CN205138427U - 一种曲轴各轴颈中心位置度测量装置 - Google Patents

Abstract

一种曲轴各轴颈中心位置度测量装置，包括测量装置底座，在测量装置底座上面沿长度方向的一端设置有一个用于支撑被测曲轴的油封轴颈的前颈托，另一端与前颈托相对称的设置有一个用于支撑被测曲轴的齿轮轴颈的后颈托，在前颈托和后颈托之间设置有3个以上的与被测曲轴的主轴颈相对应的主轴颈测量架，在每两个主轴颈测量架之间设置有一个与被测曲轴的偏心轴颈相对应的偏心轴颈测量架，每一个主轴颈测量架和每一个偏心轴颈测量架上分别设置有两个用于对主轴颈或偏心轴颈进行测量的激光位移传感器。本实用新型符合生产线测量精度要求，为非接触式、高效自动化的测量装置，方便工业在线测量，满足生产线中大批量产品100％的全检测要求。

Description

一种曲轴各轴颈中心位置度测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种曲轴各轴颈中心位置度测量。特别是涉及一种曲轴各轴颈中心位置度测量装置。

背景技术

曲轴是活塞式发动机中的一个重要零件，它用来支撑连杆、活塞等传动部件，组成曲柄连杆机构。发动机工作时，活塞向下的推力经连杆传到曲轴，曲轴承受冲击载荷将活塞的往复运动变为曲轴绕其自身轴线的旋转运动，以传递扭矩实现向外输出功率。曲轴各部分轴颈的位置精度将直接决定连杆、活塞的配合、旋转精度，导致摩擦、振动和噪声等现象，影响发动机的寿命及能耗。

在曲轴轴颈的位置度测量上，主要是对各轴颈中心相对位置进行测量。如，一个四缸发动机的曲轴，其主轴轴线上至少存在7个以上轴颈(5个支撑用主轴颈，2个对外连接用轴颈)，其同轴度是重要检验参数。此外，与连杆连接有4个偏心轴颈，其偏心距、彼此间的相位位置都是生产线中要求的检测项目。位置度测量与单一尺寸测量不同，必须在有坐标依据的装置上完成。目前能够对曲轴各轴颈中心位置度实施测量的最通用仪器是曲轴综合测量仪，该测量仪的核心部分包括一个精密轴系，一个精密角坐标测量装置和一个垂轴径向尺寸测量装置。垂轴径向尺寸测量装置亦可简单称之为测头。一台测量仪仅配置一个测头。一个四缸曲轴，超过11个轴颈，是要依次逐一测量，最后给出评定结果。此类测量仪精度高，但单次测量耗时较长，价格昂贵难以大批量配置。在实际生产中，只能承担很低频次的零件抽检。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种符合生产线测量精度要求、非接触式、高效自动化的曲轴各轴颈中心位置度测量装置。

本实用新型所采用的技术方案是：一种曲轴各轴颈中心位置度测量装置，包括测量装置底座，在所述的测量装置底座上面沿长度方向的一端设置有一个用于支撑被测曲轴的油封轴颈的前颈托，另一端与所述的前颈托相对称的设置有一个用于支撑被测曲轴的齿轮轴颈的后颈托，在所述的前颈托和后颈托之间设置有3个以上的与所述被测曲轴的主轴颈相对应的主轴颈测量架，在每两个主轴颈测量架之间设置有一个与所述被测曲轴的偏心轴颈相对应的偏心轴颈测量架，每一个主轴颈测量架和每一个偏心轴颈测量架上分别设置有两个用于对所述主轴颈或偏心轴颈进行测量的激光位移传感器。

所述的主轴颈测量架是由具有倾斜平面的第一支架和具有倾斜平面平面的第二支架一体构成的V型结构，所述的用于对所述的主轴颈进行测量的两个激光位移传感器分别设置在所述第一支架和第二支架上，并且，所述两个激光位移传感器的激光射线相交于一点。

所述第一支架和第二支架上的两个激光位移传感器激光射线的相交点距被测曲轴的偏心轴颈的轴心0－1mm处。

所述两个激光位移传感器的激光射线相交形成的平面与被测曲轴的轴向中心线相垂直。

所述的偏心轴颈测量架是由具有水平平面的水平支架和具有垂直平面的垂直支架一体构成的L型结构，所述的用于对所述的偏心轴颈进行测量的两个激光位移传感器分别设置在所述水平支架和垂直支架上，并且，所述两个激光位移传感器的激光射线相交于一点。

分别设置在所述水平支架和垂直支架上的两个激光位移传感器激光射线的相交点距被测曲轴的偏心轴颈的轴心0－1mm处。

本实用新型的一种曲轴各轴颈中心位置度测量装置，符合生产线测量精度要求，为非接触式、高效自动化的测量装置，方便工业在线测量，满足生产线中大批量产品100％的全检测要求。本实用新型具有如下有益效果：

1、操作的快捷性：基于非接触的特点、基于图1示意的结构，本实用新型可为被测曲轴留出充裕的进出空间。将被测曲轴放置在测量装置上，无需移动或旋转，一次即可完成所有轴颈的轴心位置测量，操作便捷，为实现自动化测量奠定了基础。

2、测量的精确性：采用高精度激光位移传感器，快速、精确地测出被测轴表面一点到传感器的距离。目前机械加工水平下，曲轴轴颈外圆表面的圆度误差远小于其相对位置误差，在圆度误差符合测量精度要求的前提下，代入本实用新型中的数学模型，从而获取曲轴各轴颈相对于测量坐标系的坐标，进而对曲轴各轴颈中心位置度作出评判。

3、测量的通用性：通过修改测量架高度及传感器位置，本实用新型的测量装置可以适应不同缸数(如三缸、六缸等)、尺寸和形状(如120°相位差)的曲轴，测量范围大且通用性强，只需针对不同的曲轴而重新定制测量架配置即可。

4、测量的安全性：本实用新型采用的是非接触式测量，通过激光位移传感器的测量射线提取被测轴径的表面坐标信息。相对于接触式测量检测，不存在划伤工件的缺陷，也不会因不同测量人员的测量力不同而产生额外的随机误差。

附图说明

图1是本实用新型曲轴各轴颈中心位置度测量装置的结构示意图；

图2是本实用新型曲轴各轴颈中心位置度测量装置使用状态示意图；

图3是本实用新型曲轴各轴颈中心位置度测量装置中主轴颈测量架的结构示意图；

图4是本实用新型曲轴各轴颈中心位置度测量装置中偏心轴颈测量架的结构示意图；

图5是本实用新型曲轴各轴颈中心位置度测量装置中偏心轴颈测量架测量原理图。

图中

1：测量装置底座2：后颈托

3：前颈托4：偏心轴颈测量架

41：第一支架42：第二支架

5：主轴颈测量架51：水平支架

52：垂直支架6：激光位移传感器

7：被测曲轴8：偏心轴颈

9：主轴颈10：齿轮轴颈

11：油封轴颈

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型的一种曲轴各轴颈中心位置度测量装置做出详细说明。

本实用新型的一种曲轴各轴颈中心位置度测量装置，包括测量装置底座1，在所述的测量装置底座1上面沿长度方向的一端设置有一个用于支撑被测曲轴7的油封轴颈11的前颈托3，另一端与所述的前颈托3相对称的设置有一个用于支撑被测曲轴7的齿轮轴颈10的后颈托3，在所述的前颈托3和后颈托2之间设置有3个以上的与所述被测曲轴7的主轴颈9相对应的主轴颈测量架5，可以设置3－17个，在每两个主轴颈测量架5之间设置有一个与所述被测曲轴7的偏心轴颈8相对应的偏心轴颈测量架4，可以设置2－16个。每一个主轴颈测量架5和每一个偏心轴颈测量架4上分别设置有两个用于对所述主轴颈9或偏心轴颈8进行测量的激光位移传感器6。

所述的主轴颈测量架5是由具有倾斜平面的第一支架41和具有倾斜平面平面的第二支架42一体构成的V型结构，所述的用于对所述的主轴颈9进行测量的两个激光位移传感器6分别设置在所述第一支架41和第二支架42上，并且，所述两个激光位移传感器6的激光射线相交于一点。所述第一支架41和第二支架42上的两个激光位移传感器6激光射线的相交点距被测曲轴7的偏心轴颈8的轴心0－1mm处。

所述的偏心轴颈测量架4是由具有水平平面的水平支架51和具有垂直平面的垂直支架52一体构成的L型结构，所述的用于对所述的偏心轴颈8进行测量的两个激光位移传感器6分别设置在所述水平支架51和垂直支架52上，并且，所述两个激光位移传感器6的激光射线相交于一点。分别设置在所述水平支架51和垂直支架52上的两个激光位移传感器6激光射线的相交点距被测曲轴7的偏心轴颈8的轴心0－1mm处。

本实用新型的一种曲轴各轴颈中心位置度测量装置的测量原理，如图2所示，四个偏心轴颈测量架4及五个主轴颈测量架5按照被测曲轴7轴颈的分布，安装在测量装置底座1的表面。再将被测曲轴7的油封轴颈11端及齿轮轴颈10端分别架在测量装置的前颈托3及后颈托2上，使被测曲轴7的偏心轴颈8和主轴颈9分别对应偏心轴颈测量架4和主轴颈测量架5。

每个偏心轴颈测量架4和主轴颈测量架5上安装的两个激光位移传感器6，其工作原理是激光三角法测量，激光位移传感器的激光射线打在被测曲轴7表面的光斑点，反射后在激光位移传感器的CCD上成像，被测物的距离远近在CCD上成像位置不同。

以偏心轴颈测量架4为例进行详细说明，如图4所示，偏心轴颈测量架4由两个互相垂直的平面构成，在这两个平面上各安装有两个激光位移传感器6，并保证其激光射线与安装平面保持垂直，最终使这两个激光位移传感器6出射的激光线在同一个横截面内以90°角交叉。

本实用新型的曲轴各轴颈中心位置度测量装置的测量方法，是在曲轴各轴颈的外圆直径d已知，且圆度误差在精度范围内忽略不计的前提下，如图5所示，在偏心轴颈测量架4或主轴颈测量架5的横截面上建立虚拟坐标系，包括如下步骤：

1)根据被测曲轴偏心轴颈和主轴颈的尺寸调整测量装置中所对应的偏心轴颈测量架和主轴颈测量架，使各偏心轴颈测量架和各主轴颈测量架上的两个激光位移传感器的出射激光线临近被测曲轴偏心轴颈和主轴颈轴心的设定位置，所述的设定位置是距被测曲轴偏心轴颈和主轴颈轴心的0－1mm处；

2)分别将测量装置中各偏心轴颈测量架和各主轴颈测量架的水平面和非水平面(包括垂直面)的交点作为所对应的坐标系原点O，各偏心轴颈测量架和各主轴颈测量架的水平面作为所对应的坐标系X轴，设经过各坐标系原点O并与对应的X轴垂直的直线为相应的坐标系Y轴；

3)分别读取各偏心轴颈测量架和各主轴颈测量架上所对应的两个激光位移传感器的测量值；

4)通过步骤3)的测量值，得到被测曲轴偏心轴颈和主轴颈外圆表面在所对应的偏心轴颈测量架或主轴颈测量架坐标系上的两个坐标；

所述的被测曲轴各偏心轴颈和各主轴颈外圆表面的两个坐标的获得是：

(1)设各偏心轴颈测量架或各主轴颈测量架水平面上的激光位移传感器和非水平面上的激光位移传感器的两条激光射线在对应的被测曲轴偏心轴颈或主轴颈的外圆表面打出的光斑点分别对应为A和B；

(2)设各偏心轴颈测量架或各主轴颈测量架水平面上的激光位移传感器的激光射线与X轴的交点为A'，交点A'距坐标系原点O的距离为L_x，激光射线在顺时针方向上与X轴夹角为θ₁，该激光位移传感器测得光斑点A与交点A'间距离为L₁，得光斑点A点坐标(L_x+L₁cosθ₁,L₁sinθ₁)；设各偏心轴颈测量架或各主轴颈测量架非水平面上的激光位移传感器的激光射线与Y轴的交点B'，交点B'距坐标系原点O的距离为L_y，激光射线在顺时针方向上与Y轴夹角为θ₂，该激光位移传感器测得光斑点B与交点B'间距离为L₂，得光斑点B点坐标(L₂sinθ₂,L_y-L₂cosθ₂)。

5)设被测曲轴偏心轴颈和主轴颈的轴心点为K，各轴心点K所对应的偏心轴颈测量架或主轴颈测量架上坐标系内的坐标为(x_k,y_k)；

6)位于被测曲轴偏心轴颈或主轴颈的外圆表面的光斑点A、B两点与被测曲轴偏心轴颈或主轴颈的轴心点K满足以下计算关系式：

(x_k-L_x-L₁cosθ₁)²+(y_k-L₁sinθ₁)²＝d²/4

(1)

(x_k-L₂sinθ₂)²+(y_k-L_y+L₂cosθ₂)²＝d²/4

上式中，L_x、L_y、θ₁、θ₂是经标定得到的常数，d是已知的轴颈直径，L₁、L₂是激光位移传感器的测量值，在安装好的测量装置中被测曲轴偏心轴颈或主轴颈轴心的初步位置已知，并作为轴心点K在测量架坐标系内的坐标(x_k,y_k)的预值及取值范围，便于对上述二元二次方程组进行计算。求解出轴心点K在测量架坐标系内的坐标(x_k,y_k)，即以对应的偏心轴颈测量架或主轴颈测量架为基准的被测曲轴偏心轴颈或主轴颈的相对圆心位置；

7)设各偏心轴颈测量架和各主轴颈测量架的独立坐标系为O_n-X_nY_n，测量装置底座的坐标系为O-XY，则独立坐标系与底座坐标系之间的转换关系利用下式完成：

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{cos\α}}_n& {\mathrm{sin\α}}_n\\ -{\mathrm{sin\α}}_n& {\mathrm{cos\α}}_n\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{x}_n\\ y_n\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{x}_{n\mathrm{\Δ}}\\ y_{n\mathrm{\Δ}}\end{array}\right]---\left(2\right)$

上式中，各偏心轴颈测量架和各主轴颈测量架独立坐标系与测量装置底座1坐标系间的旋转角度α_n及偏移量(x_n△,y_n△)都是通过标定过程来获得；n为各偏心轴颈测量架和各主轴颈测量架的序列号，取n为1－17；将所有不同坐标系下曲轴各偏心轴颈和各主轴颈中心位置坐标统一到一个坐标系后，即得到曲轴各偏心轴颈和各主轴颈中心位置度。

所述的图5实际反映的是偏心轴颈测量架测量原理图，在偏心轴颈测量架4的横截面上建立虚拟坐标系，两个彼此垂直的平面在中横截面上投影为两条正交直线，交点为原点O，两条直线方向分别为XY轴。两个激光位移传感器6的激光射线与坐标轴的夹角θ₁、θ₂都为90°。设垂直激光射线上位于X轴的虚拟出射点坐标为A'(L_x,0)，其在偏心轴颈8的外圆表面上打出光斑点A(L_x,L₁)，设水平激光射线上位于Y轴的虚拟出射点坐标为B'(0,L_y)，其在偏心轴颈8的外圆表面上打出光斑点B(L₂,L_y)，L₁、L₂是两个激光位移传感器的距离测量值。在偏心轴颈8的外圆直径d已知且圆度误差在精度范围内可忽略不计的前提下，位于轴颈外圆表面的A、B两点与偏心轴颈8中心点K(x_k,y_k)满足以下计算关系：

(x_k-L_x)²+(y_k-L₁)²＝d²/4

(3)

(x_k-L₂)²+(y_k-L_y)²＝d²/4

在安装好的偏心轴颈测量架中偏心轴颈8中心点的位置已经固定且大致位置已知，可作为(x_k,y_k)的初值及取值范围，便于对上述二元二次方程组进行解析计算。求解出(x_k,y_k)，得到K在偏心轴颈测量架4的虚拟坐标系下的坐标信息，即以偏心轴颈测量架4为基准的相对中心位置。

本实用新型的曲轴各轴颈中心位置度测量装置的标定方法，在对偏心轴颈测量架或主轴颈测量架的虚拟坐标系的标定过程中，选择一个经过应力释放的曲轴，利用曲轴综合测量仪或其它精度满足曲轴测量要求的仪器，对所述曲轴的各个参数，包括各轴颈直径、圆度和各轴颈中心位置度进行综合测量；将所述曲轴作为溯源用标准曲轴；将标准曲轴放置在曲轴各轴颈中心位置度测量装置的底座前颈托和后颈托上，读取各激光位移传感器的数值，结合已知的相对轴心位置，利用下述式反推出对应的旋转角度α_n、X轴偏移量x_n△、Y轴偏移量y_n△、激光射线在顺时针方向上与Y轴夹角θ₁、激光射线在顺时针方向上与X轴夹角θ₂、激光位移传感器的激光射线与X轴的交点B'距坐标系原点O的距离L_x、激光射线与Y轴的交点A'距坐标系原点O的距离L_y，

(x_k-L_x-L₁cosθ₁)²+(y_k-L₁sinθ₁)²＝d²/4

(1)

(x_k-L₂sinθ₂)²+(y_k-L_y+L₂cosθ₂)²＝d²/4

和

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{cos\α}}_n& {\mathrm{sin\α}}_n\\ -{\mathrm{sin\α}}_n& {\mathrm{cos\α}}_n\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{x}_n\\ y_n\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{x}_{n\mathrm{\Δ}}\\ y_{n\mathrm{\Δ}}\end{array}\right]---\left(2\right)$

为建立测量装置测量基准完成了溯源映射，各基准测量轴线由此生成，在测量过程中，将被测曲轴各轴颈中心线与基准测量轴线进行比较，得到对应的偏离值，便于对该曲轴做出评判。

下面以图2所示的四缸发动机的曲轴为例进行说明。

1、装置的设置

四缸发动机的被测曲轴7的轴颈分为：四个连杆轴颈8、五个主轴颈9、一个油封轴颈10和一个齿轮轴颈11，在测量过程中主要对四个连杆轴颈和五个主轴颈的相对圆心位置进行测量。

前颈托3、后颈托2分别托住被测曲轴7的油封轴颈10和齿轮轴颈11，使四个偏心轴颈8和五个主轴颈9分别悬在偏心轴颈测量架4、主轴颈测量架5上，这9个轴颈测量架按照被测曲轴7中的对应位置安装在底座上的。

针对偏心轴颈8的偏心轴颈测量架4的两个平面是相互垂直的，在测量装置底座1上呈“L”形，两个激光位移传感器6分别安装在这两个垂直平面上，使两个激光位移传感器6的出射激光线保持垂直。针对不同相位的连杆轴颈，修改偏心轴颈测量架4的高度，使偏心轴颈8表面处在激光位移传感器的测量范围内。

针对主轴颈9的主轴颈测量架5的两个平面间的夹角可以在一定范围内调整，在测量装置底座1上呈“V”形。主轴颈测量架5通过其他方式测量出两个激光位移传感器6的出射激光线的角度，将该角度补偿到计算过程中，可以降低对测量装置中对主轴颈测量架5的制造及校准难度。

如果同轴度技术要求中包括油封轴颈10、齿轮轴颈11。只需改变支撑位置，增加主轴颈测量架5的数量即可。针对不同尺寸的曲轴，测量架相对于底座的高度可调，即在测量架与底座之间叠加微位移台，使测量架实现三维移动，增加测量装置的通用性。

2、装置调整的方法

激光位移传感器的测量范围有限，为适应不同尺寸曲轴的轴颈位置测量，激光位移传感器6在偏心轴颈测量架4和主轴颈测量架5上的位置可以调整。同时保证两个激光位移传感器的两条出射激光线共面，且该平面与被测曲轴的轴线方向垂直，以保证测量原理的实现。

通过调节偏心轴颈测量架4和主轴颈测量架5与测量装置底座1的位置，将被测曲轴置于合适位置处，使激光位移传感器6的出射激光线都大致经过被测曲轴的被测轴颈的轴心线，以减小因为激光射线与轴颈被测面不垂直而带来的测量误差。

3、测量过程

实施测量时，将已知各轴颈直径、圆度误差满足忽略不计条件的曲轴安放在测量装置底座1的前颈托3、后颈托2上。开始测量后，每个测量架上的两个激光位移传感器6发射出的激光线在被测曲轴的对应轴颈上打出两个光斑点，装置读取出位移传感器的长度示值，由长度示值与溯源时对应值的变动量，获得其在测量架虚拟坐标系下的坐标变化量，计算出这两个激光斑点相对于测量架的坐标。利用这两个坐标点及对应轴颈直径，由公式(1)和(3)计算出各轴颈相对于对应测量架的中心位置坐标，再由公式(2)计算出融合到测量装置底座1坐标系后的圆心坐标值，得到被测曲轴各轴颈中心线与基准测量轴线的偏离值，便于对该曲轴做出评判。

本实用新型的检测对象不局限于四缸发动机的曲轴,其检测原理可以推广到其他类型的曲轴或异形轴类零件的轴心检测上。

Claims (6)

1.一种曲轴各轴颈中心位置度测量装置，包括测量装置底座(1)，其特征在于，在所述的测量装置底座(1)上面沿长度方向的一端设置有一个用于支撑被测曲轴(7)的油封轴颈(11)的前颈托(3)，另一端与所述的前颈托(3)相对称的设置有一个用于支撑被测曲轴(7)的齿轮轴颈(10)的后颈托(2)，在所述的前颈托(3)和后颈托(2)之间设置有3个以上的与所述被测曲轴(7)的主轴颈(9)相对应的主轴颈测量架(5)，在每两个主轴颈测量架(5)之间设置有一个与所述被测曲轴(7)的偏心轴颈(8)相对应的偏心轴颈测量架(4)，每一个主轴颈测量架(5)和每一个偏心轴颈测量架(4)上分别设置有两个用于对所述主轴颈(9)或偏心轴颈(8)进行测量的激光位移传感器(6)。

2.根据权利要求1所述的曲轴各轴颈中心位置度测量装置，其特征在于，所述的主轴颈测量架(5)是由具有倾斜平面的第一支架(41)和具有倾斜平面平面的第二支架(42)一体构成的V型结构，所述的用于对所述的主轴颈(9)进行测量的两个激光位移传感器(6)分别设置在所述第一支架(41)和第二支架(42)上，并且，所述两个激光位移传感器(6)的激光射线相交于一点。

3.根据权利要求2所述的曲轴各轴颈中心位置度测量装置，其特征在于，所述第一支架(41)和第二支架(42)上的两个激光位移传感器(6)激光射线的相交点距被测曲轴(7)的偏心轴颈(8)的轴心0－1mm处。

4.根据权利要求1或2所述的曲轴各轴颈中心位置度测量装置，其特征在于，所述两个激光位移传感器(6)的激光射线相交形成的平面与被测曲轴(7)的轴向中心线相垂直。

5.根据权利要求1所述的曲轴各轴颈中心位置度测量装置，其特征在于，所述的偏心轴颈测量架(4)是由具有水平平面的水平支架(51)和具有垂直平面的垂直支架(52)一体构成的L型结构，所述的用于对所述的偏心轴颈(8)进行测量的两个激光位移传感器(6)分别设置在所述水平支架(51)和垂直支架(52)上，并且，所述两个激光位移传感器(6)的激光射线相交于一点。

6.根据权利要求5所述的曲轴各轴颈中心位置度测量装置，其特征在于，分别设置在所述水平支架(51)和垂直支架(52)上的两个激光位移传感器(6)激光射线的相交点距被测曲轴(7)的偏心轴颈(8)的轴心0－1mm处。