1曲軸軸頸圓度自動檢測儀的設(shè)計摘 要：本次設(shè)計主要運用在線檢測原理使用傳感器同時測量曲軸主軸頸的圓度誤差。曲軸圓度誤差是形位誤差中必不可少的一個測量方面，它直接影響發(fā)動機的各個性能。伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)現(xiàn)場對形位誤差測試的要求不斷提高，一些原有的測試手段已不能滿足產(chǎn)品的需要?；谶@種情況下，本次設(shè)計采用頂尖定位，三爪卡盤夾緊，用傳感器測量數(shù)據(jù)，經(jīng)信號放大、濾波、A/D 轉(zhuǎn)換、微機處理,最后得到精確圓度誤差。關(guān)鍵詞：曲軸；誤差；測量；數(shù)據(jù)；傳感器The Desing of Automatic Detector for Roundness of Crankshaft SpindleAbstract：This design mainly utilization online examination principle uses sensors simultaneously to survey the crank main journal's roundness errors. The mian journal's roundness error is in the shape position error of the essential survey aspect, its immediate influence engine's each performance. With the science and technology developed, produces the scene the request which tests to the shape position error to continuously improve , some original test method has not been able to satisfy the need of product. Based on this kind of situation, this design uses the apex localization, three jaw chucks clamp, with the sensor metrical data, singnal amplifcation, the filtering, A/D after the signal to transform, microcomputer processing, finally obtains the precise roundness error.Key words: Crank axle; Error; Survey; Data; Sensor2目 錄 摘要……………………………………………………………………………1關(guān)鍵詞…………………………………………………………………………11 前言………………………………………………………………………………22 在線檢測的定義及意義………………………………………………………………33 形位誤差檢測 …………………………………………………………………………4 3.1 形 位 公 差 以 及 圓 度 的 定 義…………………………………………………………43.2 形位誤差檢測的特點……………………………………………………43.3 形位誤差檢測的基本原則 ………………………………………………………44 圓度誤差的評定………………………………………………………………………54.1 圓度誤差的評定方法及比較……………………………………………………54.2 最小二乘法評定圓度……………………………………………………64.3 原始數(shù)據(jù)的處理……………………………………………………………75 方案評定………………………………………………………………………………95.1 測量原理……………………………………………………………………9 5.2方案論證……………………………………………………………………106 自動檢測系統(tǒng)總體方案的設(shè)計………………………………………………………11 6.1 傳感器的分類及選擇…………………………………………………………12 6.2 濾波器的選擇…………………………………………………………126.3 位置檢測元件的設(shè)計……………………………………………………………136.4 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇………………………………………………………………146.5 驅(qū)動部分………………………………………………………………………157 機械系統(tǒng)的設(shè)計 ………………………………………………………………………157.1 聯(lián)軸器的選用……………………………………………………………………157.2 軸承的選擇………………………………………………………………167.3 絲桿的設(shè)計……………………………………………………………………167.4 定位夾緊機構(gòu)的設(shè)計……………………………………………………………18 37.5 測桿的設(shè)計………………………………………………………………………197.6 整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計…………………………………………………………………198 程序處理的設(shè)計 ………………………………………………………………………209 測量精度分析………………………………………………………………………2210 結(jié)束語………………………………………………………………………22參考文獻 …………………………………………………………………………………22致謝 ………………………………………………………………………………………23附錄 ……………………………………………………………………………………241 前言曲 軸 是 汽 車 發(fā) 動 機 的 關(guān) 鍵 零 部 件 ． 其 精 度 直 接 影 響 到 發(fā) 動 機 的 各 項 性 能 指 標 。目 前 國 產(chǎn) 曲 軸 磨 床 加 工 的 曲 軸 連 桿 軸 頸 所 能 達 到 的 圓 度 約 為 0． 01ram， 而 汽 車 發(fā)動 機 曲 軸 連 桿 軸 頸 圓 度 要 求 約 為 0． O05mm。 如 果 單 純 提 高 曲 軸 磨 床 的 精 度 ． 將 使機 床 成 本 成 倍 增 加 。 若 在 現(xiàn) 有 國 產(chǎn) 曲 軸 磨 床 上 加 入 圓 度 誤 差 臨 床 測 量 和 補 償 控 制 裝置 ， 既 可 以 使 國 產(chǎn) 曲 軸 磨 床 加 工 的 圓 度 誤 差 滿 足 生 產(chǎn) 需 要 ， 又 可 以 為 國 家 節(jié) 省 大 量的 外 匯 ． 經(jīng) 濟 效 益 顯 著 [1]。曲 軸 的 材 料 是 由 碳 素 結(jié) 構(gòu) 鋼 或 球 墨 鑄 鐵 制 成 的 ， 有 兩 個 重 要 部 位 ： 主 軸 頸 ，連 桿 頸 ， （ 還 有 其 他 ） 。 主 軸 頸 被 安 裝 在 缸 體 上 ， 連 桿 頸 與 連 桿 大 頭 孔 連 接 ， 連 桿小 頭 孔 與 汽 缸 活 塞 連 接 ， 是 一 個 典 型 的 曲 柄 滑 塊 機 構(gòu) 。 曲 軸 的 潤 滑 主 要 是 指 與 搖 臂間 軸 瓦 的 潤 滑 和 兩 頭 固 定 點 的 潤 滑 ． 這 個 一 般 都 是 壓 力 潤 滑 的 ， 曲 軸 中 間 會 有 油 道和 各 個 軸 瓦 相 通 ， 發(fā) 動 機 運 轉(zhuǎn) 以 后 靠 機 油 泵 提 供 壓 力 供 油 進 行 潤 滑 、 降 溫 。 發(fā) 動 機工 作 過 程 就 是 ， 活 塞 經(jīng) 過 混 合 壓 縮 氣 的 燃 爆 ， 推 動 活 塞 做 直 線 運 動 ， 并 通 過 連 桿 將力 傳 給 曲 軸 ， 由 曲 軸 將 直 線 運 動 轉(zhuǎn) 變 為 旋 轉(zhuǎn) 運 動 。 曲 軸 的 旋 轉(zhuǎn) 是 發(fā) 動 機 的 動 力 源 。也 是 整 個 系 統(tǒng) 的 源 動 力 [2]。舊式圓度測量儀的數(shù)據(jù)處理方法是：記錄儀將軸類零件的實際外圓輪廓線記錄在紙上。然后用刻有多個同心圓的有機玻璃塊覆蓋在記錄紙上相對滑動，找出包羅圖形的最小同心圓環(huán)帶，來評定工件的最大圓度，這樣測量得到的結(jié)果，因人而異，誤差很大。接著出現(xiàn)的測量儀以解決前者弊端為目的，該儀器測量的原理是：將工件安放在一個旋轉(zhuǎn)的工作臺上，一位移傳感器的測端與被測輪廓接觸，在轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)過程中，4傳感器測端的徑向變化莫測與被測輪廓相當(dāng)，次信號通過放大、檢波、濾波后驅(qū)動記錄器表頭，用電敏方式將輪廓的徑向變化記錄在與轉(zhuǎn)臺同步轉(zhuǎn)動的記錄紙上，然后由測量人員借助一同心圓透明樣板，按 GB1183----80 規(guī)定，人員評定被測工件的圓度和偏心值。該儀器的電器元件，性能和質(zhì)量均不理想，另外人工評定方式也會造成很大的人為誤差?？傊?，這種方法存在兩方面的不足：一是測量誤差大、精度低、人工畫圖時要產(chǎn)生誤差；二是勞動強度大、效率低。由于測量數(shù)據(jù)必須記錄在表格中，再進行人工繪圖，造成工作量大，耗費時間 [3]。計算機控制的圓度測量儀是用計算機軟件取代了傳動儀器中的部分電器元件，用計算機代替人工進行評定。使儀器的測量精度得到提高。用計算機來控制圓度測量，使測量技術(shù)有了很大的發(fā)展，大量的圓度測量裝置涌現(xiàn)，但在傳統(tǒng)上，圓度測量裝置是一個其運動精度超過實施圓度測量精度的旋轉(zhuǎn)機械為基礎(chǔ)，假定運動誤差特別小，測量工件表面的位移傳感器讀數(shù)直接用來處理工件的圓度誤差 [4]。本檢測系統(tǒng)是采用三爪卡盤夾緊，利用頂尖定位，用傳感器測量數(shù)據(jù)，經(jīng)信號放大、濾波、A/D 轉(zhuǎn)換、微機處理,最后得到精確圓度誤差。經(jīng)過大量的搜集資料和整理，本檢測方案達到要求的精度。該設(shè)計的圓度測量儀是一種精度高、功能多、性能穩(wěn)定、測量數(shù)度快、操作簡單和使用方便的圓度誤差測量系統(tǒng)。2 在線檢測的定義及意義在線檢測系統(tǒng)，從狹義上來說，是指在機械加工生產(chǎn)線上，加入某環(huán)節(jié)，以便對加工中的某些參數(shù)或工況進行檢測。在線檢測包括檢測與控制，也就是說在生產(chǎn)線上應(yīng)用各種傳感器，對生產(chǎn)產(chǎn)品的某些參數(shù)進行實時監(jiān)測，將分析處理測量結(jié)果所獲得的信息，與預(yù)先設(shè)定的參數(shù)進行比較，然后根據(jù)誤差信號作出工藝決策（如報警、停車、反饋調(diào)節(jié)等） 。以保證產(chǎn)品的質(zhì)量或使生產(chǎn)處于最佳狀態(tài)下進行。在機械工業(yè)中，已逐步廣泛應(yīng)用在線檢測這個詞來表達機械加工過程中對幾何量、機械量的檢測。對于復(fù)雜零件還有形狀和位置公差的要求，這是保證高質(zhì)量的機械制造產(chǎn)品所必需的。在機械生產(chǎn)加工線上對零件的形位誤差進行檢測，必須設(shè)立檢測工位。所以說，自動檢測裝置——自動線上的形位檢測工位，是自動生產(chǎn)線上不可缺少的組成部分。在機械制造行業(yè)中，應(yīng)用在線檢測技術(shù)，會使社會經(jīng)濟效益增加，主要體現(xiàn)在：1）保證產(chǎn)品的質(zhì)量。產(chǎn)品質(zhì)量是生產(chǎn)者與用戶共同關(guān)心的首要問題。根據(jù) 19935年統(tǒng)計數(shù)字表明：我國目前每年生產(chǎn)中廢次品率高達 5%－10%，如果廢次品率下降 1%，即可為國家減少幾十億的損失。而在線檢測可在生產(chǎn)線上監(jiān)測產(chǎn)品生產(chǎn)過程的質(zhì)量指標，把廢品消滅在萌芽狀態(tài)。在理想狀態(tài)下，可以保證合格品率達到 100%。2）節(jié)約和降低成本，減少廢品，減少材料消耗，減少次品返修率，都可以節(jié)省材料、能源，降低了成本。3）提高勞動生產(chǎn)率，減輕工人的勞動強度。由于采用在線檢測，可減少停機和設(shè)備的調(diào)整時間，減少檢測人員數(shù)量，從而提高勞動生產(chǎn)率。在生產(chǎn)環(huán)境惡劣的地方，在產(chǎn)品數(shù)量大的地方，應(yīng)用在線檢測可以大大減輕工人的勞動強度。3 形位誤差檢測3.1 形位公差以及圓度的定義形狀公差是指單一實際要素的形狀所允許的變動全量。形狀公差用形狀公差帶表達。形狀公差琮是限制實際要素變動的區(qū)域，零件實際要素在該區(qū)域為合格。形狀公差帶包括公差帶形狀、方向、位置、和大小等四個因素。其公差值用公差帶的寬度或直徑來表示，而公差帶的形狀、方向、位置、和大小則要隨要素的幾何特征及功能要求而定。圓度的定義圓度公差帶是垂直于軸線的任意正截面上半徑為公差值 t 的兩同心圓之間的區(qū)域（如圖 1）圖 1 圓度Figure 1 Roundness63.2 形位誤差檢測的特點第一個特點是加工后測量。形位誤差涉及到某方面的全部尺寸，所以只能在加工完了后進行測量。例如，在機床上加工圓柱體，其圓度誤差與每個截面上的直徑尺寸有關(guān)，所以，其圓度誤差只有在加工完了后才能被測量出來。第二個特點是多尺寸測量。由于五花八門誤差涉及某方面的全部尺寸，為了獲得全部或較多的尺寸信息，可用少傳感器的掃描測量或多傳感器的測量，傳感器數(shù)量越多，獲得的信息越多，測量準確越高，否則相反。第三個特點是數(shù)據(jù)處理。由于形位識差涉及到某方面的全部尺寸，當(dāng)獲得信息后，還要經(jīng)過運算后才能求出形位誤差，也就是說，形位誤差不能直接測量出來。3.3 形位誤差檢測的基本原則檢測誤差的具體方法，隨檢測對象的特點、精度要求以及設(shè)備條件不同，可以采用多種方法。只要能夠保證一定的測量精度，又符合經(jīng)濟原則，就是一個合理的方案。按國標，將常用儀表顯示的各種檢測方法概括為以下幾種檢測原則。檢測原則一：與理想要素比較原則。該原則是將被實際要素與理想要素直接進行比較，得到一系列數(shù)據(jù)，再根據(jù)這些數(shù)據(jù)評定形位誤差。檢測原則二：測量坐標原則。該原則是指被測要素的測得數(shù)據(jù)為相對于某種坐標而言的坐標值，再根據(jù)這些數(shù)據(jù)處理后獲得形位誤差的一種原則。檢測原則三：測量特征參數(shù)原則。特征參數(shù)是指表征被測要素形位誤差的某種具有代表性的參數(shù)。用特征參數(shù)來表征形位誤差，可使測量設(shè)備簡單，測量過程簡化，從而提高測量效率，有較好的經(jīng)濟效果。檢測原則四：測量跳動原則。該原則是在被測要素繞基準軸線回轉(zhuǎn)過程中，相對于某參考點或線的變化情況來表示跳動值的一種原則。檢測原則五：控制實效邊界原則。圖樣上按最大實體狀態(tài)給出形位公差時，通常用綜合量規(guī)來檢驗被測要素。檢測7原則五即用綜合量規(guī)檢測的原則。4 圓度誤差的評定4.1 圓度誤差的評定方法及比較測量曲軸輪廓是評定圓度誤差的依據(jù)，對于同以測量輪廓來說，選取不同的圓度評定中心，將會得到不同的半徑差值，即不同的圓度誤差值，圓度誤差的評定方法有最小外接圓法（MCC） 、最大內(nèi)切圓法（MLC） 、最小包容區(qū)域法（MZC）以及最小二乘圓法（LSC）最小區(qū)域中心是包容同一測量輪廓且半徑差為最小的兩個同心圓的圓心，其半徑差即為圓度誤差，這就是最小條件原則評定的方法以。下面介紹兩種常用的評定方法，從中選出適合于評定曲軸圓度的評定方法。1） 單 純 形 法單 純 形 法 試 圖 從 其 它 方 法 得 到 的 結(jié) 果 作 初 始 值 來 搜 索 最 小 圓 度 值 。 但 除 非 在 很多 方 向 上 進 行 交 替 搜 索 后 得 到 證 實 ， 否 則 就 很 難 說 ， 這 樣 得 來 的 值 是 不 是 真 實 的 最小 值 。2） 最 小 二 乘 法最 小 二 乘 法 已 是 眾 所 周 知 并 應(yīng) 用 于 很 多 領(lǐng) 域 。 在 此 情 況 下 ， 在 忽 略 二 次 項 使 方程 線 性 化 時 ， 可 獲 得 簡 單 最 小 二 乘 圖 。 這 在 很 多 場 合 是 適 用 的 。3） 直 覺 法當(dāng) 數(shù) 據(jù) 為 均 布 時 ， 直 覺 法 是 簡 便 的 。 和 最 小 二 乘 法 相 比 ， 這 種 方 法 亦 同 樣 有 效 。4） 圓 的 一 般 二 次 方 程 式 法在 圓 的 一 般 二 次 方 程 的 解 法 中 ， 擴 展 了 一 個 新 的 標 準 。 它 考 慮 到 由 橢 圓 的 特 性而 來 的 偏 差 平 方 和 并 使 之 最 小 。 與 最 小 二 乘 法 不 同 ， 這 里 并 未 忽 略 二 次 項 但 擴展 了 一 個 新 的 標 準 。 這 樣 方 法 亦 與 最 小 二 乘 法 一 樣 有 效 。5） 最 佳 橢 圓 逼 近 法在 最 佳 橢 圓 逼 近 法 中 確 定 了 最 佳 逼 近 橢 圓 中 心 并 以 這 個 中 心 確 定 圓 度 。 這 一 方法 的 優(yōu) 點 在 于 給 出 了 誤 差 最 大 的 方 向 (橢 圓 的 長 軸 方 向 )。綜 上 所 述 ， 應(yīng) 該 注 意 使 用 所 提 及 的 任 一 種 方 法 皆 不 會 失 去 太 多 的 精 度 。 可 是 ，為 要 確 定 最 小 半 徑 差 的 中 心 ， 就 需 要 在 各 不 同 方 向 用 單 純 形 法 搜 索 。4.2 最小二乘法評定圓度8最小二乘圓是一個穿過實際被測輪廓的圓，它是一個理想化的圓，它所處的位置使實際被測輪廓上各測點至它的距離的平方之和為最小。其圓心稱為最小二乘圓圓心。以中心為基準，畫出包容圓圖形的兩個同心圓，以半徑差作為圓度誤差，從誤差理論上來看，以最小二乘圓作為評定基準是最合理的，其特點是圓度誤差的數(shù)值和中心位置均是唯一的，評定結(jié)果不易受到個別大誤差的影響，能反映出整個實際輪廓的情況。并作為圓度細化項目的基礎(chǔ)測量中心 O 為測量實際被測輪廓時所采用的坐標系的，令最小二乘圓圓心的直角坐標為 G（a，b）,按直角坐標系獲得實際被測輪廓上各測點的坐標為 Pi(xi,yi),按極坐標系獲得實際被測輪廓上各測點的坐標為 ,則最小二乘圓圓心的坐標值()iipr?a 和 b 按下式計算 : 1112cosinniiiini iiiaxrby????式中 n——測點數(shù)目最小二乘圓的半徑 R 按下式計算：1niiRr?（1）取最大二乘圓圓心至實際被測輪廓的最大距離 與最小距離 之差作為圓度誤maxinR差值 ，即 。LSfmaxinLSfR??因為用最小二乘法評定圓度誤差時，評定時的數(shù)值和中心位置均是唯一的，評定結(jié)果不易受到個別誤差的影響，能反映出整個實際輪廓的情況。所以曲軸主軸圓度的誤差評定方法選用最小二乘法來評定。9圖 2 最小二乘圓Figure2 Least square circle4.3 原始數(shù)據(jù)的處理因一個回轉(zhuǎn)體零件，其橫截面輪廓是否為一正圓，需要與理想圓進行比較后，才能得正確結(jié)論。又根據(jù)上述論證選取最小二乘法來評定。如果一條圓周線把在一圓形工件所采集的 n 個點進行采樣的數(shù)據(jù)擬合起來，使得這些點到圓周曲線上的距離的平方和為最小，這個圓就是最小二乘圓，如圖所示。已知 O 點是傳感器掃描機構(gòu)的回轉(zhuǎn)中心；a、b 分別是理想圓的圓心橫坐標及縱坐標；e 是圓心至回轉(zhuǎn)中心的距離。以 O為坐標原點，等間隔地圓周 n 等分，測得極坐標為（ ） ，其中 i＝1,2,3…，n,由,ir?圖（3）可知， ，其中 為測量點至理想圓的偏差。iiirLp??i圖 3 坐標圖Figurre 3 Coordinates map最小二乘法的原理可寫為1021()minniiirL???（2） 為使輪廓圓與理想圓之間的面積最小，應(yīng)滿足：22200minin()pdrLd????????（3）由上圖可知： 22cos()sin()LeaRea???????a 是線段 e 與水平方向的夾角，由于 emin)min=P1Elsemin=P y△=max-minPrint f(“%”，△)｝圖 10 程序框圖Figure 10 Process diagram9 測量精度分析該測量系統(tǒng)的精度主要取決于以下幾個方面：1)工件中心孔的圓度誤差24因為工件跟隨三爪卡盤進行旋轉(zhuǎn)，在裝夾工件時，由于中心孔的圓度誤差會引起裝夾誤差，最后導(dǎo)致測量誤差。采用研磨中心孔的辦法可以使該誤差降到最低，一般可以使誤差小于 0.65um。2)側(cè)頭安裝位置引起的測量誤差由于側(cè)頭安裝時可能產(chǎn)生偏移，其測量誤差約為 0.04um。3)圓度測量儀的實際測量精度取決于裝置在制造過程中的材料的選用，加工精度，組裝情況和使用過程中的調(diào)整好壞，在制造過程中，關(guān)鍵在于傳動絲桿和測桿的加工和組裝。10 結(jié)束語畢業(yè)設(shè)計是大學(xué)本科教育最后一個重要的實踐環(huán)節(jié)，這次畢業(yè)設(shè)計是對本人知識能力水平的一次全面檢驗，是對本專業(yè)知識的一次拓展，也是本人從在學(xué)校學(xué)習(xí)向社會工作的一種很好的過渡。因為這個畢業(yè)設(shè)計的題目既是以本專業(yè)為基礎(chǔ)，優(yōu)勢在實際工作中提出的，而且涉及的知識面很廣，如在數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理等方面的理論就是在以前的學(xué)習(xí)中接觸不多的，整個設(shè)計既有機械機構(gòu)設(shè)計又有硬件，軟件的設(shè)計，這也就相應(yīng)地使我們在整個畢業(yè)設(shè)計過程中遇到了諸多困難，但在老師的幫助下，許多問題都經(jīng)過努力很好的解決了。參考文獻[1] 沈德和.臧漢榮.汽車發(fā)動機曲軸連桿軸頸圓度臨床測量的研究[J].機械設(shè)計與研究, 1993（4）：15-30[2] 王華定.兩點法測量船舶柴油機曲軸軸頸圓度誤差的研究[J].漁業(yè)現(xiàn)代化,1997（5）：10-34[3] 曾新勇.最小包容區(qū)域法處理圓度誤差的研究與實現(xiàn)[J].北京：計量技術(shù),2008（10）：60-87[4] 侯學(xué)鋒.黃富貴.田樹耀.圓度最小二乘評定結(jié)果的不確定度估計[J].北京:工具技術(shù),2008（9）：46-60[5] 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