CN108469238B - 一种自动凸轮轴测量仪的校准控制方法 - Google Patents

Abstract

一种自动凸轮轴测量仪的校准控制方法，包括：轴向误差测量校准：主轴顶尖与尾座顶尖的同轴度，轴向测量装置移动时对顶尖连线的平行度，主轴顶尖斜向的跳动量校准等；径向测量误差校准：径向测量装置移动时对顶尖连线的垂直度，径向测量装置的示值误差，径向测量重复性，角度误差测量校准，起测点测量重复性，升程测量综合误差等。规范的装备制造企业生产中普遍使用的凸轮轴测量仪的校准控制方法，通过校准各类凸轮轴仪器的计量特性以确定其本身技术状态，从而满足技术测量和使用要求；按照规定的误差允许值评定凸轮轴测量仪的符合性，以实现测量结果准确一致，并符合国家统一的量值溯源要求，进而确保产品检测质量的提高。

Description

一种自动凸轮轴测量仪的校准控制方法

技术领域

本发明属于装备制造领域，涉及一种精密仪器的检测技术，尤其涉及一种自动凸轮轴测量仪的校准控制方法。

背景技术

发动机作为动力机械的核心单元，对装备制造业的技术进步发挥着十分关键的作用。凸轮轴作为发动机主要零件之一，其功能是驱动发动机整个配气系统及其附件的准确快速运行，保证充气系数、功率输出、动力性能及废气排放等达标。凸轮轴质量的高低直接影响到发动机的油耗、噪音等主要性能指标；而凸轮轴测量仪是保证产品质量必不可少的精密检测设备，在凸轮轴及曲轴检测中得到了广泛应。因此，保证凸轮轴测量仪的测量精度及性能显得尤为重要。

目前，对凸轮轴测量仪测量精度没有统一的校准确认方法，一些企业常常采取实物测量数据比对的一致性确定仪器性能。在规定条件下，用相同准确度等级的两个凸轮轴自动测量仪，对同一实物凸轮测量数据进行相互比较，如果认定数据与参考数据趋向一致，则认为被认定凸轮轴测量仪的精度符合要求。可是在数据比对时，往往只注意认定数据与参考数据的一致性，而忽略了参考数据的正确性，片面地追求认定数据与参考数据相一致，将导致凸轮轴测量仪精度认定的方法缺少正确性、合理性；而对多数不具备条件的企业，往往采用选取一个优质的凸轮轴作为核查标准，对凸轮轴仪器进行数据核查，以保证测量的相对稳定性。

因此，对凸轮轴测量仪而言，实物凸轮轴测量数据比对的方法，只能确定测量数据稳定性并不能确定仪器的准确性。如果根据实物凸轮的技术要求、公差要求，以及凸轮升程误差变化的规律性，建立一个正确测量校准评定标准，保证凸轮轴测量仪的测量精度及性能的稳定性，进而使测量的凸轮轴产品数据准确可靠，不但可以省去实物比对昂贵的费用，避免厂商及用户同对测量认定数据的争议，还可以大大缩短精度认定的时间，使凸轮轴测量品质的认定工作简便、准确、收到事半功倍的效果。

目前，在生产过程中使用的各种国内外制造的凸轮轴测量仪，在发动机产品质量检测中发挥着不可替代的作用；自动式凸轮轴测量仪包括立式结构和卧式结构两种，自动式仪器通过计算机控制圆周分度测量装置、径向测量装置和轴向测量装置三个子系统，可完成从参数输入、测量选择控制、数据采集处理、结果输出等工作。由于国家尚未规定该类仪器的校准控制方法，也没有统一的检测结果评价标准，使得在用的仪器准确度难以保证，导致了一些长期使用的凸轮轴测量仪测量精度逐步降低，不但会使其检测凸轮轴的结果产生误判，直接影响了机械产品的品质提升；而且一旦仪器失准就会造成凸轮轴的批量事故，甚至导致使用的整个发动机报废，其潜在风险应该引起相关方高度重视，并应尽快采取措施加以解决。

为确保各类凸轮轴测量仪能够满足检测技术要求及使用要求，必须明确其主要计量特性、校准方法及质量控制方法，并使之能够按照国家量值系统要求有效溯源以确保其量值准确可靠，所以提出统一规范的自动凸轮轴测量仪校准控制方法非常必要。

发明内容

本发明的目的在于针对装备制造业生产过程中使用的凸轮轴测量仪，提供一种满足技术检测和使用要求、规范可行的凸轮轴测量仪校准控制方法。

校准环境条件要求：温度20±2℃，温度变化每小时不超过1℃；精度校准时，标准器与仪器恒温时间不得小于4小时；仪器周围不应有影响仪器正常工作的振动等。

本发明采用如下技术方案达到上述目的：具体校准控制步骤如下：

1．轴向误差测量校准

1）主轴顶尖与尾座顶尖的同轴度：采用分度值为1μm的扭簧表和两个标准芯轴进行校准：将长标准芯轴顶于两顶尖之间，把扭簧表及专用表架紧固在顶尖座上，使表测头与芯轴远端接触，顶尖转动一周取扭簧表示值的最大变动量作为一次测量值，重复测量2次取其平均值为单次测量的同轴度；同样用短芯轴校准得另一个同轴度值，再取两次测量值中的较大值作为最终测量值；

2）轴向测量装置移动时对顶尖连线的平行度：选用工作长度不小于测量范围80%的标准芯轴顶于两顶尖之间，将扭簧表固定在轴向测量装置上，使测头分别垂直接触芯轴的正面和侧面，沿导轨工作方向移动轴向测量装置，此时切向和径向扭簧表的示值变化量即为轴向测量装置移动时对顶尖连线的切向和径向平行度；

3）主轴顶尖斜向的跳动量采用分度值0.5μm的扭簧表进行校准：在仪器基座上固定好装有扭簧表的表架，使测头在距主轴顶尖锥面一侧垂直地接触，转动主轴一周，示值的最大与最小值之差为顶尖该处斜向跳动量值；同样在另一侧测得另一个值，取两次结果较大值为主轴顶尖斜向跳动量；

2.径向测量误差校准

1）径向测量装置移动时对顶尖连线的垂直度：把专用芯轴装在仪器两个顶尖之间，使用带动器固定专用芯轴，保证在测量过程中专用芯轴不会转动，在径向测量装置上固定扭簧表，使测头与专用芯轴垂直度部件的工作面一侧垂直接触；沿导轨工作方向移动径向测量装置，取扭簧表读数最大与最小示值之差作为此次测量值；将芯轴沿轴线转动180°，使测头与工作面垂直度部件的另一侧工作面接触，重复前述测量动作，得到第二次测量值，将两次测量值的平均值作为径向测量装置移动时对顶尖连线的垂直度；

2）径向测量装置的示值误差：在径向测量装置的测量范围内，选取均匀分布于测量范围内的5个点，分别用相应尺寸的量块进行校准；校准时将专用芯轴装在两顶尖之间，将滚子测头与芯轴上轴肩平面可靠接触，在径向测量装置中读出零点值；然后依次将量块研合于专用芯轴的轴肩平面上，使滚子测头与量块可靠接触，读出径向5次测量示值，则各校准点上的示值误差为测量示值与零点值和量块值的差值，计5个，取其中最大差值作为径向测量示值误差；

3）径向测量重复性：在径向在测量装置示值范围内选取某个受检点，在该点对径向示值误差进行10次重复测量，按照公式【5】计算10次测量标准偏差作为径向测量重复性；

3．角度误差测量校准

1）分度装置回零误差：将多面棱体装夹在仪器主轴上，使主轴以正向旋转一个角度后处于某一示值，用自准直仪对准多面棱体的一个工作面，在圆分度测量装置上读数为a _l，使圆分度测量装置顺时针方向旋转360°与自准直仪起始位置对准，再从显示装置上读数为a ₂，两次读数差值作为回零误差测量值，不应超出相应要求；

2）起测点测量重复性：自动仪器由软件确定其起测点，按测量升程误差的方法，重复5次测量偏心轴标准器起测点处的升程误差，选用极差法公式计算其重复性，作为起测点测量重复性；

3） 升程测量综合误差：采用标准偏心轴进行升程测量综合误差校准，在标准偏心轴转动一周范围内，等间隔选取不少于36个校准点，将测头在各个校准点时的升程测量值与标准器各对应点标准值比较，取其差值作为各个校准点的升程测量综合误差；在全部校准点的升程测量综合误差中，取误差绝对值最大值作为该仪器升程测量综合误差；

以上各种误差校准结果均不应大于其相应的规定限值要求，具体规定限制要求在另一发明专利中体现。

本发明采用上述技术方案后可达到如下积极效果：规范装备制造业生

产中普遍使用的凸轮轴测量仪的校准控制方法，通过校准各类凸轮轴仪器

的计量特性以确定其本身技术状态，从而满足技术测量和使用要求；按照规定的误差允许值评定凸轮轴测量仪的符合性，以实现测量结果准确一致，并符合国家统一的量值溯源要求，进而确保产品检测质量提高。本发明已在本企业取得初步应用效果，根据本发明立项的国家计量技术法规《凸轮轴测量仪校准规范》已完成初步审定，现正在按计划进行修改完善中。

附图说明

图1 为本发明一种自动凸轮轴测量仪的两顶尖的同轴度校准示意图；

图2 为本发明一种自动凸轮轴测量仪的轴向测量装置移动时对顶尖连线平行度校准示意图；

图3 为本发明一种自动凸轮轴测量仪的主轴顶尖斜向跳动校准示意图；

图 4 为本发明一种自动凸轮轴测量仪的径向测量装置移动时对顶尖连线垂直度校准示意图；

图 5 为本发明一种自动凸轮轴测量仪的测量径向装置示值误差示意图；

图6 为本发明一种自动凸轮轴测量仪的专用标准偏心轴示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。如图1～6所示，一种凸轮轴测量仪的校准控制方法，其工作步骤为：

1）仪器同轴度的校准：校准系统（如图1）主要由尾座顶尖1、标准芯轴2、扭簧表3、主轴顶尖4组成；校准时，选用工作长度不小于测量范围80%的300mm标准芯轴2顶于尾座顶尖1、主轴顶尖4之间，将扭簧表3及专用表架紧固在主轴顶尖4座上，使扭簧表3测头尽可能与标准芯轴2远端轴径垂直接触，转动主轴顶尖4一周，扭簧表3随主轴一起转动，观察示值变化，其最大示值变化量（即最大值减去最小值）为尾座顶尖1、主轴顶尖4的同轴度一次测得值δ₁；重复上述测量得到另一个测得值δ₂，取两次测量平均值δ为单次测量的同轴度，其计算如公式【1】；然后用同样方法选一160mm短标准芯轴置于顶尖1和4之间，测量二次得另一平均值δ′；取δ和δ′值中的较大者作为同轴度测量值。

δ=（δ₁+δ₂）/2 【1】

2）仪器轴线平行度校准：校准系统（如图2）主要由尾座顶尖1、标准芯2、扭簧表3、主轴顶尖4、导轨5、轴向测量装置6组成；校准时选用工作长度不小于测量范围80%的标准芯轴2顶于尾座顶尖1、主轴顶尖4之间，将分度值为0.001mm的扭簧表3固定在轴向测量装置6上（如图2所示），使表测头分别垂直接触芯轴的正面和侧面，沿导轨5工作方向移动轴向测量装置，此时切向或径向扭簧表3的示值变化量δ₁和δ₂即扭簧表3读数的最大和最小读数差值，为轴向测量装置移动时对尾座顶尖1、主轴顶尖4连线的切向或径向平行度；则仪器轴线平行度δ按公式【2】计算：

δ=（δ₁ ²+δ₂ ²）^1/2 【2】

3）仪器主轴顶尖斜向的跳动量校准：校准系统（如图3）主要由扭簧表3、主轴顶尖4组成；校准时在仪器基座上固定好表架，把分度值0.0005mm的扭簧表3装在表架上，使扭簧表测头在距主轴顶尖4工作面约2mm处与锥面垂直接触；转动主轴一周，观察扭簧表3的示值变化，记录示值最大变化量 r₁作为一次测量值；用同样方法将扭簧表测头在主轴顶尖4工作面另一位置与锥面垂直接触；转动主轴一周，记录示值最大变化r₂作为二次测量值，取二次测量值的最大值r为顶尖跳动量的测得值。即：

r=mix{ r₁,r₂ } 【3】

4）仪器垂直度校准：校准系统（如图4）主要由尾座顶尖1、标准芯轴2、扭簧表3、主轴顶尖4、径向测量装置7组成；校准时把专用芯轴2装在仪器尾座顶尖1、主轴顶尖4之间，在径向测量装置7测量头上固定好分度值为0.001mm的扭簧表3，使表测头垂直地与专用芯轴2上与轴线垂直的工作面接触；前后移动径向测量头，观察扭簧表3的读数变化，以测量头接近起始点的扭簧表3读数为d ₁ ，以测量头接近终点的扭簧表读数为d ₂ ，取d ₂ -d ₁ 作为第一次测量值δ₁；将芯轴转动180°，重复前述测量动作，得到d ₄ -d ₃ 作为第二次测量值δ₂，取两次测量值的算术平均值δ作为径向测量装置移动时对顶尖连线垂直度的测量结果，按公式【4】计算：

δ= [（d₂-d₁）+（d₄-d₃）] /2 【4】

5）径向测量装置示值误差校准：校准系统（如图5）主要由尾座顶尖1、标准芯轴2、主轴顶尖4、径向测量装置7、量块8组成；校准时根据径向测量装置的示值范围，选取五块三等量块8，并使这五块量块的尺寸在示值范围内均匀分布。将径向测量装置7的测头对准装夹在尾座顶尖1、主轴顶尖4间的专用芯轴2上，在径向测量装置中读出零点值α₀；然后将量块依次放于测量头与芯轴之间，读出该测量点读数，每个量块测量三次，取算术平均值作为该受检点的测量值α_i；测量值减去零点值，再按量块实际值b _i 修正后，得到该点的示值误差；各受检点的误差δi按公式【5】计算，取各次测量误差的最大值为径向测量装置示值误差。

δi=（α_i-α₀）- b_i 【5】

6）径向测量重复性：在径向测量装置示值范围内选取某个受检点，在该点对径向示值误差进行10次重复测量，按照公式【6】计算10次测量标准偏差作为径向测量重复性δ(x)。

δ(x)={[Σ（ｘ_i+x₀）²]/9}^1/2 【6】

式中，x₀——10次测量的算术平均值；

ｘ_i——第i次测量的测得值，i取1、2、‥10。

7）角度测量装置校准具体方法如下：将标准多面棱体装夹在仪器主轴上，并用自准直仪照准棱体第1工作面，同时自准直仪和圆分度测量装置显示置零；转动主轴使棱体转到第2面 、第3面……第23面，用自准直仪瞄准，在圆分度测量装置上读数为α₂、α₃、‥‥α₂₃。每个位置的读数值减去棱体实际角度值βi之后，分别求得每个位置的误差值δi，按照公式【7】计算；这一校准应在正反向各进行一个测回，示值误差以正反两个测回的最大值与最小值之差来确定。

δi =α_i-βi 【7】

8）分度装置回零误差具体校准方法：将标准多面棱体（23面体）装夹在仪器主轴上，使主轴以正向旋转一个角度后处于某一示值，用自准直仪对准多面棱体的一个工作面，在圆分度测量装置上读数为a _l，使圆分度测量装置正向旋转360°与自准直仪起始位置对准，再从显示装置上读数为a ₂，两次读数差值作为回零误差测量值δα，表达公式【8】：

δα= a ₂ - a _l 【8】

9）升程测量误差：对于自动仪器制作如图6所示偏心轴作为标准器对仪器进行校准，被校仪器所用测头与校准该标准器所用测头应采用相同规格滚子测头，校准前预先将标准偏心轴标准值输入软件标准数据库中，以便校准时直接调用。在校准时标准偏心轴转动一周范围内，等间隔选取不少于36个校准点，将测头在各校准点的升程测量值di与标准器各对应点标准值d0i比较（其中i为1,2,‥36），取其差值作为各校准点的升程测量误差；在全部校准点升程测量误差中，按公式【9】取误差绝对值最大值dl作为该仪器升程测量误差。

dl = mix{(d1-d01),(d2-d02),‥(di-d0i)} 【9】

10）起测点测量重复性：将标准偏心轴安装在仪器尾座顶尖1、主轴顶尖4之间，使仪器测头与偏心轴外圆轮廓可靠接触；校准时偏心轴随仪器主轴同步转动，测头跟随偏心轴沿径向导轨方向运动；自动仪器在标准偏心轴转动过程中由软件通过找到标准偏心轴的敏感点位置作为仪器起测点，按测量升程误差的方法重复5次测量偏心轴标准器起测点处的升程误差，选用极差法公式【10】计算其重复性，作为起测点测量重复性。

ra=(αmax-αmin)/c 【10】

其中，αmax 和αmin 分别为测量点的最大及最小值，c为极差系数。

最后应当说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的全部内容，凸轮轴测量仪的计量特性指标确定及其控制评定方法将在另一个发明专利中体现；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行形式上的修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的思路启示之内所作出的形式修改、等同替换等，均应包含在本发明的权利保护范围之内。

Claims (1)

1.一种自动凸轮轴测量仪的校准控制方法，其特征在于：校准控制方法如下：

1）仪器同轴度的校准：选用300mm标准芯轴和扭簧表对仪器同轴度进行重复校准，两次扭簧表最大变化量分别为测得值δ₁和δ₂，取两次测量平均值δ为单次测量的同轴度，其计算如公式【1】；然后用同样方法选用160mm短标准芯轴校准二次，比照公式【1】计算得出另一平均值δ′；取δ和δ′值中的较大者作为仪器同轴度测量值；

δ=（δ₁+δ₂）/2 【1】

2）仪器轴线平行度校准：选用工作长度不小于测量范围80%的标准芯轴和0.001mm的扭簧表进行校准，分别读取切向和径向扭簧表的示值变化量，即：差值δ₁和δ₂，为轴向测量装置移动时对顶尖连线的切向和径向平行度；则仪器轴线平行度δ按公式【2】计算：

δ=（δ₁ ²+δ₂ ²）^1/2 【2】

3）仪器主轴顶尖斜向的跳动量校准：用分度值0.0005mm的扭簧表在两个位置测转动主轴一周，示值最大变化量 r₁和r₂作为二次测量值，取其最大值r为顶尖跳动量的测得值；即：

r=mix{ r₁,r₂ } 【3】

4）仪器垂直度校准：把专用芯轴和径向测量装置上的扭簧表校准垂直度，以表的最大示值d ₁ 与最小示值d ₂ 之差d ₂ -d ₁ 作为一次测量值δ₁；将芯轴转动180°重复前述测量得到d ₄ -d ₃ 作为二次测量值δ₂，取两次测量值的算术平均值δ作为径向测量装置对顶尖连线方向的垂直度，即：

δ= [（d₂-d₁）+（d₄-d₃）] /2 【4】

5）径向测量装置示值误差校准：在径向测量装置的测量范围内，选取均匀分布于测量范围内的5个点，分别用相应尺寸的量块对专用芯轴进行校准；在径向测量装置中读出零点值α₀，然后依次将量块研合于专用芯轴的轴肩平面上，使滚子测头与实际值为b _i量块可靠接触，读出径向测量示值α_i ，其中i=1，2，3，4，5，则各校准点上的示值误差δi按式【5】计算，取测量误差的最大值为径向测量装置示值误差；

δi=（α_i-α₀）- b_i 【5】

6）径向测量重复性：在径向在测量装置示值范围内选取某个受检点，在该点对径向示值误差进行10次重复测量，按照公式【6】计算10次测量标准偏差作为径向测量重复性δ(x)；

δ(x)={[Σ（ｘ_i﹣x₀）²]/9}^1/2 【6】

式中，x₀——10次测量的算术平均值；

ｘ_i——第i次测量的测得值，i取1、2、‥10；

7）角度测量装置校准：用自准直仪对标准23面面棱体瞄准，在圆分度测量装置上读数为α₂、α₃、‥‥α₂₃；

每个位置的读数值减去棱体实际角度值βi之后，分别求得每个位置的误差值δi，按照公式【7】计算；示值误差以正反两个测回的最大值与最小值之差来确定；

δi =α_i-βi 【7】

8）分度装置回零误差具体校准方法：用自准直仪对准多面棱体的一个工作面，在圆分度装置上读数为a _l，分度装置旋转360°与自准直仪起始位置对准读数为a ₂，两次读数差值作为回零误差测量值δα，即：

δα= a ₂ - a _l 【8】

9）升程测量误差校准：制作标准偏心轴对仪器进行校准，预先将标准偏心轴标准值输入软件标准数据库中，在校准时标准偏心轴转动一周范围内，等间隔选取不少于36个校准点，将测头在各校准点的升程测量值d_i与标准器各对应点标准值d_0i比较，其中i为1,2,‥36，取其差值作为各校准点的升程测量误差；在全部校准点升程测量误差中，按公式【9】取误差绝对值最大值dl作为该仪器升程测量误差；

dl = mix{(d₁-d₀₁),(d₂-d₀₂),‥(d_i-d_0i)} 【9】

10）起测点测量重复性：将仪器测头与标准偏心轴外圆轮廓可靠接触并随仪器主轴同步转动，测头跟随偏心轴沿径向导轨方向运动；由软件通过找到标准偏心轴的敏感点位置作为仪器起测点，按测量升程误差的方法重复5次测量偏心轴标准器起测点处的升程误差，选用极差法公式【10】计算作为起测点测量重复性；

ra=(αmax-αmin)/c 【10】

其中，αmax和αmin分别为测量点的最大及最小值，c为极差系数；

以上所有校准结果即误差值均不应超过相应的规定值要求。

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