CN104501850B - 校准凸轮轴测量仪器用标准器及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
校准凸轮轴测量仪器用标准器及其使用方法,包括：校准凸轮轴测量仪器用标准器，为一根专用偏心轴，偏心轴总长度为180±2mm，基圆轴长度为120±2mm，偏心圆柱宽度为30±2mm，偏心轴两端直径为16～30mm，基圆轴直径为30～50mm，偏心圆直径为41～58mm,偏心距为4～5.5mm。具体使用方法为：选取三件能够涵盖仪器日常所检测的凸轮轴的升程及基圆尺寸的不同规格尺寸的标准器；计算标准器各角度升程；制作标准升程表；判断标准器的“敏感点”；按照一般凸轮轴的测量方法，得到实测升程表；将此升程表和标准升程表进行比对即可得出升程误差值，该误差值即为凸轮轴测量仪器的升程综合误差。
Description
技术领域
本发明属于计量仪器校准领域，涉及一种校准凸轮轴测量仪器用标准器及其使用方法。
背景技术
目前，在我国计量仪器校准领域，凸轮轴测量仪器的校准方法主要有两种：一种是按照JJG57-1999《数显、光学分度头》检定规程进行校准，以标准芯轴、多面棱体作为标准器来检定凸轮轴测量仪器的单一分项误差；另一种则是目前业内普遍采用的做法：采用行业内公认的较先进仪器生产厂家所生产的凸轮轴测量仪器先行测量一根凸轮轴，然后以此凸轮轴的测量数据作为标准，与用被校准仪器所测得的数据进行比对来确定仪器综合误差。对于第一种校准方法，由于凸轮轴的复杂性，单项测量不仅繁琐，而且难以直接保证凸轮轴测量仪器的整体测量结果的精准程度。而以较高精度仪器的测量数据作为标准进行比对，虽然反映了凸轮轴测量仪器的综合误差，但难以实现量值溯源。因此，以上两种检定校准方法所使用的标准器都难以满足计量准确可靠、科学有效地传递量值的要求。
发明内容
本发明主要是解决现有的凸轮轴测量仪器校准技术上存在的难以溯源、难以通用的问题，提供一种可以溯源、准确可靠、可操作性强的校准凸轮轴测量仪器用标准器及其使用方法。
本发明采用如下方案实现上述目的：校准凸轮轴测量仪器用标准器, 为一根专用偏心轴，偏心轴总长度为180±2mm，基圆轴长度为120±2mm，偏心圆柱宽度为30±2mm，偏心轴两端直径为16～30mm，基圆轴直径为30～50mm，偏心圆直径为41～58mm, 偏心距为4～5.5mm。
具体使用方法为：
1、选取三件不同规格尺寸的标准器，能够涵盖仪器日常所检测的凸轮轴的升程及基圆尺寸；
2、计算标准器各角度升程；
由于实际测量工作中，使用两种测头：滚子测头和平面测头；其升程与角度的数学关系分析过程如下：
a.平面测头
O3 ′圆为偏心圆以O1为回转中心，转动β角之后的位置，直线N2为转动后测头的位置，如图2所示：
R：偏心圆半径； e：偏心量；
β：转角； S：偏心圆转动β角后的升程
O1：偏心圆的回转中心； O2：测头起始位置；
O3：偏心圆圆心起始位置； O2 ′：偏心圆转动β角后测头的位置；
O3 ′：偏心圆转动β角后偏心圆圆心的位置；
M:经过O3 ′所做O2O3垂线的垂足；
升程：S=O1O3-O1M=e-ecosβ=e(1-cosβ)-----------------------（1）
b.滚子测头
O3 ′圆为偏心圆以O1为回转中心，转动β角之后的位置，O2 ′圆为转动后测头的位置，如图3所示：
R：偏心圆半径； r：测头半径；
e：偏心量； β：转角；
S：偏心圆转动β角后的升程；
O1：偏心圆的回转中心；
O2：测头球心起始位置；
O3：偏心圆圆心起始位置；
O2 ′：偏心圆转动β角后测头球心的位置；
O3 ′：偏心圆转动β角后偏心圆圆心的位置；
升程：S=-(R+r)+(1-cosβ)e+[( R+r)2-(1-cos2β)e2 ]1/2-----------（2）
3、制作标准升程表；
根据偏心量校准结果，利用上述公式（1），公式（2），计算出转角β=1°、2°、3°……360°所对应的升程值，由此制作升程表，以备校准用；
4、判断标准器的“敏感点”；
对所获得的升程表进行数据处理，令相邻的升程两两相减，得到多组数据，取其中差值最大的点即为“敏感点”， 读取相应的角度值；
5、将标准器装夹在仪器顶尖间，带动器带动良好，按照一般凸轮轴的测量方法，操作仪器主轴旋转一周，得到实测升程表；将此升程表和标准升程表进行比对即可得出升程误差值，该误差值即为凸轮轴测量仪器的升程综合误差；
本发明采用上述技术方案后得到的有益效果是：该发明结构简单，制作方便，原理科学，校准过程可操作性强。克服了现有校准方法的不足，以偏心轴作为标准器，使得原本复杂的溯源难题得以解决。通过所述方法得到的校准结果可以真实地反映仪器状态，校准结果准确度有大幅度提高。
附图说明
图1为本发明校准凸轮轴测量仪器用标准器结构示意图。
图2为本发明中使用平面测头情况下升程与角度数学关系推导示意图。
图3为本发明中使用滚子测头情况下升程与角度数学关系推导示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。校准凸轮轴测量仪器用标准器, 为一根专用偏心轴，偏心轴总长度L1=180±2mm，基圆轴长度L2=120±2mm，偏心圆柱宽度L3=30±2mm，偏心轴两端直径D1=16～30mm，基圆轴直径D2=30～50mm，偏心圆直径D3=41～58mm, 偏心距e=4～5.5mm。
根据需求我们选取了三种不同的偏心圆直径、偏心距组合的偏心轴作为标准器，分别为：（1）偏心轴总长度L1=180±2mm，基圆轴长度L2=120±2mm，偏心圆柱宽度L3=30±2mm，偏心轴两端直径D1=16mm，基圆直径D2=30mm，偏心圆直径D3=41mm，偏心距e=5.5mm；（2）偏心轴总长度L1=180±2mm，基圆轴长度L2=120±2mm，偏心圆柱宽度L3=30±2mm，偏心轴两端直径D1=30mm，基圆直径D2=50mm，偏心圆直径D3=58mm，偏心距e=4mm；（3）偏心轴总长度L1=180±2mm，基圆轴长度L2=120±2mm，偏心圆柱宽度L3=30±2mm，偏心轴两端直径D1=22mm，基圆直径D2=40mm，偏心圆直径D3=50mm，偏心距e=5mm。
加工精度要求：偏心圆柱的圆柱度0.001mm；基圆柱圆跳动0.001mm；偏心圆柱轴线和基圆柱轴线的平行度0.002mm；偏心轴两端直径D1、基圆直径D2、偏心圆直径D3的公差均为±0.01mm；偏心距e的公差为±0.01mm。
利用本方法，我们对现有的一台德国莱兹（leitz）手动式凸轮轴测量仪器进行了升程综合误差的校准，详细步骤如下：
1、校准前的准备工作
我们以使用滚子测头为例，仪器所用滚子测头半径r=9.000mm，所用标准器偏心量e =3.991mm，偏心圆半径R=27.9315。其中r是测头实测值，e和R是标准器的实际校准结果。
2、计算标准器各角度升程，制作标准升程表
利用公式S=-(R+r)+(1-cosβ)e+[( R+r)2-(1-cos2β)e2 ]1/2，制作标准升程表，作为标准器的标准数据，以备校准使用。
3、判断校准凸轮轴测量仪器用标准器的“敏感点”
对所获得的升程表进行数据处理，具体处理方法为令相邻的升程两两相减，得到多组数据，取其中差值的绝对值最大的点即为“敏感点”， 读取该点的角度值。
最终得出升程变化最大的点在96°与97°之间和263°与264°之间，我们近似取97°和263°两个对称点为“敏感点”，对应的升程为4.264325mm。
4、校准过程
（1）用凸轮轴测量仪器的头座和尾座的两个顶尖对准标准器两端的顶尖孔，将标准器固定在两顶尖之间，用带动器装夹好；
（2）将调整好的阿贝测头（滚子测头）对在标准器上，缓慢转动分度头带动标准器旋转，阿贝测头的读数开始发生变化。从阿贝测头中读出最低点，将读数调整为一整数位作为零位，本次校准阿贝测头零位为65mm。
（3）依据所找出的“敏感点”绝对升程4.264325mm，转动分度头，注意观察阿贝测头读数，从阿贝测头中读取“敏感点”所对应的升程69.264325mm，记下此时分度头的读数。转动分度头，找到“敏感点”前后升程相隔0.3mm的点，即68.964325mm和69.564325的两个点，读取这两个点所对应的角度值。
（4）转动分度头至另一侧，读取对称位置68.964325mm、69.264325mm、69.564325这三个升程点所对应的角度值。
（5）对步骤（3）、（4）所得到的六个角度值取平均值，将此值减去180º后即可得到最低点角度值147°48′，对应于标准升程表中的360°，转动分度头至147°48′，以此点作为起测点。
（6）实际操作中，每转10º来进行校准。在敏感点前后10°由于升程变化较快，每隔1°进行校准。即147°48′对应于标准升程表中的360°、157°48′对应于标准升程表中的10°、167°48′对应于标准升程表中的20°……137°48′对应于标准升程表中的350°。依次转动分度头至这些角度，从阿贝测头中读取该角度对应的升程值，转动一周后得到数据记录表。
对上表进行数据处理后得到实测升程表：
（7）将此升程表和标准升程表进行比对即可得出升程误差值，该误差值即为凸轮轴测量仪器的升程综合误差。
结论：这台仪器的升程综合误差最大为0.006143mm。
实际应用中还可以通过多次测量，对测得的结果取平均值来进一步提高校准结果的精确度。
本方法实现了对凸轮轴测量仪器升程综合误差的校准，弥补了当前做法的缺点。以偏心圆作为标准器，找到了一种结构简单同时能复现仪器正常工作过程的基准，由于通过常规方法即可完成对标准器的校准，从而很好地解决了凸轮测量仪器校准的溯源难题。通过该方法的应用实验可证实：本方法实施过程简单，可操作性强，校准结果准确可靠，能够满足所有现行通用凸轮轴测量仪器的校准工作，有广泛的应用价值。
Claims (1)
1.校准凸轮轴测量仪器用标准器的使用方法, 其特征在于：校准凸轮轴测量仪器用标准器为一根专用偏心轴，偏心轴总长度为180±2mm，基圆轴长度为120±2mm，偏心圆柱宽度为30±2mm，偏心轴两端直径为16～30mm，基圆轴直径为30～50mm，偏心圆直径为41～58mm,偏心距为4～5.5mm；其使用方法为：
1）选取三件不同规格尺寸的标准器，能够涵盖仪器日常所检测的凸轮轴的升程及基圆尺寸；
2）计算标准器各角度升程；
由于实际测量工作中，使用两种测头：滚子测头和平面测头；其升程与角度的数学关系分析过程如下：
a.平面测头
O3 ′圆为偏心圆以O1为回转中心，转动β角之后的位置，直线N2为转动后测头的位置；
R：偏心圆半径； e：偏心量；
β：转角； S：偏心圆转动β角后的升程
O1：偏心圆的回转中心； O2：测头起始位置；
O3：偏心圆圆心起始位置； O2 ′：偏心圆转动β角后测头的位置；
O3 ′：偏心圆转动β角后偏心圆圆心的位置；
M:经过O3 ′所做O2O3垂线的垂足；
升程：S=O1O3-O1M=e-ecosβ=e(1-cosβ)-----------------------（1）
b.滚子测头
O3 ′圆为偏心圆以O1为回转中心，转动β角之后的位置，O2 ′圆为转动后测头的位置；
R：偏心圆半径； r：测头半径；
e：偏心量； β：转角；
S：偏心圆转动β角后的升程；
O1：偏心圆的回转中心；
O2：测头球心起始位置；
O3：偏心圆圆心起始位置；
O2 ′：偏心圆转动β角后测头球心的位置；
O3 ′：偏心圆转动β角后偏心圆圆心的位置；
升程：S=-(R+r)+(1-cosβ)e+[( R+r)2-(1-cos2β)e2 ]1/2-----------（2）
3）制作标准升程表；
根据偏心量校准结果，利用上述公式（1），公式（2），计算出转角β=1°、2°、3°……360°所对应的升程值，由此制作升程表，以备校准用；
4）判断标准器的“敏感点”；
对所获得的升程表进行数据处理，令相邻的升程两两相减，得到多组数据，取其中差值最大的点即为“敏感点”， 读取相应的角度值；
5）将标准器装夹在仪器顶尖间，带动器带动良好，按照一般凸轮轴的测量方法，操作仪器主轴旋转一周，得到实测升程表；将此升程表和标准升程表进行比对即可得出升程误差值，该误差值即为凸轮轴测量仪器的升程综合误差。
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