CN105127492A - 直列发动机缸盖燃烧室在线补偿加工的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直列发动机缸盖燃烧室在线补偿加工的方法，包括：对缸盖的燃烧室容积进行测量，获到每个燃烧室的容积数据和三维点云数据；处理三维点云数据，具体为，根据三维点云数据，识别各个燃烧室边界进而将各个燃烧室边界拟合为圆并采用最小二乘法计算燃烧室拟合圆半径；建立求解铣削深度参数的多目标优化模型，具体为，以两两燃烧室容积差最小为目标函数，根据容积数据，每个燃烧室拟合圆半径以及燃烧室容积公差约束建立多目标优化模型；求解多目标优化模型，得到铣削深度参数；根据铣削深度参数对缸盖燃烧室进行在线补偿加工。本发明对缸盖进行在线补偿加工，有效控制缸盖燃烧室容积在设计参数范围之内，从而减少不合格品的数量。

Description

直列发动机缸盖燃烧室在线补偿加工的方法

技术领域

本发明涉及发动机缸盖燃烧室加工，具体地，涉及一种直列发动机缸盖燃烧室在线补偿加工的方法。

背景技术

发动机缸盖是发动机上的主要部件之一，其质量的高低、加工精度的好坏直接影响着汽车发动机的性能。由于受铸造和加工工艺的影响，燃烧室各缸容积存在差异并在设计要求的容积值附近产生较大幅度的波动。缸盖燃烧室各缸的容积差异过大会导致各缸间的压缩比不等，从而影响发动机的性能。对缸盖燃烧室进行补偿加工，可以将缸盖燃烧室容积控制在设计参数的范围之内，并降低缸盖各燃烧室的容积差异，是提高发动机产品质量的重要一环。

缸盖燃烧室的容积大多通过对缸盖燃烧室进行铣削来控制。已有技术中，顾健在论文“微机在气缸盖燃烧室修整加工中的应用”(《组合机床与自动化加工技术》1996年第8期，24-26页)中介绍了多微机在燃烧室容积自动修整加工系统中的应用。主机根据容积测量和形位测量的数据,计算出等边修整的参数,控制数控机床自动修整加工,把部分不合格缸盖修整为合格品。但是该方法是在缸盖燃烧室机加工完成以后，检测出不合格缸盖，对燃烧室容积偏大的缸盖返回上道工序再铣削，对燃烧室容积偏小的缸盖沿着燃烧室内壁铣削，这种补偿方法增加了加工工序而使工艺变得更复杂。另外，该方法虽然能实现在线检测缸盖燃烧室容积，但由于增加了不同的再加工工序而不能保证实现在线补偿的功能。而且，该方法只能降低缸盖燃烧室容积公差，而不能有效控制燃烧室的容积一致性。

杨红亮，于化虎在论文“有关机床加工发动机的缸盖球形燃烧室的流程试验”(《科技传播》2012年第13期，147+110页)中利用万能铣床对球形燃烧室进行加工之后再利用成型的球形刀对缸盖燃烧室进行加工。该方法为缸盖燃烧室补偿加工提供了一种新的解决方案，即对不合格的缸盖不再采用铣削缸盖底面进行补偿，而是直接对缸盖的各个燃烧室进行加工，使每个燃烧室的容积都在设计的容积范围内。虽然该方法可以很好的把缸盖燃烧室的容积控制在设计容积之内，但是对缸盖燃烧室内部直接加工需要引进高精度的加工设备，而且对缸盖燃烧室内部直接加工的工艺复杂，因而难以实现在线补偿加工。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种直列发动机缸盖燃烧室在线补偿加工的方法。

根据本发明提供的一种直列发动机缸盖燃烧室在线补偿加工的方法，包括如下步骤：

步骤1：对缸盖的燃烧室容积进行测量，获到每个燃烧室的容积数据和三维点云数据；

步骤2：处理所述三维点云数据，具体为，根据所述三维点云数据，识别各个燃烧室边界进而将各个燃烧室边界拟合为圆并采用最小二乘法计算燃烧室拟合圆半径；

步骤3：建立求解铣削深度参数的多目标优化模型，具体为，以两两燃烧室容积差最小为目标函数，根据所述容积数据，每个燃烧室拟合圆半径以及燃烧室容积公差约束建立多目标优化模型；

步骤4：求解所述多目标优化模型，得到铣削深度参数；

步骤5：根据所述铣削深度参数对缸盖燃烧室进行在线补偿加工。

优选地，在步骤1中采用缸盖燃烧室容积在线测量设备对缸盖燃烧室容积进行测量；

所述缸盖燃烧室在线测量设备的测量时间为76秒，能够实现燃烧室容积的连续测量，重复精度达到0.02ml，测点总数能够达82万点。

优选地，在步骤3中，把燃烧室的铣削形状近似为圆柱体。

优选地，在步骤4中，采用基于帕累托最优概念的多目标粒子群算法求解所述多目标优化模型；

以燃烧室两两容积差之和最小作为判断粒子是否更新的适应度函数，最后输出帕累托最优前沿。

优选地，所述多目标优化模型具体为：

目标函数为：

Min|v_i-v_j|i,j＝1,2,…,n；i≠j(1)

约束条件为：

$f_i\left(h\right)=\mathrm{\π}\×r_i^2\×h---\left(2\right)$

V_i-f_i(h_i)＝V₀(3)

V_i-f_i(h₀)＝v_i(4)

V₀-v₀≤v_i≤V₀+v₀(5)

min(h_i)＜h₀＜max(h_i)(6)

i＝1,2,…,n(7)

其中，v_i,v_j为两个燃烧室精加工以后的容积，n为燃烧室的数量；f_i(h)为燃烧室铣削部分体积，h为铣削深度，r_i为燃烧室拟合圆半径；V_i表示精加工前的燃烧室容积，V₀为燃烧室标准容积；h₀为待优化的最后输出的铣削深度参数，f_i(h₀)为第i个燃烧室铣削深度为h₀时的被铣削部分体积，f_i(h_i)第i个燃烧室铣削深度为h_i时的被铣削部分体积，h_i为第i个燃烧室加工为标准容积时应铣削的深度，v_i为各燃烧室加工后的容积；v₀表示燃烧室容积的公差，i、j为大于0的整数。

优选地，在求得帕累托最优前沿后，以缸盖各燃烧室容积的极差最小为目标，从最优的非支配解集中选择出一个最优的值，作为缸盖燃烧室补偿加工的铣削深度参数。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明在缸盖燃烧室精加工过程中考虑补偿量，仅改变精加工的铣削深度参数，因此补偿加工不需要增加加工工序，只需要在精加工工序前布置在线测量设备，不会增加工艺的复杂度；

2、由于本发明的补偿加工过程与原精加工过程相同，不影响加工时间，而采用的在线测量设备基于激光三角测量原理，具有测量速度快的特点，测量时间满足缸盖加工节拍要求，因此可以实现在线的补偿加工功能；

3、本发明对缸盖进行百分之百在线补偿加工，可以有效控制缸盖燃烧室容积在设计参数范围之内，从而减少不合格品的数量；

4、本发明以缸盖燃烧室两两容积差最小为目标，可以保证缸间差异最小，进而控制缸盖燃烧室容积一致性，燃烧室容积一致性的有效控制，可以为后续压缩比一致性控制提供了坚实的基础，具有重要的工程实用价值。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中直列发动机缸盖燃烧室的结构示意图；

图2为本发明中红缸盖燃烧室容积在线测量设备测量发动机缸盖燃烧室生成的三维点云图像的示意图；

图3为本发明中燃烧室的有效边界的示意图；

图4为本发明中燃烧室有效边界点集；

图5为本发明中缸盖燃烧室精加工的示意图；

图6为本发明中缸盖燃烧室在线补偿加工的示意图；

图7是本发明补偿加工的铣削示意图。

图中：

1为精加工设备；

2为控制系统；

3为测量系统；

4为加工后缸盖底面；

5为加工前缸盖底面；

6为凸台；

7为缸盖顶面。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1至图7所示，在本实施例中，本发明提供的直列发动机缸盖燃烧室在线补偿加工的方法包括如下步骤：

步骤1：采用缸盖燃烧室容积在线测量设备对发动机缸盖燃烧室容积进行测量，得到每个燃烧室的容积数据和三维点云数据，容积数据单位为ml，三维点云数据以X、Y、Z三维坐标格式显示。发动机缸盖如图1所示，发动机缸盖三维点云数据如图2所示。

步骤2：处理所述三维点云数据。所述燃烧室的点云是有序点云，该点云每行点的个数相同，在发动机缸盖底面上的扫描点的Z坐标近似为0，燃烧室曲面上点的Z坐标大于0。点云中各行点的Z坐标平均值为0说明该行的点都在缸盖底面上，不为0则说明该行有点在燃烧室曲面上。从点云中各行点Z坐标平均值的统计表中间向两边搜索，遇到点云Z坐标平均值首次近似为0的行即为起始行或终止行，并确定中间行，在起始行或终止行之间的为中间行。由于各列也遵循类似规律，同样可以找到相应的列对应的起始列和终止列，并确定中间列，在起始列或终止列之间的为中间列。中间列和中间行的交点为每行搜索的中间点。在确定了起始行及终止行后，对每行进行搜索，从每行的中间点向两边搜索，每行点的Z坐标首次近似为0的点即为该行与有效区域的边界交点。遍历所有行的边界，能够得到代表燃烧室有效区域的边界，即燃烧室边界，如图3所示。由于缸盖燃烧室边界点集近似为圆形，如图4所示，因此可以将缸盖各个燃烧室有效边界点集拟合为圆，采用最小二乘法计算每个圆的半径，即燃烧室拟合圆半径。

步骤3：把缸盖燃烧室的铣削形状近似为圆柱体，以两两燃烧室容积差最小为目标函数，根据所述容积数据，各燃烧室边界半径以及燃烧室容积公差约束，建立求解铣削深度参数的多目标优化模型。该模型如下所示：

目标函数为：

Min|v_i-v_j|i,j＝1,2,…,n；i≠j(1)

约束条件为：

$f_i\left(h\right)=\mathrm{\π}\×r_i^2\×h---\left(2\right)$

V_i-f_i(h_i)＝V₀(3)

V_i-f_i(h₀)＝v_i(4)

V₀-v₀≤v_i≤V₀+v₀(5)

min(h_i)＜h₀＜max(h_i)(6)

i＝1,2,…,n(7)

其中，式(1)为目标函数，表示缸盖燃烧室两两容积差最小。其中，v_i,v_j表示缸盖燃烧室精加工以后的容积，n表示直列发动机缸盖燃烧室的数量。式(2)为缸盖燃烧室铣削部分的体积计算公式，由于铣削深度较小，铣削部分可以近似为圆柱体。其中，f_i(h)为燃烧室铣削部分体积，h为铣削深度，r_i为缸盖燃烧室拟合圆半径。式(3)为把每个燃烧室加工到标准容积的理论铣削深度的计算公式。其中，V_i表示精加工前的燃烧室容积，V₀为燃烧室标准容积。式(4)表示缸盖各燃烧室按照同一铣削深度加工后得到的容积。其中，h₀为待优化的最后输出的铣削深度参数，v_i为缸盖各燃烧室加工后的容积。式(5)表示精加工后的缸盖各燃烧室容积都要在给定的容积范围之内。i、j为大于0的整数。其中，v₀表示燃烧室容积的公差。式(6)给出了最后输出的铣削深度参数的取值范围。式(7)给出约束条件中i的取值范围。

步骤4：求解所建立的模型。采用基于帕累托最优概念的多目标粒子群算法求解已经建立的模型，基于帕累托支配关系构造非支配解集合，以缸盖燃烧室两两容积差之和最小作为判断粒子是否更新的适应度函数，最后输出帕累托最优前沿。多目标粒子群算法的主要流程如下：

(1)初始化粒子种群；(2)应用选择算子，得到足够多的有利个体；(3)计算每个粒子的适应度函数值；(4)求非支配集，用随机选择策略分组法找出种群中的非支配粒子进入非支配解集；(5)更新个体极值，在这里对每个粒子使用支配概念，若粒子i的当前位置支配其个体极值位置，则更新其个体极值；若两者为非支配关系，当两者均在可行域或半可行域时，随机选取个体极值；当两者一个在可行域另一个在半可行域或一个在半可行域另一个在非可行域时，选取前者；当两者均在非可行域时，求其距离，距离小者为个体极值；(6)更新外部集；(7)更新全局极值；(8)更新粒子种群中每个粒子的速度和位置；(9)对粒子进行迭代，转至(2)直至满足中止条件退出。外部集保存的就是算法每代运行的最好结果，在算法迭代运算完成后，外部集中的所有粒子就是算法最后得到的帕累托最优前沿。

该前沿是最优的非支配解集，而最终的输出必须为一个数值。因此，再以缸盖各燃烧室容积的极差最小为目标，从最优的非支配解集中选择出一个最优的值，作为缸盖燃烧室补偿加工的铣削深度参数。

步骤5：工艺改进。具体为，将缸盖燃烧室容积在线测量设备的容积测量系统布置在缸盖燃烧室容积精加工工序前的流水线上。然后将本发明提供的直列发动机缸盖燃烧室在线补偿加工的方法集成到缸盖燃烧室容积在线测量设备的主机中，并建立缸盖燃烧室容积在线测量设备的主机与缸盖燃烧室精加工设备的闭环连接，从而控制精加工设备按照计算出的铣削深度参数对缸盖燃烧室进行在线补偿加工。缸盖燃烧室精加工和在线补偿加工的的示意图分别如图5和图6所示，缸盖燃烧室在线补偿加工的铣削示意图如图7所示。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种直列发动机缸盖燃烧室在线补偿加工的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：对缸盖的燃烧室容积进行测量，获到每个燃烧室的容积数据和三维点云数据；

步骤2：处理所述三维点云数据，具体为，根据所述三维点云数据，识别各个燃烧室边界进而将各个燃烧室边界拟合为圆并采用最小二乘法计算燃烧室拟合圆半径；

步骤3：建立求解铣削深度参数的多目标优化模型，具体为，以两两燃烧室容积差最小为目标函数，根据所述容积数据，每个燃烧室拟合圆半径以及燃烧室容积公差约束建立多目标优化模型；

步骤4：求解所述多目标优化模型，得到铣削深度参数；

步骤5：根据所述铣削深度参数对缸盖燃烧室进行在线补偿加工。

2.根据权利要求1所述的直列发动机缸盖燃烧室在线补偿加工的方法，其特征在于，在步骤1中采用缸盖燃烧室容积在线测量设备对缸盖燃烧室容积进行测量；

所述缸盖燃烧室在线测量设备的测量时间为76秒，能够实现燃烧室容积的连续测量，重复精度达到0.02ml，测点总数能够达82万点。

3.根据权利要求1所述的直列发动机缸盖燃烧室在线补偿加工的方法，其特征在于，在步骤3中，把燃烧室的铣削形状近似为圆柱体。

4.根据权利要求1所述的直列发动机缸盖燃烧室在线补偿加工的方法，其特征在于，所述多目标优化模型具体为：

目标函数为：

Min|v_i-v_j|i,j＝1,2,…,n；i≠j(1)

约束条件为：

f_i(h)＝π×r_i ²×h(2)

V_i-f_i(h_i)＝V₀(3)

V_i-f_i(h₀)＝v_i(4)

V₀-v₀≤v_i≤V₀+v₀(5)

min(h_i)<h₀<max(h_i)(6)

i＝1,2,…,n(7)

其中，v_i,v_j为两个燃烧室精加工以后的容积，n为燃烧室的数量；f_i(h)为燃烧室铣削部分体积，h为铣削深度，r_i为燃烧室拟合圆半径；V_i表示精加工前的燃烧室容积，V₀为燃烧室标准容积；h₀为待优化的最后输出的铣削深度参数，f_i(h₀)为第i个燃烧室铣削深度为h₀时的被铣削部分体积，f_i(h_i)第i个燃烧室铣削深度为h_i时的被铣削部分体积，h_i为第i个燃烧室加工为标准容积时应铣削的深度，v_i为各燃烧室加工后的容积；v₀表示燃烧室容积的公差，i、j为大于0的整数。

5.根据权利要求1所述的直列发动机缸盖燃烧室在线补偿加工的方法，其特征在于，在步骤4中，采用基于帕累托最优概念的多目标粒子群算法求解所述多目标优化模型；以燃烧室两两容积差之和最小作为判断粒子是否更新的适应度函数，最后输出帕累托最优前沿。

6.根据权利要求5所述的直列发动机缸盖燃烧室在线补偿加工的方法，其特征在于，在求得帕累托最优前沿后，以缸盖各燃烧室容积的极差最小为目标，从最优的非支配解集中选择出一个最优的值，作为缸盖燃烧室补偿加工的铣削深度参数。