CN103994850A - 一种过盈量检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种过盈量检测装置及检测方法，其解决了现有过盈量检测装置准确度低、转折点判断不准确、误差大、可靠性低的技术问题，其包括显示器、工控机、PCI数据采集卡、PCI总线开关量控制卡、工控相机和压力传感器，显示器与工控机连接，PCI数据采集卡、PCI总线开关量控制卡和工控相机分别与工控机连接，压力传感器与PCI数据采集卡连接。本发明广泛用于机械装配时过盈量的检测。

Description

一种过盈量检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测装置及检测方法，尤其是涉及一种过盈量检测装置及检测方法。

背景技术

在汽车发动机制造技术领域，活塞连杆是将活塞上下直线运动的动力通过曲轴转变为发动机转动的主要传递零件，塞连杆装配正确与否，对发动机的工作性能影响极大。为了改善连杆与连接轴摩擦副的性能，通常在连杆孔中加上衬套，衬套是连接连杆小头和活塞销的关键部件。如果压装后使衬套外圆与大头孔内表面的贴合度达不到设计要求，会造成发动机在工作时衬套松动打转的故障，最终影响整个发动机的性能。

其中连杆孔与衬套采用过盈配合，过盈量必须严格控制，其联接强度需要承受机器工作时传递的扭转力矩和轴向力。过盈过小，将无法传递所需要的转矩，造成发动机运行过程中衬套脱落；过盈过大，会使运行过程中冲击很大，导致零件发生疲劳破坏，影响结构寿命，影响发动机的可靠性。

近年国内外研究文献表明连杆衬套装配过程中装配应力和应变与过盈量间存在对应关系。由力学理论和实践的结果告知，连杆衬套压入过程最大压入力与过盈量存在近似线性关系(同一型号连杆)，最大压入力即为这一过程装配过盈力。因此，通过实时检测压入过程最大压入力来判断过盈量是否在正常范围内是可行的。基于上述理论，可以得出：对应不同型号连杆衬套，可以分析计算出其压装过程最大压入力的范围。而通过检测连杆衬套装配过程中的最大压入力，判断其是否在标准范围内，便可以作为判断该衬套装压过盈量是否合格。但最大压入力并不是压装过程中最大的压力，而是压入衬套过程中最大的力，是压装机的压杆碰到连杆之前一瞬间的压力。通常情况下压杆压到连杆时会使液压压力陡增，使其压力变化率明显提高。

对于压力曲线上最大压入力点的寻找，现有的解决方案通常是利用硬件，比如行程开关。通过手动开关调节位置，使得压杆碰到连杆的一瞬间行程开关动作。但依靠硬件的方式存在诸多问题：首先，是准确度问题，当压杆碰到连杆后，压力变化率通常会比较大，行程开关位置偏差或响应稍慢就会导致最大压入力数值的较大变化；其次，行程开关位置靠手动调节，过程繁琐，且更换连杆型号时需要重新调整，而且在压装机工作的工厂环境极易引起机械松动，致使测量结果不准确，可靠性低。

发明内容

本发明就是为了解决现有过盈量检测装置准确度低、转折点判断不准确、误差大、可靠性低的技术问题，提供了一种准确度高、转折点判断准确、误差小、可靠性高的过盈量检测装置及检测方法。

本发明提供的过盈量检测装置，包括显示器、工控机、PCI数据采集卡、PCI总线开关量控制卡、工控相机和压力传感器，显示器与工控机连接，PCI数据采集卡、PCI总线开关量控制卡和工控相机分别与工控机连接，压力传感器与PCI数据采集卡连接。

本发明还提供一种检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采集压装时的压力曲线；

(2)对采集到的压力曲线进行滤波处理；

(3)确定分段直线拟合范围；

(4)多次拟合转折点两侧的直线段；

(5)计算出转折点，对应的压力即为装配过盈力。

优选地，当大批量生产时，压力曲线的起点横坐标为X_A，到达系统最大压力时横坐标为X_D，步骤(3)具体是通过多次实验获得转折点的分布范围[X_B，X_C]，两个横坐标作为拟合范围的分界点，分别拟合直线段[X_A，X_B],[X_C，X_D]。

当小批量多型号生产时，步骤(3)具体是：

首先拟合出第一段直线，起点仍为曲线起点X_A，终点为临时分界点X_T，保证在X_T之前压杆不会压到连杆。

然后用最小二乘法拟合X_A-X_T直线段，测出n个数据点P_i(X_i，Fi)(i.O，1，2…，n-1)，用最小二乘法把这n个点拟合出直线y＝ax+b，并计算X_A-X_T段数据与拟合出直线的标准差S，取X_t之后的数据点与直线段延长线作比较，得出偏差u，依次存入数组U[]中，比较数组U[]中的数据u与3S，当连续20个点偏差大于3S时，即认为已经进入第二段直线区域，取这20个点中的第一个点作为X_B，第二十个点作为X_C，分别拟合直线段[X_A，X_B],[X_C，X_D]，点数20可根据系统采样频率进行调整。

进一步优选地，步骤(4)和步骤(5)具体是：

根据X_A与X_D确定测量数据长度即数组Rx[]与Ry[]长度N；依次将测量数据Xi，Yi存入数组中，分别为：Rx[j]与Ry[j]；调用最小二乘拟合函数处理数组Rx与Ry，第一次拟合出直线y＝Ax+B，并计算出拟合其标准差D，每点偏差U[i]；利用判断粗大误差点的准则来判断拟合数据是否是毛刺点，比较本次拟合直线与数据点的偏差U[i]与本次拟合直线的3倍标准差，若小于后者则为正常点，若大于后者则为毛刺点，应当去除，但对其计数；执行此循环，直至去除所有毛刺点，将最后一次拟合结果作为最终结果。

本发明的有益效果是：

可准确判断出压杆碰到连杆的位置，从而获得准确的最大压力数据，检测结果准确度高、转折点判断准确、误差小、可靠性高。

编写了压力曲线转折点判断算法，避免了行程开关安装误差或松动引起的转折点判断不准确问题，可准确判断出压杆碰到连杆的位置，从而获得准确的最大压力数据；该算法可以很方便的在本发明的软件中实现，比PLC方式更具灵活性。

本发明集成了性能良好的视觉系统，采用工业相机获取零件标识码处的图像，通过其OCR工具获得图像中的标识码字符，并转换为字符串格式，在VC6.0下用TCP/IP通讯方式实现了管理系统与工业相机的通讯，可将零件的标识码字符读取到管理系统，与该零件压装压力曲线对应，存入数据库。

本发明进一步的特征，将在以下具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。

附图说明

图1是本发明的过盈量检测装置的原理框图；

图2是本发明的检测方法的软件构架及功能示意图；

图3是数据处理流程图；

图4是分界点确定流程图；

图5是直线段拟合流程图；

图6是采集到的压力数据曲线图；

图7是数据库界面图。

附图符号说明：

1.显示器；2.工控机；3.PCI数据采集卡；4.PCI总线开关量控制卡；5.工控相机；6.压力传感器。

具体实施方式

以下参照附图，以具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的过盈量检测装置包括显示器1、工控机2、PCI数据采集卡3、PCI总线开关量控制卡4、工控相机5和压力传感器6，显示器1与工控机2连接，PCI数据采集卡3、PCI总线开关量控制卡4和工控相机5分别与工控机2连接，压力传感器6与PCI数据采集卡3连接。

具体工作过程是：操作者或机械手将连杆放置于工业相机5前方指定位置，工业相机5拍照并识别连杆标识码，将其转换为字符串后以TCP/IP方式传送给工控机2的管理软件。

操作者或机械手再将此连杆放置于压装机的压杆下方的底座上，安放就绪后开始压装；压装过程中，PCI数据采集卡3实时采集压力传感器6返回的模拟量数据(即液压缸实时压力值)并将其实时显示到显示器1上，压力数据以曲线图示形式显示到显示器1上。如图6所示，横坐标为时间，纵坐标为压力值。

压装过程结束时，液压缸在PCI总线开关量控制卡4的控制下返回，软件分析整条压力曲线，判断压力曲线转折点位置，此点之前的数据表示压杆施加给衬套的力，此点之后的数据表示压杆施加给连杆的力，因此，这个转折点处的压力能反映衬套压入的最大过盈量，判断此数据是否在彼标准范围内，并给出相应报警信息。压装过程完成后，软件自动将该连杆的标识码、压力曲线和合格信息保存到数据库，以备后续管理与查询。数据库可存储海量数据，可定期将数据库文件拷贝到任意办公电脑，用本发明开发的数据库系统进行管理(操作界面如图7)，可按零件的标识码、产品型号、检测结果、生产厂家、检验员、生产日期范围等条件查询历史数据，获得对应产品的各项信息和压力测量数据，并可绘制压力曲线图，并可获得历史数据的统计分析结果，实现可追溯管理。

下面接合图2和图3说明本发明的检测方法：

工控机2的管理软件的算法是压力曲线分段拟合求取转折点方法，流程如下：

(1)采集压力曲线，通过PCI数据采集卡3按一定的频率采集压力数据，使压力曲线的纵坐标为压力数值，横坐标为时间，这样就获得了按时间采样的离散点坐标数据，表示为Pi(Ti，Fi)。压力曲线起点横坐标为X_A，到达系统最大压力时横坐标为X_D。

(2)对采集的压力数据进行滤波降噪等处理。

(3)接受输入的参数，如：多次实验得到的转折点经验值，各型号连杆衬套装配过盈力合格范围等。

(4)根据不同情况(大批量生产和小批量多型号生产)得到拟合两段直线的分界点X_B，X_C。

由于系统采集压力为液压缸工作压力，其变化不均匀，单纯依靠斜率变化寻找转折点不可靠；另外，转折点处压力变化不是明显的转折陡增，存在一段较为圆滑的曲线，因而需要拟合出转折点两侧的直线段，求取其交点，作为最大压入力点。根据不同情况确定分段直线拟合范围，分段多次拟合直线，直至得到满意结果，此时便得到了用以计算转折点的两条直线。

情况一，即大批量生产时，压装的连杆批量大，短期内持续压装同种型号。取实验得到的经验值附近范围起始点作为拟合分界点，分段拟合此范围之外的两条直线，以保证较高的准确性。可以通过多次实验获得转折点的分布范围[X_B，X_C]，这一范围应是理论值所在的范围，两个横坐标作为拟合范围的分界点，分别拟合直线段[X_A，X_B],[X_C，X_D]。

情况二，即小批量多型号生产时，压装的连杆批量较小，或经常变换型号，此时没有经验数据。可以通过多次实验寻找范围的方法显然不合适，不同型号的连杆压装相应的衬套时，其转折点位置不同。所以如图4所示针对这种情况的解决办法是：首先拟合出第一段直线，起点仍为曲线起点，终点为特定值X_T，这一值取临时分界点X_T，保证在X_T之前压杆不会压到连杆；用最小二乘法拟合X_A-X_T直线段，得到直线公式，并计算X_A-X_T段数据与拟合出直线的标准差S，取X_t之后的数据点与直线段延长线作比较，得出偏差u，依次存入数组U[]中，比较数组U[]中的数据u与3S，当连续20个点偏差大于3S时，即认为已经进入第二段直线区域，取这20个点中的第一个点作为X_B，第二十个点作为X_C，分别拟合直线段[X_A，X_B],[X_C，X_D]，点数20可根据系统采样频率进行调整，使之符合实际情况。

算法中直线段拟合函数均采用最小二乘法，在使用计算机处理数据时，使用最小二乘法拟合直线是最佳的选择。测出n个数据点P_i(X_i，Fi)(i.O，1，2…，n-1)，用最小二乘法把这n个点拟合出直线y＝ax+b。

计算出a，b后可求出以下几个参数：

偏差：u_i＝_yi-(ax_i+b)

偏差平方和：

$q=\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{[y_i-({\mathrm{ax}}_i+b)]}^2=\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{u_i}^2$

标准差：

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{q}{n-1}}.$

(5)计算两直线交点，其横坐标即为曲线转折点位置，纵坐标即为装配过盈力的值。如图5所示，分段多次拟合直线的过程如下：根据X_A与X_D确定测量数据长度即数组Rx[]与Ry[]长度N；依次将测量数据Xi，Yi存入数组中，分别为：Rx[j]与Ry[j]；调用最小二乘拟合函数处理数组Rx与Ry，第一次拟合出直线y＝Ax+B，并计算出拟合其标准差D，每点偏差U[i]；利用判断粗大误差点的准则来判断拟合数据是否是毛刺点，比较本次拟合直线与数据点的偏差U[i]与本次拟合直线的3倍标准差，若小于后者则为正常点，若大于后者则为毛刺点，应当去除，但对其计数；执行此循环，直至去除所有毛刺点，将最后一次拟合结果作为最终结果。

判断是否为粗大误差点的3σ准则：对于某一测量列，若测得值只含有随机误差，则根据随机误差的正态分布规律，其残余误差落在±3σ以外的概率约为0.3％。如果在测量列中，发现有大于3σ的残余误差的测得值，可以认为它含有粗大误差，应予以剔除。使用这个方法，可以剔除一些毛刺点，从而使拟合的直线更加贴近实际的直线。

(6)将装配过盈力与此型号连杆衬套过盈力的合格范围作比较，过超出合格范围都是不合格品。

以上所述仅对本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡是在本发明的权利要求限定范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种过盈量检测装置，其特征在于，包括显示器、工控机、PCI数据采集卡、PCI总线开关量控制卡、工控相机和压力传感器，所述显示器与所述工控机连接，所述PCI数据采集卡、所述PCI总线开关量控制卡和所述工控相机分别与所述工控机连接，所述压力传感器与所述PCI数据采集卡连接。

2.一种使用如权利要求1所述的过盈量检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采集压装时的压力曲线；

(2)对采集到的压力曲线进行滤波处理；

(3)确定分段直线拟合范围；

(4)多次拟合转折点两侧的直线段；

(5)计算出转折点，对应的压力即为装配过盈力。

3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于：当大批量生产时，所述压力曲线的起点横坐标为X_A，到达系统最大压力时横坐标为X_D，所述步骤(3)具体是通过多次实验获得转折点的分布范围[X_B，X_C]，两个横坐标作为拟合范围的分界点，分别拟合直线段[X_A，X_B],[X_C，X_D]；

当小批量多型号生产时，所述步骤(3)具体是：

首先拟合出第一段直线，起点仍为曲线起点X_A，终点为临时分界点X_T，保证在X_T之前压杆不会压到连杆；

然后用最小二乘法拟合X_A-X_T直线段，测出n个数据点P_i(X_i，Fi)(i.O，1，2…，n-1)，用最小二乘法把这n个点拟合出直线y＝ax+b，并计算X_A-X_T段数据与拟合出直线的标准差S，取X_t之后的数据点与直线段延长线作比较，得出偏差u，依次存入数组U[]中，比较数组U[]中的数据u与3S，当连续20个点偏差大于3S时，即认为已经进入第二段直线区域，取这20个点中的第一个点作为X_B，第二十个点作为X_C，分别拟合直线段[X_A，X_B],[X_C，X_D]，点数20可根据系统采样频率进行调整。

4.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于，所述步骤(4)和步骤(5)具体是：

根据X_A与X_D确定测量数据长度即数组Rx[]与Ry[]长度N；依次将测量数据Xi，Yi存入数组中，分别为：Rx[j]与Ry[j]；调用最小二乘拟合函数处理数组Rx与Ry，第一次拟合出直线y＝Ax+B，并计算出拟合其标准差D，每点偏差U[i]；利用判断粗大误差点的准则来判断拟合数据是否是毛刺点，比较本次拟合直线与数据点的偏差U[i]与本次拟合直线的3倍标准差，若小于后者则为正常点，若大于后者则为毛刺点，应当去除，但对其计数；执行此循环，直至去除所有毛刺点，将最后一次拟合结果作为最终结果。