CN105333828B - 一种四轴联动跟踪式曲轴测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四轴联动跟踪式曲轴测量方法。采用四轴跟踪式联动运动结构，配以随动进给的测头装置，以联动坐标变换数学模型，实现曲轴主轴颈、连杆轴颈的直径、圆柱度误差、锥度误差、轴线平行度误差以及相位角误差等关键参数的检测。在曲轴的测量过程中，为实现对轴颈各参数的检测，使随动测头根据轴颈位置的变化，实时调动各轴运动，使测头与轴颈时刻保持正确接触，且接触位置处于规定范围内。各轴联动进行工作，既实现了曲轴各参数的全自动测量，又提高了检测精度和效率。

Description

一种四轴联动跟踪式曲轴测量方法

技术领域

本发明属于复杂型线的精密测量领域，具体涉及一种四轴联动跟踪式曲轴测量方法。

背景技术

随着汽车产业成为中国支柱产业地位的确立，汽车零部件的国产化比率在逐年上升。在汽车零件国产化的进程中，作为发动机核心部件的曲轴的生产，一直受到国有大中企业的重视。这使得曲轴零件的生产在我国已经初具规模，并且不同程度的实现了自动化或半自动化的生产。曲轴作为汽车发动机关键零件，主要功能是把各个活塞组件传来的压力转变为转矩，通过传动装置驱动车辆行驶，其质量和性能在很大程度上决定和制约了整机的质量和性能。

目前我国大多数厂家的曲轴检测环节仍然停留于手工抽样的检测方式：

1采用外径千分尺测量主轴颈及连杆轴颈的圆度和圆柱度；

2用千分表测量曲轴的弯曲变形误差。

由于曲轴的生产量大，生产周期短，这种手工检测方式不仅在速度上远远不能适应曲轴生产需要，而且由于使用传统的卡规和塞规等工具来判别曲轴的好坏,个人经验和劳动态度占很大比重,因此主观性强,产品的质量得不到严格的保证,测量过程繁琐,测量结果不够准确、效率较低，并且在检测项目上也无法满足曲轴关键参数的全面检验，很多重要参数如曲轴的圆度、圆柱度、空间相位角、主轴之间的同轴度等因缺少合适的手段而无法检验，实现曲轴的在线测量和在线质量控制则更加成为不可能。

现在尚处于研究阶段的新型曲轴测量方法，例如：基于CCD非接触是曲轴自动检测方法，经过微机软件系统对采集的图像进行数字图像处理，以建立曲轴的二维标准检测图像，从而测量出曲轴的各种外形尺寸。作为一种新型的检测手段,其优点包括:自动化、客观性、非接触和高精度,但将CCD技术应用在曲轴的检测中，势必对测量环境有严格的要求。例如：若光照的不均匀性，会使曲轴表面产生一定的虚光，将会影响测量精度；同时该测量方法对图像的精度有较高的要求，为更接近曲轴的真实尺寸，需要通过更先进的图像处理技术和算法提高图像的真实性，得到更加可靠的测量图像。

发明内容

本发明的目的在于提供一种四轴联动跟踪式曲轴检测方法。可以实现对曲轴的主轴轴颈与连杆轴颈的直径，圆度，圆柱度，锥度，空间相位角，轴线平行度等重要参数进行测量和评价。相对于常规测量方法，精度更高，效率提高，成本降低，对操作人员的专业要求低；相对于新型的非接触式测量方法，可以得到更加可靠的测量信息，且数据处理方法简单。本发明采用计算机全自动测量过程，不仅能满足生产需要的测量精度要求、操作方便快捷、测量成本低、效率高，而且可以适用于不同品种曲轴的检测,适用面较广。

为了达到上述目的，本发明的解决方案是：

基于四轴联动的运动系统，采用被动式随动测头，在随动过程中测头始终与曲轴保持接触，在测量过程中，计算机精确控制各轴联动的运动，保证连杆轴颈中心始终处于测头延长线上，且接触位置在±δ范围内变化，将主轴颈中心，连杆轴颈中心，测杆轴线在一条直线上时测头位置设为测量起始位置，测量过程中各轴运动满足给定的数学关系，测量数据分段补偿，最终实现各参数的全自动测量与分析。

在随动过程中通过弹簧保证测头所处任意位置都与曲轴接触，且保证复位弹簧变形量一致。

在测量连杆轴颈时，保证曲轴在绕主轴颈回转的同时，测头跟随连杆轴颈运动，且连杆轴颈中心在测头轴线的延长线上。

测头与连杆轴颈的接触点在±δ范围内变化，δ为测头导轨跨距的1/3～1/5。

在曲轴测量过程中，将主轴颈中心，连杆轴颈中心，测杆轴线在一条直线上时测头位置设为起测位置：

首先，将测杆轴线与主轴颈中心调至一条直线，为保证连杆轴颈中心在其他二者之间且在该直线上，手动将测头调至起测位置附近，然后控制转台正转8°～10°；

(1)若测头变形量持续减小，则控制转台反转，找到变形量从增大转为减小的拐点，对起测点位置初步确定，在此位置上，控制转台正反各转3°～5°对起测点位置进行修改并最终确定；

(2)若测头变形量持续增加，则控制转台继续正转，找到变形量从增大转为减小的拐点，对起测点位置初步确定，在此位置上，控制转台正反各转3°～5°对起测点位置进行修改并最终确定；

(3)若测头变形量先增后减，则将此拐点初步确定为起测点位置，在此位置上，控制转台正反各转3°～5°对起测点进行修改并最终确定。

测量过程中各轴运动满足给定的数学关系是指：在对每段连杆轴颈的测量过程中，为保证连杆轴颈与测头正确有效接触，测头在XOY平面的投影位置坐标应满足如下数学关系：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔX}}_B={\mathrm{\ΔX}}_A\\ {\mathrm{\ΔY}}_B={\mathrm{\ΔY}}_A\end{array}\right.$ 即 $\left\{\begin{array}{c}{X}_{B1}-X_{B0}=X_{A1}-X_{A0}\\ Y_{B1}-Y_{B0}=Y_{A1}-Y_A\end{array}\right.$

A0为连杆轴颈中心的初始位置，B0为测头中心初始位置，主轴任意转动角度θ，X、Y、Z三轴从动匀速运动，转动角度θ后，连杆轴颈中心所处位置为A1，测头所处位置为B1；

测头在YOZ平面的投影位置坐标应满足如下数学关系：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔZ}}_B=Z_{B1}-Z_{B0}\\ \frac{{\mathrm{\ΔZ}}_B}{\mathrm{\θ}}=\frac{L}{3\×2\mathrm{\π}}\end{array}\right.$ 即 $Z_{B1}-Z_{B0}=\frac{\mathrm{\θ}\×L}{6\mathrm{\π}}$

L为连杆轴颈的有效测量长度，将轴段除去两端过渡圆角部分的轴向长度作为有效测量长度，每段有效长度最低位置定为Z轴初始位置，该段有效长度最高位置为测量终点；规定当测头在Z轴方向上从初始位置运动到最终位置，测头完成相对连杆轴颈整三周的旋转，B0为测头所处的初始位置，当转台转动角度θ后，测头所处位置为B1；

X、Y、Z三轴采用直线插补方式配合运动，最终实现测头随动的测量方式。

所述分段补偿是指：在测头标定完成后，应用该设备检测直径真值已知的高精度标准芯棒，该芯棒有效长度与测头轴向行程相当，检测轴向全行程芯棒直径检测数据，该数据与芯棒直径真值比较得到测头上下移动相对上下顶尖连线的平行度误差，将轴向行程分为N段，计算该段测头上下移动相对上下顶尖连线的平行度误差的平均值，把该平均值作为测头在该段轴向测量数据的补偿值，则各段补偿值有如下表达式：

式中Δ_k(k＝1,2...N)为各段测量数据的补偿值，R为高精度标准芯棒的直径真值，n_k(k＝1,2...N)为各段采样的数据点数，若将轴向行程平均分段进行采样，则n₁＝n₂＝…＝n_N，r_ij(i＝1,2...N，j＝1,2...n_k)为第i段上第j个数据点测得的芯棒的直径值。

所述计算机精确控制各轴联动的运动是指：主轴的转动，光栅测头的水平方向和竖直方向的移动及其联动均由计算机控制，计算机根据测头位移变化量的光栅尺读数计算并显示光栅测头与被测轴颈中心的距离。

本发明的有益效果体现在：

1)本发明利用随动测头，解决了连杆轴颈在测量过程中不绕自身轴线旋转而无法直接测量的问题。本发明模拟传统绕自身轴线的方式进行测量，所得数据经过转化即可对各参数进行评价

2)本发明通过计算机精确控制各轴的运动，稳定，可靠地获取连杆轴颈直径，圆柱度，两轴中心线平行度的评价数据。提高了测量过程的精度，重复性和测量效率，排除人为因素造成的误差。

附图说明

图1为本发明所检测曲轴的示意图；

图2为本发明随动跟踪测头的结构示意图；

图3为本发明测头分段补偿示意图；

图4为本发明测连杆轴颈段时测头随动的示意图；

图5为本发明测连杆轴段时随动测头在Y0Z平面的投影位置变化示意图；

图6为本发明测连杆轴颈时随动测头在X0Y平面的投影位置变化示意图；

图7为本发明测连杆轴颈随动过程的测头在X0Y平面的投影位置变化示意图；

图中：1为上顶尖轴系、2为下顶尖轴系、3为随动跟踪测头、4为标准芯棒、5为曲轴、6为光栅尺、7为弹簧、8为底板、9为导轨。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

上述一种四轴联动跟踪式曲轴测量方法，该方法主要包括以下步骤：

1)参见图3，为本测量方法分段补偿的示意图，当前测头位置为实线所示，其余测头位置为虚线所示。分段补偿：测头为保证测量路径的精度，用标准芯棒确定各轴段补偿值。

(1)将标准芯棒装夹在机床上顶尖与下顶尖之间，以标准芯棒的中心为X,Y轴零点位置。

(2)测头与标准芯棒底端开始接触，产生压缩量，获取数据。采用分段补偿的方法减小测头上下移动相对上下顶尖连线的平行度误差对测量结果的影响。在测头标定完成后，应用该设备检测直径真值已知的高精度标准芯棒，该芯棒有效长度与测头轴向行程相当，检测轴向全行程芯棒直径检测数据，该数据与芯棒直径真值比较得到测头上下移动相对上下顶尖连线的平行度误差，将轴向行程分为N段，计算该段测头上下移动相对上下顶尖连线的平行度误差的平均值，把该平均值作为测头在该段轴向测量数据的补偿值，则各段补偿值有如下表达式：

式中Δ_k(k＝1,2...N)为各段测量数据的补偿值，R为高精度标准芯棒的直径真值，n_k(k＝1,2...N)为各段采样的数据点数，若将轴向行程平均分段，则n₁＝n₂＝…＝n_N，r_ij(i＝1,2...N，j＝1,2...n_k)为第i段上第j个数据点测得的芯棒的直径值。

所述标定方式优点：1，提高测量精度；2减少运算数据。

2)寻找角度基准：将曲轴装夹在机床上顶尖与下顶尖之间，寻找角度基准。具体方式包括以下两种：

(1)以键槽为基准最大变形量检测法：设计单圆头平键，安装于键槽位置保证该键圆弧顶点处于径向最大位置处。曲轴旋转一周，测头对该轴段进行测量，将测头变形量最大位置作为角度零位。

(2)以销钉为基准最大变形量检测法：在曲轴销孔位置安装销钉，并设计有平滑过渡圆弧的辅助工装，与销钉配合，保证销钉处于最大外径处。曲轴旋转一周，测头对该轴段进行测量，将测头变形量最大的位置作为角度零位。

3)确认起测点：完成上述步骤后，为方便最终数据处理，将主轴颈中心，连杆轴颈中心，测杆轴线在一条直线上时测头位置设为起测位置。首先，将测杆轴线与主轴颈中心调至一条直线，为保证连杆轴颈中心在其他二者之间且在该直线上，手动将测头调至起测位置附近，然后控制转台正转8°～10°。

(1)若测头变形量持续减小，则控制转台反转，找到变形量从增大转为减小的拐点，对起测点位置初步确定。在此位置上，控制转台正反各转3°～5°对起测点进行修改并最终确定。

(2)若测头变形量持续增加，则控制转台继续正转，找到变形量从增大转为减小的拐点，对起测点位置初步确定。在此位置上，控制转台正反各转3°～5°对起测点位置进行修改并最终确定。

(3)若测头变形量先增后减，则将此拐点初步确定为起测点位置。在此位置上，控制转台正反各转3°～5°对起测点进行修改并最终确定。

4)对主轴颈可用传统方式(主轴旋转，测头固定并与主轴接触)进行测量；在对连杆轴颈的测量中，参见图7，为本测量方法测连杆轴颈随动过程测头在X0Y平面投影位置变化示意图：位置一为当前测量位置，位置二，三，四为测量中测头将经过的位置。

所述测头随动测量过程中，转台匀速转动，X、Y、Z三轴从动运动，测头本身处于一个移动副上，其上配有显示其轴向位移量的光栅尺。保持测头与连杆轴颈时刻处于正确有效位置接触。为实现测头随动，应满足下述原则：

(1)原则一：参见图4，为本测量方法测连杆轴颈段时测头随动的三维示意图，测量当前位置为实线所示，主轴未转角度θ的测量位置为虚线所示；

在对每段连杆轴颈的测量过程中，为保证连杆轴颈与测头正确有效接触，参见图6，为本测量方法测连杆轴颈段，转台转动θ角，随动测头在X0Y平面的投影位置变化示意图，当前位置为实线所示，主轴未转角度θ的测量位置为虚线所示，测头在XOY平面的投影位置坐标应满足如下数学关系：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔX}}_B={\mathrm{\ΔX}}_A\\ {\mathrm{\ΔY}}_B={\mathrm{\ΔY}}_A\end{array}\right.$ 即 $\left\{\begin{array}{c}{X}_{B1}-X_{B0}=X_{A1}-X_{A0}\\ Y_{B1}-Y_{B0}=Y_{A1}-Y_{A0}\end{array}\right.$

A0为连杆轴颈中心的初始位置，B0为测头中心初始位置，主轴任意转动角度θ，X、Y、Z三轴从动匀速运动，转动角度θ后，连杆轴颈中心所处位置为A1，测头所处位置为B1；

测头在YOZ平面的投影位置参见图5，为本测量方法测连杆轴颈段，转台转动θ角，随动测头在Y0Z平面投影位置变化示意图，当前测量位置为实线所示，主轴未转角度θ的测量位置为虚线所示。两位置Z轴坐标应满足如下数学关系：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔZ}}_B=Z_{B1}-Z_{B0}\\ \frac{{\mathrm{\ΔZ}}_B}{\mathrm{\θ}}=\frac{L}{3\×2\mathrm{\π}}\end{array}\right.$ 即 $Z_{B1}-Z_{B0}=\frac{\mathrm{\θ}\×L}{6\mathrm{\π}}$

L为连杆轴颈的有效测量长度，将轴段除去两端过渡圆角部分的轴向长度作为有效测量长度，每段有效长度最低位置定为Z轴初始位置，该段有效长度最高位置为测量终点；规定当测头在Z轴方向上从初始位置运动到最终位置，测头完成相对连杆轴颈整三周的旋转，B0为测头所处的初始位置，当转台转动角度θ后，测头所处位置为B1；

X、Y、Z三轴采用直线插补方式配合运动，最终实现测头随动的测量方式。

(2)原则二：参见图2所示为本发明所述随动跟踪测头的结构示意图，测头上设置有两个光栅尺，与弹簧相连的光栅尺可显示弹簧的变形量，另外一个光栅尺可显示测头轴向位置的变化。测头处于任意位置都必须保证复位弹簧变形量一致，否则无法保证测量数据仅与曲轴自身形状和尺寸相关，而将弹簧的变形量作为测量数据的一部分。

5)在对主轴颈和连杆轴颈的测量过程中，自定义待测轴段的起测位置和测量高度，起测位置避开过渡圆角。测量主轴颈时测头固定，只需保证测头上复位弹簧变形量不变，主轴旋转，驱动测头沿Z轴移动，测头所走路径为螺旋线；连杆轴颈的测量需要测头随动，主轴旋转时，测头跟随并沿Z轴移动，相对连杆轴颈所走路径也为螺旋线。

6)测头得到光栅尺的数据后，结合转台圆光栅的角度信息和Z轴的同步数据，即可得到曲轴各轴段的轮廓信息。对数据进行处理后即可得到各关键参数的误差信息。

7)数据分析，模型匹配：由于连杆轴颈不是绕自身中心进行测量，需要根据测得数据，变换数学模型，具体通过以下两种方法：

(1)连杆轴颈中心坐标化零法：随动测头模拟传统测量方式，使测头相对连杆轴颈中心旋转测量。与传统方式的区别在于被测轴颈中心不固定，为处理数据方便，将所得所有数据的X,Y值减去对应的位置连杆轴颈中心的X,Y值，Z值不变。即可按照传统的方式建立数学模型，进而对各参数进行评价分析。

(2)标准件理想模型匹配法：曲轴各参数除直径需要输出真值外，其他各参数都是实际数据建立的模型与理想模型的匹配程度。所述方法对实测数据不需要进行变换，而是建立一个理想模型，所述理想模型通过旋转标准曲轴，连杆轴颈上所有点所处的理想位置建立。实际模型与理想模型通过比较进行误差分析。

Claims (7)

1.一种四轴联动跟踪式曲轴测量方法，基于四轴联动的运动系统，其特征在于：采用被动式随动测头，在随动过程中测头始终与曲轴保持接触，在测量过程中，计算机精确控制各轴联动的运动，保证连杆轴颈中心始终处于测头延长线上，且接触位置在±δ范围内变化，将主轴颈中心，连杆轴颈中心，测杆轴线在一条直线上时测头位置设为测量起始位置，测量过程中各轴运动满足给定的数学关系，测量数据分段补偿，最终实现各参数的全自动测量与分析；

测量过程中各轴运动满足给定的数学关系是指：在对每段连杆轴颈的测量过程中，为保证连杆轴颈与测头正确有效接触，测头在XOY平面的投影位置坐标应满足如下数学关系：

即

A0为连杆轴颈中心的初始位置，B0为测头中心初始位置，主轴任意转动角度θ，X、Y、Z三轴从动匀速运动，转动角度θ后，连杆轴颈中心所处位置为A1，测头所处位置为B1；

测头在YOZ平面的投影位置坐标应满足如下数学关系：

即

L为连杆轴颈的有效测量长度，将轴段除去两端过渡圆角部分的轴向长度作为有效测量长度，每段有效长度最低位置定为Z轴初始位置，该段有效长度最高位置为测量终点；规定当测头在Z轴方向上从初始位置运动到最终位置，测头完成相对连杆轴颈整三周的旋转，B0为测头所处的初始位置，当转台转动角度θ后，测头所处位置为B1；

X、Y、Z三轴采用直线插补方式配合运动，最终实现测头随动的测量方式。

2.根据权利要求1所述一种四轴联动跟踪式曲轴测量方法，其特征在于：在随动过程中通过弹簧保证测头所处任意位置都与曲轴接触，且保证弹簧变形量一致。

3.根据权利要求1所述一种四轴联动跟踪式曲轴测量方法，其特征在于：在测量连杆轴颈时，保证曲轴在绕主轴颈回转的同时，测头跟随连杆轴颈运动，且连杆轴颈中心在测头轴线的延长线上。

4.根据权利要求1所述一种四轴联动跟踪式曲轴测量方法，其特征在于：测头与连杆轴颈的接触点在±δ范围内变化，δ为测头导轨跨距的1/3～1/5。

5.根据权利要求1所述一种四轴联动跟踪式曲轴测量方法，其特征在于：在曲轴测量过程中，将主轴颈中心，连杆轴颈中心，测杆轴线在一条直线上时测头位置设为起测位置：

首先，将测杆轴线与主轴颈中心调至一条直线，为保证连杆轴颈中心在其他二者之间且在该直线上，手动将测头调至起测位置附近，然后控制转台正转8°～10°；

(1)若测头变形量持续减小，则控制转台反转，找到变形量从增大转为减小的拐点，对起测点位置初步确定，在此位置上，控制转台正反各转3°～5°对起测点位置进行修改并最终确定；

(2)若测头变形量持续增加，则控制转台继续正转，找到变形量从增大转为减小的拐点，对起测点位置初步确定，在此位置上，控制转台正反各转3°～5°对起测点位置进行修改并最终确定；

(3)若测头变形量先增后减，则将此拐点初步确定为起测点位置，在此位置上，控制转台正反各转3°～5°对起测点进行修改并最终确定。

6.根据权利要求1所述一种跟踪式曲轴测量方法，其特征在于：所述分段补偿是指：在测头标定完成后，应用所述运动系统检测直径真值已知的高精度标准芯棒，该芯棒有效长度与测头轴向行程相当，检测轴向全行程芯棒直径检测数据，该数据与芯棒直径真值比较得到测头上下移动相对上下顶尖连线的平行度误差，将轴向行程分为N段，计算该段测头上下移动相对上下顶尖连线的平行度误差的平均值，把该平均值作为测头在该段轴向测量数据的补偿值，则各段补偿值有如下表达式：

式中Δ_k(k＝1,2...N)为各段测量数据的补偿值，R为高精度标准芯棒的直径真值，n_k(k＝1,2...N)为各段采样的数据点数，若将轴向行程平均分段进行采样，则n₁＝n₂＝...＝n_N，r_ij(i＝1,2...N，j＝1,2...n_k)为第i段上第j个数据点测得的芯棒的直径值。

7.根据权利要求1所述一种跟踪式曲轴测量方法，其特征在于：所述计算机精确控制各轴联动的运动是指：主轴的转动，光栅测头的水平方向和竖直方向的移动及其联动均由计算机控制，计算机根据测头位移变化量的光栅尺读数计算并显示光栅测头与被测轴颈中心的距离。