活移动，更方便地调整测头位置；触发式测头安装在具有一定长度的连接杆上，在气缸的驱动下收起和放下。

3).为了防止磨削时测量装置与工件发生干涉，故加工时可利用气缸将测头翻转至竖直位置，并沿着直线导轨缩回，不会对正常磨削产生影响。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的特点和显著技术进步：不必再采用繁琐费时的人工定位方法对曲轴进行角向定位，实现了在机测量，保证了定位的精度，同时大大提高了效率。

附图说明

图1是曲轴角向定位测量有效区域示意图。

图2是角向定位测量装置加工位置示意图。

图3是角向定位测量装置测量位置示意图。

图4是本发明所述测量过程的操作流程图。

图5是曲轴角向定位数学模型。

具体实施方式

本发明的优选实施实例结合附图说明如下：

实施实例一：

参见图1-图5，本切点跟踪磨削中曲轴角向定位测量方法，其特征在于：充分利用曲轴数控磨床C轴、X轴和Z轴的高精度运动以及机床各轴所配光栅尺测得的轴位置数据，通过控制砂轮架的移动使得测头定位在有效测量区域，然后利用头架旋转，使得曲轴连杆颈以顺时针和逆时针两个方向分别与测头接触两次，并通过机床数控系统读取两次接触时的C轴角度坐标值；在测量结束后，对两次测量的数据进行处理、计算，即可得到使加工使用的机床坐标系与编程使用的工件坐标系重合的机床头架C轴的坐标偏移量，从而实现曲轴的角向定位；具体操作步骤为：

1).测量装置随砂轮架沿机床Z轴移动到曲轴的被测档位，由气缸推动连接杆将测头放下到测量状态，通过伺服电机驱动测量装置沿直线导轨X₉轴由初始位置运动到测量位置，使得测头位于有效测量区域内，并由数控系统读取、记录该测量位置时机床X轴及直线导轨X₉轴坐标；

2).由头架驱动曲轴绕C轴先以较高的速度沿逆时针旋转，当曲轴连杆颈接近测头时切换至低速，慢慢靠近直至接触到测头，由数控系统读取并记下当前机床C轴角度坐标值θ₁；然后头架驱动曲轴以低速退回一定角度，并再次切换至较高的速度沿顺时针旋转，当曲轴连杆颈接近测头时切换至低速，慢慢靠近直至接触到测头，再次由数控系统读取并记下当前机床C轴角度坐标值θ₂；

3).测量完成后，测量机构由伺服电机驱动沿直线导轨X₉轴退回至初始位置，再由气缸拉动连接杆将测头竖起至加工状态；

4).根据记录的X轴、X₉轴坐标以及求解x_D1和y_D1的公式可求出测头处于测量位置时，测头中心在坐标系X_CO_CY_C中的坐标O_D1(x_D1，y_D1)；

5).根据两次测得的C轴角度坐标值θ₁、θ₂，可求出两次触碰时，连杆颈中心坐标O¹ _W1(X¹ _W1,Y¹ _W1)和O² _W1(X² _W1,Y² _W1)的数学表达式；

6).根据已得到的数据和几何关系，建立求解θ₀和rp的方程组；其中正半轴之间的夹角，rp为连杆颈半径；

7).利用数值迭代的方法求解该非线性方程组，即可得到θ₀和rp，根据θ₀设置机床头架C轴的坐标偏移量，即可使加工使用的机床坐标系与编程使用的工件坐标系重合，从而实现曲轴的角向定位。

实施实例二：

本实施案例与实施实例一基本相同，特别之处如下：所述所述步骤4)中测头中心在坐标系X_CO_CY_C中坐标O_D1(x_D1，y_D1)的计算方法：

以曲轴回转中心为坐标原点，砂轮架进给方向为Xc轴，竖直方向为Yc轴，建立曲轴角向定位坐标系X_CO_CY_C，测量装置安装在砂轮架上，使用前需要先利用标准曲轴工件对测头中心在X_CO_CY_C坐标系中的位置O_D1(x_D1，y_D1)进行标定，其中：

y_D1仅与测头安装位置有关，可通过标定得到：y_D1=C_y，其中，Cy是测头在Yc轴方向的安装常数，随测头安装位置的不同而变化，但测头安装完毕后即固定不变；

x_D1除了与安装常量有关，还与测量时机床X轴及直线导轨X₉轴坐标相关，标定后可得到：x_D1=Cx+X+X₉，其中，Cx是测头在Xc轴方向的安装常数，随测头安装位置的不同而变化，但测头安装完毕后即固定不变。

所述步骤5)中连杆颈中心坐标的计算方法如下：

式中β₁=θ₁-θ₀；β₂=θ₂-θ₀，正半轴之间的夹角，即机床头架C轴位于零时，连杆颈与主轴颈中心的连线与X_C轴正半轴之间的夹角，为所求未知量；LS为已知的所测曲轴的曲柄半径。

所述步骤6)中建立θ₀和rp的方程组的方法如下：

在直角三角形中，满足，即：

在直角三角形中，满足，即：

式中，rp为所求连杆颈半径，d为所用测头直径

由上述表达式可以整理得到求解θ₀和rp的方程组：

实施实例三：

参见图2、图3，其中（1）为曲轴主轴颈，（2）为待加工的曲轴连杆颈，（3）为砂轮。本曲轴角向定位测量装置包括：装有触发式测头系统（4）的连接杆（5）与气缸（11）相连，气缸（11）固定在与直线导轨（7）相连接的底座（10）上，直线导轨（7）与伺服电机（8）组成的直线运动机构固定在悬臂支架（6）上，而悬臂支架（6）则固定在砂轮架（9）上。测量时，底座（10）在伺服电机（8）的驱动下沿直线导轨（7）运行到测量位置，装有触发式测头系统（4）的连接杆（5）在气缸（11）的推动下，翻转至测量位置（如图3所示）。测量结束后，底座（10）在伺服电机（8）的驱动下沿直线导轨（7）退回到加工位置，装有触发式测头系统（4）的连接杆（5）在气缸（11）的拉动下，翻转至竖直位置的加工状态（如图2所示）。

参见图1和图4，该曲轴角向定位测量方法是：

将砂轮架移动到被测档位，测头（4）翻转至测量状态并沿直线导轨（7）运动到测量位置，由数控系统读取、记录该测量位置时机床X轴及直线导轨X₉轴坐标。

由头架带动曲轴旋转，使曲轴连杆颈（2）以顺时针和逆时针两个方向分别与测头（4）接触两次，并通过机床数控系统读取两次接触时的C轴坐标θ₁、θ₂。

测量完成后，测量机构沿直线导轨（7）退回至初始位置，再由气缸（11）拉动连接杆（5）将测头（4）竖起至加工状态。

根据记录的X轴、X₉轴坐标以及式（1）、（2）可求出测头处于测量位置时，测头中心在坐标系X_CO_CY_C中的坐标O_D1(x_D1，y_D1)。

如图5所示,根据两次测得的C轴角度坐标值θ₁、θ₂，可求出两次触碰时，连杆颈中心坐标O¹ _W1(X¹ _W1,Y¹ _W1)和O² _W1(X² _W1,Y² _W1)。

其表达式如下：

式中β₁=θ₁-θ₀；β₂=θ₂-θ₀，正半轴之间的夹角，即机床头架C轴位于零时，连杆颈与主轴颈中心的连线与X_C轴正半轴之间的夹角，为所求未知量；LS为已知的所测曲轴的曲柄半径。

而后便可以求解θ₀和rp，方法如下：

如图5所示，在直角三角形中，满足

即：

在直角三角形中，满足

即：

再根据上面已经获得的数据，整理后可以得到求解θ₀和rp的方程组：

利用数值迭代的方法求解非线性方程组，可得到θ₀和rp，根据θ₀设置机床头架C轴的坐标偏移量，即可使加工时使用的机床坐标系与编程时使用的工件坐标系重合，实现曲轴的角向定位。

实施实例四：

参见图1、图2、图3和图5，本切点跟踪磨削中曲轴角向定位测量装置，包括触发式测头系统、伺服电机、直线导轨、气缸及其他辅助机构；其特征在于：

1).伺服电机与直线导轨组成的直线运动机构固定在悬臂支架上，装有触发式测头系统的底座与导轨相连接，而悬臂支架则固定在砂轮架上，因此整个装置能随砂轮架沿机床的X、Z轴方向运动，测量范围可覆盖整根曲轴；

2).伺服电机与导轨的组合，可实现测量装置在X轴方向上的灵活移动，更方便地调整测头位置；触发式测头安装在具有一定长度的连接杆上，在气缸的驱动下收起和放下；

3).为了防止磨削时测量装置与工件发生干涉，故加工时可利用气缸将测头翻转至竖直位置，并沿着直线导轨缩回，不会对正常磨削产生影响。

Claims (5)

1.切点跟踪磨削中曲轴角向定位测量方法，其特征在于：充分利用曲轴数控磨床C轴、X轴和Z轴的高精度运动以及机床各轴所配光栅尺测得的轴位置数据，通过控制砂轮架的移动使得测头定位在有效测量区域，然后利用头架旋转，使得曲轴连杆颈以顺时针和逆时针两个方向分别与测头接触两次，并通过机床数控系统读取两次接触时的C轴角度坐标值；在测量结束后，对两次测量的数据进行处理、计算，即可得到使加工使用的机床坐标系与编程使用的工件坐标系重合的机床头架C轴的坐标偏移量，从而实现曲轴的角向定位；具体操作步骤为：

1).测量装置随砂轮架沿机床Z轴移动到曲轴的被测档位，由气缸推动连接杆将测头放下到测量状态，通过伺服电机驱动测量装置沿直线导轨X₉轴由初始位置运动到测量位置，使得测头位于有效测量区域内，并由数控系统读取、记录该测量位置时机床X轴及直线导轨X₉轴坐标；

2).由头架驱动曲轴绕C轴先以较高的速度沿逆时针旋转，当曲轴连杆颈接近测头时切换至低速，慢慢靠近直至接触到测头，由数控系统读取并记下当前机床C轴角度坐标值θ₁；然后头架驱动曲轴以低速退回一定角度，并再次切换至较高的速度沿顺时针旋转，当曲轴连杆颈接近测头时切换至低速，慢慢靠近直至接触到测头，再次由数控系统读取并记下当前机床C轴角度坐标值θ₂；

3).测量完成后，测量机构由伺服电机驱动沿直线导轨X₉轴退回至初始位置，再由气缸拉动连接杆将测头竖起至加工状态；

4).根据记录的X轴、X₉轴坐标以及求解x_D1和y_D1的公式可求出测头处于测量位置时，测头中心在坐标系X_CO_CY_C中的坐标O_D1(x_D1，y_D1)；

5).根据两次测得的C轴角度坐标值θ₁、θ₂，可求出两次触碰时，连杆颈中心坐标O¹ _W1(X¹ _W1,Y¹ _W1)和O² _W1(X² _W1,Y² _W1)的数学表达式；

6).根据已得到的数据和几何关系，建立求解θ₀和rp的方程组；其中正半轴之间的夹角，

rp为连杆颈半径；

7).利用数值迭代的方法求解该非线性方程组，即可得到θ₀和rp，根据θ₀设置机床头架C轴的坐标偏移量，即可使加工使用的机床坐标系与编程使用的工件坐标系重合，从而实现曲轴的角向定位。

2.根据权利要求1所述的切点跟踪磨削中曲轴角向定位测量方法，其特征在于：所述步骤4)中测头中心在坐标系X_CO_CY_C中坐标O_D1(x_D1，y_D1)的计算方法如下：

以曲轴回转中心为坐标原点，砂轮架进给方向为Xc轴，竖直方向为Yc轴，建立曲轴角向定位坐标系X_CO_CY_C，测量装置安装在砂轮架上，使用前需要先利用标准曲轴工件对测头中心在X_CO_CY_C坐标系中的位置O_D1(x_D1，y_D1)进行标定，其中：

y_D1仅与测头安装位置有关，可通过标定得到：y_D1=C_y，其中，Cy是测头在Yc轴方向的安装常数，随测头安装位置的不同而变化，但测头安装完毕后即固定不变；

x_D1除了与安装常量有关，还与测量时机床X轴及直线导轨X₉轴坐标相关，标定后可得到：x_D1=Cx+X+X₉，其中，Cx是测头在Xc轴方向的安装常数，随测头安装位置的不同而变化，但测头安装完毕后即固定不变。

3.根据权利要求1所述的切点跟踪磨削中曲轴角向定位测量方法，其特征在于：所述步骤5)中连杆颈中心坐标的计算方法如下：

式中β₁=θ₁-θ₀；β₂=θ₂-θ₀，正半轴之间的夹角，即机床头架C轴位于零时，连杆颈与主轴颈中心的连线与X_C轴正半轴之间的夹角，为所求未知量；LS为已知的所测曲轴的曲柄半径。

4.根据权利要求1所述的切点跟踪磨削中曲轴角向定位测量方法，其特征在于：所述步骤6)中建立θ₀和rp的方程组的方法如下：

在直角三角形中，满足，即：

在直角三角形中，满足，即：

式中，rp为所求连杆颈半径，d为所用测头直径

由上述表达式可以整理得到求解θ₀和rp的方程组：

。

5.一种切点跟踪磨削中曲轴角向定位测量装置，包括触发式测头系统、伺服电机、直线导轨、气缸及其他辅助机构；其特征在于：

1).伺服电机与直线导轨组成的直线运动机构固定在悬臂支架上，装有触发式测头系统的底座与导轨相连接，而悬臂支架则固定在砂轮架上，因此整个装置能随砂轮架沿机床的X、Z轴方向运动，测量范围可覆盖整根曲轴；

2).伺服电机与导轨的组合，可实现测量装置在X轴方向上的灵活移动，更方便地调整测头位置；触发式测头安装在具有一定长度的连接杆上，在气缸的驱动下收起和放下；

3).为了防止磨削时测量装置与工件发生干涉，加工时利用气缸将测头翻转至竖直位置，并沿着直线导轨缩回，不会对正常磨削产生影响。