CN112344849A - 一种连杆弯曲度和扭曲度的高精度测量方法 - Google Patents

Abstract

一种连杆弯曲度和扭曲度的高精度测量方法。属于在线测量技术应用领域。提出了一种可实现连杆弯曲度和扭曲度的高精度测量的连杆弯曲度和扭曲度的高精度测量方法。包括如下步骤：S1、布置测头；S2、获取测头坐标；S3、建立坐标系；S4、测量目标连杆；S5、计算目标连杆的弯曲度和扭曲度；S6、厚度偏差补偿。本发明可以集成到连杆的在线测量装备之中，实现全自动化的测量，可以极大地提高连杆的测量效率，达到能够匹配如今连杆的生产效率。同时，本发明中还提供了一种测量补偿方法，可以减小被测连杆的厚度的偏差带来的预期之外的测量误差，进一步提高测量的精度。

Description

一种连杆弯曲度和扭曲度的高精度测量方法

技术领域

本发明涉及一种连杆弯曲度和扭曲度的高精度测量方法，其属于在线测量技术应用领域。

背景技术

连杆是发动机的核心部件之一，连杆加工质量很大程度上决定着发动机的整体性能。连杆的生产量巨大，如上海某连杆生厂企业日产量超过了10万件。为了满足全自动化生产线的要求，连杆精度参数的在线测量也必定需要满足高精度、高节拍的要求，从而能够匹配连杆的生产节拍，全面的提高生产效率。由于连杆工作环境的特殊性，以及其结构的复杂性和加工质量要求的精确性，在传统检测过程中需要掌控的质量因素很多。传统手工抽样检测方法中工作人员的劳动强度重、一致性差，测量结果与自动化测量技术相比在很大程度上受到一些很难掌控的人为因素的影响。

其中弯曲度与扭曲度是连杆两个重要的位置度指标。传统的通用的连杆弯曲度和扭曲度的检测方法大致有通用量具测量方法、专用测量台测量方法和光电自动化设备测量方法。可见的报道中，文献“连杆几何参数综合测量方法的研究[硕士学位论文]，北京，北京交通大学，2009”研制的连杆几何参数的测量方法，所设计的方法无法实现在线测量，测量节拍有限。中国实用新型专利“连杆测量仪”，申请号为“201820497837.5”中设计的连杆测量仪为传统的手动测量装置，测量的精度和一致性有限。

因此，确有必要对于上述的连杆弯曲度和扭曲度的测量方法进行改变，以解决现有技术的不足。尤其是针对批量加工过程中，连杆出现肉眼不可见的弯曲与扭曲时，尤其需要对连杆的弯曲度与扭曲度进行高精度、且高效的测量，从而剔除出加工不合格的残次品。

发明内容

本发明针对以上问题，提出了一种可实现连杆弯曲度和扭曲度的高精度测量的连杆弯曲度和扭曲度的高精度测量方法。

本发明的技术方案为：所述连杆具有大端头和小端头，所述大头端以及小头端中均开设有圆柱孔，包括如下步骤：

S1、布置测头：取连杆标准件，在连杆标准件的大头端以及小头端布置高精度位移传感器；

S2、获取测头坐标：对连杆标准件进行标定，获得测头的位移零点，进行标定时，测头将会产生一段位移，根据位移量可以得到连杆标准件中大头端圆柱孔的半径以及小头端圆柱孔的半径；

S3、建立坐标系：以连杆标准件中大头端圆柱孔的中心O为坐标原点，连杆标准件的长度方向为X轴，连杆标准件中大头端圆柱孔的轴向为Z轴，垂直于XOZ平面的为 Y轴，建立坐标系；

S4、测量目标连杆：使得所有高精度位移传感器的位置保持不变，移除连杆标准件，放上目标连杆，使得目标连杆的大头端以及小头端之内分别具有八个测点，进行测量，同样，测头将会产生一端位移，此时，可计算获得各个测点所处的坐标位置；

S5、计算目标连杆的弯曲度和扭曲度：

S5.1、得到T1-T4的坐标之后，基于最小二乘法可拟合出T1-T4所在圆的圆心O₁的坐标，同理，可得出T5-T8所在圆的圆心O₂的坐标、T9–T12所在圆的圆心O₃的坐标、T13–T16所在圆的圆心O₄的坐标；

S5.2、根据O₁、O₂、O₃、O₄在X方向以及Y方向上的总偏移量求得连杆的弯曲度和扭曲度；

S6、厚度偏差补偿：

S6.1、在目标连杆的大头端之外布置四个竖直设置的高精度位移传感器，并取压板压住目标连杆大头端的顶面，使得压板的底面上具有四个测点，分别为T17-T20；

S6.2、根据T17-T20的位移量以及初始高度得出目标连杆的厚度，从而得到厚度偏差数据，将厚度偏差数据代入步骤S4进行补偿，最终，得到补偿后的弯曲度和扭曲度。

步骤S1具体为：

S1.1、在大头端的圆柱孔中布置八个水平设置的高精度位移传感器，使得大头端的圆柱孔中具有八个测点，分别为T1-T8；

T1-T4同处于一个水平面上，T5-T8同处于另一个水平面上，这两个水平面沿大头端圆柱孔的中心上下对称；

S1.2、在小头端的圆柱孔中也布置八个水平设置的高精度位移传感器，使得小头端的圆柱孔中具有八个测点，分别为T9–T16；

T9–T12同处于一个水平面上，T13–T16同处于另一个水平面上，这两个水平面沿小头端圆柱孔的中心上下对称；

步骤S1中大头端的圆柱孔中布置的八个高精度位移传感器都与X轴或Y轴呈45°夹角；而小头端的圆柱孔中布置的八个高精度位移传感器则平行于X轴或Y轴。

以标定连杆的大头端为例，步骤S2中连杆标准件中大头端圆柱孔的半径为R₀，

R₀＝d₀+D (1)

式中D为未检测状态下大头端之内的测头与大头端的中心之间的原始距离，标定时测头将会产生一段位移，该位移量为d₀；

同理，可得出连杆标准件中小头端圆柱孔的半径。

步骤S4对目标连杆的大头端进行测量时，设大头端中测头实际测得的位移量为d，则可得该测头与原来连杆标准件大头端轴心所在位置的间距R为：

R＝d+D (2)

由(1)和(2)式，可得：

R＝d-d₀+R₀＝△d+R₀ (3)

则该测点的坐标为：

从而可逐一得到T1-T8的坐标位置；

同理，可在对目标连杆的小头端进行测量时，根据小头端中各个测头的位移量，可以得出T9-T16的坐标位置。

步骤S5具体为：

根据最小二乘法拟合出T1-T4所在圆，得到所在圆的圆心O₁的坐标

根据最小二乘法拟合出T5–T8所在圆，得到所在圆的圆心O₂的坐标

计算目标连杆的大头端的轴心在x，y方向上的偏移量分别为：

将其延伸到连杆厚度的范围，结合目标连杆的厚度C以及O₁、O₂在Z向上的间距 B，可以得到目标连杆大头端轴心的总偏移为：

同理，可得出O₃、O₄的坐标，从而得到目标连杆的小头端的轴心x，y方向上的偏移量Δx2、Δy2；

最后，根据连杆弯曲度和扭曲度的定义可以求得连杆的弯曲度和扭曲度分别为：

式中S为目标连杆大头端与小头端的中心距。

步骤S6.2具体为：设连杆的定位面为ac，其中ab、fd等于大头端圆柱孔的半径r，af、cd为连杆厚度h，设该方向测头测得的连杆厚度偏差为Δh，则根据三角形相似原理，可以知道Δabc和Δcde相似，可以得到：

de＝(h·Δh-Δh²)/r (8)

同理，由Δcde、ΔckT5、ΔcgT1相似，可以得到

其中，T1c、T5c为连杆大头端测头离定位面确定的距离，设其长度为T1c＝h1，T5c＝h2。由式(8)、(9)，代入得到由于连杆厚度误差造成测头T1和T5方向上的测量偏差Δd1、Δd5

同理可以计算得到其他各个测头方向上的测量偏差，将该结果与采集到的测头数据进行补偿，最终，得到补偿后的弯曲度和扭曲度，可以很好的减小连杆的厚度偏差所带来的的预期之外的数据采集偏差。

本发明的有益效果为：解决了传统连杆弯曲度和扭曲度测量精度低，一致性差的问题；借助LVDT高精度位移传感器显著提升了本发明的测量精度，使得连杆弯曲度和扭曲度更为精准、也更为高效，尤其是针对连杆出现肉眼不可见的弯曲与扭曲时，可精准的剔除出加工不合格的残次品。本发明可以集成到连杆的在线测量装备之中，实现全自动化的测量，可以极大地提高连杆的测量效率，达到能够匹配如今连杆的生产效率。

同时，本发明中还提供了一种测量补偿方法，可以减小被测连杆的厚度的偏差带来的预期之外的测量误差，进一步提高测量的精度。

附图说明

图1是连杆的结构示意图，

图2是连杆的剖面示意图，

图3是获取测头坐标时的示意图，

图4是测量目标连杆时的示意图，

图5是测量目标连杆的厚度时的示意图，

图6是进行步骤S6.2时的示意图。

具体实施方式

为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。

如图1-6所示，所述连杆具有大端头和小端头，所述大头端以及小头端中均开设有圆柱孔，包括如下步骤：

S1、布置测头：取连杆标准件，将其放入连杆在线测量机中，在连杆标准件的大头端以及小头端布置LVDT(LineSr VSriSble DifferentiSl TrSnsformer线性可变差动变压器) 高精度位移传感器；所述高精度位移传感器的一端具有测头，测头与被测物体的接触点为测点；

S1.1、在大头端的圆柱孔中布置八个水平设置的高精度位移传感器，使得大头端的圆柱孔中具有八个测点，分别为T1-T8；

T1-T4同处于一个水平面上，T5-T8同处于另一个水平面上，这两个水平面沿大头端圆柱孔的中心上下对称；

S1.2、在小头端的圆柱孔中也布置八个水平设置的高精度位移传感器，使得小头端的圆柱孔中具有八个测点，分别为T9–T16；

T9–T12同处于一个水平面上，T13–T16同处于另一个水平面上，这两个水平面沿小头端圆柱孔的中心上下对称；

S2、获取测头坐标：借助固定支架使得大头端中的八个高精度位移传感器以及小头端中的八个高精度位移传感器保持位置固定，对连杆标准件进行标定，获得测头的位移零点，进行标定时，测头将会产生一段位移，根据位移量可以得到连杆标准件中大头端圆柱孔的半径以及小头端圆柱孔的半径；

S3、建立坐标系：以连杆标准件中大头端圆柱孔的中心O为坐标原点，连杆标准件的长度方向为X轴，连杆标准件中大头端圆柱孔的轴向为Z轴，垂直于XOZ平面的为 Y轴，建立坐标系；

S4、测量目标连杆：使得所有高精度位移传感器的位置保持不变，移除连杆标准件，放上目标连杆，使得目标连杆的大头端以及小头端之内分别具有八个测点，进行测量，同样，测头将会产生一端位移，此时，可计算获得各个测点所处的坐标位置；

S5、计算目标连杆的弯曲度和扭曲度：

S5.1、得到T1-T4的坐标之后，基于最小二乘法可拟合出T1-T4所在圆的圆心O₁的坐标，同理，可得出T5-T8所在圆的圆心O₂的坐标、T9–T12所在圆的圆心O₃的坐标、T13–T16所在圆的圆心O₄的坐标；

S5.2、根据O₁、O₂、O₃、O₄在X方向以及Y方向上的总偏移量求得连杆的弯曲度和扭曲度；

S6、厚度偏差补偿：

S6.1、在目标连杆的大头端之外布置四个竖直设置的高精度位移传感器，并取压板压住目标连杆大头端的顶面，使得压板的底面上具有四个测点，分别为T17-T20；

S6.2、根据T17-T20的位移量以及初始高度得出目标连杆的厚度，从而得到厚度偏差数据，将厚度偏差数据代入步骤S4进行补偿，最终，重新经过步骤S5之后得到补偿后的弯曲度和扭曲度；从而可以减小目标连杆的厚度的偏差带来的预期之外的测量误差，进一步提高测量的精度；

S7、若目标连杆补偿后的弯曲度或扭曲度超过预定值，则标记为残次品，并进行回收处理。

如图1-2所示，步骤S1中大头端的圆柱孔中布置的八个高精度位移传感器都与X轴或Y轴呈45°夹角；而小头端的圆柱孔中布置的八个高精度位移传感器则平行于X 轴或Y轴。

以标定连杆的大头端为例，如图3所示，步骤S2中连杆标准件中大头端圆柱孔的半径为R₀，

R₀＝d₀+D (1)

式中D为未检测状态下大头端之内的测头与大头端的中心之间的原始距离，标定时测头将会产生一段位移，该位移量为d₀；对连杆标准件进行标定时，未检测状态下各个测头与大头端的中心之间的原始距离都应为D，各个测头的位移量也都应为d₀。

同理，可得出连杆标准件中小头端圆柱孔的半径。

实际使用时，由于同一批加工的连杆偏差通常不会过大，因此，可直接取用D接近R₀的高精度位移传感器。

如图4所示，步骤S4对目标连杆的大头端进行测量时，设大头端中测头实际测得的位移量为d，则可得该测头与原来连杆标准件大头端轴心所在位置的间距R为：

R＝d+D (2)

由(1)和(2)式，可得：

R＝d-d₀+R₀＝△d+R₀ (3)

则该测点的坐标为：

从而可逐一得到T1-T8的坐标位置；

同理，可在对目标连杆的小头端进行测量时，根据小头端中各个测头的位移量，可以得出T9-T16的坐标位置。

步骤S5具体为：

根据最小二乘法拟合出T1-T4所在圆，得到所在圆的圆心O₁的坐标

根据最小二乘法拟合出T5–T8所在圆，得到所在圆的圆心O₂的坐标

计算目标连杆的大头端的轴心在x，y方向上的偏移量分别为：

将其延伸到连杆厚度的范围，结合目标连杆的厚度C以及O₁、O₂在Z向上的间距 B，可以得到目标连杆大头端轴心的总偏移为：

同理，可得出O₃、O₄的坐标，从而得到目标连杆的小头端的轴心x，y方向上的偏移量Δx2、Δy2；

最后，根据连杆弯曲度和扭曲度的定义可以求得连杆的弯曲度和扭曲度分别为：

式中S为目标连杆大头端与小头端的中心距。

如图6所示，步骤S6.2具体为：设连杆的定位面为ac，其中ab、fd等于大头端圆柱孔的半径r，af、cd为连杆厚度h，设该方向测头测得的连杆厚度偏差为Δh，则根据三角形相似原理，可以知道三角形abc和三角形cde，即Δabc和Δcde相似，可以得到：

de＝(h·Δh-Δh²)/r (8)

同理，由三角形cde、三角形ckT5、三角形cgT1，即Δcde、ΔckT5、ΔcgT1相似，可以得到

其中，T1c、T5c为连杆大头端测头离定位面确定的距离，设其长度为T1c＝h1，T5c＝h2。由式(8)、(9)，代入得到由于连杆厚度误差造成测头T1和T5方向上的测量偏差Δd1、Δd5

同理可以计算得到其他各个测头方向上的测量偏差，将该结果与采集到的测头数据进行补偿，最终，得到补偿后的弯曲度和扭曲度，可以很好的减小连杆的厚度偏差所带来的的预期之外的数据采集偏差。

本发明具体实施途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种连杆弯曲度和扭曲度的高精度测量方法，其特征在于，所述连杆具有大端头和小端头，所述大头端以及小头端中均开设有圆柱孔，包括如下步骤：

S1、布置测头：取连杆标准件，在连杆标准件的大头端以及小头端布置高精度位移传感器；

S2、获取测头坐标：对连杆标准件进行标定，获得测头的位移零点，进行标定时，测头将会产生一段位移，根据位移量可以得到连杆标准件中大头端圆柱孔的半径以及小头端圆柱孔的半径；

S3、建立坐标系：以连杆标准件中大头端圆柱孔的中心O为坐标原点，连杆标准件的长度方向为X轴，连杆标准件中大头端圆柱孔的轴向为Z轴，垂直于XOZ平面的为Y轴，建立坐标系；

S4、测量目标连杆：使得所有高精度位移传感器的位置保持不变，移除连杆标准件，放上目标连杆，使得目标连杆的大头端以及小头端之内分别具有八个测点，进行测量，同样，测头将会产生一端位移，此时，可计算获得各个测点所处的坐标位置；

S5、计算目标连杆的弯曲度和扭曲度：

S5.1、得到T1-T4的坐标之后，基于最小二乘法可拟合出T1-T4所在圆的圆心O₁的坐标，同理，可得出T5-T8所在圆的圆心O₂的坐标、T9–T12所在圆的圆心O₃的坐标、T13–T16所在圆的圆心O₄的坐标；

S5.2、根据O₁、O₂、O₃、O₄在X方向以及Y方向上的总偏移量求得连杆的弯曲度和扭曲度；

S6、厚度偏差补偿：

S6.1、在目标连杆的大头端之外布置四个竖直设置的高精度位移传感器，并取压板压住目标连杆大头端的顶面，使得压板的底面上具有四个测点，分别为T17-T20；

S6.2、根据T17-T20的位移量以及初始高度得出目标连杆的厚度，从而得到厚度偏差数据，将厚度偏差数据代入步骤S4进行补偿，最终，得到补偿后的弯曲度和扭曲度。

2.根据权利要求1所述的一种连杆弯曲度和扭曲度的高精度测量方法，其特征在于，步骤S1具体为：

S1.1、在大头端的圆柱孔中布置八个水平设置的高精度位移传感器，使得大头端的圆柱孔中具有八个测点，分别为T1-T8；

T1-T4同处于一个水平面上，T5-T8同处于另一个水平面上，这两个水平面沿大头端圆柱孔的中心上下对称；

S1.2、在小头端的圆柱孔中也布置八个水平设置的高精度位移传感器，使得小头端的圆柱孔中具有八个测点，分别为T9–T16；

T9–T12同处于一个水平面上，T13–T16同处于另一个水平面上，这两个水平面沿小头端圆柱孔的中心上下对称；

步骤S1中大头端的圆柱孔中布置的八个高精度位移传感器都与X轴或Y轴呈45°夹角；而小头端的圆柱孔中布置的八个高精度位移传感器则平行于X轴或Y轴。

3.根据权利要求1所述的一种连杆弯曲度和扭曲度的高精度测量方法，其特征在于，以标定连杆的大头端为例，步骤S2中连杆标准件中大头端圆柱孔的半径为R₀，

R₀＝d₀+D (1)

式中D为未检测状态下大头端之内的测头与大头端的中心之间的原始距离，标定时测头将会产生一段位移，该位移量为d₀；

同理，可得出连杆标准件中小头端圆柱孔的半径。

4.根据权利要求3所述的一种连杆弯曲度和扭曲度的高精度测量方法，其特征在于，步骤S4对目标连杆的大头端进行测量时，设大头端中测头实际测得的位移量为d，则可得该测头与原来连杆标准件大头端轴心所在位置的间距R为：

R＝d+D (2)

由(1)和(2)式，可得：

R＝d-d₀+R₀＝△d+R₀ (3)

则该测点的坐标为：

从而可逐一得到T1-T8的坐标位置；

同理，可在对目标连杆的小头端进行测量时，根据小头端中各个测头的位移量，可以得出T9-T16的坐标位置。

5.根据权利要求3所述的一种连杆弯曲度和扭曲度的高精度测量方法，其特征在于，步骤S5具体为：

根据最小二乘法拟合出T1-T4所在圆，得到所在圆的圆心O₁的坐标

根据最小二乘法拟合出T5–T8所在圆，得到所在圆的圆心O₂的坐标

计算目标连杆的大头端的轴心在x，y方向上的偏移量分别为：

将其延伸到连杆厚度的范围，结合目标连杆的厚度C以及O₁、O₂在Z向上的间距B，可以得到目标连杆大头端轴心的总偏移为：

同理，可得出O₃、O₄的坐标，从而得到目标连杆的小头端的轴心x，y方向上的偏移量Δx2、Δy2；

最后，根据连杆弯曲度和扭曲度的定义可以求得连杆的弯曲度和扭曲度分别为：

式中S为目标连杆大头端与小头端的中心距。

6.根据权利要求1所述的一种连杆弯曲度和扭曲度的高精度测量方法，其特征在于，步骤S6.2具体为：设连杆的定位面为ac，其中ab、fd等于大头端圆柱孔的半径r，af、cd为连杆厚度h，设该方向测头测得的连杆厚度偏差为Δh，则根据三角形相似原理，可以知道Δabc和Δcde相似，可以得到：

de＝(h·Δh-Δh²)/r (8)

同理，由Δcde、ΔckT5、ΔcgT1相似，可以得到

其中，T1c、T5c为连杆大头端测头离定位面确定的距离，设其长度为T1c＝h1，T5c＝h2。由式(8)、(9)，代入得到由于连杆厚度误差造成测头T1和T5方向上的测量偏差Δd1、Δd5

同理可以计算得到其他各个测头方向上的测量偏差，将该结果与采集到的测头数据进行补偿，最终，得到补偿后的弯曲度和扭曲度，可以很好的减小连杆的厚度偏差所带来的的预期之外的数据采集偏差。

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