CN113074677B - 一种用于曲轴综合测量的测头装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于曲轴综合测量的测头装置和测量方法，该装置由导向机构、板型测量接触机构、位移检测单元及壳体构成。导向机构包括两组平行圆膜片、两根支撑杆、前端连接件、后端连接件及膜片底座；板型测量接触机构由测板、测杆构成；位移检测单元由两支精密位移传感器及其固定座构成；壳体由前盖、后盖及中间壳体构成。本发明采用两组平行布置的弧形槽圆膜片导轨作为测头的导向机构，通过采用双传感器布置消除阿贝误差，以此提高测头测量精度。本发明为独立的测头装置，将其安装到具有坐标测量功能的曲轴综合测量平台，可实现曲轴径向参数的精密测量。

Description

一种用于曲轴综合测量的测头装置和测量方法

技术领域

本发明涉及曲轴精密测量技术领域，具体涉及一种用于曲轴综合测量的测头装置和测量方法。

背景技术

曲轴是汽车发动机的核心零件之一，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。传统曲轴需要采用多种检具进行测量，效率低、精度差，随着数控测量技术的发展，曲轴综合测量机因高效率、高精度而应用越来越广泛。曲轴综合测量机是与三坐标测量机、齿轮测量中心等相似的高档数控测量设备，测头装置是其核心功能部件之一，其精度直接影响测量机的总体测量精度，目前国内外都没有通用的用于曲轴测量的测头装置。

测头装置从功能上由导向机构、板型测量接触机构和位移检测单元及壳体构成，其中的导向机构作为测头系统中最核心的构件，直接影响测头装置的机械精度。目前用于精密测量的接触式扫描测头中的导向机构主要有平行簧片导向机构、柔性铰链导向机构、柔性杆组导向机构等平行四边形导向机构，不但结构复杂，而且存在机械耦合误差，影响测头测量精度的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、高精度、独立的用于曲轴综合测量的测头装置和测量方法，该装置能有效解决传统测量装置测量精度低，以及结构复杂的问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种用于曲轴综合测量的测头装置，由导向机构，板型测量接触机构、位移检测单元及壳体组成,所述壳体一端内固定平行设置有两个位于同一水平面的微位移传感器，两个微位移传感器前端分别顶住一对支撑杆，所述支撑杆上架设有两组平行片状的膜片组件，两组膜片组件固定于壳体上；

所述膜片组件由片状的膜片座、圆形的膜片、压盖和垫片组成，膜片有水平并列设置的两组，分别通过垫片和压盖固定设置于膜片座上，中间开孔的压盖压设于膜片的外侧，所述膜片是具有多个同心弧形槽的圆形弹性金属薄片，其中心位置设置有中心孔，支撑杆固定穿设于中心孔内；

远离微位移传感器一侧的支撑杆的端部连接有板型测量接触机构，所述板型测量接触机构包括测板和其端部横向设置的测杆，所述两个微位移传感器一个指向测杆的起点，另一个指向测杆的终点。

进一步的，所述支撑杆的一端通过后连接件固定并与微位移传感器连接，另一端通过套筒和前连接件与板型测量接触机构连接。

进一步的，所述膜片上加工有不同宽度和层数的弧形槽，所述弧形槽跨度角θ为140°～150°、数量为3对或4对、弧形槽宽度1.2-2mm、膜片厚度小于0.2mm、弧形槽两端孔径为2-3mm。

用于曲轴综合测量的测头装置的测量方法，测杆(1)与被测件接触点在任意位置时测量的实际输出量Z由下面公式计算：

X为测杆上施加载荷位置；W为测杆长度；A是传感器(15)的读数，B是传感器(16)的读数。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)本发明是以膜片导轨作为导向机构的独立的测头装置，将其安装到具有坐标测量功能的测量平台上，可实现曲轴径向尺寸的精密测量；

(2)本发明采用两组平行弧形槽型圆膜片构建的导向机构取代了传统柔性导向机构，因而结构简单、紧凑，装置加工方便，无需润滑，成本低，消除了机械耦合误差，具有良好的导向性能，将其应用于测头装置中大大提高测头装置的机械精度；

(3)本发明采用双传感器布局来测量测杆的位移变化量，从原理上消除了阿贝误差，提高了测量精度；

(4)本发明结构上精简了复位机构，膜片柔性导轨固定于中间壳体，当测杆受力消失时，测杆、连接杆、柔性导轨自复位，大大精简了结构，也节约了生产成本。

附图说明

图1是本发明曲轴测量专用测头装置的三维图；

图2是本发明膜片导向机构结构示意图；

图3膜片及底座结构示意图。

图中：1是测杆，2是测板，3是前连接件，4是前盖，5是中间壳体，6是后盖，7是套筒，8是垫片，9是压盖，10是支撑杆，11是膜片，12是膜片座，13是后连接件，14是固定座，15是第一位移传感器，16是第二位移传感器，17是凹槽，18是窄缝，19是螺钉，20是弧形槽，21是中心孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的一种用于曲轴综合测量的测头装置，参见图1-3，所述壳体一端内固定平行设置有两个位于同一水平面的微位移传感器，分别是第一位移传感器15和第二位移传感器16，两个微位移传感器的前端分别顶住一对支撑杆10，所述支撑杆上平行架设有两个片状的膜片组件，两个膜片组件固定于壳体上；

所述膜片组件由片状的膜片座12、圆形的膜片11、压盖9和垫片8组成，膜片11有水平并列设置的两个，分别通过垫片8固定设置于膜片座12上，中间开孔的压盖9压设于膜片11的外侧，两组膜片11的内侧面相对设置。所述膜片11是具有多个同心弧形槽的圆形弹性金属薄片，其中心位置设置有中心孔21，支撑杆10固定穿设于中心孔21内。

本实施例中，所述膜片11采用304不锈钢，其上加工有不同宽度和层数的弧形槽20，通过有限元分析结果表明，膜片弹簧材料和其它结构参数不变时，所述弧形槽20跨度角θ为140°～150°、数量为3对或4对、弧形槽宽度1.2～2mm、膜片厚度小于0.2mm、弧形槽两端孔径为2～3mm时，膜片的轴向刚度与径向刚度之比最大且满足材料屈服极限。本实施例中的弧形槽跨度角θ为140°、数量为3对、弧形槽宽度1.2mm、膜片厚度为0.15mm、弧形槽两端孔径2mm。膜片11的导轨行程小、导向精度高，它是一种采用线切割或激光切割等方法加工出具有一定形状的圆形弹性金属薄片，其在周向固定时，在轴向力的作用下，它将发生一定的轴向位移，同时在径向上具有极大的刚度，从而保证轴向运动件只产生一定程度的轴向运动。从目前的文献中尚未发现有相关的设计理论，该膜片弹簧结构简单、在工作过程中无旋转变形，导向性能很好。将其应用于测头的设计中会大大提高测头的机械精度。在本发明提供的参数范围内设计的膜片弹簧作为导向机构可以获得较高的导向精度。

支撑杆10的一端通过后连接件13与传感器15和16固定连接，另一端通过套筒7和前连接件3与板型测量接触机构连接。

远离微位移传感器一侧的支撑杆10的端部连接有板型测量接触机构，所述板型测量接触机构包括测板2和其端部横向设置的测杆1，所述传感器15指向在测杆的起点o，传感器16指向测杆的终点。所述测板2前端开设有固定测杆1的凹槽17，凹槽17与该侧测板2内水平开设的窄缝18联通，窄缝18的上下面通过一组螺钉19调整间隙固定测杆1。

本发明提供的测头装置从功能上划分，是由导向机构、板型测量接触机构、位移检测单元及壳体构成。所述导向机构包括两组平行圆膜片、两根支撑杆、前端连接件、后端连接件及膜片底座；所述板型测量接触机构由测板、测杆构成；所述位移检测单元由两支精密位移传感器及其固定座14构成。测头装置采用两组平行布置的弧形槽圆膜片导轨作为测头的导向机构，通过采用双传感器布置消除阿贝误差，以此提高测头测量精度。

具体的结构设计中，图3所述膜片座12上设计两个沉孔，用于将圆膜片11放置于沉孔之中，通过圆环垫片8压紧圆膜片11，上端再用压盖9压紧垫片8，即可把圆膜片11固定于膜片底座12上，膜片底座12四周打上螺钉孔，用于将膜片底座12与中间壳体5固定连接。所述的安装壳体可以根据需要设计，只要能够保证部件的固定即可，例如可以由前盖4、后盖6及中间壳体5构成。

本发明提供的测头装置使用时安装在曲轴综合测量机上。当测杆1受力时，通过测板2、前端连接件3、套筒7、支撑杆10带动膜片产生变形，支撑杆10末端推动位移传感器15，16，测杆1的位移变化量由位移传感器15,16通过导线输出。当测杆受力消失时，两个膜片组件和两根轴向运动件(支撑杆)组成的膜片导向机构恢复原来位置。在曲轴的测量过程中，由曲轴综合测量机的控制系统使测头与轴颈保持预压接触，被测截面微小位移变化由位移传感器输出，可实现曲轴径向参数的精密测量。

本发明提供的一种用于曲轴综合测量的测头装置的测量方法，本实施例中用了两组平行圆膜片，是考虑到消除阿贝误差的影响。同时安装两个微位移传感器是为了保证测量的精密性，由于测杆1在不同位置点受力时会导致测量系统产生阿贝误差，在两根支撑杆10末端分别安装位移传感器15和位移传感器16，采用双传感器也是为了消除阿贝误差，因为测量曲轴连杆颈时测量点在测杆上的位置从上到下不断变化，带来阿贝误差，通过采用两个位移传感器采集两个数据，通过上式把两个传感器采样数据整合可得到被测截面测量点的微小位移变化并消除了阿贝误差。

所述测杆与被测件接触点在任意位置时测量的实际输出量Z由下面公式计算：

X为测杆上施加载荷位置；W为测杆长度；A是传感器15的读数，B是传感器16的读数。

本实施例所述测头装置的工作原理是：该测头装置安装于具有坐标功能的曲轴测量机上，在对曲轴主轴颈和连杆颈的测量过程中，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。测量主轴颈时测头与主轴颈表面预压接触，主轴旋转时，测头装置在径向位置固定，主轴颈测量截面自身的径向误差引起测杆产生向右微位移，通过测板、前端连接件、支撑杆带动柔性导向机构变形，两个精密位移传感器处径向位移量，由此曲轴旋转一周，即可测量主轴颈测量截面上存在的径向误差；连杆颈测量时，由于被测连杆轴颈中心不固定，需要测头装置随动，主轴旋转时，测头装置按照连杆运动的理论位置沿着径向运动，曲轴连杆轴颈测量截面的径向误差由测头内部的精密位移传感器检测到，由于连杆颈不是绕自身中心进行测量，需对测得的径向数据进行相应的坐标变换。完成一个截面的测量后，曲轴综合测量机控制测头测量下一个截面，通过合理设计测量截面的位置，使各轴按要求运动，即可完成曲轴颈各截面的测量，通过误差评价算法进行曲轴各项误差的评定。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内的局部修改或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (2)

1.一种用于曲轴综合测量的测头装置，由导向机构，板型测量接触机构、位移检测单元及壳体组成,其特征在于：所述壳体一端内固定平行设置有两个位于同一水平面的微位移传感器，所述微位移传感器包括第一位移传感器(15)和第二位移传感器(16)，两个微位移传感器前端分别顶住一对支撑杆(10)，所述支撑杆上架设有两组平行片状的膜片组件，两组膜片组件固定于壳体上；

所述膜片组件由片状的膜片座(12)、圆形的膜片(11)、压盖(9)和垫片(8)组成，膜片(11)有水平并列设置的两组，分别通过垫片(8)和压盖(9)固定设置于膜片座(12)上，中间开孔的压盖(9)压设于膜片的外侧，所述膜片(11)是具有多个同心弧形槽的圆形弹性金属薄片，其中心位置设置有中心孔(21)，支撑杆(10)固定穿设于中心孔(21)内；

远离微位移传感器一侧的支撑杆(10)的端部连接有板型测量接触机构，所述板型测量接触机构包括测板(2)和其端部横向设置的测杆(1)，所述两个微位移传感器一个指向测杆的起点，另一个指向测杆的终点；

所述支撑杆(10)的一端通过后连接件(13)固定并与微位移传感器连接，另一端通过套筒(7)和前连接件(3)与板型测量接触机构连接；

所述膜片(11)上加工有不同宽度和层数的弧形槽(20)，所述弧形槽(20)跨度角θ为140°～150°、数量为3对或4对、弧形槽宽度1.2～2mm、膜片厚度小于0.2mm、弧形槽两端孔径为2～3mm。

2.根据权利要求1所述用于曲轴综合测量的测头装置的测量方法，其特征在于：测杆(1)与被测件接触点在任意位置时测量的实际输出量Z由下面公式计算：

X为测杆上施加载荷位置；W为测杆长度；A是第一位移传感器(15)的读数，B是第二位移传感器(16)的读数。

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